以下是小编帮大家整理的变压器励磁涌流产生机理及抑制措施探讨论文，本文共2篇，供大家参考借鉴，希望可以帮助到您。本文原稿由网友“燕嫙”提供。
篇1：变压器励磁涌流产生机理及抑制措施探讨论文
1、变压器励磁涌流及特点
变压器是一种依据电磁感应原理制造而成的静止元件，是交流输电系统中用于电压变换的重要电气设备。当合上断路器给变压器充电时，有时候，能够观察到变压器电流表的指针有很大摆动，随后，很快又返回到正常的空载电流值，这个冲击电流通常就被称为励磁涌流。
总的来说，变压器励磁涌流有以下几个特点：第一，波形呈现尖顶形状，表明其中含有相当成分的非周期分量和高次谐波分量，其中高次谐波以二次和三次为主，并且，随着时间推移，某一相二次谐波含量可能超过基波分量的一半以上。第二，励磁涌流幅值与变压器空载投入的电压初相角直接相关。对于单相变压器来说，当电压过零点投入时，励磁涌流幅值最大。由于三相变压器各相间有120度相位差，所以涌流也不尽相同。第三，在最初几个波形中，涌流将出现间断角。第四，涌流衰减的时间常数与变压器阻抗、容量和铁心材料等都相关。
2、励磁涌流产生机理
变压器励磁涌流是由变压器铁心饱和引起的。在铁心不饱和时，铁心磁化曲线的斜率很大，励磁电流近似为零;一旦铁心出现饱和，磁化曲线斜率变小，电流随着磁通线性增长，最终演变为励磁涌流。
下面以单相变压器空载合闸为例分析励磁涌流产生机理。设变压器在时间t=0时合闸，则施加于变压器上的电压为：
(1)
又，变压器电压与磁通间的关系为： (2)
故： (3)
式(3)中第一式为稳态磁通，后两式为暂态磁通，为铁心剩磁，与合闸时刻的电压相关。
计及成本和工艺，现代常用的电力变压器饱和磁通一般设为1.15～1.4，而变压器运行电压一般不应超过额定电压的10%。因此，变压器稳态正常运行时，磁通不会超过饱和磁通，铁心也不会饱和。但在暂态过程中，如变压器空载合闸时，由于剩磁的作用，运行磁通就有可能大于饱和磁通，从而造成变压器饱和。例如，最严重的是电压过零时刻，合闸，假若此时铁心的剩磁，非周期磁通为经过半个周期后，磁通达到，将远大于饱和磁通，造成变压器严重饱和。
3、抑制措施
对于现场中常用的三相电力变压器，防止变压器励磁涌流引起差动保护的措施主要有以下几类。
3.1 采用速饱和中间变流器
差动保护按照躲开最大不平衡电流进行整定时，带速饱和原理的差动保护能够减少非周期分量造成的保护误动，如BCH-2型就是一种增强型速饱和中间变流器的差动保护。这种差动保护的核心部分是带短路线圈的饱和中间变流器和差动电流继电器。短路线圈的存在使得在具有非周期分量电流时继电器的动作电流大为增加，从而提高了躲避励磁涌流和外部短路时暂态不平衡电流的性能。采用BCH-2型差动保护要注意短路线圈匝数的确定匝数愈多躲避涌流的性能愈好，但内部短路时继电器的动作延时就长。对中小型变压器，由于励磁涌流倍数大，内部故障时非周期分量衰减快，对保护动作要求又较低，一般选较大的匝数，而对大型变压器，内部涌流倍数小，非周期分量衰减慢，又要求保护动作快，则应选较小的匝数。最后选用的抽头是否合适，应经变压器空投试验来确定。同时，灵敏度检验应按内部短路时最小短路电流来进行。如不满足要求，则应选带制动特性的差动保护。与BCH-2型原理相同的还有DCD-2型差动继电器构成的差动保护。
总的来说，带速饱和原理的纵差保护由于动作电流大，灵敏度低，并且在变压器内部故障时，会由于非周期分量的存在而延迟动作，已逐步被淘汰。
3.2 二次谐波制动
依照励磁涌流中含有二次谐波的特点，设计了二次谐波制动的方法，一旦保护检测到差流中含有的二次谐波大于保护整定值，就闭锁保护继电器，防止励磁涌流引起保护动作。二次谐波制动的`动作判据可写为： (4)
其中，和分别为差流中的基波和二次谐波分量的幅值，为二次谐波制动比。现场应用时，根据运行经验和空载合闸试验，一般按照躲过各种励磁涌流下，最小的二次谐波含量整定。一般而言，二次谐波制动比可设为(15%，20%)。
二次谐波制动的差动保护原理简单，调试简便，灵敏度高，在当前变压器纵差保护中应用广泛。但是，在安装有静止无功补偿装置等电容分量比较大的系统，故障暂态电流中也有较大的二次谐波含量，致使差动保护动作速度受到影响。若空载合闸前变压器已经存在故障，合闸后故障相为故障电流，非故障相为励磁涌流，采用三相或门制动的方案时，差动保护必将被闭锁。由于励磁涌流衰减很慢，保护的动作时间可能会长达数百毫秒。这也是二次谐波制动方法的主要缺点。
