變壓器消磁及剩磁驗證裝置的研制

何 夢，徐 楠，李海南，仲 樺，簡博恒

(國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 201204)

繞組直流電阻試驗是變壓器狀態(tài)檢修例行試驗中必不可少的項目。由于鐵磁材料的磁滯特性，直流電阻試驗將在變壓器鐵心中殘留剩磁。一般來說，直流電阻試驗所加電流越大、加電流時間越長，剩磁量越大。在變壓器輕載或者空載合閘時，鐵心中存在的剩磁會加速鐵心飽和，而產(chǎn)生較大的勵磁涌流。

過大的勵磁涌流，可能引起瓦斯保護和差動保護的誤動作，還有可能造成直流換相失敗甚至是直流閉鎖[1]，此外，還會造成繞組結(jié)構(gòu)的位移，使變壓器絕緣能力下降，影響變壓器的使用壽命。從變電站大型電力變壓器跳閘實例分析可知，剩磁越大，合閘瞬時的勵磁涌流數(shù)值越大[2]。因此，正確檢測變壓器鐵心的剩磁對抑制勵磁涌流的研究有很大作用。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對變壓器剩磁分析方法進行廣泛而深入的研究。文獻[3]指出可通過測量勵磁電流的偶次諧波來判斷是否有剩磁；文獻[4]通過測量勵磁電抗的大小變化來判斷變壓器鐵心中是否存在剩磁；文獻[5]提出了一種預(yù)充磁分析法，通過給變壓器加載激勵至一個較大的已知磁通值，使原有磁通被覆蓋，然后以新的剩磁為基礎(chǔ)進行分析；文獻[6]在文獻[5]基礎(chǔ)上又提出了一種新的改進預(yù)充磁分析方法，采用低功率的恒壓源對變壓器進行充放電，改變原有磁通，根據(jù)測得的最大電流值判斷最大剩磁值；文獻[7]在分析磁性材料時效特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合Preisach模型及其特性，推導(dǎo)出分段計算鐵心剩磁的辦法；文獻[8]通過記錄變壓器切出時刻的電壓波形和相角變化，對切除時刻電壓積分求取剩磁值。文獻[1]選取環(huán)形變壓器鐵心搭建試驗檢測電路，處理試驗得到暫態(tài)測量電流信號，并將結(jié)果代入已建立的剩磁—電流關(guān)系式中，得到電力變壓器鐵心中的剩磁。文獻[9]利用幅值相同的正負恒壓源對變壓器進行充放電，建立“時間—電流”曲線，比較分析正負向電流達到同一設(shè)定參考值電流所需充放電時間是否相同來判定變壓器中是否存在剩磁及剩磁的極性。但這些方法由于存在部分不可直接測量的參數(shù)或不便于現(xiàn)場使用，在變壓器鐵心剩磁的快速評估現(xiàn)場未得到應(yīng)用。

本文在此基礎(chǔ)上，研究出一種簡單快速并且便于現(xiàn)場使用的剩磁驗證方法，并采取有效措施削弱直流試驗產(chǎn)生的剩磁，這對生產(chǎn)現(xiàn)場工作效率的提高、工作質(zhì)量的保證，甚至是整個電網(wǎng)的穩(wěn)定運行都顯得至關(guān)重要。

1 剩磁產(chǎn)生與消除

1.1 變壓器鐵心剩磁產(chǎn)生的原因

在磁場中，磁性材料的磁感應(yīng)強度B與磁場強度H并非一一對應(yīng)的單值函數(shù)，而是與其所經(jīng)歷的磁化狀態(tài)有關(guān)。在外磁場作用下，鐵磁材料的磁疇由原來無規(guī)則排列狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)向沿著磁場強度方向的狀態(tài)，發(fā)生磁疇轉(zhuǎn)動和疇壁位移，改變了原有的磁疇結(jié)構(gòu)，使材料由磁中性狀態(tài)變?yōu)樗写女牰寂c外加磁場方向相同的磁飽和狀態(tài)，這種過程稱為磁化過程。

鐵心的磁滯回線見圖1。

圖1 鐵心的磁滯回線

由于磁化過程的不可逆，導(dǎo)致當勵磁電流產(chǎn)生的磁場對變壓器鐵心進行磁化結(jié)束以后，磁通密度不能跟隨磁場強度下降到0，磁通密度與磁場強度相差一個相位，稱為磁滯現(xiàn)象，磁滯現(xiàn)象是形成磁滯回線的原因，如圖1所示。由于鐵心材料固有的磁滯現(xiàn)象，當外磁場減小為零時，鐵磁體不能恢復(fù)到磁中性狀態(tài)，而是保持穩(wěn)定的磁化強度，即剩磁，剩磁是不可逆磁化的標志，這就是剩磁形成的原因。

