0 引言
    新投入運行的變壓器，除按交接試驗標準做一些必需的試驗及保護、二次方面的試驗外，在正式投入前，通常都要做空載全電壓合閘沖擊試驗。做空載合閘沖擊試驗的目的是：檢查變壓器的相關(guān)保護是否誤動。帶電投入空載變壓器時，會產(chǎn)生勵磁涌流，其值可達6～8倍額定電流。勵磁涌流開始衰減較快，一般經(jīng)0．5～1 s即可減至0．25～0．5倍額定電流，但全部衰減完畢時間較長，中小變壓器約幾秒，大型變壓器可達10～20 s，故勵磁涌流衰減初期，往往使差動保護誤動，造成變壓器不能投入。因此，空載沖擊合閘時，在勵磁涌流作用下，可對差動保護的接線、特性、定值進行實際檢查，并作出該保護可否投入的評價和結(jié)論。

1 勵磁涌流產(chǎn)生的原因
1．1 勵磁涌流產(chǎn)生的機理
    以單相變壓器為例，說明其空投時勵磁涌流產(chǎn)生的機理。
    忽略變壓器及合閘回路電阻的影響，且電源電壓的波形為正弦波，則空投瞬間變壓器鐵心中的磁通與外加電壓的關(guān)系為：
   
    式中：N為變壓器空投側(cè)繞組的匝數(shù)；φ為鐵心中的磁通；Um為電源電壓的幅值；α為合閘角；ω為角速率，當頻率為50 Hz時，ω=314。
    考慮電源回路及變壓器繞組的有效電阻及損耗，由式(1)求解可得：
   
   
    式中：；T為時間常數(shù)，與合閘回路的損耗及感抗有關(guān)。式(2)中的第一項為磁通的強迫分量；第二項為磁通的自由分量或衰減分量。
    由式(2)可以看出，在空投變壓器的瞬間，鐵心中的磁通由三部分組成，即強迫磁通φmcos(ωt+α)、剩磁通φs及決定于合閘角α的磁通φmcosα。根據(jù)式(2)及不考慮自由分量或衰減分量，并設合閘角α=0，剩余磁通φs=0．9φm時，在合閘瞬間變壓器鐵心中的綜合磁通變化曲線如圖1所示。在圖1中，曲線①為外加電壓波形；曲線②為鐵心中的強迫磁通(或穩(wěn)定磁通)波形；曲線③為空投變壓器時鐵心中的綜合磁通波形。

    可以看出，當初始合閘角等于0°，變壓器鐵心中的剩余磁通φs=0．9時，鐵心中的最大磁通達2．9φm，從而使變壓器鐵心嚴重飽和，勵磁電流猛增，即產(chǎn)生所謂勵磁涌流。
1．2 影響勵磁涌流大小的因素
    由式(2)可以看出，空投變壓器時，鐵心中磁通的大小與φm，cosα及φs有關(guān)，而勵磁涌流的大小與鐵心中磁通的大小有關(guān)。磁通越大，鐵心越飽和，勵磁涌流就越大。因此，影響勵磁涌流大小的因素主要有：
    (1)電源電壓。變壓器合閘后，鐵心中強迫磁通的幅值φm=Um／Nω。因此，電源電壓越高，φm越大，勵磁涌流越大。
    (2)合閘角α。當合閘角α=0時，φm=ωsα最大，勵磁涌流大；而當α=90°，φmcosα等于零，勵磁涌流較??；
    (3)剩磁Bs
    合閘之前，變壓器鐵心中的剩余磁通越大，勵磁涌流就越大。另外，當剩余磁通Bs的方向與合閘之后φmcosα的方向相同時，勵磁涌流就大，反之亦反。
    此外，勵磁涌流的大小，尚與變壓器的結(jié)構(gòu)、鐵心材料及設計的工作磁密度有關(guān)。變壓器的容量越小，空投時勵磁涌流與其額定電流之比就越大。

