变压器涌流和通电瞬态的建模

主要收获

• 变压器通电是一个磁饱和问题，因此线性变压器模型会低估浪涌电流和继电器触发的概率。
• 残余磁通量、开关角和源阻抗决定了轻微和严重浪涌情况之间的差异，这就是为什么单案例研究会产生误导。
• 当保护设置与基于透明变压器模型构建的模拟浪涌包络线进行比对时，其效果最佳。

要准确研究变压器的浪涌电流，必须对饱和、剩磁和开关瞬间进行建模。

大功率变压器对系统的影响远超其自身端子范围，美国约90%的发电量在某个环节都会经过这些变压器。将一个“干净”的电压阶跃输入线性变压器模型，无法反映现场出现的电流峰值、波形失真或继电器故障。你研究的问题既涉及电气方面，也涉及磁记忆方面。因此，从首次仿真开始，就必须将变压器通电视为一个磁通历史问题来处理。

变压器的浪涌电流始于铁芯磁通不平衡

当施加电压所要求的磁通量与铁芯中已存在的磁通量不匹配时，变压器就会产生浪涌电流。这种不匹配会将工作点推过磁化曲线的拐点。一旦发生这种情况，磁化电流就会急剧上升并变得高度不对称。

“那个最初的电流峰值源于饱和，而非负载电流。”

一台并入带电母线的132/33 kV空载变压器清楚地说明了这一点。 绕组上施加的是正弦电压，但铁芯并非从磁中性状态开始。如果施加的磁通轨迹与残余磁通的初始方向相同，则铁芯将在第一个半周期内饱和。此时电流将呈现平顶波形，含有大量低次谐波，且远大于线性模型所预测的稳态励磁电流。

只有当模型将磁通量视为电压的时间积分，并允许铁芯饱和时，才能正确描述物理过程。仅基于漏抗和理想匝数比构建的模型，在前几个周期内总是会低估电流值。这一点至关重要，因为保护、断路器工作状态和绕组力都会对这些周期内实际流过的电流作出响应。一旦接受了这一出发点，后续的通电分析就更容易进行结构化设计了。

剩磁通量确定了通电前的最坏情况

残余磁通量决定了最坏情况，因为在断电后，磁芯的磁化强度很少会恢复到零。最后一次开关操作会在一个或多个支路中留下磁偏置。该偏置会叠加到下次闭合后产生的新磁通量变化上。当残余磁通量与施加的磁通量方向相同时，电流会达到最大值。

变压器在承载轻载后断开，通常仍会保留相当大的剩磁。 如果几分钟后从同一侧合闸该变压器，尽管端子电压已降至零，但前一次运行时的磁状态仍然会产生影响。如果某相处于正剩磁附近，且断路器在电压波形的不利位置合闸，该相将比其他相更早达到饱和。此时会出现相电流不平衡、较大的直流偏移以及更长的浪涌衰减时间。

应将残余磁通视为计算输入，并在每个工况定义中使其保持可见。良好的变压器通电测试会验证多种剩磁模式，包括零剩磁、平衡剩磁以及最差对齐工况。这种方法能够反映轻微与严重涌流之间的差异，而非得出单一且具有误导性的结果。这也解释了为何即使铭牌数据和系统电压看似正确，现场测试结果仍可能与标称计算结果存在差异。

开关角决定了第一个峰值电流

开关角决定了第一个峰值电流，因为变压器的磁通量与施加电压的积分成正比，因此闭合瞬间的电压值并不能完全说明问题。在电压接近零交叉点时闭合，会在接下来的半个周期内产生最大的磁通量上升；而在电压峰值附近闭合，则会产生最小的瞬时磁通量上升。与负载条件相比，断路器的闭合瞬间对第一个涌入电流峰值的塑造作用更大。

一项关于波峰闭合的研究迅速说明了这一点。以同一台无负载变压器为例，其残余磁通量和源阻抗均相同，然后进行两种情况的模拟。一种情况是在电压峰值附近闭合，产生适度的暂态响应；另一种情况是在电压为零附近闭合，将磁通量推至远超饱和膝点的水平，因此首次电流峰值会增大数倍，且不对称程度显著提高。

三极断路器的情况更为复杂，因为每个极的合闸电角度并不完全相同。微小的极间散差会产生相间差异，从而延长暂态过程并导致中性点电流失真。这就是为什么仅考虑单次合闸情况无法提供太多信息。在对预期涌入电流做出任何判断之前，您需要一组能够涵盖理想、典型和极端合闸情况的开关角度数据。

饱和曲线决定了模型能否预测浪涌电流

饱和曲线决定了模型能否预测浪涌电流，因为它控制着磁通量上升时磁化电感何时坍塌。线性磁化支路无法再现通电时出现的电流突增现象。拐点、拐点以上的斜率以及空芯区域都会影响峰值和衰减过程。如果缺少这些特征，结果虽然看起来很“干净”，但实际上是错误的。

