李钰真
大唐国际发电股份有限公司北京高井热电厂 北京 100041
摘 要：本文从生产实际工作出发，较为详细地分析了变压器空载合闸过程中，产生励磁涌流及和应涌流的原因、特点，以及由此产生的影响，并提出了多种现场目前可以采取的防范措施。
关键词： 变压器 ?剩磁 偏磁 空载合闸 励磁涌流 和应涌流 继电保护?? 差动保护 预防措施
1. 引言
变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止电器，用于电能的传输，是交流电输配系统中的重要电气设备。当变压器空载合闸时，会产生很大的电流，通常被称为励磁涌流。目前国内外的大型发电企业电气接线方式多是同一高压母线上级联多台变压器为主。在这种接线方式下，当一台变压器空载合闸时，其产生的励磁涌流容易引起运行中的主变压器及其级联的高压厂用变压器、甚至发电机继电保护装置出现保护误动引起机组或发变组跳闸。本文深入分析了变压器空投时励磁涌流产生的原因，并提出了降低励磁涌流的常用措施，以及励磁涌流产生后，防止继电保护装置误动的预防措施。
2. 励磁涌流及和应涌流产生的原因分析
当电厂或变电站内母线上设计连接两台或多台大型变压器时，如果其中一台变压器进行空载合闸，在该变压器铁芯中将产生各种磁通，这些磁通主要是指稳态磁通、偏磁和剩磁。其中，稳态磁通的数值和电源电压有关。
2.1 偏磁产生的原因分析
变压器任一侧绕组感受电压突变的瞬间，根据磁链守恒定律（楞次定律），任何电感线圈磁路中的磁链将维持不变。
由此可写出初级绕组的电压方程
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即电源投入瞬间变压器磁路中的磁通除了含有余弦波形的稳态值-ΦmCosωt磁通外，还有一个数值为稳态磁通幅值Φm的偏磁Φp。对有损（R1>0）变压器则会按绕组的时间常数衰减，L1为初级绕组的电感。即偏磁的大小和极性取决于给变压器施加电压瞬间的电源电压相位角，即合闸角。
2.2 剩磁产生的原因分析
任何铁磁材料在去掉外施的磁势后都会留有剩磁，剩磁的数值及极性取决于切断磁势瞬间的磁通数值及极性。当然，剩磁的大小还与铁磁材料的特性有关。图1是铁磁材料的磁滞曲线，从曲线中不仅看到磁路的饱和特性，还可以发现当磁势H为零时，磁通密度B并不为零，而是还有一个值Br，这就是剩磁。研究表明剩磁的大小和极性主要取决于切断变压器电源时的相位角，即分闸角。
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2.3 产生励磁涌流及和应涌流的原因分析
正是由于稳态磁通、偏磁和剩磁组成的合成磁通，在变压器铁芯磁路进入饱和状态时导致其导电绕组的电抗急剧下降，形成饱和磁通，然而饱和磁通是设计变压器时确定的，它取决于铁芯材料的磁导率、磁路截面及磁路长度等因素。当空载变压器合闸于系统后，在其铁芯中的各种合成磁通值超过磁路的饱和磁通时就是产生励磁涌流的真正原因。与此同时，在与其并联运行的其它中性点接地变压器绕组中也将出现浪涌电流，称作和应涌流。图2为多台变压器并联运行的等效电路模型图，假设T1为准备空载投入的运行变压器，Tn为运行中的变压器，其中Us为无穷大系统，Rs和Xs为系统电阻和电感，is＝i1+……+in。亦即如果当1号主变空载投运时不但在1号主变高压侧产生励磁涌流，而且在运行中的n号变压器高压侧接地绕组中都将产生和应涌流。
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3 励磁涌流及和应涌流的特点
3.1 变压器空载合闸所产生的励磁涌流含有很大的直流分量和大量的非周期分量，其主要特点是：
(1)包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴的一侧。
(2)包含有大量的高次谐波分量，并以二次谐波为主。
(3)励磁涌流波形出现间断角。
(4) 励磁涌流在初始阶段数值很大，以后逐渐衰减。其波形如图3所示，其中从上至下顺序波形分别为：主变高A相（黄色）最大有效值0.69A、主变高B相（绿色）最大有效值0.24A、主变高C相（红色）最大有效值0.53A、主变接地中性线N相（蓝色）最大有效值0.26A、A高厂变高压侧A相（黄色）最大有效值0.37A。
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3.2 由于变压器励磁涌流中的直流分量流经其并联或级联的中性点接地变压器的励磁电抗，使变压器铁芯趋向饱和，从而产生相应的和应涌流。和应涌流与励磁涌流密切相关，交替产生。当变压器的励磁涌流处于峰值附近时，母线电压的瞬时值较低，此时不会产生和应涌流；当变压器的励磁涌流处于间断期间，励磁涌流为零；母线电压恢复到额定电压附近，变压器在励磁涌流的直流分量和高电压共同作用下将产生和应涌流。其主要特点是：
