徐 凯，刘昌媚

变压器空载合闸励磁浪涌电流分析

徐 凯，刘昌媚

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文分析了变压器励磁浪涌电流形成的原因，以及变压器空载合闸浪涌电流的特点；同时进行试验以验证分析的正确性；最后基于以上分析过程以及影响空载合闸涌流大小的因素，提出减小变压器空载合闸浪涌电流大小的措施。

变压器 空载合闸 磁通量 浪涌电流

0 引言

变压器是电力传输过程中重要组成部分，并且关系到整个系统的稳定性。电力变压器的稳定运行空载电流不大，约为变压器额定电流的0.35%~10%[1-2]；但在变压器空载合闸时，会产生很大的励磁浪涌电流，其最大峰值可达变压器额定电流的几倍甚至几十倍。瞬间的励磁浪涌电流可能使得供电回路中的继电保护装置误动作；同时整个系统中的电流、电压波形也会产生畸变，严重时会影响系统的安全、稳定运行。

1 励磁浪涌电流的定义

在变压器合闸瞬间，如果施加的电源电压所对应铁芯中的磁通密度与铁芯中实际已经存在的磁通密度大小、方向都相同时，变压器会直接进入稳态工作，而不会存在任何的瞬态过程。但在变压器实际空载合闸过程中，瞬态过程是不可避免的。因为在合闸瞬间，变压器铁芯内的磁通急剧变化。如果投入前铁芯的剩余磁通与投入变压器的电压产生的磁通同向，两者会叠加，总磁通大幅增加，甚至超过铁芯的饱和磁通，此时就会产生冲击电流，称为励磁浪涌电流。

励磁浪涌电流最大峰值可达变压器额定电流的几倍甚至几十倍，波形也会产生畸变。励磁浪涌电流与很多因素有关，如合闸角度、变压器铁芯材料特性、铁芯剩磁大小、变压器内部阻抗等[3]。

在实际使用情况中，一般用选相合闸开关来控制合闸角度，以控制浪涌电流。但选相合闸开关在使用过程中，合闸开关合闸瞬间是很难精确控制合闸角度；同时在三相电路中，总存在某一相电压与另两相电压方向相反，故合闸角度的控制不能达到三相无涌流的效果。

2 励磁浪涌电流产生过程分析

如图1所示，为变压器铁芯磁化特性曲线。由磁化曲线可知，饱和曲线的转折点电流为I点，此时的磁通量为Φ。由图可知，当磁通在0~Φ之间变化时，增大磁通，此时的励磁电流变化很小，即此时的励磁浪涌电流很小；但当变压器中磁通>Φ时，增大磁通，此时所需励磁电流变化很大，即励磁浪涌电流很大。

图1 变压器铁芯磁化特性曲线

产生励磁浪涌电流的根本原因是变压器铁芯饱和。为了分析励磁浪涌电流的产生原理，我们通过单相变压器空载合闸时铁芯磁通量的变化来分析励磁浪涌电流。分析过程中认为电源电压正弦变化：

假设铁心是线性的条件下，得到变压器空载合闸时的微分方程为：

其中：

其中：L:一次绕组的自感；

由式(3)可以看出，变压器空载合闸后，铁芯内的磁通由两部分组成：一个稳态的交流分量；一个暂态的直流分量，其衰减速度由L/R决定。

变压器磁通变化曲线如图2所示。由变压器铁芯磁化特性曲线和变压器磁通变化曲线可以得出变压器励磁电流曲线。求解过程如图3所示。

经图3分析得到的变压器励磁电流曲线如图4所示。

由图4与式(3)可知，试验变压器空载合闸产生的励磁浪涌电流也具有以下特点：

1）励磁电流是呈现衰减的尖顶波，且第一个波峰的幅值非常大，明显大于稳态电流。

2）励磁电流局部最大值衰减很快，并且最终趋于稳定，说明浪涌电流存在的时间很短。

3）励磁电流在初始的几个周波里，电流明显偏离交流周期波，而且涌流波形为尖顶波，说明励磁电流中含有大量的高次谐波。

4）由变压器励磁电流曲线求解过程可知，变压器浪涌电流暂态分量衰减速度与变压器磁通暂态分量衰减时间参数L/R、变压器铁芯磁化特性曲线有关。

5）由励磁电流曲线求解过程可知，励磁浪涌电流的衰减常数与铁芯的饱和程度有关。而当铁芯线圈饱和程度越深，电抗越小，使得时间常数L/R越小，励磁电流衰减越快。因此，励磁电流在开始瞬间衰减很快，以后逐渐减慢。