2 變壓器沖擊過程中的波形分析
2．1 變壓器沖擊時的實際數(shù)據(jù)
    以華東地區(qū)某電廠為例，沖擊變壓器時，實錄了5組沖擊電流波形，選擇一組典型的沖擊波形如圖2所示。5次沖擊的數(shù)據(jù)記錄如表1～5所示。該變壓器的參數(shù)如表6所示。

2．2 實驗數(shù)據(jù)分析
    (1)勵磁涌流波形是間斷的，且間斷角很大，一般大于150°，由于波形間斷，使其在一個周期內(nèi)正半波與負半波不對稱，所以采用波形識別的方法進行閉鎖差動保護能很好地防止變壓器沖擊過程中差動保護誤動；
    (2)勵磁涌流中含有很大的二次諧波分量，用諧波分析儀進行測量分析，不同時刻涌流中二次諧波分量與基波分量的百分比大于30％，有的達40％，甚至更大，但是二次諧波衰減很快，部分情況下，基波還沒有衰減到差動啟動值的情況下，B相的二次諧波含量已經(jīng)達到15％以下；
    (3)勵磁涌流最大出現(xiàn)在第四次沖擊時的C相，超過差動保護的啟動值，二次諧波占基波比值最大的出現(xiàn)在第五次沖擊時的B相，最大達到39％；
    (4)勵磁涌流衰減的最長時間為8 015 ms。

3 變壓器沖擊過程中的保護定值整定的探討
3．1 變壓器差動保護諧波制動
    變壓器沖擊過程中，由于勵磁涌流的存在，會導致變壓器差流超過啟動值，差動保護啟動。為了在變壓器空投或故障切除后恢復供電時保護不誤動，現(xiàn)在的保護裝置中常采用“或”門方式閉鎖，選取三相電流中最大二次諧波含量閉鎖差動保護。制動關(guān)系如下：
   
