什么是变压器励磁涌流

      变压器励磁涌流是发生在变压器空载投入电网或外部故障切除后电压恢复时的一种特殊瞬态现象。它是当变压器铁芯严重饱和时产生的一种具有特定波形特征的非周期性的冲击电流，其峰值可达变压器额定电流的6-8倍甚至更高（对于大型变压器），但衰减相对较快。

理解励磁涌流对于电力系统保护（防止差动保护等误动作）和变压器本身的安全（避免过大机械应力）都非常重要。

一、产生励磁涌流的根本原因

      铁磁材料的饱和特性： 这是最核心的原因。变压器铁芯使用的硅钢片（或其他铁磁材料）具有非线性的B-H（磁通密度-磁场强度）曲线。在正常额定工作磁密下运行时，磁化曲线接近线性（不饱和区）。然而，当瞬时磁通密度超过饱和点（Bsat）时，导磁率急剧下降（μ ≈ μ0），这意味着需要极大的电流（磁场强度H）才能产生很小的磁通密度增量。 

      剩磁的存在： 在变压器断开电源前，铁芯中可能存在一定的剩磁（Br）。剩磁的极性（正或负）和大小取决于变压器断电瞬间电流（磁通）所处的状态。 

      电压过零合闸： 当变压器空载投入电网时，如果合闸瞬间恰逢电网电压过零点（相位为0度或180度），就会产生最大的涌流。电压u(t) = Um sin(ωt + θ)。θ是合闸时的初相角（也称合闸角）。 

      磁通的建立： 稳态运行时，铁芯中的稳态磁通Φs(t)落后于电源电压u(t) 90度。Φs(t) ≈ (Um / N1ω) * cos(ωt + θ)。其中N1是原边匝数。 

      在合闸瞬间(t=0)，根据电路基本定律（法拉第定律和基尔霍夫电压定律），磁通不能突变，要求初始磁通等于铁芯中已有的剩磁（Φ(0) = Br）。 

      因此，在合闸后的暂态过程中，磁通Φ(t)由两部分组成： 自由分量Φf(t)： 也称为直流偏置分量或暂态分量。其初始值等于(Br - Φs(0))，并以一个时间常数（由绕组电感和电阻决定）指数衰减至零。即Φf(t) = [Br - Φs(0)] * e^(-R/L*t)。 

      强制分量Φs(t)： 稳态交流磁通分量。 

      总磁通：Φ(t) = Φf(t) + Φs(t)。 

      磁通最大值导致饱和： 当在最不利的合闸条件下（如电压过零θ=0°或180°，且剩磁极性Br恰与Φs(0)同向），自由分量Φf(t)初始值很大且与Φs(t)同向叠加。 

      这使得在合闸后约半个周波（如0.5π/ω时刻），磁通Φ(t)最大值可达其稳态幅值的(1 + (Br / Φs_m) + e^(-R/(Lω)*π))倍。对于大型变压器，这很容易达到或超过饱和磁密（Bsat）。 

      铁芯饱和与涌流产生： 一旦磁通超过饱和磁密点（Bsat），即使很小的磁通增加都需要非常大的励磁电流（即巨大的磁场强度H）。 

      这个巨大的电流就是励磁涌流。它的大小取决于超出饱和点的磁通量及饱和磁化曲线的斜率。 

二、励磁涌流的主要特征

      数值大： 峰值可达额定电流的6-8倍甚至更高（受合闸角、剩磁、系统阻抗、变压器特性等影响）。 

      非周期（直流偏置）性： 波形严重偏离正弦波，在一个方向（单侧）达到峰值后迅速衰减，存在较大的直流分量（偏移轴）。 

      波形特征明显： 存在较大间断角： 在涌流的正、负半波之间（主要是衰减后期），在过零点附近的一段时间内电流很小或为零。 

      尖顶波且高度不对称： 波形的包络线呈指数衰减。波形不连续，有缺口（间断角）。 

      高次谐波含量丰富： 尤以二次谐波（2f）含量最为显著（通常大于20%，甚至可达50-60%），三次谐波次之。利用此特征可将其与内部故障电流区分。 

      衰减性： 涌流并不是持续存在的，它会随着时间逐渐衰减。衰减的快慢由绕组的时间常数（L/R）决定。大型变压器电阻相对较小（R小），电感大（L大），时间常数大，涌流衰减慢（可持续数秒甚至更久）；小型变压器衰减快。 

      作用时间相对较长： 尽管峰值很高，但作用时间短（相对于故障电流），主要对变压器产生的危害是机械应力。 

      三相不对称： 对于三相变压器（Y/Δ或Y/Y等），由于三相合闸时刻不可能完全同步，三相电源电压存在120度相位差，以及各相剩磁的极性可能不同，导致三相的涌流大小和波形差异很大。通常总有一相或两相涌流较小，另两相或一相涌流很大。这会导致差动保护中产生较大的不平衡电流。 

三、励磁涌流的影响

      对变压器保护的干扰： 这是最主要的影响。励磁涌流很容易被变压器差动保护、零序过流保护等误判为内部短路故障，导致保护装置误动作跳闸，使新投入的变压器无法成功送电。 

      对变压器本体的机械冲击： 巨大的涌流在变压器绕组中产生强大的电动力。虽然作用时间短，热效应通常不显著（I²t值不大），但可能使固定部件松动、移位或绕组变形（尤其是多次重复冲击）。对老旧或结构欠佳的变压器风险更大。 

      对系统的冲击： 可能导致合闸瞬间系统电压瞬时下降（尤其当系统容量相对较小或变压器容量）