变压器空载合闸励磁涌流与外部故障切除后恢复性涌流讨论Word下载.docx

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ｌ变压器空载合闸励磁涌流分析

新建和大修变压器后，要对变压器进行几次空载冲击合闸实验，其目的是考查励磁涌流是否导致变压器差动保护误动作，检查变压器绝缘强度是否能承受全电压和分闸过电压、机械强度是否能经受励磁涌流产生的强大电动力。

励磁涌流的大小取决于铁芯采用的磁密、合闸电压的相角、合闸绕组距铁芯的距离，铁芯中剩磁的大小和极性等，５次合闸过程中共有１５相次不同相角和剩磁下合闸，某相出现较大或最大励磁涌流的概率有一定代表性，这就是变压器多次冲击合闸的原因。

１．１变压器空载合闸威磁涌流产生的机理

变压器空载的励磁涌流是由于变压器在静止状态下一旦合闸接上电源时，便会有电流流过一次线圈，在二次线圈中就会产生感应电势。

在这过渡状态中，由于电场和磁场的关系，就会产生二种抵制这种变化的励磁涌流。

电力变压器空载合闸瞬间铁芯磁通处于瞬变过程，会产生三相不对称磁通，导致电力变压器绕组线圈迅速达到饱和，不过这种电流主要是非周期性变化的直流分量，它能导致铁芯严重饱和，在最坏的情况下合闸主磁通可以突变到稳定磁通的３倍，而励磁涌流有可能达到稳态空载电流的几百倍。

