基于消磁技術降低換流變壓器勵磁涌流的分析

劉志遠　于曉軍　鄒洪森　張帥

摘 要：為有效抑制換流變壓器的勵磁涌流，提高繼電保護裝置動作的準確性。根據T型等效電路分析磁通特性，基于MATLAB建立換流變壓器勵磁涌流仿真模型，對合閘情況下的截流和暫態恢復電壓進行仿真計算。依據仿真結果，確定消磁技術對勵磁涌流的抑制措施有效，選用ARMCortexTM-M4處理器內核搭建DSP控制電路板，進行消磁及驗證消磁工作，采用SPWM與可控交流源消磁法消除剩磁。通過變壓器勵磁涌流抑制實驗進行驗證，結果表明本文設計的消磁系統可將勵磁涌流限制在額定電流的3倍左右，完全滿足與換流變壓器差動保護正常運行使用。

關鍵詞：換流變壓器;消磁;驗證消磁;勵磁涌流抑制措施;DSP控制電路。

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.096

0 引言

隨著我國電網快速的發展，電網的結構也已經發生了極大的改變，逐步向著特高壓、大電網、大容量以及智能化的方向發展，因此全國電網對于電力系統能夠安全的、穩定的運行提出了更高的要求[1]。換流變壓器作為特高壓直流輸電系統中的核心設備之一，具有連接電網與用戶，轉換電壓、分配和傳輸電能的功能，是不可替代的樞紐，它在運行過程中的實時狀態直接影響整個電力系統正常的、穩定的運行狀態[2]。一旦換流變壓器發生故障，換流變壓器檢修難度大，周期長，而且停電范圍極廣，不但會嚴重影響整個電力系統的運行，而且會造成極大的經濟損失與不良的社會影響[3]。

目前，我國換流變壓器保護的整體性能已取得相當大的進步，但是相對于其他保護，它的總體正確動作率仍然偏低[4]。當換流變壓器發生故障時，在變壓器差動保護過程中，換流變壓器產生保護誤動作的重要原因之一是無法有效的抑制變壓器勵磁涌流，所以，進一步研究換流變壓器保護，找出更為合理有效的抑制勵磁涌流的措施，對于保障換流變壓器的正常運行具有極其重大的意義[5]。

現如今，國內外很多專家學者提出了一些抑制勵磁涌流的新原理、新方法，并且取得了不少成果，其中包括串電阻合閘、選項合閘、二次諧波制動原理、預充磁法、改變變壓器繞組分布法、間斷角原理等，盡管這些方法對于抑制勵磁涌流具有一定的成效，但都存在著某些缺陷[6-8]。

本文將對換流變壓器的勵磁涌流特性進行分析，研究消磁技術降低變壓器剩磁的方法對于換流變壓器勵磁涌流的抑制效果。

1 勵磁涌流特性分析

鐵芯作為變壓器內部重要的部分，具有非常重要兩個的特征：一個為高磁導率，即通過外部磁場能夠被強烈的磁化;再者是磁滯效應，即當外部磁場停止作用時，鐵磁材料仍然處于磁化的狀態，磁滯曲線如圖1，外加磁場增加到最大值HS時，磁感應強度達到飽和狀態，而變壓器產生勵磁涌流主要就是因為鐵芯的飽和。變壓器正常運行的時候，鐵芯處于未飽和狀態，具有很大的相對磁導率，勵磁感抗也很大，變壓器的勵磁支路的電流則非常小。變壓器空載投入，或者外部故障切除以后，電壓處于恢復的過程，變壓器的電壓從零或者非常小的值突然上升到運行電壓，電壓快速上升的過程中，很容易造成變壓器鐵芯在磁滯曲線上的運行點移到飽和區，進而處于嚴重飽和狀態，其磁導率等同于真空磁導率，于是繞組的電感值會快速降低，即勵磁感抗變的特別小，而勵磁支路的電流會特別大，此時的電流是勵磁涌流。正常勵磁電流和勵磁涌流的比較見圖2和圖3。