    式中：I1A，I1B，I1C為A，B，C三相差流；I2A，I2B，I2C為A，B，C三相差流中二次諧波的含量。在現(xiàn)場所下的變壓器差動保護諧波制動定值當中，很多情況下給出的制動定值是經(jīng)驗值20％。結(jié)合多個大型變壓器的空投試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，很多情況下二次諧波成分并不是很高，尤其是在勵磁涌流的衰減過程中，存在基波沒有衰減到差動保護定值以下，而二次諧波含量已經(jīng)小于20％的情況，這種情況下制動不起作用，差動保護會誤動作。結(jié)合現(xiàn)場的經(jīng)驗，認為二次諧波制動的定值升壓變采用16％比較好，降壓變采用15％較好，最好結(jié)合空投時實際的錄波波形再整定。整定的原則是：諧波制動的定值整定時要結(jié)合主變的沖擊波形，保證主變差流在主變差動動作定值的范圍內(nèi)時，二次諧波的值必須要超過諧波制動的定值。
3．2 變壓器差動保護中的差動速斷定值
    變壓器差動速斷定值，一般按照變壓器額定電流的5～8倍整定，通常只考慮躲過變壓器區(qū)外最大短路故障不平衡電流。并且在現(xiàn)場所下的差動保護高定值中，通常為了提高靈敏度，計算所得的定值偏小，而在實際過程中往往沖擊時勵磁涌流電流達到或者接近改定值，容易造成誤動作。例如北方某電站，在變壓器沖擊過程中，保護跳閘，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，是差動速斷動作。開始懷疑是變壓器內(nèi)部存在故障，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)變壓器本體及外部接線無放電痕跡，油樣檢查無異常，內(nèi)部也無放電現(xiàn)象，這個可能性也被排除。之后通過分析變壓器沖擊時錄波文件發(fā)現(xiàn)分析原因，沖擊電流錄波顯示最大值達到12．786 A，而原中調(diào)下的差動速斷定值為12 A，沖擊過程中的勵磁涌流超過差動速斷定值，導致變壓器差動保護誤動作。后經(jīng)與中調(diào)聯(lián)系，將定值改為15 A，再進行主變沖擊試驗未發(fā)生保護誤動，送電成功，但已經(jīng)超過預定的送電時間8小時，造成了不小的經(jīng)濟損失。變壓器的差動速斷保護定值整定不僅僅要考慮躲過變壓器區(qū)外最大短路故障不平衡電流，而且要考慮躲過變壓器空載合閘時的最大勵磁涌流。不同的變壓器差別比較大，大型發(fā)變組(360～1 200 MVA)通常采用3～4倍的額定電流，25 MVA高壓啟動／備用變壓器6～7倍的額定電流。但也不能一概而論，可以根據(jù)現(xiàn)場的實際情況適當提高一點。
3．3 變壓器沖擊過程中復壓過流保護的整定
    復壓過流的過流定值通常按照躲過變壓器高壓側(cè)額定電流整定，負序電壓的定值通常按躲過正常運行時的最大不平衡電壓整定，時間通常按照大于相鄰后備保護的動作時限，而沒有考慮到勵磁涌流的影響和沖擊時不平衡電壓的影響。變壓器復壓過流保護整定中，由于存在負序電壓和低電壓的閉鎖條件，通常過流的定值取得較小，復壓過流保護的靈敏度較高。
    在現(xiàn)場，變壓器復壓過流保護的閉鎖電壓通常取自變壓器高壓側(cè)電壓，而廠變和起備變通常取變壓器的低壓側(cè)電壓作為復壓過流保護的閉鎖電壓。由于變壓器復壓過流保護的電壓取自低壓側(cè)系統(tǒng)的進線TV，即變壓器次級側(cè)電壓，因此在變壓器空載沖擊合閘時由于三相磁通密度的不一致，再加上變壓器三相剩磁的影響，使得變壓器三相的勵磁涌流飽和程度不一樣。因而造成變壓器次級側(cè)的空載電壓在沖擊后的一段時間內(nèi)出現(xiàn)不平衡電壓，即在變壓器空載合閘的暫態(tài)過程中出現(xiàn)了負序電壓。負序電壓存在的時間取決于變壓器暫態(tài)過程的持續(xù)時間，由上述變壓器沖擊過程數(shù)據(jù)分析可知，勵磁涌流的最長衰減時間達到了6s。
    內(nèi)蒙某電廠在起備變送電過程中共進行了三次沖擊，前兩次沖擊發(fā)生了保護未見異常，而第三次發(fā)生了復壓過流保護動作。從故障時的錄波文件如圖3所示，通過專用軟件分析可知，當變壓器沖擊時，變壓器的三相電壓并不平衡，電壓UA的最大值是75 V，衰減0．5 s后的最大值是65 V，負序電壓在0．5 s后才衰減到5 V以下，而此時勵磁涌流為0．7 A，還大于復壓過流的電流定值0．7 A。起備變的復壓過流的定值為按常規(guī)計算的負序電壓4．6 V，電流定值為0．6 A，延時為0．4 s。因此造成了起備變跳閘。

    沖擊過程中負序電壓和勵磁涌流的存在，衰減時間還比較長，與變壓器本身的設計特性與制造工藝有關(guān)，并不能說明該變壓器存在故障點。為保證啟備變的安全運行，后又將變壓器的后備保護復壓過流延時定值由0．4 s改為0．6 s，后對變壓器又進行3次沖擊合閘，均正常。所以在變壓器復壓過流定值的整定過程中，除了考慮到常規(guī)因素，還要考慮勵磁涌流和負序電壓的存在，以及衰減的時間的影響，負序電壓整定大一點，時間適當?shù)拈L一些，還是有必要的。

4 結(jié)語
    在變壓器沖擊過程中，變壓器保護的定值整定應該能可靠地對變壓器起到保護作用，但也要保證在正常沖擊過程中，存在勵磁涌流和負序電壓的情況下，保護不誤動。因此在定值的整定過程中要考慮勵磁涌流的幅值，諧波含量和衰減時間以及負序電壓的幅值和衰減時間。變壓器定值的整定計算過程中，不僅要遵循理論計算和經(jīng)驗，也要結(jié)合現(xiàn)場一次設備的具體情況，這樣次級保護裝置才能有效的保護一次設備的正常運行。