电力-涌流抑制与谐波

一、涌流的产生原因

二、涌流和浪涌的区别

1、概述

2、涌流保护器

3、浪涌保护器

三、涌流防止方法

1、谐波介绍

2、二次谐波制动

3、减少励磁涌流的规模（变压器消磁、涌流延时器）

四、涌流的抑制

五、线路实测

1、10kV配电线路合闸涌流测试分析

2、结论

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一、涌流的产生原因

电力系统中，经常因操作引起突发性的涌流，例如空投变压器，空投电抗器、空投电容器、空投长距离输电线。归纳起来，涌流实质上是在储能元件（电感或电容）上突然加压，引发暂态过程的物理现象。涌流是电力系统运行中经常遇到且危害甚大的强干扰。数十年来，人们为此付出了极大的精力，但并未能彻底解决，特别是空投变压器或电抗器时的励磁涌流，一直是采取“躲”的策略，即在励磁涌流已经出现的前提下，用物理和数学方法进行特征识别，以防止励磁涌流导致继电保护装置误动，而励磁涌流引起的其他危害则只能任其肆虐。

对于容性负载是因为投切瞬间电容器两端的电压不能突变所致；对于感性负载是因为磁链守恒定律，在投切瞬间电流不能突变所致。以变压器为例：

在变压器合闸前，变压器内的总磁通为剩磁。在合闸瞬间，由于施加了电压必然会产生稳态磁通，由于磁链守恒定理（总磁通不能突变），会产生一个和稳态磁通方向相反大小相等的暂态感应磁通，此暂态感应磁通与变压器内部的剩磁合成的偏磁，在有损变压器内随时间缓慢衰减。

当偏磁与稳态磁通合成的总磁通超过饱和磁通时，变压器绕组电抗陡降，产生励磁涌流。

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二、涌流和浪涌的区别

1、概述

涌流保护器不是浪涌保护器。涌流保护器和浪涌保护器是两种不同的电力控制设备，涌流保护器是断路保护器，而浪涌保护器为防雷设备。
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2、涌流保护器
1）涌流保护器主要用于电网开关上。当开关合闸或电网处于工作状态，线路上有浪涌电流形成时，装置能监测线路电流并进行延时脱扣控制，防止浪涌产生开关误动作脱扣。采用微控制技术，当电流超过设定倍速整定电流时，立即进行速断保护或定时限过流保护。
2）涌流保护器主要配套于10kV～35kV断路器。主要功能有：
（1）合闸涌流延时
（2）过电流延时跳闸
（3）零时限或定时限速断跳闸。
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3、浪涌保护器
1）浪涌保护器（电涌保护器）又称防雷器（简称SPD），适用于交流50/60HZ，额定电压220V至380V的供电系统（或通信系统）中，对间接雷电和直接雷电影响或其他瞬时过压的电涌进行保护，适用于家庭住宅、第三产业以及工业领域电涌保护的要求，具有相对相，相对地，相对中线，中线对地及其组合等保护模式。
2）用途：
浪涌也叫突波，顾名思义就是超出正常工作电压的瞬间过电压。本质上讲，浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲，可能引起浪涌的原因有：重型设备、短路、电源切换或大型发动机。而含有浪涌阻绝装置的产品可以有效地吸收突发的巨大能量，以保护连接设备免于受损。
浪涌保护器，也叫防雷器，是一种为各种电子设备、仪器仪表、通讯线路提供安全防护的电子装置。当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。
3）特点：
（1）保护通流量大，残压极低，响应时间快；
（2）采用最新灭弧技术，彻底避免火灾；
（3）采用温控保护电路，内置热保护；
（4）带有电源状态指示，指示浪涌保护器工作状态；
（5）结构严谨，工作稳定可靠。

