摘要：变压器在轻载或者空载的情况下合闸通电，可能导致一次绕组励磁涌流。励磁涌流对变压器自身和电网的电能质量都有不利影响，特殊情况下会导致保护装置误动作。文章介绍了一起由于变压器励磁涌流导致的跳闸案例，介绍了其发生的特殊性，并作出后续建议，为生产实践中提出了指导意见。
关键词：变压器；励磁涌流；保护整定；分析
0 引言
变压器是电力系统中重要的设备，它的安全性和稳定性对整个电力系统的运行极为重要。稳态运行时，变压器的励磁电流只有其额定电流的1%-2%。但当变压器空载投入电网时由于变压器铁心磁通的饱和以及铁心材料的非线性特征，会产生很大的励磁涌流，其幅值达到额定电流的数十倍[1]。励磁涌流对电网危害很大：首先由于冲击电流较大，合闸瞬间对线圈产生较大的电动力。在最不利的情况下，会使得变压器部分构件产生位移，甚至可能破坏线圈间的联结和线圈与端子的联结，导致绕组开路[2]。同时，励磁涌流可能会引起差动保护误动作；励磁涌流中的谐波成分有可能造成系统在特定频率下的谐振，且对电网的电能质量产生非常不利的影响；励磁涌流中的直流分量会在电机上产生振荡性质的机械转矩，会增加电机的振荡进而影响其使用寿命[3]。
1 变压器励磁涌流基本原理
由于变压器铁芯材料励磁特性的非线性。当铁芯磁通Φ小于饱和磁通Φs时，励磁电流ie很小，当Φ＞Φs时，励磁电流ie随着磁通Φ的增加而迅速增加，该曲线也被称为磁饱和特性曲线。
在不考虑剩磁的情况下，若合闸初相角等于90度，即在系统电压峰值时刻合闸，则流过变压器铁芯的磁通将按照正弦规律变化，暂态量不存在，直接进入稳态磁通变化曲线。该情况下为励磁涌流值最小、理论合闸最理想状况。若合闸初相角等于0，则产生最大的励磁涌流。
目前关于励磁涌流的抑制手段上并未取得较大实质性成果。
2 某水电站励磁涌流案例介绍
2.1 厂用电接线方式
某水电站厂用电系统采用10kV、400V两级电压供电，厂内共设置6段10kV母线，由6个厂内独立电源点向其供电、2个外来电源点备用；相邻母线间设置有联络开关。正常运行方式下，各10kV母线分段运行，10kV母线备自投功能未投入，主用电源失电后，只能通过手动进行电源倒换。该事件即发生于10kV 906M倒厂用电过程中，10kV 906M部分接线图见图1。
10kV厂用电系统经自用变压器变为400V电压等级后供各部负荷用电，其中较重要的配电盘设置为双段母线供电，并设有联络开关。正常方式下，两段400V母线分段运行，其中一段主用电源消失后，备自投装置动作使母线转联络运行，迅速恢复失电负荷供电。
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图1 10kV 906M部分接线图
2.2 励磁涌流造成开关跳闸动作过程
因运行方式安排，需对10kV 906M进行厂用电倒闸操作，由926开关供电转为由外来施工电源9002供电，9002开关上级为电网侧971开关。
19:55检查906M下级400V配电盘备自投装置均正常运行，检查9002进线电压正常，906M具备倒闸条件；
20:03拉开906M进线开关926，确认906M三相电压均为0后，合上906M外来施工电源供电开关9002，检查开关合闸正常，但此时906M母线电压及9002开关进线侧电压均为0，母线配置的弧光保护动作，有9002开关进线过流报警信号。经电话确认对侧开关971发生跳闸，保护报警信息为过流Ⅰ段动作；
20:10拉开906M外来施工电源供电开关9002，对侧试合971开关正常，说明电网侧馈线回路无故障。通知检修班组对外来施工电源开关9002本体进行检查。同时为了避免10kV母线长时间停电，重新合上926开关对母线进行供电，926操作合闸正常、母线充电正常。
22:05电气班组完成各部试验，交代母线及9002开关绝缘均满足各项规程规定要求，并未发现故障点。
考虑倒厂用电时的操作步骤为：检查906M下级各400V配电盘备自投装置运行正常后，将相应变压器低压侧400V开关拉开，然后进行倒电操作，即在将9002合闸对906M送电时，仍有44B、352B、361B、54B共四台变压器与906M直接相连，对906M充电的同时，也对4台变压器进行了空载合闸操作，必然有励磁涌流的存在。随即令保护班组查询故障录波信息，检查冲跳对侧开关是否由于励磁涌流造成。
3 励磁涌流造成开关跳闸结论