1.2 變壓器鐵心剩磁的消除方法

根據(jù)變壓器鐵心剩磁形成的機理，消除或削弱剩磁就是要使鐵心中有序排列的磁疇重新回到紊亂的自然狀態(tài)，目前主要有以下幾種方法。

(1)直流消磁法。將逐漸衰減、換向的直流電流模擬交流工作狀態(tài)，從變壓器的高壓繞組兩端正、反向通入，從而實現(xiàn)縮小鐵心的磁滯回環(huán)，以達到減小剩磁的目的。

(2)交流消磁法。在變壓器低壓側(cè)加載交流電壓，高壓中性點接地。緩慢升高電壓至50%額定值，并保持5 min后降至0 min，然后緩慢升高電壓至100%額定值，保持5 min后緩慢降至0 min，以達到完全去磁。交流消磁法由于使用的設(shè)備容量比較大，現(xiàn)場使用不便。

(3)升溫法。通過提高鐵心的環(huán)境溫度的方式來加快鐵心材料的分子熱運動，使鐵心中的磁疇恢復(fù)自然狀態(tài)，達到消磁的目的。但同樣存在控制手段的問題，現(xiàn)場難以實現(xiàn)。

2 快速驗證剩磁的方法

2.1 建立剩磁與可檢測電流的關(guān)系

為建立剩磁與其他便于檢測的物理量的關(guān)系，在變壓器低壓側(cè)施加工頻220 V交流電壓，構(gòu)成檢測回路，分析變壓器鐵心剩磁量與繞組電流的關(guān)系。圖2為簡化的單相變壓器剩磁驗證等效電路。

圖2 剩磁驗證等效電路

若開關(guān)K在t=0時刻合閘，施加在變壓器低壓繞組上的工頻測試電壓為

u=Uisin(ωt+α)

(1)

式中Ui=220 V；ω=100π rad/s。

此時，該回路中的電磁方程為

(2)

(3)

解方程，可得

Φ=-Φicos(ωt+α)+Φ(0)

(4)

Φi=Ui/ω

式中 -Φicos(ωt+α)——穩(wěn)態(tài)磁通分量；Φ(0)——磁通自由分量，若考慮變壓器的損耗，Φ(0)——衰減的非周期分量；若不計及變壓器損耗，Φ(0)——直流分量。

由于鐵心的磁通不能突變，故有

Φ(0)=Φicosα+Φ

(5)

Φr為變壓器鐵心剩磁，其大小和方向與變壓器上一狀態(tài)有關(guān)。對于剛停役的變壓器，剩磁的大小和方向與斷路器分閘時的電壓(磁通)有關(guān)；對于進行直流電阻試驗后的變壓器，剩磁的大小和方向與直流充電電流的強度、方向及充電時間有關(guān)。

變壓器鐵心磁路是閉合的，一般情況下電感是非線性的[10]。變壓器的暫態(tài)等效電感L的計算方法如下

(6)

式中K——系數(shù)，取決于線圈的半徑與長度的比值；μ——變壓器鐵心的磁導(dǎo)率；N——繞組匝數(shù)；S——變壓器鐵心磁回路的截面積；le——變壓器鐵心磁回路的平均長度。

對被試變壓器而言，繞組匝數(shù)、鐵心截面積、鐵心回路長度都是確定的，影響變壓器繞組暫態(tài)等效電感的是磁導(dǎo)率。

由式(4)、式(5)、式(6)可計算繞組中的電流為

(7)

由式(7)可知，繞組電流i的大小與變壓器剩磁量正相關(guān)，與變壓器繞組的暫態(tài)等效電感L成反比，即與變壓器鐵心的磁導(dǎo)率μ成反比。

在助磁時，鐵心內(nèi)磁場強度由0增大至Bs，根據(jù)鐵磁材料的磁滯回線，可知鐵心磁導(dǎo)率μ是先增大后減小的。隨著外加磁場H迅速降至0，變壓器鐵心剩磁從BS降至Br，此時鐵心磁導(dǎo)率μ是逐漸增大的。在消磁前，由于直流電阻試驗使得剩磁Φr較大，此時鐵心磁通飽和度較大，鐵心磁導(dǎo)率μ仍然較小，即變壓器繞組的暫態(tài)等效電感L較小，因而進行剩磁驗證時，回路中的繞組電流i較大。在消磁后，剩磁Φr大大減小，此時鐵心磁通飽和度大大降低，鐵心磁導(dǎo)率μ大大增加，即變壓器繞組的暫態(tài)等效電感L增大，故剩磁驗證時，回路中的繞組電流i明顯減小。