变压器空载合闸时单相一次回路如图１所示，其系统电源电压Ｕｉ＝Ｕ。

ｓｉｎ（ｏｊｔ＋ａ）中口为该相合闸相位角，Ｌ３、Ｒ。

分别为系统电感和电阻，乙、ｂ、Ｌｍ分别为变压器该相漏电抗、漏电阻和励磁电感，ｔｏ。

、‘Ｊ，。

、ｔｏ－分别为系统电感磁链、变压器该相绕组漏磁链、变压器该相铁芯主磁链，ｉ为合闸电路电流。

定义合闸回路总磁链．ｊＪ为三者之和，合闸回路电感Ｌ为乙、ｒ。

、１１ｎ之和，合闸回路电阻Ｒ为Ｒ５、ｂ之和。

有关该回路的方程：

－＿——３０４・－——

』寥＋罟一

【咖（ｏ）＝机（剩磁）

㈣

解为咖（ｔ）＝巾ｒｅ一÷

（ｒ２鼍）

零状态响应：

塍＋争ｕｍｓｉｎ（卅驯

【咖（ｏ）＝０

的稳态分量，可由合闸回路正态稳态分析求得为

（４）

解为ｔｏ（ｔ）＝ｔｏｏｏ（ｔ）一‘ｌ，ｏ。

（ｏ）ｅ一÷

，其中咖ｏ。

（ｔ）为响应

妒（ｔ）２．ｆ’ｍｓｉｎ（ｃｏｔ＋ａ—ｏａｒｃｔｇ昔

‘＝ｌｉｒａ＝丽丽ＬＵｒｅ

ａｒｃｔｇ

（５’（６）

Ｖｎ一。

Ｔ～‘』ＪＬ，。

妒（ｏ）２怔ｓｉｎ（，＊－－ａｒｃｔｇ黉）

因此零状态响应

‘ｆＩ（ｔ）＝咖ｏ。

（ｔ）２＠ｏｏ（０）ｅ一‘

（７）

＝咖。

ｓｉｎ（咖ｔ＋口一ａｒｃｔｇ案）一蚰ｓｉｎ—ａｅｃｔｇ案）

由于合闸回路的电抗ｅＬ远远大于电阻Ｒ，因此

（８）

Ｒ业＝ａｒｃｔｇ。

。

＝９０。

零状态响应ｔｏ（ｔ）＝一如ｓｉｎ（咖ｔ＋口）＋如ｃｏｓａｅ一÷

令输入响廊＝零输入响麻＋零状态响应。

即

万方数据

‘ｐ（ｔ）＝巾ｔｅ一÷

一．１，ｍｅｏｓ（‘ｌ’ｔ＋ａ）＋咖。

ｃｏｓ（ａ）ｅ一÷

＝一‘Ｊ，ｍｃｏｓ（‘‘．ｔ＋ａ）十机＂Ｊｆｆ如ＣＯＳａｅ一÷

（９）

可见变压器磁链由一滞后于电源电压Ｕ，９０６的稳态工频磁链和一衰减的非周期磁链构成，由于变压器导磁材料磁化曲线的非线性关系，在一定电压下，磁化电流的大小和波形取决于铁芯的饱和程度，饱和越深，励磁电流越大。

由此可见变压器空载合闸产生励磁涌流的根本原因是合闸时，其磁链不能突变而产生非周期磁链，使得变压器铁芯饱和，由于变压器导磁材料磁化曲线的非线性关系，导致很大的励磁涌流。