3.1励磁涌流造成开关跳闸数据分析
保护班组调取故障录波送电时刻波形得知，在重新合上926开关对906M充电瞬间，由于4台空载变压器仍然与母线直接相连，所以926开关电流波形存在明显的励磁涌流及其衰减的过程，见图2。
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图2 926开关合闸后电流波形
可见，在用926开关对906M充电时刻，励磁涌流最大值为C相（二次值2.632A），其次为B相（二次值2.577A），A相最小（二次值1.192A），说明926合闸瞬间，B、C相的值接近，且大于A相，与图3中故障录波电压波形吻合。四台变压器的额定电流之和为0.495A（二次值），C相励磁涌流值最大，但仅为额定电流值的5.3倍，并未达到理论最大值6-8倍，说明三相的合闸初相角均不为0，也与图3相吻合。
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图3 926开关合闸时刻电压初相角波形
由于电网侧开关971以及本侧9002开关电流波形并未接入故障录波装置，因此无法直接还原971开关合闸瞬间的励磁涌流情况。
经确认对侧971开关过流Ⅰ段定值整定情况，其动作值低于926开关合闸瞬间的冲击电流值，且971开关过流Ⅰ段不经时间闭锁直接出口跳闸。因此可以推断出在971合闸瞬间，4台变压器同时产生的励磁涌流导致开关保护动作出口。
查询本侧施工电源本侧进线开关9002保护装置：过流Ⅰ段定值为3.23A，且其动作出口时间定值为1.2s，在电流定值与时间整定上均可避开此次励磁涌流最大值，故在由施工电源充电时，本侧9002开关并未跳闸。926开关与各10kV馈线开关定值也均能躲过自身涌流值，因此励磁涌流流经的所有开关中，唯有对侧开关971定值配置不合理，未能躲过厂用电励磁涌流值，导致跳闸。
3.2后续建议
就目前研究水平和手段，尚不能消除和抑制励磁涌流，只能通过优化操作方式和完善保护整定的手段来避免其误跳闸：
首先，从操作上尽可能减小励磁涌流的产生，在手动倒厂用电时，若涉及充电系统较薄弱、抗冲击能力较小的情况，可在倒电之前将带变压器的10kV馈线开关拉开，电源倒换结束后再逐个合闸送电，以避免多台变压器同时产生励磁涌流的情况发生。
其次，由于后续10kV备自投装置投运，10kV母线的主用电源消失后，会自动转换为备用电源供电，此时再无法避免多台变压器同时合闸送电的情况，因此申请电网修改对侧971开关的保护整定值，并为过流Ⅰ段保护设置延时以等待励磁涌流的衰减，从而避免保护装置误动作造成送电不成功。
在971开关保护装置整定完善后，经过后期多次运行倒闸操作验证，开关均能够正确躲过整段母线上所有变压器同时发生励磁涌流时的电流冲击，供电可靠性得到较大改善。
4 结语
本文通过波形研究和数据分析，验证了变压器励磁涌流对于电力生产存在的实际危害，并通过验证理论研究和实际问题之间的吻合度，说明了空载变压器合闸初相角与励磁涌流电流值之间存在的必然联系。针对实际操作过程中可能产生励磁涌流的情况，提出了操作优化意见，减小系统冲击，提高送电成功率，同时通过优化保护整定情况，在确保故障情况下动作的可靠性的同时尽可能地躲避励磁涌流，避免装置误动作。
在实际生产过程中发生异常情况后，可借助故障录波装置对异常发生时刻的各电气量进行分析比对，根据比对结果和系统结构进行分析，往往能够快速、精确地判断异常发生的原因，对于事故处置有极大的帮助作用。本文为运行人员分析与处理后续类似事件也起到了很好的借鉴作用
参考文献
[1] 许建安.电力系统继电保护[M].北京:中国水利电力出版社,2003.
[2] (英)马丁J?希思科特.变压器实用技术大全[M].12版.王晓莺等译.北京：机械工业出版社,2004.
[3] Khalifah Al A K, Saadany El E F. Investigation of magnetizing inrush current in a single-phase transformer[C].Proceedings of the Large Engineering Systems. Conference on Power Engineering, 2006: 165-171.
[4] 王维俭，侯炳蕴，大型机组继电保护理论基础 [M]（第2 版），北京电力出版社.