(1) 相对于励磁涌流而言，和应涌流是在空投变压器发生合闸操作后的几个或十几个周期内开始出现，为负(反)向的，并在时间轴上交错。即当变压器空载合闸而铁芯为正向饱和时，并联运行变压器的铁芯趋向反向饱和。
(2) 1号主变由初始的不饱和状态逐渐过渡到饱和状态，和应涌流将由小到大逐步增长，和应涌流的大小与励磁涌流的大小有关，衰减速度比常规的励磁涌流更加缓慢。
(3)和应涌流的产生本质也是由于偏磁和剩磁的累积导致变压器饱和而引起，因此和应涌流的波形特征与常规的励磁涌流并无显著差异，例如呈现尖顶波、具有间断角等特征，只是变化趋势和衰减速度不同而已。
4 变压器空投涌流产生的影响
变压器空投时产生的励磁涌流及和应涌流产生的影响：
(1) 由于和应涌流方向相对于励磁涌流方向相反，当系统中某台变压器空载合闸时，因励磁涌流产生的零序电流将通过同一母线上所有接地变压器中性点、大地进入运行中的变压器。即1号变压器高压侧接地零序电流I01的方向，与其余运行中的变压器因和应涌流产生的接地零序电流I02-I0N，方向如图4所示，两者流向相反。一旦出现零序电流幅值足够大和持续时间足够长的情况，就有可能引起运行中的变压器零序过流保护误动跳闸。
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(2) 由于大容量有损变压器空载合闸的暂态过程持续时间长，励磁涌流的衰减时间长，空载投运的变压器可能因为励磁涌流未得到有效制动而导致差动保护误动。又因和应涌流增长较缓慢，运行中的变压器差动保护也有可能在变压器空载合闸一段时间后，由于和应涌流而导致差动保护误动跳闸。
(3)由于空投变压器带来励磁涌流及和应涌流的产生，对运行中的发电机组电压、有功功率、无功功率等电气量都会产生一定的影响，如果机组自动励磁调节器AVR中电力系统稳定控制器PSS或DEH协调控制系统参数没有调节好，很有可能导致运行机组有功功率长时间、低频率振荡，一旦机组协调控制不好，严重时可能导致继电保护误动作跳机。
5 针对涌流产生的后果应采取的预防措施
5.1 利用全自动消磁设备进行变压器消磁，以减少变压器铁芯剩磁。
现场经常使用GY-3610、TD-703等型号的全自动电力变压器消磁机是消除大型电力变压器直流电阻试验后剩磁的专用设备，对保护电力变压器免受励磁涌流冲击和安全投运有极其重要的作用。一般用电源线把仪器与外部AC220V电源连接，用接地线将接地端子与大地连接，消磁输出端子接变压器高压侧的被消磁相。
5.2 采用微机型涌流抑制器进行涌流抑制。
理论证明变压器剩磁磁路极性和数值与断开电源时的分闸相位角有关，偏磁的极性和数值则与施加电源时的合闸相位角有关。因此，控制变压器断开时的相位能够减少剩磁，控制变压器合闸时的相位能够减少偏磁。对变压器分、合闸均进行控制，可以将空投变压器时产生的偏磁和剩磁抑制在可接受的范围。
5.3 合理设置变压器、发电机分相差动保护定值（适用于较高电压等级的变压器和发电机）。
(1)变压器分相差动保护定值：按照《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》5.1.3.2变压器纵差保护动作特性参数的计算规定，带比率制动特性的纵差保护动作特性，通常用直角坐标系上的一条折线表示（大型变压器为提高保护灵敏度大多采用双斜率比例差动保护），这一动作特性曲线由无制动最小差动动作电流Iop.min、起始制动电流（拐点）Ires.0、折线的斜率S三个参数所确定。 在工程实用整定计算中Iop.min=（0.2～0.5）IN/na，Ires.0=（0.8～1.0）IN/na，斜率S的整定要求纵差保护的动作电流应大于外部短路时流过差动回路的不平衡电流，要求灵敏系数大于或等于2。当前国内大型变压器微机差动保护大多采用二次谐波制动比来防止励磁涌流误动，根据经验，一般整定为15％～20％。鉴于大型变压器空载合闸后引起过多次变压器差动保护误动的事实，以及实际上大型变压器二次谐波比例越来越小，必要时变压器差动保护二次谐波制动比整定范围10％～12％，Iop.min整定为0.5 IN/na。
(2)发电机分相差动保护定值：按照《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》4.1.1发电机比率制动式纵差保护动作特性参数的计算规定，这一动作特性曲线由无制动最小差动动作电流Iop.min、起始制动电流（拐点）Ires.0、折线的斜率S三个参数所确定。 实际可取Iop.0=（0.1～0.3）Ig/na，Ires.0=（0.8～1.0）Ign/na，斜率S的整定要求当发电机机端两相金属性短路时差动保护的灵敏系数大于等于2.