3.3 间断角鉴别的方法
前面提到，在最初几个波形中，涌流将出现间断角。而变压器内部故障时流入差动继电器的稳态差电流是正弦波，不会出现间断角。间断角鉴别的方法就是利用这个特征鉴别励磁涌流和故障电流，即通过检测差电流波形是否存在间断角，当间断角大于整定值时将差动保护闭锁。间断角制动的保护整定值一般设为65°。对于Y/d接线方式的三相变压器，非对称涌流的间断角比较大，间断角闭锁元件能够可靠的动作，并且裕量充足;而对称性涌流的间断角会小于65°。进一步减小整定值并不是好的方法，因为整定值太小会影响内部故障时的灵敏度和动作速度。由于对称性涌流的波宽等于120°，而故障电流(正弦波)的波宽为180°，因此在间断角判据的基础上再增加一个反应波宽的辅助判据，在波宽大于140°(有20°的裕量)时也将差动保护闭锁。间断角原理由于采用按相闭锁的方法，在变压器合闸于内部故障时，能够快速动作。这一点是比二次谐波制动(三相或门制动)方法优越的地方。对于大型变压器，可以同时采用两种原理的纵差动保护，能够起到优势互补，加快内部故障的动作速度，不失为一种好的配置方案。
篇2：小型机组励磁整流变压器的选型与计算工学论文
小型机组励磁整流变压器的选型与计算工学论文
摘要：整流变压器的选型和计算是发电机用户经常遇到的技术问题。由于小水电的特殊环境条件，经典理论计算公式的结果往往不符合实际，本文就此作一些探讨，提出一组简明的计算方法。本文的讨论基于如下的条件：400V低压同步发电机组，并网运行，三相晶闸管整流，基层用户使用的角度（用户向制造商提供订货数据，不涉及变压器制造的参数设计）
关键词：干式整流变压器 晶闸管整流 励磁 同步发电机 小水电
1.概述
在小水电励磁设备的选型配套或维修升级的工作中，电站用户常常遇到整流变压器参数计算的问题。很多电工设计手册都提供了整流变压器的设计公式，但这些公式适用的是标准的应用条件，与小水电的实际运行环境有所差别，据此设计的变压器可能不太切合实际。同时小水电基层的专业技术人员也缺乏，用户通常觉得整流变压器的选型计算很困难。因此为基层用户提出一个简明计算方法是很有必要的。
1.1 整流方式的选择：目前低压机组基本上都采用自励式静止晶闸管励磁方式。其整流方式一般有三相全波半控整流和三相半波整流两种。全波整流的变压器效率比较高（95％），波形比较好。半波整流的硅元件较少，但变压器二次绕组有直流电流通过，效率比较低（74％），波形畸变大，用在小于10kW的整流电路，不过一些早期设计的较大机组也是半波整流。两类整流方式的`变压器计算公式有所不同。
1.2 整流变压器的形式：采用环氧干式变压器。容量一般在10－100kVA内，标称一次电压（网端）400V，二次电压（阀端）100V以内，电流100－300A内。由于容量比较小，与整流装置同置一个配电盘体内。整流变压器冷却方式是自冷，在盘侧不安装封闭板时，散热条件比较好。
1.3 绝缘等级与散热方式：小水电使用的干式环氧变压器的绝缘等级一般是B级，绝缘系统最高耐温为130℃，因此变压器满负荷工作时的外表温度有烫手是正常的。如果对变压器加以有效的强制风冷，其输出功率可以提高10％～30％。反之，如果变压器是工作在密封的配电箱里，散热条件不良，它的电流容量就必需降低10％或更多。
1.4 阻抗电压：在发电机的励磁系统中，有可能存在整流管击穿或直流回路短路等因素，故整流变压器的短路阻抗电压要比普通的变压器要高，以限制过大的短路电流。短路阻抗电压的参数由变压器制造厂设计，我们不作讨论，但用户在向厂家订货时必需要注明是晶闸管整流变压器。
2、接线组别
整流变压器的接线组别必须与晶闸管整流控制要求的相位相配合。如果是新的设计，可以按以下原则来考虑。
一般采用D，y11的方式，即网侧（一次）采用△接法，阀侧（二次）采用y接法。此接法的二次相电压比一次相电压在相位上落后30°。
D，y11的接法同时适应三相半波和全波两种整流形式。如果现有的整流变压接线组别是Y，d11，那也可以使用，但不能用于三相半波整流。