励磁电流的大小和衰减快慢就取决于非周期衰减分量机＋Ｉ＝ｌ，。

ＣＯＳ口）ｅ一÷

（１）励磁涌流大小：

与电压合闸初相角、剩磁大小和极性、铁芯磁化曲线等有关。

①当电压合闸角ａ

即电源电压瞬时值最大时咖（ｔ）＝一‰ｓｉｎ‘ｌ’ｔ＋

“ｃｏｓａｅ一．｝，励磁涌流取决于变压器剩磁，当施加的磁通和剩磁通的方向相同时，可能导致铁芯饱和引起涌流；

若变压器剩磁为零则磁场建立无瞬变过程而直接进入稳态，就不存在励磁涌流现象。

②当ａ＝０。

即电源电压瞬时值为零时，

咖（ｔ）＝一如ｃｏｓ（ｔａｔ＋ａ）＋（恤＋咖。

）ｅ一÷

，此时磁链幅值更

大，饱和度更深，励磁涌流更大。

（２）励磁涌流衰减快慢：

与

，

Ｔ、

时间常数ｒｆｒ＝吉ｌ有关，ｒ越大，衰减越慢；

ｒ越小，衰减越

ｔ

ｌＩ／

快．而合闸时间常数与变压器的立场电抗、铁芯饱和度、电源到变压器的总电阻等有关。

对于电压等级较高、容量较大的变压器，励磁涌流的持续时问较长，一般小容量的变压器几个周波即达到稳态，而大型变压器可能延续到１０Ｓ；

变压器铁芯饱和程度越深，励磁电感越小，衰减越快；

从等值电源到变压器的总电阻Ｒ励磁电流起到阻尼作用，Ｒ越大，衰减越快。

由以上分析可知，变压器的励磁涌流和多种因素有关，如铁芯的剩磁和极性，变压器上施加电压的幅值，合闸时的电压相角和时间，变压器的原边电路的电阻等。

１．２变压器空载励磁涌流特征

单项变压器的励磁涌流特点：

①涌流的产生以及涌流的大小与合闸角有关，合闸角ａ＝０和俚＝＇ｒ时励磁涌流最大。

②波形完全偏离时间轴的一侧，并出现问断角。

涌流越大，间断角越小。

③含有很大成分的非周期分量，问断角越小，非周期分量越大。

④含有大量高次谐波分量，而以而次谐波为主。

间断角越小，二次谐波也越小．

三相变压器的励磁涌流特点：

①由于三相电压之间有１２０。

的相位差，所以三相励磁涌流不同，任何情况下空载投入变压器，至少在两相中要出现不同程度的励磁涌流。

②某相励磁涌流可能不在偏离时间轴的一侧，变成了对称性涌流。

其他两相仍为偏离时间轴一侧的非对称性涌流。

对称性涌流的数值比较小。

非对称性涌流仍含有大量非周期分量，但对称性涌流中无非周期分量。

③三相励磁涌流中有一相或两相二相二次谐波含量比较小，但至少有一相比较大。

④励磁涌流的波形仍然是间断的，但问断角显著减小，其中又以对称性涌流的间断角最小打对称性涌流有另外一个特点：

励磁涌流的正向最大值与反向最大值之间的相位差１０２。

１．３变压器空载合闸励磁涌流会引起差动保护误动

虽然励磁涌流存在的时间很短，但是反复多次冲击对变压器也是不好的。

因为大电流的多次冲击．会引起绕组间的机械力作用，可能逐渐使其紧固件松动。

因为励磁涌

流仅流经变压器的合闸电源侧，因此通过电流互感器反应

到差动回路中不能被平衡。

因而有可能引起变压器的差动保动作。

电力变压器在空载合闸投人电网时，由于变压器铁芯磁通的饱和及铁芯材料的非线性特性，会产生幅值相当大的励磁涌流；

同时造成绕组变形，从而减少变压器寿命。

励磁涌流含有多个谐波成分及直流分量，这将会降低电力系统供电质量。

同时涌流中的高次谐波对连接到电力系统中的敏感电力电子器件有极强的破坏作用。

抑制方法有：

（１）改进的选相位关合技术充分考虑了剩磁对变压器空载合闸励磁涌流的影响。

可以有效地抑制励磁涌流幅值和暂态过程。

（２）断路器的动作时间分散性和触头预击穿特性对抑制励磁涌流的效果有影响。

（３）如果能够准确测量首合相铁芯中的剩磁吼，可以取消中性点串联合闸电阻，并在理论上可以实现无涌流空载合闸。

２变压器外部故障切除后恢复性涌流的分析

变压器外部故障切除后电压恢复时，任何一侧发生电压骤增，基于磁链守恒定律引起的瞬变过程产生偏磁导致铁芯过度饱和，使励磁电流很大，可达到额定电流的６—８倍。

小型变压器衰减得很快，约几个周波，便可达到稳态值；

大型变压器衰减得慢些，有时达数十秒之久。

２．１

变压器外部故障切除后恢复性涌流产生机理

２２０ｋＶ输电线路三相短路故障切除后产生恢复性涌流