如圖4所示，用一個閉環鐵芯表示變壓器的鐵芯磁路，變壓器的高壓側和電源相連，用閉合開關對空投變壓器的過程進行模擬，變壓器的低壓側不連接負荷，模擬空載的運行狀況。當空載時，一次側電壓的回路方程：

所以，在初相角不同的條件下，產生的偏磁的極性和數值不同，再和剩磁以及穩態磁通疊加，有可能使得總磁通大于變壓器的飽和磁通，從而引起變壓器的磁路飽和，-次測繞組電抗快速減小，產生非常大的勵磁涌流，差動保護受到影響。

由上可得單相變壓器的勵磁涌流的特點：

（1）剩磁影響著勵磁涌流的大小，合閘初相角是0度或是180度時，勵磁涌流最大，合閘初相角是90度或是270度時，勵磁涌流最小。

（2）勵磁涌流有間斷角，飽和越嚴重，間斷角越小。

（3）勵磁涌流具有非周期的分量，而且是衰減的，繞組電阻和電感決定著衰減時間常數。

換流變壓器的勵磁涌流基本原理和單相變壓器相同。但是換流變壓器與普通變壓器存在以下幾點區別：

1）存在直流偏磁問題：直流偏磁不僅導致鐵心周期性的飽和，并發出低頻噪聲，而且也將使得變壓器的損耗和溫升大幅增加。

2）需要更高的絕緣裕度：換流變壓器在運行中既要承受交流電應力作用，又要承受較大分量的直流電應力作用，要求變壓器絕緣尤其是閥側絕緣對運行中的工作場強有足夠的耐受裕度，其絕緣問題非常突出。換流變壓器在運行中的絕緣事故在全部事故所占比例為50%左右。

3）大范圍有載調壓能力：當換流變壓器橋臂短路時，為了限制過大的短路電流損壞換流閥，換流變壓器應具有足夠大的短路阻抗，即具有較大的漏電抗。同時，為滿足閥側電壓隨負載變化而經常變化的要求，換流變壓器還具有大范圍的有載調壓能力，使得其有載分接頭檔位遠多于普通電力變壓器。

4）諧波問題：換流變壓器在運行中會流過特征諧波和非特征諧波電流。這些諧波作用于變壓器漏磁使得變壓器雜散損耗增大，有時還會使一些金屬部件和油箱產生局部過熱。數值較大的諧波磁通會引起磁滯伸縮噪音，且處于聲覺敏感頻段，必須采取有效的隔音手段。

5）直流電壓的極性可能迅速反轉，這些問題使得它的內絕緣電位分布與普通電力變壓器有很大的差別。在不同絕緣材料電壓分配中，對于交流電壓、暫態沖擊過電壓以及直流電壓將做不同的考慮。交流電壓的分配取決于材料的介電常數比率，直流電壓的分布取決于各種材料電阻率的比率。

對于一般情況，三換流變壓器勵磁涌流具有的特點：

（1）換流變壓器勵磁涌流遠高于普通變壓器。

（2）換流變壓器較高的漏抗導致勵磁涌流衰減比較慢。

（3）換流變壓器勵磁涌流存在大量的二次諧波。

2 勵磁涌流的抑制措施

2.1 選相合閘技術

選相合閘技術是隨著開關技術的發展而提出的一種新型的電力設備的方法。其原理是采用對合閘時刻的電壓的初相角進行控制，在空載合閘時，使得變壓器的鐵芯的磁通不發生突然地改變，防止鐵芯的磁通達到飽和狀態，進而可以抑制變壓器的勵磁涌流。但是選相合閘技術對變壓器的勵磁涌流只是具有一定的抑制成效，并不能真正的徹底的消除勵磁涌流，因為一方面，這種方法對合間時間的準確度要求極高，在實際的應用中很難實現。另外，在現實應用過程中，還有諸多不穩定因素的影響，例如，合閘時刻與鐵芯的剩磁有關系，然而剩磁目前極難準確無誤的測量出來;斷路器動作的分散性與機械合閘時間存在偏差、觸頭預擊穿、變壓器鐵芯與繞組配置的變化等。

