柯宁
福建联合石化机械设备部电气运行
摘要：在石化企业的供配电系统中，变压器是供用电的重要电力设备，当给变压器采用传统方式送电时，由于变压器铁芯磁通的饱和及铁芯材料的非线性特性，其在合闸送电瞬间易产生幅值很大的励磁涌流，对整个供用电系统和设备的安全、稳定运行造成诸多危害。本文以某石油化工有限公司220kV总变电所的主变压器为例，浅析采用剩磁与偏磁互克技术的微机涌流抑制器在石化系统中的应用。
关键词：励磁涌流；偏磁与剩磁互克；微机涌流抑制器
0 引言
在石化企业的供配电系统中，变压器是供用电的重要电力设备，当给变压器采用传统方式送电时，由于变压器铁芯磁通的饱和及铁芯材料的非线性特性，变压器合闸瞬间易产生幅值较大的励磁涌流，励磁涌流的出现会给整个供用电系统和设备的安全、稳定运行带来潜在的威胁和事故隐患。
某220kV总降变电气主接线图如下：
图0-1 220kV总降变主接线示意图
220kV总降变电站的4台主变及2台厂变都为大型变压器，在随机空载投运时，由于励磁涌流过大，经常引起保护跳闸和电压扰动，对设备和电网造成不利影响。现已在#1、#2、#3、#4主变高压侧，#1、#2厂变高压侧，#3、#4发变组高压侧分别装设涌流抑制器，抑制变压器空投涌流，减少对变压器及电网的冲击。
1 变压器励磁涌流的危害
涌流是在储能元件（电感或电容）上突然加压引发暂态过程的物理现象。变压器励磁涌流产生的主要原因是在变压器任一侧突然外施电压骤增时，基于磁链守恒定理，该绕组在磁路中将产生单极性的偏磁以抵制磁链突变，如偏磁极性恰好和变压器原来的剩磁极性相同时，就可能因偏磁、剩磁和稳态磁通叠加而越过变压器的饱和磁通，从而大幅度降低变压器绕组的励磁电抗，进而诱发数值可观的励磁涌流。一般情况下，常见的涌流幅值可以达到变压器额定电流的6—8 倍, 特别是现代大容量变压器为提高效率, 节省生产成本，设计的工作磁通密度增加, 使得变压器更容易饱和，励磁涌流的情况就更为严重,其危害主要有：
（1）引发继电保护装置误动，造成变压器空投失败；
（2）空投变压器产生的“原始涌流”，诱发相邻其他正在运行的变压器产生“和应涌流”而被切除，造成在运行的机组解列；
（3）大幅值的励磁涌流产生的电动力对变压器、开关及其他电气设备寿命造成影响，增加了潜在的事故风险；
（4）导致电网电压骤升、骤降、恶化电能质量，造成变频器等对电压敏感的设备跳闸；
（5）励磁涌流中含有大量的谐波，对电网产生很大的谐波污染，导致大量电气设备工作不正常、振动、发热及增大功率损耗；
（6）励磁涌流中含有直流分量，对大量使用的电磁式电流互感器可能产生过度磁化，导致测量精度下降。
2 现有变压器励磁涌流的解决方案
励磁涌流产生的原因是变压器空载投入时，偏磁、剩磁和稳态磁通叠加而超过变压器的饱和磁通，从而大幅度降低变压器绕组的励磁电抗，进而诱发励磁涌流。此时如果没有偏磁或没有剩磁就不会导致磁通饱和，也就不会产生励磁涌流。在此，总结了四种励磁涌流的应对方法：
（1）变压器消磁。传统方法是采用直流去磁（又名消磁机），即在被消磁的变压器绕组中，正反极性通入直流电流，并逐渐减小，缩小铁芯的磁滞回环，达到消除剩磁的目的。此方法基本可以避免产生过大的励磁涌流，但前提条件是需要在变压器停电或检修时才可操作，消磁工作麻烦、不便捷，且消磁后难免会残留剩磁，效果并不理想。
（2）捕捉特定角度。其技术原理为：利用每相交流电压在峰值点（90度和270度）时分别进行合闸，此时偏磁为零，从而使磁路总磁通量低于饱和磁通值，此方法可以有效解决励磁涌流的问题。但是这种方法要求断路器三相分相操作，而且分散性小于1毫秒。一般的工矿企业设计应用中，基本都采用三相联动操作断路器投切，断路器动作时间的稳定性也很难达到小于1ms的目标，因此基于此技术的抑制手段对应用场合有较大局限性。
（3）继电保护识别。在励磁涌流已经出现的前提下，用物理和数学方法进行特征识别，通过继电保护定值的整定来“躲”，从而降低继电保护装置的误动率，也是目前工程项目普遍应用的措施。因为励磁涌流依然是客观存在的，此方案仅仅实现了降低继保误动的概率，并不能根本解决变压器励磁涌流的危害。而且由于励磁涌流形态及特征的多样性，通过数学或物理方法对其特征识别很难做到完全正确，误动的事故仍时有发生。
（4）偏磁与剩磁磁通互克。其技术原理为:变压器分闸退电时记录剩磁极性及大小,在空载投入时,通过控制电源侧电压的角度制造一个与剩磁极性相反的偏磁,剩磁与偏磁相互抵消,从而达到良好的抑制涌流的效果。该技术同时支持分相和联动操作断路器，而且对断路器的动作分散性可以允许到2～3毫秒。目前，微机涌流抑制技术已经被火电、风电和核电普遍接受并在实际工程中广泛应用。
表2.1变压器励磁涌流四种应对方法对比
3 利用涌流抑制器投切变压器的应用效果
以某220kV总降变为例，微机涌流抑制器接线示意图如下图所示，采集的模拟量有：电源侧电压TV1、受控侧电压TV3，受控侧电流TA。开入信号有：启动合闸信号、启动分闸信号、断路器辅助接点信号。开出信号有：断路器合闸信号、断路器分闸信号。
图3-1涌流抑制器接线示意图
某220kV总降变参数见下表：
表3.1变压器参数
采用微机涌流抑制器对变压器进行三次空载投切，录波及数据记录分析如下：
（1）第一次合闸录波
图3-2 第一次合闸波形图
（2）第二次合闸录波图
图3-3 第二次合闸波形图
（3）第三次合闸录波图
图3-4 第三次合闸波形图
表3.2现场投运录波数据记录表
从以上录波数据可以看出，通过涌流抑制器控制断路器空投220kV总变，合闸时二次侧最大涌流峰值为0.432A，为额定电流峰值的1.46倍，第三次合闸时涌流为0.216A，仅为额定电流峰值的0.73倍，涌流抑制效果良好。
4 结束语
采用微机涌流抑制器投切空载变压器，可有效提高操作过程的可靠性，减少谐波污染，大幅提高供电可靠性及供电质量，同时励磁涌流的抑制也使得断路器、变压器的使用寿命大大提高，延长检修周期，减少运维工作量，更为重要的是从根源上消除了“和应涌流”对运行机组造成的潜在威胁，能够产生良好的经济和社会效益。
参考文献
[1] 李琥，段乃欣，周海洋，施围，两种削弱励磁涌流的方法，继电器，2003,31（4）35-37
[2] 王维俭，电气主设备几点保护原理与应用，北京：中国电力出版社，2002
[3] 叶念国，抑制励磁涌流的新对策——偏磁与剩磁互克，
[4] 北京大学物理系《铁磁学》编写组[M]，铁磁学，科学出版社，1976.3,222-224
[5] 苏方春，张大勇，李凯，一种有效限制变压器励磁涌流的方法，电气开关，1997.NO5 6-8