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励磁涌流

励磁涌流(inrush current)的发生,很明显是受励磁电压的影响。即只要系统电压一有变动,励磁电压受到影响,就会产生励磁涌流。 在不同的情况下将产生如下所述的初始(initial inrush)、电压复原(recovery inrush)及共振(sympathetic inrush 共感)等不同程度的励磁涌流。其瞬时尖峰值及持续时间,将视下列各因素的综合情况而定,可能会高达变压器额定电流的8~30倍。

变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止电器,用于把低电压变成高电压或把高电压变成低电压,是交流电输配系统中的重要电气设备。当变压器合闸时,可能产生很大的电流。 [1]

当合上断路器给变压器充电时,有时可以看到变压器电流表的指针摆得很大,然后很快返回到正常的空载电流值,这个冲击电流通常称之为励磁涌流,特点如下: [1]

1)涌流含有数值很大的高次谐波分量(主要是二次和三次谐波),主要是偶次谐波,因此,励磁涌流的变化曲线为尖顶波。 [1]

2)励磁涌流的衰减常数与铁芯的饱和程度有关,饱和越深,电抗越小,衰减越快。因此,在开始瞬间衰减很快,以后逐渐减慢,经0.5~1s后其值不超过(0.25~0.5)

3)一般情况下,变压器容量越大,衰减的持续时间越长,但总的趋势是涌流的衰减速度往往比短路电流衰减慢一些。 [1]

4)励磁涌流的数值很大,最大可达额定电流的6~8倍。当整定一台断路器控制一台变压器时,其速断可按变压器励磁电流来整定。 [1]

在交流电路中,U=dΦ/dt,可见磁通Φ总是落后电压U90°相位角,如果U=Um*sin(ωt),则Φ=Um/ω*cos(ωt)+C,分别为强迫分量和衰减的自由分量。如果在合闸瞬间,电压正好达到最大值时,则磁通的瞬间值正好为零,即在铁芯里一开始就建立了稳态磁通。在这种情况下,变压器不会产生励磁涌流。 [1]

当合闸瞬间电压为零值时,它在铁芯中所建立的磁通为最大值(-Φm)。可是,由于铁芯中的磁通不能突变,既然合闸前铁芯中没有磁通,这一瞬间仍要保持磁通为零。因此,在铁芯中就出现一个非周期分量的磁通Φfz,其幅值为Φm。 [1]

这时,铁芯里的总磁通Φ应看成两个磁通相加而成。由于磁通是双标量,铁芯中合闸瞬间磁通为2Φm,如果合闸时铁芯还有剩磁Φ0,磁通Φ还会更大!实际运行中可达到2.7倍的Φm。因此,在电压瞬时值为零时合闸情况最严重。虽然我们很难预先知道在哪一瞬间合闸,但是总会介于上面论述的两种极限情况之间。 [1]

变压器绕组中的励磁电流和磁通的关系由磁化特性所决定,铁芯越饱和,产生一定的磁通所需的励磁电流就愈大。由于在最不利的合闸瞬间,铁芯中磁通密度最大值可达2Φm,这时铁芯的饱和情况将非常严重,因而励磁电流的数值大增,这就是变压器励磁涌流的由来。励磁涌流比变压器的空载电流大100倍左右,在不考虑绕组电阻的情况下,电流的峰值出现于合闸后经过半周的瞬间。但是,由于绕组具有电阻,这个电流是要随时间衰减的。对于容量小的变压器衰减得快,约几个周波即达到稳定,大型变压器衰减得慢,全部衰减持续时间可达几十秒。

励磁涌流和铁芯饱和程度有关,同时铁芯的剩磁和合闸时电压的相角可以影响其大小。 [1]

励磁涌流对变压器并无危险,因为这个冲击电流存在的时间很短。当然,对变压器多次连续合闸充电也是不好的,因为大电流的多次冲击,会引起绕组间的机械力作用,可能逐渐使其固定物松动。此外,励磁涌流有可能引起变压器的差动保护动作,故进行变压器操作时应当注意。 [2]

励磁涌流对变压器差动保护的影响。差动是用变压器原边和副边的电流计算差动电流的,在变压器正常运行时,励磁电流是很小的,当出现励磁涌流时,就不应该忽略励磁电流的影响,通常的做法是依靠各种判别条件来判别励磁涌流,可靠闭锁差动保护,其中判别方法就是利用以上特点来识别涌流。比如采用二次谐波制动,波形对称原理,采用速饱和铁芯的差动继电器。 [2]

励磁涌流,是由于铁芯的磁饱和产生的,励磁涌流通常在接通电源1/4周期后开始产生,幅度最大值可能超过变压器额定电流的几倍甚至几十倍,持续时间较长,从数十个电源周期直至数十秒不等。励磁涌流的幅度与变压器的二次负荷无关,但持续时间与二次负荷有关,二次负荷越大则涌流持续的时间越短,二次负荷越小则涌流持续的时间越长,因此空载的变压器涌流持续的时间最长。变压器的容量越大,涌流的幅度越大,持续的时间越长。当在电压过零时刻投入变压器时,会产生最严重的磁饱和现象,因此励磁涌流最大。当在电压为峰值时刻投入变压器时,不会产生磁饱和现象,因此不会出现励磁涌流。 [3]

由于涌流的幅度很大,涌流与线路电感的共同作用会导致电网电压出现扰动,甚至会出现严重的过电压。使用同步投入技术,使电网设备在恰当的相位点接入电网,可以有效地降低涌流和过电压,最大限度地降低对电网的干扰。 [3]

当二次侧开路而一次侧接入电网时,一次电路的方程为 [4]

u1=umcos(wt+α)=i1R1+N1dφ/dt (1)

u1:一次电压,

um:一次电压的峰值,

α:合闸瞬间的电压初相角

R1:变压器一次绕组的电阻,

N1:变压器一次绕组的匝数,

φ: 变压器一次侧磁通。

由于i1R1相对比较小,在分析瞬态过程初始阶段可以忽略不计,所以 [4]

umcos(wt+α)= N1dφ/dt

dφ= ( um/ N1) cos(wt+α) dt

积分,得

φ=( um/ N1) sin(wt+α)+c

φ=φm sin(wt+α)+c φm为主磁通峰值,c为积分常数。

设铁芯无剩磁当t=0时,φ=0 所以c=-φmsinα

所以空载合闸磁通为:

φ=φm sin(wt+α) -φmsinα 由式可得空载合闸磁通的大小与电压的初相角α有关考虑最不利的情况:

当α=90时,电压过零

φ=φm sin(wt+900) -φm=φmcoswt-φm [4]

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