2.2 變壓器低壓側并聯電容器

勵磁涌流產生的根本原因是變壓器的鐵芯處于飽和狀態。所以，在變壓器空載合閘時，設法把鐵芯的磁通值限定到它的飽和點以下，這樣就可以減弱甚至消除勵磁涌流?；谶@個原理，提出了變壓器低壓側并聯電容器的方法。因此，需要通過計算獲取電容器的數值。文獻[8]中提到了通過變壓器原邊側電壓和電流數據獲得相應的磁滯回線，然后依據磁滯回線上的點求得勵磁電感的方法，可以由這個方法求得電容器的數值。

由圖5可知，、、是原邊繞組的電流、電壓、漏感，、、是副邊繞組換算到原邊繞組的電流、電壓、漏感，和是勵磁電感和勵磁電流。變壓器空載合閘，，可得方程：

由公式（12）求出電容的數值，然后，通過低壓側并聯電容器的方法抑制變壓器的勵磁涌流。但是，因為在求勵磁電感過程中，沒有考慮繞組電阻、勵磁電阻以及鐵芯損耗的影響，所以這個方法存在著一些誤差，抑制勵磁涌流的效果不是很理想。

2.3 換流變壓器消磁對勵磁涌流的抑制

鑒于上文中選相合閘技術與變壓器電壓測并聯電容器的方法都對變壓器的勵磁涌流具有抑制作用，但是兩種方法都有著各自的缺點。所以采用消磁技術來降低換流變壓器的勵磁涌流。

2.3.1 基于換流變壓器的直流消磁原理

直流法：按電工理論，正反向通入直流電流，并逐漸減小，縮小鐵心的磁滯回環，達到消除剩磁的目的。在被試變壓器高壓繞組（三相變壓器只對B-0或A-C消磁就夠了）通入直接電流，例如為5A，其消磁電流不小于高壓繞組的測試電流。每次電流值降低5%～10%，直至電流為0.5mA時，直流去磁結束。

2.3.2 基于換流變壓器的交流消磁原理

交流消磁的原理主要是通入特定規律性交流電流，逐漸減小磁滯回環。由公式可知當交流電頻率一定時，電感電流大小和電感電壓呈正比例關系，或者當交流電電壓一定時，電感電流大小與交流電頻率成反比關系。在被試變壓器低壓側（ac，ab和bc之間）分別施加50Hz交流電壓（如發電機），高壓中性點接地。視電源容量，調節補償電容器C，使電源電流減少，被試變低壓側以反映平均值電壓表Va讀數為準，逐漸升高電壓至50%額定電壓，并停留約5 min，將電壓緩慢降至“零”再重新緩慢升高電壓至100%額定電壓，直到完全去磁。

2.3.3 SPWM波和可控交流源

SPWM（Sinusoidal PWM）法是一種比較成熟的、使用較廣泛的PWM法。沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。SPWM法就是以該結論為理論基礎，用脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內的面積相等，通過改變調制波的頻率和幅值則可調節逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。

可控交流源從原理上講為受控源，受控源又稱為非獨立源。一般來說，一條支路的電壓或者電流受到非本支路以外的其他因素控制時統稱為受控源。通過改變其幅值來進行消磁操作。

2.3.4 SPWM與可控交流源等消磁方案對比

在電流產生的磁場強度H的激勵下，鐵磁材料（如鐵芯）被磁化并以感應強度B描述磁化程度。磁化后的鐵芯，若去除電流激勵，使H=0，鐵磁材料中的磁感應強度雖減小，但并不為零，即B≠0，這種現象稱為鐵磁材料具有剩磁特性。