为例分析其机理。

图２变压器外部故障接线

设在ｔ＝０时刻ｋ点发生三相短路故障，在ｔ—ｒ时刻故障被切除，此时故障电流流过变压器。

断路器通常在电流过零点附近切除故障，在此考虑理想状态，认为断路器就是在电流过零时开断短路电流。

然而实际电力系统各相电流之问有１２０。

相位差，三相电流不能同时过零，本文认为故障线路两侧的断路器分别在各相电流过零时切除故障，不考虑三相故障切除存在时间差而造成的影响。

卫

一

＋

Ｕ

图３变压器的等效电路图

２．１．１

变压器的等效电路图中电源电势采用电压源模型，

在变压器经历外部故障的扰动期间，不考虑相角突变

据基尔霍夫定律和回路方程：

电路平衡方程：

“＃Ｒ１ｉｌ＋Ｌ１＋警十ｅ（１０）泸Ｒ２如＋Ｌ２警

（１１）

磁势平衡方程：

￡；

掌

（１２）ｄｔ

ｉｔ—ｉ２＋ｉ。

（１３）

—－——

３０５．———

Ｎｏ．５，２０１０

ＭｏｄｅｒｎＢｕｓｉｎｅｓｓＴｒａｄｅＩｎｄｕｓｔｒｙ２０１０年第５期

式中：

‘Ｉ，是变压器铁芯磁链；

ｅ是变压器励磁支路电势；

Ｒ１和Ｌ１分别是变压器一次侧回路电阻和电感（包括系统电感Ｌｓ和变压器一次侧漏感Ｌｌａ）；

Ｒ２和Ｌ２分别是归算后的变压器二次侧回路电阻和电感（负荷以等效阻抗表示）。

２．１．２

变压器区外发生故障时对变压器的分析

变压器正常工作是铁芯中的稳态磁通为

圣（ｆ）＝一４ｋｃｏｓ（“＋口）

（１４）

在ｔ－－－一０时刻变压器区外发生故障，变压器二次侧回路参数突变为Ｒ２Ｋ和Ｌ２ｓ，我们用来表示外部故障的严重程度，则

．

＾２

Ｒ２Ｋ＋ｉＸ２Ｋ

，…

ｎ丁再ｉ干瓦刁瓦丌

均’

其中：

Ｒｌ和Ｘｉ分别是变压器一次侧回路电阻和电抗（包括系统电抗和变压器一次侧漏抗），Ｒ２Ｋ和ＸｚＫ分别是变压器区外故障时经过归算后的二次侧回路电阻和电抗（包括系统电抗和变压器一次侧漏抗），则变压器铁芯在外部故障时的磁通

垂（ｆ）＝一＾垂。

ｃｏｓ（“＋口）一哇ｋ（１一＾）ｃｏ缸

（１６）

２．１．３

变压器外部故障切除时对变压器的分析

在ｔ＝ｔ时刻外部故障被切除，此时电压恢复，又可以近似认为变压器励磁支路电势与电源电势相等，则变压器铁芯在外部故障切除时的磁通

垂（￡）＝一西。

ｃｏｓ（Ⅲｔ＋口）一０Ｉｍ（１一＿１１）ｃｏｓａ＋西。

（１一

ｈ）ｃｏｓ（“＋口）ｔ＞ｒ（１７）

如果忽略变压器外部故障切除后的负荷电流，假设故障电流在ｒ时刻恰好过零，再进一步忽略外部故障发生时的负荷电流，则式（１７）可以化简为

圣（ｔ）＝一‰ｃｏｓ（ａｔ＋口）一锄（１一＾）ｃｏｓ口＋锄（１一

＿１１）一亡

￡＞ｒ

（１８）

ｙ．，

靠＝｛｝，ＲＫ、‰分别是故障点到系统电源的

ⅢｎＫ

等效电阻和电抗，ＲＫ＝Ｒ１＋Ｒ２Ｋ，ＸＫ＝Ｘ１＋Ｘ２Ｋ。

定义听＝一锄（１一，Ｉ）ＣＯＳＱ，则式（１８）变为西（ｔ）＝一‰ｅｏｓ（“＋口）垂，（１一ｒ瞻）ｔ＞ｒ

（１９）由式（１９）可知，磁链嘶（１一ｅ－彘）跟变压器外部故障发生时刻的电势相角ａ、故障严重程度ｈ、故障切除时刻ｒ以及故障回路的时间常数ＴＫ这四个参数有关，在变压器铁芯磁化曲线确定的情况下，磁链嘶（１一ｅ－矗）的数值将决定铁芯饱和的程度，因此，变压器外部故障发生时刻的电势相角ａ、故障严重程度ｈ、故障切除时刻ｒ以及故障回路的时间常数ＴＫ这四个参数决定了恢复性涌流的大小．（１）峰值较小与空载合闸涌流相比，难以达到差动保护的启动判据。

（２）二次谐波含量高，即使恢复性涌流能够满足差动保护的启动条件，二次谐波制动判据也能够正确闭锁差动保

变压器外部故障切除后的恢复性涌流的二次谐波含量如果考虑电流互感器在外部故障扰动期间出现饱和现３０６－———

和，但如果两侧暂态特性不一致，可能形成一定的差电流。

此时，经电流互感器后的两侧差流（包括恢复性涌流和电流互感器引起的差电流），因二次谐波电流含量会降低，若低于１５％，二次谐波闭锁判据就无法起作用，其次变压器由故障电流恢复成正常的负荷电流，差动保护的制动量也迅速变小．总之，如果电流互感器造成的差电流较大，就可能形

