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摘 要：本文主要阐述了为降低变压器空载合闸过程中产生的励磁涌流，避免引起继保装置的误动作、电能质量下降、电力设备性能下降，根据变压器产生励磁不能突变的特性，通过计算表述变压器的剩磁、合闸相位角、电阻与电感的比值等因素对变压器励磁涌流的影响。结合励磁涌流的特点，提出合理的防护措施，以达到有效减小励磁涌流幅值的办法。
关键词：变压器；励磁涌流；继电保护；误动作
中图分类号：F2
文献标识码：A
文章编号：16723198（2015）20022202
1 引言
变压器作为变换交流电压、交变电流和阻抗的器件，广泛应用于电力系统中的发电、输电和配电等各个环节，变压器的运行状况及运行寿命备受大家关注，因为它关系着整个电力系统是否能够持续稳定运行。影响变压器安全运行的原因很多，其中变压器的材料和制作工艺、流经变压器的系统短路电流、操作过电压或雷击过电压、变压器在高温环境下重载运行积累的热效应、变压器绝缘材料老化以及空载合闸变压器产生的励磁涌流等原因，是影响变压器运行状况及使用寿命的主要因素。短路电流、过电压对危害变压器的最直接、最严重的，甚至出现一次的短路或过电压就可能损坏变压器；变压器的热效应、材料的绝缘老化和励磁涌流等因素难以一次性的破坏变压器，但是这些现场频繁的出现在运行过程中，其积累效应也不容忽视。
变压器空载合闸是最常见的操作之一，在这个过程中，由于变压器铁芯磁通的饱和程度及变压器铁芯材料曲线的非线性特征，在一定的工作条件下，可能产生幅值相当大的励磁电流值。励磁涌流的产生原理，励磁涌流对变压器及供配电系统的危害，以及降低励磁涌流的危害应采取的措施等问题被广泛关注和研究，也是本次讨论的问题。
2 励磁涌流产生的原理分析
由于变压器导磁材料曲线的非线性关系（如图1所示），在一定电压下磁化电流的大小和波形将取决于铁芯的饱和程度。
图1 变压器导磁材料曲线的非线性关系
若变压器铁芯的磁通密度较低时，磁路未饱和的情况下，铁芯磁通小于饱和磁通时，励磁电流ie和磁通Φs成正比，相对较小；当变压器铁芯的磁通密度较高时，若铁芯磁通大于饱和磁通，这时的励磁电流ie和磁通Φs之间不再时线性关系，励磁电流随着磁通增加而迅速增加，且励磁电流比磁通增加的速度要快。这里应当指出，主磁通和剩磁通无论在性质上，还是在所起的作用上都是不同的。
为分析变压器的电磁本质和运行性能，掌握产生励磁涌流的理论，暂以简单的单相的变压器为分析对象进行，设合闸时刻铁芯中的剩磁为Φr，回路电压方程式为：
励磁电流将会成指数增长。励磁电流中含有的直流分量和高次谐波分量均随时间衰减，持续时间随着衰减时间常数为R/L增加而缩短。
针对于三相变压器的空载投入，由于三相电压存在电位差，三相铁芯剩磁不同，任何时刻合闸变压器，至少在两项中出现程度不同的励磁涌流。由以上三个方程式可以看出，合闸时电压波形的初相位、变压器铁芯的剩磁、变压器电阻和电感的比值、变压器的容量是决定产生励磁涌流大小和性质的主要因素，另外也于变压器的内部结构及接地与否有关。
3 励磁涌流产生的影响