當有正弦電流通過電感時，根據電感的電壓-電流的時域關系（式（13）所示），說明電感上的電壓-電流都為同頻正弦量。

鐵磁材料的剩磁可通過施加適當的反向磁場進行減弱或消失。電力變壓器消磁原理主要是通過縮小鐵心的磁滯回環，達到消除剩磁的目的，主要分為直流法和交流法。直流消磁的原理如圖6所示，主要是正反向通入直流電流，使得剩磁逐漸降低。由于變壓器線圈的電壓-電流呈積分關系，在線圈兩端加直流電壓，線圈電流逐漸增大。在每次電流值降低10%～30%時，切換直流電流方向，直至電流逐漸減小至5mA左右，直流去磁結束。

交流消磁的原理主要是通入特定規律性交流電流，逐漸減小磁滯回環。由公式14可知當交流電頻率一定時，電感電流大小和電感電壓呈正比例關系，或者當交流電電壓一定時，電感電流大小與交流電頻率成反比關系。

交流消磁的一種原理如圖7所示。向被試變壓器一側施加50Hz交流電壓（如發電機），幅值變化規律如下圖所示的交流電壓，以被試變壓器側反映的平均值電壓表讀數為準，逐漸升高電壓至額定電壓，逐漸降低剩磁，然后將電壓幅值緩慢減小，使得磁滯回環逐漸縮小，直到完全去磁。

交流消磁的另一種原理解釋如下，在交流電壓幅度不變時，由變頻電源提供的頻率可變的SPWM（正弦脈沖寬度調制）波施加到被試變壓器一側，SPWM波的波形如圖8所示，它就是在PWM的基礎上改變了調制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規率排列，這樣輸出波形經過適當的濾波可以做到正弦波輸出。當SPWM基波頻率變低，變壓器繞組電流變大，當其頻率變高，變壓器繞組電流變小。首先降低基波頻率至設定頻率，逐漸降低剩磁，然后將頻率逐漸增高，使得磁滯回環逐漸縮小，直到完全去磁。這種消磁原理只需保持頻率變化而幅值是保持不變的。相較于第一種方案，該方案可靠易實現。

直流消磁法原理簡單，常規交流消磁設備消磁徹底，但需要較大的試驗設備，現場使用比較麻煩。存在消磁時間較長的問題，針對此問題，本設計采用了交流消磁法，其消磁速度快，性能好，可靠性高。另外對比交流消磁法的兩種實現方法，第一種方案具有明顯的優勢。所以本設計采用交流消磁中的第二種方案，即控制可控交流源來對換流變壓器進行消磁。

3 結論

文中給出了換流變壓器消磁技術對勵磁涌流進行抑制的辦法，現場試驗結果顯示該方案可以使勵磁涌流遠小于額定電流，具有較好的抑制效果。

參考文獻：

[1]劉杰，孫斌，李海功，吳廣新，王強，李峰.勵磁涌流對變壓器差動保護的影響[J].電子制作，2014（11）：33-34.

[2]郭麗麗，郭琰，馬文恒，曹凱，王偉利.變壓器勵磁涌流特性的分析研究[J].電氣開關，2015，53（06）：51-53.

[3]肖愛國，宋小松，杜萍.涌流對電力變壓器差動保護的影響分析[J].內蒙古電力技術，2015，33（S2）：74-76.

[4]俞紀維，董綱，宋曉斌，曾令軍，沈志華.主變空載合閘勵磁涌流的分析與探討[J].電氣技術，2016（05）：131-133.

[5]李雅楠.變壓器勵磁涌流的產生及模糊辨識法[J].電氣制造，2013（11）：30-33.

[6]宋洋.變壓器勵磁涌流識別方法和抑制的研究[D].南京理工大學， 2014.

[7]李偉，黃金，方春恩等.基于相控開關技術的空載變壓器勵磁涌流抑制研究[J].高壓電器，2010，46（05）：9-13.

[8]王景丹，龔曉偉，牛高遠，賀襯心，張鵬飛.變壓器頻繁空載投入的勵磁涌流抑制技術研究[J].自動化技術與應用，2017，36（10）：92-95.