按捺变压器励磁涌流的新办法
变压器励磁涌流不只导致继电维护误动，由其衍生的电网电压骤降、谐波污染、和应涌流、铁磁谐振过电压等都给电力体系运转带来不行轻视的负面影响。数十年来人们经过辨认励磁涌流特征的办法来削减继电维护的误动率，但并未取得杰出的报答，误动率仍居高不下。至于对电压骤降、谐波污染、和应涌流等的消除更束手无策。究其原因是人们认为励磁涌流的呈现不行抵抗，只能选用“辨认”的对策，即“躲”的对策。其实，换个思路——“按捺”，是完全能够完成的，并且现已完成了。
0、导言
变压器励磁涌流与电容器的充电涌流按捺原理完全类似，电感及电容都是储能元件，前者不容许电流骤变，后者不容许电压骤变，空投电源时都将诱发一个暂态过程。在电力变压器空载接入电源时及变压器出线发作毛病被继电维护设备切除时，因变压器某侧绕组感触到外施电压的骤增而发生有时数值极大的励磁涌流。励磁涌流不只峰值大，且含有极多的谐涉及直流重量。由此对电网及电器设备形成极为晦气的影响。
1、励磁涌流的危害性
1.1 引发变压器的继电维护设备误动，使变压器的投运一再失利；
1.2 变压器出线短路毛病切除时所发生的电压突增，诱发变压器维护误动，使变压器各侧负荷悉数停电；
1.3 A电站一台变压器空载接入电源发生的励磁涌流，诱发邻近其他B电站、C电站等正在运转的变压器发生“和应涌流”(sympatheTIc inrush)而误跳闸，形成大面积停电；
1.4 数值很大的励磁涌流会导致变压器及断路器因电动力过大受损；
1.5 诱发操作过电压，损坏电气设备；
1.6 励磁涌流中的直流重量导致电流互感器磁路被过度磁化而大幅下降丈量精度和继电维护设备的正确动作率；
1.7 励磁涌流中的许多谐波对电网电能质量形成严峻的污染。
1.8 形成电网电压骤升或骤降，影响其他电气设备正常作业。
数十年来人们对励磁涌流采纳的对策是“躲”，但因为励磁涌流形状及特征的多样性，经过数学或物理办法对其特征辨认的准确性难以进步，致使在这一范畴里励磁涌流已成为历史性难题。
2、励磁涌流的成因
按捺器的重要特点是对励磁涌流采纳的战略不是“逃避”，而是“按捺”。理论及实践证明励磁涌流是能够按捺甚至消除的，因发生励磁涌流的本源是在变压器任一侧绕组感触到外施电压骤增时，依据磁链守恒定理，该绕组在磁路中将发生单极性的偏磁，如偏磁极性刚好和变压器本来的剩磁极性相一起，就或许因偏磁与剩磁和稳态磁通叠加而导致磁路饱满，然后大幅度下降变压器绕组的励磁电抗，然后诱发数值可观的励磁涌流。因为偏磁的极性及数值是能够经过挑选外施电压合闸相位角进行操控的，因而，假如能把握变压器前次断电时磁路中的剩磁极性，就完全能够经过操控变压器空投时的电源电压相位角，完成让偏磁与剩磁极性相反，然后消除发生励磁涌流的土壤——磁路饱满，完成对励磁涌流的按捺。
长期以来，人们认为无法丈量变压器的剩磁极性及数值，因而不得不抛弃运用偏磁抵消剩磁的主意。然后在应对励磁涌流的战略上呈现了两条并不疏通的路途，一条路是经过操控变压器空投电源时的电压合闸相位角，使其不发生偏磁，然后防止空投电源时磁路呈现饱满。另一条路是运用物理的或数学的办法针对励磁涌流的特征进行辨认，以期在变压器空投电源时闭锁继电维护设备，即前述“逃避”的战略。这两条路都有其丧命的问题，捕捉不发生偏磁的电源电压合闸角只需两个，即正弦电压的两个峰值点（90°或270°），假如违背了这两点，偏磁就会呈现，这就要求操控合闸环节的一切组织（包含断路器）要有准确、安稳的动作时刻，因为如动作时刻漂移1毫秒，合闸相位角就将发生18°的差错。此外，因为三相电压的峰值并不是一起到来，而是彼此相差120°，为了完全消除三相励磁涌流，有必要断路器三相分时分相合闸才干完成，而当时的电力操作规程制止这种会导致非全相运转的分时分相操作，况且有些断路器在结构上底子无法分相操作。