成变压器差动保护误动的情况。

变压器外部故障发生时刻的电势相角、故障严重程度、故障切除时刻以及故障回路的时间常数，这４个参数和变压器铁心的性质决定着变压器能否出现恢复性涌流以及励磁电流的特征．

通常差动保护采用的电流互感器为保护级（Ｐ级），其误差只考虑一次电流为稳态电流，不考虑暂态过程中的非周期分量电流的影响，也就是说保护级电流互感器（Ｐ级）在暂态过程中不能保证其误差要求。

当外部故障切除后产生非周期分量电流时，就会造成差动保护不平衡电流的增加。

在外部故障切除后，差动保护容易误动的原因分析：

（１）在外部故障切除后，变压器差动保护中的制动电流由故障电流恢复成正常的负荷电流，制动量明显减小；

（２）在外部故障切除后，由于非周期分量的影响，使各侧电流互感器暂态传变特性不一致而产生差流，这样差流就包含电流互感器引起的差流和恢复性涌流两部分，动作量增大；

（３）由于电流互感器暂态特性不一致引起的差流的存在，可能导致差流中的二次谐波含量小于整定值，二次谐波制动判据可能失效。

当差流大于差动保护启动值、制动量恢复为正常的负荷电流、二次谐波含量小于整定值的时，区外故障切除后就可能导致差动保护误动。

对于实际电力系统，变压器在外部故障切除后从故障电流恢复成负荷电流，由于负荷电流削弱了涌流特征，很难直接从变压器一次侧观察到恢复性涌流。

此外，变压器在短时间内经历外部故障发生和被切除的扰动，出现各种谐波电流，使得电流波形畸变，对恢复性涌流也会产生影响。

由以上分析可知，变压器在外部故障切除后形成的恢复性涌流本身不能引起差动保护误动。

但是变压器在外部故障扰动期间，由于非周期分量的影响，使得电流互感器暂态特性不一致形成差电流，并随着外部故障的切除逐渐消失，出现以下情况：

①变压器两侧差流包含电流互感器引起的差电流和恢复性涌流两部分，差动保护动作量较大；

②恢因为电流从故障电流恢复成正常的负荷电流明显减小．

（１）空载励磁涌流就是电力变压器在空载合闸投入电网，在变压器线圈内所引起的冲击电流。

电力变压器空载（２）恢复性涌流是外部故障切除后电压恢复时，任何一

复性涌流二次谐波含量因为电流互感器引起的差电流的存在而降低，二次谐波制动判据可能失效；

③差动保护制动量２．２变压器外部故障切除后恢复性涌流特征

护。

３变压器空载励磁涌流与恢复性涌流的区别

３．１产生机理不同

合闸瞬间铁芯磁通处于瞬变过程，会产生三相不对称磁通，导致电力变压器绕组线圈迅速达到饱和，不过这种电流主要是非周期性变化的直流分量，它能导致铁芯严重饱和，在最坏的情况下合闸主磁通可以突变到稳定磁通的３倍，而励磁涌流有可能达到额定电流的８—１０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。

２．３变压器恢复性涌流对差动保护的影响

较高，大于５０％，但是恢复性涌流的幅值较小，还达不到差动保护的启动条件，说明变压器外部故障切除后的恢复性涌流本身不会引起差动保护误动。

象，则在变压器外部故障切除后，电流互感器会逐步退出饱

’。

—‘

文昌油田卫星通讯链路优化设计

鲁小琴１

沈

勇２

（１．中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江５２４０００；

２．中海石油特力电信技术有限公司，广东湛江５２４０００）摘

要：

卫星通讯作为一种重要的通讯手段，有其固有的缺陷。

通过对文昌油田卫星通讯链路的现状分析，针对用户

的使用情况，提出了一些改善、提高从而尽量减小缺陷影响的方案。

网络阻塞；

路由器；

ＴＣＰ／ＩＰ；

信道误码率中图分类号：

Ｖ１

ｌ

１６７２－３１９８（２０１０）０５—０３０７—０３

引言

的形式，拓扑图如下：

随着数字技术的迅速发展，卫星通讯作为一种重要的通讯手段，在海上通讯等方面得到了迅速发展，具有全球覆盖性、固定的广播能力、按需灵活分配带宽以及支持移动性等优点，成为一种向海上平台用户提供通讯网络服务的最佳选择方案。

