电力变压器工作原理及保护

1 概述

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，本文主要论述该电流的产生和影响。

2 励磁涌流的特点

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)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)，因此，励磁涌流的变化曲线为尖顶波。

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)In。

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。

4)励磁涌流的数值很大，最大可达额定电流的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。

3 励磁涌流的大小

3.1 合闸瞬间电压为最大值时的磁通变化

在交流电路中，磁通Φ总是落后电压u90°相位角。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，如图1所示。在这种情况下，变压器不会产生励磁涌流。

1、绪言

电力变压器是电网的重要组成元件之一，在电网的安全稳定运行中具有极其重要的作用。由于电网中变压器数量越来越多，其单体价值又非常高，一旦发生故障将造成严重后果，所以对变压器保护动作的可靠性有更高的要求。近年来，110KV变压器保护正确动作率一直徘徊在70％～80％之间（1999年66.99%, 2000年75.12%，2001年82.54%，2002年74.77%），远低于线路保护的正确动作率，因此迫切需要对变压器保护进一步发展与完善。【1】【2】

2、变压器故障的类型及应配置的保护【3】

变压器的运行故障主要有两类：（1）油箱内部故障－包括各相绕组之间的相间短路、单相绕组部分线匝之间的匝间短路、单相绕组或引出线通过外壳发生的单相接地故障、铁心烧损等；（2）油箱外部故障－包括引出线的相间短路、绝缘套管闪络或破碎引起的单相接地（通过外壳）短路等。变压器故障会导致不正常工作状态，主要表现在：外部短路或过负荷产生过电流、油箱漏油造成油面降低、中性点过电压、因外加电压过高或频率降低引起过励磁等。

根据变压器的故障状态，应装设下述保护：（1）瓦斯保护－防止变压器油箱内各种短路故障和油面降低，其中重瓦斯跳闸、轻瓦斯发信号；（2）纵联差动保护和电流速断保护－防止变压器绕组和引出线多相短路、大接地电流系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路；（3）相间短路的后备保护，包括过电流保护、复合电压起动的过电流保护、负序过电流保护－防止变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和差动保护的后备；（4）零序电流保护－防止大接地电流系统中变压器外部接地短路；（5）过负荷保护－防止变压器对称过负荷；（6）过励磁保护－防止变压器过励磁。【4】

3、变压器的励磁涌流及变压器差动保护【5】

当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，因铁心饱和及存在剩磁会出现很大的励磁电流即励磁涌流，其特点是含有很大成分的非周期分量、含有大量的高次谐波分量且以二次谐波为主、波形之间有间断，其大小和衰减时间与外加电压、铁芯剩磁大小与方向、回路阻抗、变压器容量和铁芯性质有关。对于三相交流变压器，由于三相之间相差1200，所以任何瞬间合闸至少有两相出现不同的励磁涌流，它对变压器差动保护的正确动作有不利影响，而在稳态运行及差动范围外发生故障时则影响不大。

差动保护是用某种通信通道将电气设备两端的保护装置纵向联接起来，并将两端电气量比较来判断保护是否动作，其基础是基尔霍夫定律。根据该定律，保护范围内流入与流出的电流应该相等（变压器归算到同侧）。当保护范围内发生故障时，其流入与流出的电流不等，差动保护就根据这个不平衡电流动作。差动保护原理简单易于实现，有很高的动作选择性和灵敏度，以其优越的保护性能成为大容量、高电压变压器的主保护，缺点是在励磁涌流情况下容易误动。

从电路上看，变压器一次绕组和二次绕组并非是一个节点，变压器差动保护原理建立在稳态磁路平衡的基础上，是差动保护原理的一种拓展。在暂态过程中这种平衡关系将被打破，只有等到暂态过程衰减后，原先的平衡关系才能重新建立，因此需要检测这种暂态。变压器差动保护中的关键问题是如何处理励磁涌流导致的误动，目前常用的涌流闭锁方法有二次谐波制动、间断角闭锁、波形对称原理等。励磁涌流是一次系统在稳态和衰减直流分量叠加磁链的激励下，作用于非线性励磁特性的电流输出。衰减的直流分量在频域中是用傅立叶分析的一个连续的密度谱，而稳态交流分量在频域上是用傅立叶级数分析的一个离散幅值谱。在保护的数字信号处理中，将衰减的直流分量在时间上截断并进行了周期延拓，导致产生成了离散的幅度谱