用物理和数学办法辨认励磁涌流的难度相当大，因为励磁涌流的特征和许多要素有关，例如合闸相位角、变压器的电磁参数等。许多学者和工程技能人员经过几十年的不懈努力仍不能找到有用的办法，因其具有很高的难度，也就是说“逃避”的战略困难重重，这一战略的另一丧命缺点是忍受励磁涌流呈现，它对电网的污染及电器设备的破坏性仍旧存在。
图2-1为一单相变压器结构图，可写出空载时初级绕组的电压方程
式中N1、R1分别为初级绕组的匝数及电阻
（2.1）可改写为
式中α为 t=0时U1的初相角如疏忽电阻R1，即
设R1=0，则得
求解（2.3）式微分方程得磁通Φ的表达式为
依据磁链守恒定理，合闸瞬间磁路中磁链不能骤变，即可求出积分常数C。
式中
可写出磁通Φ表达式
式中
为总磁通的幅值从式(2.6)中不难看出变压器外施电压u1在不同初相角α合闸时所发生的磁通Φ都不相同，将式(2.6)改写为
式(2.7)中为暂态磁通，即偏磁，在合闸瞬间Φp的值与α有关，在90°或270°空投时Φp=0，在0°或180°空投时Φp可达峰值Φm。式(2.7)中
为稳态磁通，为一周期函数。
图2-2为空投合闸角α=0时的磁通改动曲线，图中Φs为稳态磁通，Φ为Φs和Φp组成的总磁通（未计及剩磁Φres），Φsat为变压器饱满磁通。关于无损变压器（R1=0）偏磁Φp不会衰减，如实线所示，关于有损变压器（R1>0）
Φp按时刻
常数衰减，如虚线所示。从图2-2中可看出在电压相位角在θ1至θ2区间总磁通Φ大于饱满磁通Φsat，磁路饱满，因而发生励磁涌流iy，iy具有连续性。关于无损变压器Φ和iy是关于
的偶对称波形，而在iy=0的连续角区间Φ则是关于
的偶对称波形。关于有损变压器则Φ与iy将不再有对称联系。
当计及剩磁时，总磁通将由剩磁、偏磁（暂态磁通）及稳态磁通三者组成。不难看出在图2-2偏磁的状况下，如剩磁为正，则总磁通曲线向上平移，即磁路更易饱满，励磁涌流幅值会更大。如剩磁为负，则励磁涌流将被按捺。
图2-3是铁磁资料的磁滞回线，它描绘在磁路的励磁线圈上施加沟通电压时，磁势H也相应的从-Hc到Hc之间改动，由H发生的磁通Φ（或磁通密度B=Φ/S）将在磁滞回线上作相应的改动。假如H在回线上的某点忽然减到零，则B将随即落到对应B轴的某点上，该点所对应的B值即为剩磁Br。能够看出剩磁的数值和极性与切除励磁电压的相位角有关，假如在第Ⅰ、Ⅱ象限堵截励磁电源（即H=0）则剩磁为正或零，在Ⅲ、Ⅳ象限堵截励磁电源，则剩磁为负。
3、励磁涌流的按捺办法
变压器在正常带电作业时，磁路中的主磁通波形与外施电源电压的波形根本相同，便是正弦波。磁路中的磁通滞后电源电压90°，经过监测电源电压波形完成对磁通波形的监测，然后获取在电源电压断电时剩磁的极性。变压器空投上电时发生的偏磁Φp也相同，因偏磁 ，电源电压上电时的初相角α在Ⅰ、Ⅳ象限区间内发生的偏磁极性为正，而初相角α在Ⅱ、Ⅲ象限区间内发生的偏磁极性为负。明显，剩磁极性可知，偏磁极性可控，只需空投电源时使偏磁与剩磁极性相反，涌流即被按捺。
图3-3为变压器初级电压u、主磁通Φ、剩磁ΦRes及偏磁Φp与分闸角和合闸角的联系曲线图,以及电源电压u分闸初相角α’与剩磁ΦRes的联系曲线。变压器处于稳态时主磁通Φ 滞后电源电压u 90°，如图3-3中曲线①及曲线②所示。变压器空载上电时所发生的偏磁必定与稳态时对应上电时电压u曲线上电点的稳态磁通巨细持平，极性相反，如图3-3中的曲线③对应M点或N点的Φp1和Φp2。其最大值可达稳态磁通Φ的峰值Φm，而剩磁ΦRes幅值与磁路资料的特性有关。不难看出对应同一个合闸初相角α或分闸初相角α’所发生的偏磁和剩磁的极