因为海上作业平台所处位置的特殊性，不同于陆地的通讯光缆连接，海上作业平台局域网需要采用卫星链路技术的广域网实现与陆地总部的互联互通。

而卫星链路有延时大、带宽小和费用高等特点，针对这些特点，我们对文昌油田的通讯链路优化进行了研究。

２文昌油田数据链路现有情况

文昌油田与陆地的数据链路连接采用１２８Ｋ卫星线路侧发生电压骤增，基于磁链守恒定律引起的瞬变过程产生偏磁导致铁芯过度饱和，使励磁电流很大，可达到额定电流的６－－８倍。

３．２涌流特征不同

（１）变压器空载时励磁涌流特征：

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），其变化曲线为尖顶波。

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。

含有较大的非周期分量，且波形存在间断角。

励磁涌流的数值很大，最大可达额定电流的８－－１０倍。

（２）变压器外部故障切除后恢复性涌流特征：

峰值较小与空载合闸涌流相比，难以达到差动保护的启动判据；

二次谐波含量高，即使恢复性涌流能够满足差动保护的启动条件，二次谐波制动判据也能够正确闭锁差动保护。

３．３对变压器差动保护的影响不同

（１）电力变压器在空载合闸投人电网时，由于变压器铁芯磁通的饱和及铁芯材料的非线性特性，会产生幅值相当大的励磁涌流，而励磁涌流仅流经变压器的合闸电源侧，通过电流互感器反应到差动回路中不能被平衡，由此可导致变压器差动保护误动作。

（２）虽然变压器外部故障切除后的恢复性涌流的二次谐波含量较高，大于５０％，但其恢复性涌流的幅值较小，还达不到差动保护的启动条件，说明变压器外部故障切除后恢复性涌流本身不会引起差动保护误动。

３．４对涌流的影响因素不同

（１）影响变压器空载励磁涌流的因素：

励磁涌流的大小与电压合闸初相角、剩磁大小和极性、铁芯磁化曲线有关；

同时其大小和衰减快慢取决于非周期衰减分量，衰减快慢与时间常数有关；

而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。

（２）影响变压器恢复性涌流的因素：

变压器能否出现恢复性涌流以及出现恢复性涌流的大小与变压器外部故障发生时刻的电势相角ｎ、故障严重程度ｈ，故障切除时刻ｒ以及故障回路的时间常数ｔ这四个参数有关．

图１文昌油田网络拓扑图

平台网络应用主要有生产、办公、上网浏览等系统，如４结论

通过数学解析推导的方法，分析了变压器、故障切除后恢复性涌流、变压器空投励磁涌流的产生机理、影响因素及其对变压器保护的影响，分析表明，励磁涌流的形成与许多因素有关，其本质原因是由于合闸变压器励磁涌流流过系统电阻使得其他变压器工作母线电压偏移，导致铁芯饱和造成的。

同时，励磁涌流自身的特点使得励磁涌流对变压器保护的影响具有隐蔽性和广泛性，由其所引起的保护误动问题正逐渐引起人们的重视。

通过建立变压器数学模型进行数学计算，分析了变压器空载产生励磁涌流及变压器区外故障切除后的恢复性涌流的机理。

详细分析了影响变压器恢复性涌流大小的参数，简单分析电流互感器暂态特性，在此基础上得出变压器恢复性涌流本身不会引起差动保护误动。

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————３０７—・——

作者：

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MODERNBUSINESSTRADEINDUSTRY2010，22（50次

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