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三、涌流防止方法

1、谐波介绍

电力谐波分为电压谐波和电流谐波，电压谐波与基波的比值远比电流谐波与基波的要小。影响电压谐波的主要因素为负载瞬间出现的尖峰电流，因为供电线路存在电阻值，电流流过时产生电压压降，此电阻与负载串联，导致负载电压波形有瞬间噪音波形出现，形成谐波。电流谐波则由负荷的特性产生，所有的非线性负荷都能产生谐波电流，产生谐波的设备有很多种类型，列举我们熟知的部分设备类型有：开关电源(SMPS)、电子镇流器、调速传动装置、不间断电源、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等。谐波的危害是比较严重的。使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘层加速老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。高次谐波对于电力系统外部，对通信设备和电子设备会产生严重干扰，特别是对于一些医用仪器设备，我们必须加以重视，防止测量、控制错误。频率较低的谐波主要通过电源线传导干扰影响外部设备，而频率较高的谐波不仅通过电源线传导干扰，还通过空间辐射影响外部设备。现在，对于中小功率的用电设备，通常有两种方法改善谐波，一种是无源修正法，也称被动修正法，这种修正法采用普通的LCR元件，通过谐振，滤波的方式提高功率因数，减小高次谐波，这种修正法的特点是成本低廉，在功率不高、性能要求不高的场合可以使用。另一种为有源修正法，也称主动修正法（Active Power Factor Corrector简称APFC），这种修正法使用专用的功率因数校正IC、开关元件、储能器件等，将交流输入的电流进行整形，而保持与电压波形一致，使功率因数最大，并使谐波成分尽可能小，这种修正法的特点是可实现的指标高，性能好。

表征谐波的参数有：谐波次数（频率）、幅值（峰值）、绝对含量值、相对含量值（与基波的比值或与总含量的比值）、初相角等。

相对含量值有两种计算方式：

％f：以基波电流（或电压，功率）百分比的方式显示谐波。

％r：以包含所有谐波的整个电流的幅值的百分比方式显示谐波。

%r 是在一个信号中以相对整个有效值（基波＋谐波分量）的谐波数量百分比表示； %f 是相对基波的百分比表示。不同的标准将需要 %r 或 %f。在实际中，两个读数是接近的。

THD（Total Harmonic Distortion）的基本概念

THD为总谐波失真的英文简写，是谐波计算的引申，表征被输入波形的失真程度，THD数值越大，输入波形的失真越严重，高次谐波越丰富。数值越小，失真越小，高次谐波占的分量越小。THD分电压VTHD和电流ITHD两种，其IEC（国际电工委员会）规定的计算公式如下。

其中：V1: 基波电压成分，I1 : 基波电压成分

测量谐波用的工具：

AWE2101A-URS功率分析仪 1台用于参数测量，记录参数的曲线变化

电脑一台 1套用于显示参数和记录参数曲线

500W精密变频电源 1台用于提供测试用可调电源

待测量的负载 1PCS 可以为电源适配器、节能灯、电机等或其他类型的负载。

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2、二次谐波制动

一种是为了防止变压器差动保护误动，而采取通过鉴别出励磁涌流，闭锁差动保护的方法。鉴别的依据是因为励磁涌流具有以下特点：包含有很大成分的非周期分量；往往使涌流偏于时间轴一侧；包含有大量的高次谐波分量，并以二次谐波为主；励磁涌流波形出现间断。利用二次谐波制动原理防止励磁涌流造成差动保护误动作是目前最普遍应用的方法。

二次谐波制动原理的实质是：利用差动元件差电流中的二次谐波分量作为制动量，区分出差流是故障电流还是励磁涌流，实现躲过励磁涌流。

二次谐波制动比越大，与基波电流相比，单位二次谐波电流产生的作用相对越小；而二次谐波制动比越小，单位二次谐波电流产生的制动作用相对越大。

在对具有二次谐波制动的差动保护进行定值整定时，二次谐波制动比整定值越大，该保护躲过励磁涌流的能力越弱；反之，二次谐波制动比整定值越小，保护躲励磁涌流的能力越强变压器励磁涌流中除基波分量外，还含有显著的非周期分量和二次谐波分量，其中二次谐波分量电流大于基波分量的20％。在短路电流中，除基波分量外，只有非周期分量和极少量的高次谐波电流分量。当二次谐波分量电流达到基波分量电流的20％及以上时，继电器可靠制动，即二次谐波制动。

当变压器内部短路，除基波分量外，只有非周期分量和极少量的高次谐波电流分量，二次谐波成份很低，所以继电器不能够制动。

谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M．Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为100Hz，3次谐波则是150Hz。

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2、减少励磁涌流的规模（变压器消磁、涌流延时器）

1) 为减少主变停电或检修后产生的剩磁，在主变复电前应进行变压器的消磁工作，降低空充主变时产生的励磁涌流。

2) 加装变压器智能分合闸装置或涌流抑制装置（涌流延时器），避开空充主变时产生的励磁涌流。

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四、涌流的抑制

变压器是一个由若干经磁路耦合的绕组的集合体，每个绕组本质上是一个电感，其电感值受磁路铁心饱和程度影响，当磁路饱和时电感值大幅下降，电感值下降就意味着电抗下降，励磁电流随之增加。当变压器任一绕组感受到外施电压突增时，基于磁链守恒定律，该绕组将立既产生一个抵御外加磁通“突袭”的反磁通，如果这一称之为“偏磁”的反磁通和原来磁路中的剩磁极性相同，则可能导致偏磁与剩磁和稳态磁通叠加而导致磁路饱和，进而产生很大的励磁涌流。如偏磁和剩磁极性相反，则磁路不会饱和，励磁涌流将不会出现，也就是说被抑制了。关于磁饱和参见“电力/电气/电工知识汇总之二、电感磁饱和的原因与理论分析”。