变压器的励磁涌流幅值可达变压器额定电流的6～10倍，且产生大量的高次谐波分量，所以励磁涌流的不良影响及危害主要表现为以下方面：（1）峰值较大且含有大量高次谐波造成很大的振动，危及相关部件的机械性能，而且会造成很大的噪声；（2）励磁涌流较大的时，可能引起上级继电保护装置的误动作，而瞬间分断大电流还可能导致系统过电压，损害电气设备，扩大危害范围；（3）变压器合闸的励磁涌流，包含大量高次谐波会反馈至电网，可能造成电网电压和频率的波动，严重污染电能质量。铁芯的振动主要是因铁芯反复励磁引起的，励磁涌流中含有的大量高次谐波，特别是是二次谐波，容易引起共振，加激铁芯的振动，空负载投入变压器时总会听到一声激响，这一现象正是励磁涌流引起铁芯激烈振动造成的。铁芯夹的越紧，振动异响越大，所以厂家设计的铁芯夹力不会很大，而励磁涌流造成激烈振动就容易危机铁芯机械性能，虽然不至于破坏变压器结构，但这种现象的长期积累，会导致变压器机构缺陷，为其他故障导致变压器破坏提供了条件。
继电保护装置差动保护整定值的设置不可能考虑极限的励磁涌流，因为变压器、高压开关柜或者电力电缆发生故障时的电流也在保护动作考虑范围之内，变压器空载投入产生的励磁涌流，若这时也存在故障电流，继电保护装置无法分辨，从而导致继电保护装置误动作。而且，新设备在启用初期，设备灵敏度较高，必然实现任何故障的出现均会很快分断断路器，所以整定值一般较小而且动作时间很短，针对大电流速断保护动作无延时为。最常见的情况就是，现场空投变压器时继电保护动作跳闸，再次重合闸继电保護不跳闸，甚至在出险反复几次跳闸后，不得不通过改变继电保护的整定值来避开励磁涌流，这种降低保护灵敏度的做法无疑使新投入使用的设备及系统承担更大的运行风险。若励磁涌流足够大，流过的上级或并机的变压器，足以使继电保护装置越级跳闸，扩大停电范围。
变压器空载投入运行瞬间产生的励磁涌流，必然经过上级或并列运行变压器，并存在很高的直流分量，容易使上级或并列运行变压器于空载投入的变压器直接连接侧的电流互感器铁芯饱，出现较大传变误差。流经运行变压器的直流分量衰减很大，流经其他侧电流互感器受到的影响也小，运行变压器的差动保护很容易产生较大差流而误动，造成继电保护装置动作，导致运行变压器退出运行，造成电网电压和频率的波动，甚至危及电力系统的稳定性。励磁涌流中含有的大量高次谐波更是对电力系统电能质量的一种污染。
4 防护励磁涌流的措施
励磁涌流在实际运行中产生诸多不利影响，必须采取一定的措施加以抑制，现实中常用的三相电力变压器，准对起励磁涌流的特点和机制，结合运行管理部门的实际情况，制定有效的抑制措施，以减少其影响，保证电力系统正常运行。在此主要讨论以下几种抑制方法。 （1）厂家在制造变压器时，除了满足技术经济指标之外，应在变压器内部结构适当采取降低励磁涌流的措施。例如，适当降低铁芯磁通密度的工作点或加大铁芯面积，尽量使用剩磁较小的铁芯材料，设定铁芯夹紧力时充分考虑励磁涌流冲击，增加变压器绝缘强度等等。
（2）在系统配置设计时考虑以下方面：配置特性较好且匹配的避雷器保护变压器的主绝缘，防止雷击过电压；选择技术先进，制造工艺优良断路器，防止断路器在断开励磁涌流时电弧重燃；配置有较好励磁涌流闭锁性能的变压器差动保护等；采用励磁特性较好的电流互感器。
（3）对于励磁涌流冲击导致上级开关误动作的情况，研究变压器励磁涌流的特性，计算得知的励磁涌流电流约为变压器额定电流的6～10倍，对上级变电站的继电保护装置，在综合考虑电网保护上下級保护协调性的基础上，尽量增大速断保护跳闸的动作电流整定值，假如条件允许的情况下，设置在单台变压器额定电流8倍或以上，以避开单台变压器投入时励磁涌流引起的继电保护误动作。
（4）在合闸回路中串联合适的电阻来增大变压器绕组阻值，降低变压器空载投入时稳态磁通和励磁涌流的暂态持续时间。在变压器中增加滤波器，对变压器投入时产生的大量高次谐波进行抑制，减少谐波干扰，防止继电保护装置误动作，减少对电网质量的污染。