假设有两个相同的变压器模型。一个采用固定的励磁电抗，另一个则采用根据励磁数据拟合得到的非线性磁化曲线。线性情况下的暂态响应整洁有序，衰减迅速，且峰值远低于现场工作人员的预期。而非线性情况则会产生较高的第一个峰值、更平缓的波形以及更慢的衰减，这是因为铁芯在每个周期中的一部分时间内处于饱和状态。

正是这一差异，使得透明的磁路建模在调试研究和教学工作中都至关重要。SPS SOFTWARE 允许您查看和编辑变压器的磁化支路，而不是将其隐藏在“黑匣子”组件之后。您可以测试更平缓的拐点、更深的饱和或缺少励磁数据会如何改变预测的浪涌电流。一旦磁路支路可见，研究结果与现场经验之间的不一致通常就更容易解释了。

变压器通电研究需要明确的研究顺序

变压器通电研究需要明确的研究顺序，因为研究结果取决于多个相互关联的输入参数，这些参数很容易被混淆或遗漏。在选择系统强度、变压器数据、剩磁、开关时刻和测量点时，需要遵循可重复的顺序。规范的研究顺序既能减少返工，又能使不同案例之间的比较具有实际意义。此外，它还能确保保护方案审查基于与电气研究中相同的假设。

• 首先设置源电压和源阻抗。
• 接下来，请输入绕组数据和连接详情。
• 根据测试数据拟合非线性磁化曲线。
• 在断路器合闸工况之前，先分配残余磁通工况。
• 记录峰值电流、衰减时间以及继电器参数。

该流程之所以有效，是因为每个步骤都会确定一个下一步骤所依赖的假设。审查差动限制功能的保护工程师需要与系统工程师用于峰值电流分析时相同的剩磁工况；下学期重复该研究的实验室则需要相同的测量点和求解器设置。这不仅仅是在运行一次仿真，而是要构建一个可追溯的解释，说明为何应信任变压器通电结果。

保护装置跳闸是因为浪涌电流导致电流测量值失真

在涌流期间，保护装置会跳闸，因为继电器检测到的大幅畸变电流可能与内部故障或严重的外部事件相似。该电流包含不对称、谐波成分和相位不平衡，且电流互感器也可能发生饱和。这种综合影响会改变许多保护元件所依赖的参数。即使继电器设定在负载和故障工况下是稳定的，仍可能对通电过程产生误判。

已发表的研究报告显示，在严重的剩磁和开关条件下，首次峰值磁化涌流可超过额定电流的10倍。面对这种波形的差动继电器，在谐波抑制稳定之前可能会检测到较高的动作电流。接地元件可能会对因相电对称性失衡而产生的中性点电流产生反应。如果电源刚性较大，且变压器容量相对于馈线额定值较大，馈线过电流保护也可能动作。

二次谐波抑制措施虽有帮助，但并非万能的防护手段。现代磁芯、残余磁通以及电流互感器的饱和现象，都可能产生与教科书中整齐规范的模式不符的浪涌特征。正因如此，保护方案审查必须采用来自可靠通电模型的模拟继电器量值。如果仅将有效值峰值电流与动作设定值进行比较，就会忽略导致误跳闸的测量失真。

系统阻抗决定了预测的浪涌电流峰值

系统阻抗会影响预测的浪涌电流峰值，因为它在铁芯饱和期间限制了变压器实际承受的电压。刚性电源能维持端子电压，从而允许更大的电流通过；而软性电源则会产生更大的电压下陷，从而降低峰值。同一台变压器，其表现可能温和也可能剧烈，这取决于上游的负载情况。

由强功率传输母线供电的设备，其第一个峰值与通过长电缆或变电站服务路径供电的同一设备所产生的峰值会有所不同。较弱的路径会增加串联阻抗，降低饱和期间的瞬时端子电压，并通常会削减峰值电流。不过，这并不总能减轻继电保护方面的担忧，因为衰减速度较慢可能会导致制约条件和时限问题持续的时间比预期更长。

保护设置应遵循模拟的浪涌电流包络线

“保护设置应遵循模拟的浪涌电流包络线，因为单次通电情况永远无法完全反映实际运行中会遇到的范围。”

您需要一个基于开关角、残余磁通、电源强度以及变压器饱和工况构建的包络线。该包络线可为您提供基于物理原理的吸合、限制、延时和安全裕度。此外，它还能使调试审查转变为对已研究极限值的核对，而非凭空猜测。

一次全面的参数审查应测试最差对齐剩磁情况、典型的闭合情况，以及至少一条弱源通电路径。随后，应将继电器的测量值与这些情况进行对比，而不是依赖教科书上的单一乘数。这一过程通常表明，只需微小的时序延迟或调整后的限制阈值，就足以抵御涌入电流，同时不会掩盖真正的内部故障。它还能揭示在哪些情况下，研究假设过于单薄，无法为任何参数调整提供依据。

良好的工程判断力源于能够揭示波形背后磁场和网络假设的模型。SPS SOFTWARE正能满足这一需求，因为您可以通过该软件检查饱和支路、调整分析案例，并让审批通电方案的人员清晰了解其中的推理过程。当保护装置在现场成功抵御涌入电流时，这通常反映出在断路器合闸之前很久就已进行了周密的建模工作。