理论证明变压器磁路极性和数值与断开电源时的分闸相位角有关，偏磁的极性和数值则与施加电源时的合闸相位角有关。因此，通过获取分闸角的数值来决定下次合闸时合闸角的方法，就完全可以做到电压骤增时励磁涌流的极性和数值可控，既可以让它很大，也可以让它消失。

《励磁涌流抑制原理及分析》励磁涌流抑制原理及涌流抑制器的应用 - 百度文库

变压器在某个相位角α时磁势被切断，下次就在α时合闸，使偏磁完全抵消剩磁。

变压器励磁涌流的产生机理是基于电感线圈遵循磁链守恒定律，即与电感线圈交链的磁通不能突变。由于磁通在相位上滞后电压90度，因此在变压器内部无剩余磁通时，选择在电压峰值，磁通为零时合闸将有效避免涌流的产生；而在变压器内部有剩余磁通时，若能得知剩磁的极性和数值，那么在预期的磁通等于剩余磁通的瞬间合闸，也将有效抑制涌流的产生，因而在必须考虑变压器内部有剩磁的情况下，抑制涌流的最佳策略就是用涌流抑制器同时对分闸合闸进行控制。

有图为三相电源合闸角等于分闸角时三相Φs、Φr、Φp的时序图，它明晰地描述了通过三相联动断路器实现三相励磁涌流的抑制原理。显然，合闸后Φs、Φr、Φp三者合成不会导致磁路饱和。

由于抑制励磁涌流只要感应磁通和剩磁极性相反即可，并不要求完全抵消，因而当合闸角相对前次分闸角有较大偏差时，只要感应磁通不与剩磁出现相加，磁路一般就不会饱和，这就大大降低了对断路器操作机构动作时间的精度要求，为这一技术的实用化奠定了基础。有时磁路的剩磁可能很小，甚至接近于零，这样就不可能出现磁路饱和，因仅仅只有偏磁作用不足以导致磁路饱和，它的最大值只为Φm，而Φsat肯定大于Φm。根据分闸角α’选择合适的合闸角α，使合闸瞬间的偏磁Φp与原来磁路中的剩磁Φr极性相反，并不是寄希望这两个磁通相抵消使磁路不致饱和。而是当Φp与Φr极性相反时，紧接着稳态磁通Φs的加入必将使合成磁通不越出饱和磁通值，从而实现对励磁涌流的抑制。

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五、线路实测

原文出自百度文库

1、10kV配电线路合闸涌流测试分析

经对采集的数据进行整理、处理，发现：

（1）10KV配电线路合闸涌流的峰值是负荷电流的5-8倍，最大达到负荷电流的10倍；

（2）线路的合闸涌流值衰减很快，100ms以后基本能衰减50%以上；

（3）线路的合闸涌流在多次合闸和A、C两相之间差别很大，与单台变压器的励磁涌流基本一致，说明与合闸的相角、时间有关。

典型的合闸涌流录波如下图。

通过相关性、偏相关性计算分析，发现线路合闸涌流的幅值与每公里线路上配变台数存在一定的正相关性。Pearson简单相关系数r=0.576，而与其他参数的相关性暂时无法确定。

Pearson相关系数是用来衡量两个数据集合是否在一条线上面，它用来衡量定距变量间的线性关系。

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2、结论

1）10KV线路合闸涌流特性与单台变压器励磁涌流特性基本一致，但由于存在线路对地电容影响，电流升高倍数普遍小于单台变压器的励磁涌流倍数，合闸涌流一般不会超过正常负荷电流10倍；

2）10KV线路的合闸涌流衰减速度快于单台变压器励磁涌流衰减速度，一般在1S左右恢复到正常值；

3）10KV线路的合闸涌流大小不仅与合闸相角有关，还与线路单位长度配变台数（即配变密度）存在一定的正相关关系。线路长度和容量等线路参数对合闸涌流的大小形成综合影响；

4）对采用微机型保护的10KV线路，通过对过流一段加0.2S时限，可解决线路合闸涌流造成的保护误动问题。

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