（5）为有效地抑制变压器空载合闸励磁涌流对电力系统的影响，必须降低流过变压器铁芯的磁通。对于单相变压器，α=0时合闸，市电电压波形过零点时，存在最大的磁通Φmax≈2Φm+Φr，若选择α=π2，在电压波形在波峰或者波谷的时刻投入变压器，将没有暂态磁通的存在，特别是当铁芯无剩磁时，流过变压器铁芯的磁通将按照正弦规律变化， 即Φ=Φmsinωt，此时电力系统不受励磁涌流的影响。但是针对三相电力变压器，A、B、C三相之间的相位角不同，所以励磁涌流无法完全消除。为减少三相中的励磁涌流，需要选择合适的合闸相位角，只有断路器的控制方式做相应的改变，三相才能都捕捉到电压的初相角为π2或3π2，但假设实现A捕捉到电压的初相角为π2或3π2，B、C相的合闸命令顺序错开6.67ms（相当于2π3），这是抑制励磁涌流最理想的合闸方式。但这种选相合闸中时间及相位角的确定，还必须要考虑剩磁对合闸相位角的影响，变压器在某个相位角α时磁势被切断，下次就在α时合闸，使偏磁完全抵消剩磁。并考虑感应磁通的作用，在该文中进行深入讨论，针对该技术的发展，目前已经取得很大进步，并逐步在实际中应用。
参考文献
[1]贺家李.电力系统继电保护原理（第四版）[M].北京：中国电力出版社，2010.
[2]变压器制造技术丛书编委会.变压器铁芯制造工艺[M].北京：机械工业部，1998.
[3]谢硫城.电力变压器手册[M].北京：机械工业部出版社，2003.
[4]李英超.电力变压器励磁涌流和故障电流的仿真研究[J].继电器，2002，30（6）：2932.
[5]郝治国，张保会，褚云龙.变压器空载合闸励磁涌流抑制技术研究[J].高压电器，2005，41（2）：8184.
[6]姜军，王志超.变压器励磁涌流的危害及抑制方法[J].北华大学学报（自然科学版），2007，8（5）：469471.
关键词：变压器；励磁涌流；继电保护；误动作
中图分类号：F2
文献标识码：A
文章编号：16723198（2015）20022202
1 引言
变压器作为变换交流电压、交变电流和阻抗的器件，广泛应用于电力系统中的发电、输电和配电等各个环节，变压器的运行状况及运行寿命备受大家关注，因为它关系着整个电力系统是否能够持续稳定运行。影响变压器安全运行的原因很多，其中变压器的材料和制作工艺、流经变压器的系统短路电流、操作过电压或雷击过电压、变压器在高温环境下重载运行积累的热效应、变压器绝缘材料老化以及空载合闸变压器产生的励磁涌流等原因，是影响变压器运行状况及使用寿命的主要因素。短路电流、过电压对危害变压器的最直接、最严重的，甚至出现一次的短路或过电压就可能损坏变压器；变压器的热效应、材料的绝缘老化和励磁涌流等因素难以一次性的破坏变压器，但是这些现场频繁的出现在运行过程中，其积累效应也不容忽视。
变压器空载合闸是最常见的操作之一，在这个过程中，由于变压器铁芯磁通的饱和程度及变压器铁芯材料曲线的非线性特征，在一定的工作条件下，可能产生幅值相当大的励磁电流值。励磁涌流的产生原理，励磁涌流对变压器及供配电系统的危害，以及降低励磁涌流的危害应采取的措施等问题被广泛关注和研究，也是本次讨论的问题。
2 励磁涌流产生的原理分析
由于变压器导磁材料曲线的非线性关系（如图1所示），在一定电压下磁化电流的大小和波形将取决于铁芯的饱和程度。
图1 变压器导磁材料曲线的非线性关系