5.4 合理设置变压器零序电流保护定值。
按照《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》5.6.1中性点直接接地的变压器接地保护规定可由两段式零序电流保护构成。I段零序过电流继电器的动作电流应与相邻线路零序过电流保护第I段或第II段或快速主保护相配合，220kV及500kV变压器高压侧I段零序过电流保护只设一个时限，断开变压器本侧断路器。II段零序过电流继电器的动作电流应与相邻线路零序过电流保护的后备段相配合，灵敏系数大于等于1.5。从图3的220kV主变空载合闸时主变高N相电流录波图显示二次最大有效值约0.26A表明，变压器零序电流保护定值整定值不宜过小，否则就有可能发生误动的可能。
5.5 合理设置自动励磁调节器AVR中的PSS控制参数。
每当一台大型变压器空载投运时，会给系统突加一个很大的无功负荷，造成系统电压、有功功率、无功功率等电参数发生低频率振荡，给发电机转速调节（DEH数字电液控制系统）造成压力，在机组没有投入PSS之前，这种操作会造成其它发电机组电气量长达约120秒的明显波动，经现场录波显示该波动属于低频振荡范畴，如果波动时间过长、波动幅度过大，势必影响继电保护误动。
经过华北电科院现场测试和参数优化试验，高井热电厂5台机组均完成了励磁系统的无补偿频率响应特性和有补偿频率响应特性的测量，设计整定了PSS参数，电网公司要求机组在大于或等于最低稳燃负荷（30～40％Pn）下投入PSS功能，使之满足在整个低频振荡频率段上均能提供良好的正阻尼，将运行机组的低频振荡抑制在初始的2-3秒钟内。
6 结束语
针对大型变压器空载合闸所产生的励磁涌流及和应涌流的原理、显现的特性，以及由此造成相关继电保护不正确动作所带来的不良影响，这种现象应该引起我们专业技术人员对其足够的重视。本文从一次设备和二次设备等多方面、全方位提出了较多的安全防范措施，以此预防由于变压器空充时的励磁涌流及和应涌流导致变压器、发电机继电保护误动跳闸的事故发生，进一步确保发电厂、变电站电气设备的安全、稳定、经济运行。
参考资料：
［1］《电气主设备继电保护原理与应用》王维俭 北京:中国电力出版社,2002.
［2］《变压器和应涌流产生机理及其对差动保护的影响》张雪松,何奔腾,张建松 电力系统自动化,2005
［3］《变压器和应涌流的物理机理及对差动保护的影响》袁宇波,李德佳,陆于平 电力系统自动化,2005
［4］《和应涌流导致差动保护误动原因分析》毕大强,孙叶,李德佳 电力系统自动化,2007
［5］《SID-3YL励磁涌流抑制装置技术说明书》叶念国
［6］国家电力调度通信中心. 电力系统继电保护技术问答(第二版). 北京：中国电力出版社，2002
［7］《DL/T684-2012大型发电机变压器继电保护整定计算导则》国家能源局，2012
李钰真：高级工程师，继电保护专工，大唐国际发电股份有限公司北京高井热电厂设备工程部，100041,52552331