至于Y，y的接线组别就不推荐使用。我们知道三相可控整流产生的三次谐波电压非常高，可达基波值的50%以上， 而变压器的D接法可以使其三次谐波磁通抵消，把影响降低到最小。但如果采用Y，y的接线组，整流电路产生的三次谐波的磁通无闭合回路不能抵消。过高的三次谐波会使电波形畸变过大，影响到变压器及发电机和其它仪表电器设备的正常运行。
电站向厂商提出订货数据时，应说明清楚变压器的连接组别， 一、二次电压（同时必需注明是相或线电压）。
3、一次线电压U1的选择
小型机组的机端额定线电压是400V，但小型水电站一般都处于电网的远端，离变电站线路很长阻抗大。造成末端的网电压过高，尤其是在丰水期发电高峰时段，网电压（机端）往往高达460V以上。如果此时一次电压还是按照400V来设计，变压器就会承受过电压，使损耗增大，发热超标。
整流变压器的铁损与其承受电压倍数比成4次方的关系，例如按400V设计的整流变压器，在1.2倍（480V）电压下运行时，其铁损的增加到（480/400）4=2.07倍。这些损耗最终都在变压器内转为热量，使变压器的温升大增。
更有甚者，当电源电压超高到达一定程度后，变压器的铁心的磁通密度就会进入饱和区，使一次侧电流激增以致线圈烧毁。一些整流变压器的设计制造时由于成本的考虑，选取铁心的磁通密度Bm值偏高，而一次绕组的电压值仍然选取400V，故在网电压过高地区烧毁变压器的例子并不罕见。
对此就应该适当加大一次绕组的电压值，以使网电压升高＋20%变压器也能应付工作。一般变压器尚有5%的电压过载能力，故我们可用经验公式来选取一次侧绕组额定线电压值
U1=0.95U1（MAX），
式中，U1（MAX）是网电（折合到机端）的最高电压值。计算结果若小于400V则按400V选取。
一次电压选取值增加后，二次电压也应该增加同样的比值，保持变压比不变，以维持励磁电压与机端电压相同比例地增减，因为发电机电压越高，需要的励磁功率就越大。
提高一次电压的做法，等效于增加每伏圈数，都是为了降低变压器铁心的磁通密度。防止进入磁通密度曲线的饱和段。带来的好处还有降低了变压器的空载电流和铁损。
当然这样也有些负面影响，因绕组圈数加多，使变压器内阻增大，电流损耗（铜损）略有增加，但对变压器的正常运行不构成什么影响。电压调整系数为n＝U1/400
简易计算时，可以通取U1= 440V，能适应大多数电网条件（400V-470V）的要求。
4、二次电压U2的计算
二次电压的选取值关系到励磁系统的顶值（强励）电压，最大励磁电流、晶闸管导通角和谐波失真、整流电路的功率因数等等。
按有关规范，励磁电路要提供1.6～1.8倍的强励电压，即变压器的二次电压需是额定值的1.6～1.8倍。但是实际上，我国的小水电机组很少有自成孤立电网运行的，绝大部分都是并入大电网售电运行，没有向电网提供强励功率的需要和能力――须知大电网容量极大，单个小水电机组的对它的影响是微不足道的。
如果按提高1.6～1.8倍的数值来选取二次电压，整流电压就比较高，晶闸管整流系统励磁时长期处于被深控的状态，晶闸管的导通角小，波形畸变增大，功率因数变差，故障的短路电流变大，这些因素都对变压器和机组设备运行不利。同时在相同的变压器功率容量下，电压高了必然导致电流降低，线圈绕组的导线截面积下降，电流损耗也增大。
根据我们的经验，选择最大整流电压为额定励磁电压的1.3倍就比较适中，除了处理避免上述电压过高的缺点以外，也保留了一定的整流功率裕量，适应了运行条件变化的要求。
相电压U2的计算式
三相全波整流 U2 =1.3×1.06（nUE+2.5）/2.34 =0.59nUE+ 1.47
三相半波整流U2 =1.3×1.06 （nUE +1.7）/1.17 =1.18 nUE+ 2.0
对上式各项的解释：
UE―发电机额定励磁电压（V）；
系数1.3―如前所述，是励磁电压的裕量值；
系数1.06―电流满负载时变压器内阻漏抗引起电压降的补偿值。这里用简单的一个固定数值来代替复杂计算，误差也不太大；
n―电压调整系数，见上节所述；
系数2.34（或1.17）―三相全波（或半波）整流元件全导通时输出直流电压与输入交流相电压的比值， 即UE /U2＝2.34（或UE / U2＝1.17）；
数字2.5（或1.7）―励磁回路的电压降的总和，其中包括整流元件的正向压降（1.5V或0.75V），以及馈电导线和碳刷集电环的压降（1.0 V）。
变压比K=U2 / U1.