若变压器铁芯的磁通密度较低时，磁路未饱和的情况下，铁芯磁通小于饱和磁通时，励磁电流ie和磁通Φs成正比，相对较小；当变压器铁芯的磁通密度较高时，若铁芯磁通大于饱和磁通，这时的励磁电流ie和磁通Φs之间不再时线性关系，励磁电流随着磁通增加而迅速增加，且励磁电流比磁通增加的速度要快。这里应当指出，主磁通和剩磁通无论在性质上，还是在所起的作用上都是不同的。
为分析变压器的电磁本质和运行性能，掌握产生励磁涌流的理论，暂以简单的单相的变压器为分析对象进行，设合闸时刻铁芯中的剩磁为Φr，回路电压方程式为：
励磁电流将会成指数增长。励磁电流中含有的直流分量和高次谐波分量均随时间衰减，持续时间随着衰减时间常数为R/L增加而缩短。
针对于三相变压器的空载投入，由于三相电压存在电位差，三相铁芯剩磁不同，任何时刻合闸变压器，至少在两项中出现程度不同的励磁涌流。由以上三个方程式可以看出，合闸时电压波形的初相位、变压器铁芯的剩磁、变压器电阻和电感的比值、变压器的容量是决定产生励磁涌流大小和性质的主要因素，另外也于变压器的内部结构及接地与否有关。
3 励磁涌流产生的影响
变压器的励磁涌流幅值可达变压器额定电流的6～10倍，且产生大量的高次谐波分量，所以励磁涌流的不良影响及危害主要表现为以下方面：（1）峰值较大且含有大量高次谐波造成很大的振动，危及相关部件的机械性能，而且会造成很大的噪声；（2）励磁涌流较大的时，可能引起上级继电保护装置的误动作，而瞬间分断大电流还可能导致系统过电压，损害电气设备，扩大危害范围；（3）变压器合闸的励磁涌流，包含大量高次谐波会反馈至电网，可能造成电网电压和频率的波动，严重污染电能质量。铁芯的振动主要是因铁芯反复励磁引起的，励磁涌流中含有的大量高次谐波，特别是是二次谐波，容易引起共振，加激铁芯的振动，空负载投入变压器时总会听到一声激响，这一现象正是励磁涌流引起铁芯激烈振动造成的。铁芯夹的越紧，振动异响越大，所以厂家设计的铁芯夹力不会很大，而励磁涌流造成激烈振动就容易危机铁芯机械性能，虽然不至于破坏变压器结构，但这种现象的长期积累，会导致变压器机构缺陷，为其他故障导致变压器破坏提供了条件。
继电保护装置差动保护整定值的设置不可能考虑极限的励磁涌流，因为变压器、高压开关柜或者电力电缆发生故障时的电流也在保护动作考虑范围之内，变压器空载投入产生的励磁涌流，若这时也存在故障电流，继电保护装置无法分辨，从而导致继电保护装置误动作。而且，新设备在启用初期，设备灵敏度较高，必然实现任何故障的出现均会很快分断断路器，所以整定值一般较小而且动作时间很短，针对大电流速断保护动作无延时为。最常见的情况就是，现场空投变压器时继电保护动作跳闸，再次重合闸继电保護不跳闸，甚至在出险反复几次跳闸后，不得不通过改变继电保护的整定值来避开励磁涌流，这种降低保护灵敏度的做法无疑使新投入使用的设备及系统承担更大的运行风险。若励磁涌流足够大，流过的上级或并机的变压器，足以使继电保护装置越级跳闸，扩大停电范围。
变压器空载投入运行瞬间产生的励磁涌流，必然经过上级或并列运行变压器，并存在很高的直流分量，容易使上级或并列运行变压器于空载投入的变压器直接连接侧的电流互感器铁芯饱，出现较大传变误差。流经运行变压器的直流分量衰减很大，流经其他侧电流互感器受到的影响也小，运行变压器的差动保护很容易产生较大差流而误动，造成继电保护装置动作，导致运行变压器退出运行，造成电网电压和频率的波动，甚至危及电力系统的稳定性。励磁涌流中含有的大量高次谐波更是对电力系统电能质量的一种污染。