图3-3 变压器初级电压u、主磁通Φ、剩磁ΦRes及偏磁Φp与分闸角和合闸角的联系曲线图
性正好相反，也就是说经过火闸时丈量电源电压分闸角α’，并将α’保存下来，在下次空投变压器时挑选在合闸角α等于α’时加上电源，偏磁就可与剩磁反向，它们的组成磁通将小于饱满磁通Φsat(曲线④)，（因饱满磁通一般挑选大于稳态磁通峰值），磁路不会饱满，然后完成对励磁涌流的按捺。因为三相电源电压在断路器三相联动切除时所得到的三相分闸相角各相差 120°，剩磁极性也是三相各相差120°，而在三相联动合闸时三相的合闸初相角也是相差 120°，三相偏磁极性也各相差120°，这样就天然完成了变压器三相磁路中的偏磁和剩磁都是抵消的，然后防止了必定要断路器分相分时操作才干按捺励磁涌流的苛求，也就是说三相联动断路器支撑对三相涌流的按捺。
因为按捺励磁涌流只需偏磁和剩磁极性相反即可，并不要求完全抵消，因而当合闸角相对前次分闸角有较大误差时，只需偏磁不与剩磁相加，磁路就不会饱满，这就大大下降了对断路器操作组织动作时刻的精度要求，为这一技能的实用化奠定了根底。将这种按捺器与快切设备和备自投设备联动即可完成备用变压器按冷备用方法运转，这将大大节省变压器热备用方法的空载能耗。
图3-4选录了四条励磁涌流Iy与分闸角α’和合闸角α的联系曲线，能够看到，在合闸角α为90°或270°时，空投变压器的励磁涌流与变压器的前次分闸角无关，原因是在变压器初级电压过峰值时上电不发生偏磁，不管变压器本来是否有剩磁都不会使磁路饱满。当然，假如运用三相联动断路器是不行能做到三相的偏磁都为零。而当合闸角α为0°或 180°时则空投
变压器的励磁涌流与前次分闸角α’密切相关，当α与α’邻近（大约相差±60°）时励磁涌流被按捺，尔后α与α’违背越大，励磁涌流也越大。由此能够看到如断路器的合闸时刻漂移在±3ms时对涌流的按捺根本无影响。当今的真空断路器和SF6断路器的分、合闸时刻漂移都在1ms之内，完全能够准确完成对励磁涌流的按捺。
应该指出，变压器断电后留在三相磁路中的剩磁在正常状况下是不会衰减消失的，更不会改动极性。只需在变压器铁心遭到高于资料居里点的高温作用后剩磁才会衰减或消失，但一般的电站现场不会呈现这种状况。退一步讲，剩磁消失是件功德，只需没有剩磁，仅靠偏磁是不会引起磁路饱满的。
4、电容器充电涌流的按捺
对电力电容器空投的充电涌流按捺相同不需要寻求在电压过零时上电，而是挑选合闸角与电容器前次的分闸角邻近时上电，即用与原剩下电压极性相同、数值邻近的充电电压加到电容器断电时残留的剩下电压上，然后不发生充电涌流。按此原理电力电容器在断电后不需经放电设备放电，而是完成即切即投。图4-1是对应同一分闸角α’=180°与不同合闸角α对应的充电涌流改动曲线，能够看出在α=180°邻近合闸，充电涌流均被大幅度按捺。电容器的充电涌流巨细较之变压器的励磁涌流而言，其对合闸角灵敏，即要求投、堵截路器的动作时刻漂移不要太大。
图4-1 分闸角α=180°(A相)对应不同合闸角（A相）α的充电涌流实录曲线
对电容器完成无涌流即切即投关于许多装有备用电源主动投入设备的电站有重要意义，当作业电源因毛病切除时，随即联切接在母线上的电容器组，备自投设备在投入备用电源后当即投入方才切除的电容器组，确保在备自投设备动作前后的无功功率及电压水平不变。这样不只省却了电容器的放电设备，并且确保了在投入备用电源时根本上无扰动。