图2 变压器铁芯磁通曲线

图3 变压器励磁电流求解方法示意图

图4 变压器励磁电流曲线

3 试验验证

为了验证以上分析过程已经分析结果的正确性，进行了试验变压器空载合闸实验，并测出试验变压器的励磁浪涌电流波形。

试验使用变压器主要参数如表1所示。试验过程中，励磁电流最大值为1044 A，约为变压器额定电流的11倍。

通过对变压器进行空载合闸实验，用数据采集系统测得励磁浪涌电流的衰减波形，与分析所得励磁浪涌电流波形进行对比，可以验证分析的正确性。

表1 试验变压器主要参数

试验变压器励磁电流实测曲线如图5所示。

图5 实测变压器励磁电流

4 变压器空载合闸涌流抑制方法

但在三相变压器中，由于A、B、C三相之间相角相差120°，总存在某一相电压与另两相电压方向相反。故在满足某一相励磁浪涌电流最小的前提下，另外两相还是会存在浪涌电流，不能达到三相无涌流的效果。

2）控制一次绕组的电阻R

在励磁电流分析过程并未考虑变压器一次侧与二次侧的接线情况；而在实际使用过程中一次侧与二次侧的电阻及负载都可以归算至变压器一次侧的电阻R1中。故在变压器一次侧和二次侧增加负载可以增大式（3）中的R以减小合闸瞬间的励磁电流。

当变压器与电源两端直接连接时，相当于用变压器线圈将电源两端直接短路；而在变压器一次侧加入阻抗后，则相当于在回路中增加了另外一部分阻抗，从而限制了励磁电流的增大；而在二次侧接入负载后，二次侧产生与一次侧电压相反的电势，此时一次侧电源电压相对于空载会更小，故也会达到减小励磁电流的目的。

但在实际使用过程中，变压器一次侧会有电流通过。如果在原边接入阻抗，接入阻抗会分去一部分电压，从而减小了变压器一次侧输入电压，进而影响二次侧输出电压。

3）控制铁芯剩磁

如果在合闸瞬间，施加电压所对应铁芯中的磁通密度与铁芯中实际已经存在的磁通密度相同时，变压器会直接进入稳态工作，而不会存在任何的瞬态过程。此时的励磁浪涌电流也会最小。因此可以通过控制在变压器合闸前，磁通密度与电源电压对应的磁通密度相同以减小涌流。此时可以增加预充磁设备来控制铁芯剩磁。

预充磁设备在变压器空载合闸之前，对变压器施加预期电压进行充磁操作；待预充磁过程完成后，切除预充磁设备；并立即对变压器进行合闸操作。在预充磁过程中，预充磁设备的输出电压要与变压器空载合闸后的稳态电压值要相同，且相序要一致。

[1] H John, Brunke. J. Klaus, et. Elimination of transformer inrush current by controlled switching-part I: theoretical consideration[J]. IEEE Power Deliver, 2001, 16(4): 276-280.

[2] 王松, 王翔, 曹阳等. 计及磁动态特性的变压器励磁浪涌电流机理分析. 电力系统保护与控制, 2008, 36(15): 27-31.

[3] M. Geethanjali, S.Mary Raja Slochannal, “A com-bined wavelet and Neural Network (WNN) based Differential protection scheme for Power transformers” Proceedings of National conference on “Soft computing Techniques Applied to Power system Engineering”, pp-195-203, March 2005, Annamalai University.

[4] 刘春梅. 变压器空载合闸涌流抑制的研究[D]. 沈阳工业大学, 2011.

Analysis of Excitation Surge Current of Transformer No-load Closing

Xu Kai, Liu Changmei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM43

A

1003-4862（2019）09-0046-03

2018-01-30

徐凯（1991-），男，助理工程师。研究方向：开关电器，系统仿真。E-mail: 15377676500@126.com