4 防护励磁涌流的措施
励磁涌流在实际运行中产生诸多不利影响，必须采取一定的措施加以抑制，现实中常用的三相电力变压器，准对起励磁涌流的特点和机制，结合运行管理部门的实际情况，制定有效的抑制措施，以减少其影响，保证电力系统正常运行。在此主要讨论以下几种抑制方法。 （1）厂家在制造变压器时，除了满足技术经济指标之外，应在变压器内部结构适当采取降低励磁涌流的措施。例如，适当降低铁芯磁通密度的工作点或加大铁芯面积，尽量使用剩磁较小的铁芯材料，设定铁芯夹紧力时充分考虑励磁涌流冲击，增加变压器绝缘强度等等。
（2）在系统配置设计时考虑以下方面：配置特性较好且匹配的避雷器保护变压器的主绝缘，防止雷击过电压；选择技术先进，制造工艺优良断路器，防止断路器在断开励磁涌流时电弧重燃；配置有较好励磁涌流闭锁性能的变压器差动保护等；采用励磁特性较好的电流互感器。
（3）对于励磁涌流冲击导致上级开关误动作的情况，研究变压器励磁涌流的特性，计算得知的励磁涌流电流约为变压器额定电流的6～10倍，对上级变电站的继电保护装置，在综合考虑电网保护上下級保护协调性的基础上，尽量增大速断保护跳闸的动作电流整定值，假如条件允许的情况下，设置在单台变压器额定电流8倍或以上，以避开单台变压器投入时励磁涌流引起的继电保护误动作。
（4）在合闸回路中串联合适的电阻来增大变压器绕组阻值，降低变压器空载投入时稳态磁通和励磁涌流的暂态持续时间。在变压器中增加滤波器，对变压器投入时产生的大量高次谐波进行抑制，减少谐波干扰，防止继电保护装置误动作，减少对电网质量的污染。
（5）为有效地抑制变压器空载合闸励磁涌流对电力系统的影响，必须降低流过变压器铁芯的磁通。对于单相变压器，α=0时合闸，市电电压波形过零点时，存在最大的磁通Φmax≈2Φm+Φr，若选择α=π2，在电压波形在波峰或者波谷的时刻投入变压器，将没有暂态磁通的存在，特别是当铁芯无剩磁时，流过变压器铁芯的磁通将按照正弦规律变化， 即Φ=Φmsinωt，此时电力系统不受励磁涌流的影响。但是针对三相电力变压器，A、B、C三相之间的相位角不同，所以励磁涌流无法完全消除。为减少三相中的励磁涌流，需要选择合适的合闸相位角，只有断路器的控制方式做相应的改变，三相才能都捕捉到电压的初相角为π2或3π2，但假设实现A捕捉到电压的初相角为π2或3π2，B、C相的合闸命令顺序错开6.67ms（相当于2π3），这是抑制励磁涌流最理想的合闸方式。但这种选相合闸中时间及相位角的确定，还必须要考虑剩磁对合闸相位角的影响，变压器在某个相位角α时磁势被切断，下次就在α时合闸，使偏磁完全抵消剩磁。并考虑感应磁通的作用，在该文中进行深入讨论，针对该技术的发展，目前已经取得很大进步，并逐步在实际中应用。
参考文献
[1]贺家李.电力系统继电保护原理（第四版）[M].北京：中国电力出版社，2010.
[2]变压器制造技术丛书编委会.变压器铁芯制造工艺[M].北京：机械工业部，1998.
[3]谢硫城.电力变压器手册[M].北京：机械工业部出版社，2003.
[4]李英超.电力变压器励磁涌流和故障电流的仿真研究[J].继电器，2002，30（6）：2932.
[5]郝治国，张保会，褚云龙.变压器空载合闸励磁涌流抑制技术研究[J].高压电器，2005，41（2）：8184.
[6]姜军，王志超.变压器励磁涌流的危害及抑制方法[J].北华大学学报（自然科学版），2007，8（5）：469471.