5、涌流按捺器的几种典型运用示例
涌流按捺器与断路器联接的原理柜图如图5-1：
图5-1 操控原理框图
涌流按捺器接入被控电路的电流及电压信号，获取三相电源的分闸角和合闸角。断路器的
分、合闸指令经由涌流按捺器发送给断路器的分、合闸操控回路。涌流按捺器的典型运用方法有以下四种，如图5-2至图5-5。装备关键如下：
图5-2 体系联络变的涌流按捺器装备图
图5-3多台变压器共一个断路器的涌流按捺器装备图
图5-5 单电源变压器二次侧出线涌流按捺器与线路维护的装备图
5.1 SID-3YL应设备在变压器或电容器的电源侧的断路器操控回路中。对端无电源的馈线断路器不需要设备。
5.2 SID-3YL支撑三相断路器三相联动分、合，也支撑三相分相、分时分、合。
5.3 输入SID-3YL的合操控或分操控信号可来自于手动、主动设备或继电维护设备。SID-3YL的输出直接操控断路器的合闸与分闸。
5.4 SID-3YL具有主动辨认并保存分闸时电源分闸相角的功用，故分闸操控信号可不经SID-3YL，而是由人工或主动设备或维护设备直接对断路器施行分闸操控。
5.5 SID-3YL可承受经RS-485总线来自上位机的合、分操控指令，及全球定位体系GPS的对时信号，变压器各电源侧断路器的SID-3YL在履行分闸操控后当即经现场总线向其他电源侧的SID-3YL播送分闸时刻及分闸相位角，以确认最终使变压器脱离电源时的分闸角，作为下次第一个施行空投变压器操作的合闸相位角。在没有上位机的变电站，SID-3YL之间也可完成分闸时刻及分闸相位角的互传。
5.6 SID-3YL可完成电力电容器的即切即投，革除电容器断电后有必要经放电设备放电的操作，例如备自投设备切除作业电源时，虽一起切除了电力电容器，且电容器上留有与分闸相位角相关的剩下电压，但在备自投设备投入备用电源时，可经SID-3YL一起投入电力电容器，确保无功功率、电压及功率因数仍保持备自投设备动作前的正常水平。当电容器停运时刻较长时，其剩下电压将会因放电而削减，SID-3YL能主动依据预存的剩下电压衰减特性操控投运时的合闸角。
5.7 单电源变压器出线短路被维护跳闸后发生的电压突增，或许导致运转变压器发生励磁涌流被差动维护切除，使悉数出线停电。每条出线装备一台SID-3YL，SID-3YL承受来自线路维护设备输出的跳闸指令，并确保在毛病切除后所引起的母线电突增不诱发运转变压器发生励磁涌流。
5.8 因为变压器空投时及出线毛病切除时不发生励磁涌流，因而，相关运转变压器也不会发生“和应涌流”，防止了原始励磁涌流形成的大面积停电。
5.9 SID-3YL可依据变压器初、次级绕组接线组别不同完成相位差批改。
5.10 当变压器初、次级具有电容负载时，将影响励磁涌流按捺的机理，SID-3YL为此规划了专用的按捺算法。
5.11 SID-3YL可完成两台或多台并联运转变压器按负荷水平主动投退功用，确保在轻负荷时主动切除轻载变压器，以下降变压器的损耗。SID-3YL经过实时丈量变压器的电流和电压获取变压器的有功及无功负荷，再与具有必定带宽的功率定值比较，完成对变压器的投退操控。
图5-6具有涌流按捺功用的变压器按负荷主动投退设备
6、结束语
电力变压器空投充电相位角与前次切除电源相位角匹配准则，从理论及实践上都证明了在运用三相联动操作断路器时能完全按捺励磁涌流。相同，电力电容器空投充电相位角与前次切除电源相位角匹配准则，也能完成按捺三相联动断路器合闸时的电容器充电涌流。这一技能对铲除维护误动、改进电能质量、进步运转可靠性有重要意义。相同对各种电压等级电力体系的无功补偿、远距离输电线路的串联补偿操控等也有重要意义。