简易计算时，可把上式结果的第一、二项合并，有U2 = 0.71 UE （全波），或U2=1.4 UE（半波）
5、电流的计算
三相全波整流一次电流I2＝0.816 K IE，二次相电流I1＝0.816 IE
三相半波整流一次电流I2＝0.472 K IE，二次相电流I2＝0.577 IE
这里的I1值尚未考虑变压器的效率。
6、功率的计算
励磁功率： PE = UEIE（W）
变压器二次侧功率：
全波整流P2=3U2I2=3（0.59 n UE + 1.47）×0.816IE = 1.45 n PE +3.60IE（W）
半波整流P2=3U2I2=3（1.18nUE+ 2.0）×0.577IE = 2.04 n PE+3.46IE（W）
变压器容量的计算：
全波整流S1=P2/（0.8 ×97％）=1.29 P2＝1.29（1.45 nPE +3.60IE）= 1.87n PE + 4.64IE （VA）
半波整流S1= P2 /（0.8×97％）=1.29 P2 =1.29（2.04 nPE +3.46IE）= 2.63n PE + 4.46 IE（VA）
式中，0.8为变压器的额定功率因数，97%为变压器一次侧效率。
简易计算时，可把上式结果的第一、二项合并，有
S1 = 2.2 PE（全波用），或S1 = 3 PE（半波用）
在实际的订货中我们有时发现，某些厂商为了降低成本，变压器制造的用料偏紧，使变压器运行温升偏高。 在这种情况下为保险起见，最好把订货的变压器容量加大10% 来应付，此时变压器的电压数值不改变，一、二次电流要按比例提高。
7、计算实例
某小型水电站需订购一励磁整流变压器， 发电机参数为：
发电机功率400kW， 额定电压400V， 发电机励磁电压UE= 49.4V，励磁电流IE = 153A.
工作条件：励磁装置为晶闸管三相全波半控整流，机组并大电网运行， 网电最高电压（机端）460V.
求解步骤如下
1）连接组 D，y11
2）励磁功率PE= UEIE = 49.4×153 = 7558.2 （W）
3）一次线电压U1 = 460×0.95 = 437（V），取440V
电压调整系数n =U1/400 = 1.1
4）二次相电压U2= 0.59nUE+1.07 = 0.59×1.1×49.4+1.07 = 33.13V，可选34V；
5）变压比K= U2/U1=34/440=0.0773
6）二次电流I2= 0.816 IE =0.816×153 =124.85（A），可选125A.
7）一次电流I1=0.816 KIE =0.816×153×0.0773 =9.65（A），可选9.7A
8）功率容量S1=1.87nPE+ 4.64IE=1.87×1.1×7558.2 + 4.64×153
= 16257（VA），可选17 kVA
最后，填写订货清单：
三相干式整流变压器订货数据
变压器容量：17 kVA 连接组：D，y11
电压比：440 V（线）/ 34 V（相） 电流（一次电流可不报）：9.7 A / 125 A
功率因数：0.80 工作制：长期连续工作
按照本文的计算结果，在额定工况时变压器的负载率为0.77， 处于经济运行状态。额定励磁电流输出时整流晶闸管的控制角约65°。
8、简易计算方法
发电机参数同前，励磁电压UE=49.4V，励磁电流IE=153A.
励磁功率：P = 40.3×161.4 =7558.24 （W）
通取一次线电压：U1= 440V
三相半波整流时
二次相电压 U2=1.4 UE =1.4×49.4=69.2 V，可选70V
变压器容量S1=3×7558. =22674（VA），可选23 kVA
三相全波整流时
二次相电压 U2 =0.71 UE =0.71×49.4 =35.1（V），可选35V
变压器容量 S1 =2.2×7558.2=1662（VA），选17 kVA
与上节的计算结果比较可见，简易计算方法的误差并不大，可以付诸应用。在励磁电压UE较大时，简易法的U2值会稍微偏大，但对实际运行的影响无碍。