因此，只需對比直流試驗前后的剩磁驗證電路中繞組電流的有效值I，即可快速判定直流試驗產(chǎn)生的剩磁在消磁后是否仍有殘留。

2.2 消磁及剩磁驗證裝置的研制

結(jié)合直流消磁法，研制一臺消磁及剩磁驗證裝置，如圖3所示?，F(xiàn)場只需提供交流220 V檢修電源即可進行消磁及剩磁驗證試驗。

圖3 消磁及剩磁驗證裝置

該裝置由消磁模塊和剩磁驗證模塊組成。消磁模塊采用直流消磁法消磁，只需對低壓繞組任意一相消磁即可達到消磁的目的。剩磁驗證模塊則是給繞組加載220 V交流電壓，檢測回路中流過繞組的電流有效值。

根據(jù)現(xiàn)場大容量變壓器直流電阻的試驗習(xí)慣，對于三角形連接的低壓繞組通常按照ab、bc、ca的順序進行直流電阻測量。因此，現(xiàn)場應(yīng)用該裝置時，建議在直流電阻試驗前，采用剩磁驗證模塊測量低壓繞組ca中的初始電流。在直流電阻試驗后，采用消磁模塊對低壓繞組ca進行消磁。消磁后再次采用剩磁驗證模塊測量低壓繞組ca中的電流，通過與直流電阻試驗前的數(shù)據(jù)進行對比，即可判定變壓器鐵心的剩磁量是否恢復(fù)到直流試驗前的水平。

3 消磁及剩磁驗證的實例分析

3.1 直流消磁有效性驗證試驗

為驗證該裝置直流消磁的有效性，以一臺500 kV三相雙繞組變壓器為例，將該裝置的直流消磁法與交流消磁法進行對比試驗。被試變壓器的型號為SFP-1170000/500，額定容量為1 170/1 170 MVA，額定電壓為(525±2×2.5%)/27 kV，接線方式為YNd11，天威保變(秦皇島)變壓器有限公司生產(chǎn)。

首先采用直流電阻測試儀對變壓器助磁，待三相直流電阻值讀數(shù)穩(wěn)定后，采用該裝置剩磁驗證模塊測量繞組電流。然后采用交流消磁法對該變壓器消磁，消磁電源由發(fā)電機組提供，先緩慢升高電壓至50%額定值，并保持5 min后降至0 V，然后緩慢升高電壓至100%額定值，保持5 min后緩慢降至0 V。再次采用該裝置剩磁驗證模塊測量繞組電流，對比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 變壓器交流消磁前后的繞組電流

對比試驗仍采用直流電阻測試儀以相等的助磁電流對變壓器進行助磁，待三相直流電阻值讀數(shù)穩(wěn)定后，采用該裝置剩磁驗證模塊測量繞組電流。然后采用該裝置的直流消磁模塊對該變壓器消磁。再采用該裝置剩磁驗證模塊測量繞組電流，對比數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 變壓器直流消磁前后的繞組電流

對比表1和表2中消磁前后的繞組電流，可見交流消磁法消磁后，繞組電流明顯下降。由于交流消磁法基本可達到完全去磁，此時可認為變壓器已處于零剩磁狀態(tài)(不計變壓器固有剩磁)。該裝置采用的直流消磁法消磁后，繞組電流比交流消磁后的繞組電流略高，相差不超過7.5%。說明該裝置采用的直流消磁法已基本達到了消磁的目的。

3.2 剩磁驗證的現(xiàn)場實例

將高低壓繞組進行直流電阻試驗，并在試驗前后進行三相剩磁驗證試驗，測得繞組電流數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 220 kV變壓器直阻試驗前后的繞組電流

由表3可見，在變壓器直流試驗前，鐵心初始剩磁狀態(tài)下，三相繞組電流(也即剩磁量)相近但不完全一致。

在直流電阻試驗后，三相的繞組電流均明顯增加，說明直流電阻試驗會使繞組鐵心的剩磁量明顯增加。各相的剩磁增加量并不完全一致，與初始剩磁及直流試驗時充電時間、直阻測試相別的先后順序有關(guān)。

在直流電阻試驗后，采用該裝置的變壓器進行消磁。并在消磁后進行剩磁驗證試驗，各相繞組電流如表4所示。

表4 220 kV變壓器試驗前和消磁后的繞組電流

由表3和表4可見，消磁后的繞組電流明顯減小，各相的繞組電流均小于或等于直流電阻試驗前的繞組電流，說明該裝置能夠?qū)⒅绷髟囼灝a(chǎn)生的剩磁基本消除，并驗證了變壓器鐵心剩磁已恢復(fù)到直流電阻試驗前的剩磁水平。

為驗證該裝置對不同電壓等級變壓器的適用性，選取了一臺型號為ODFPSZ-250000/500的500 kV單相自耦變壓器和一臺型號為ODFPS- 1000000/1000的1 000 kV單相自耦變壓器為例，在現(xiàn)場直流電阻試驗時，進行了消磁及剩磁驗證試驗。

采用該裝置測得到的繞組電流如表5和表6所示。

表5 500 kV變壓器直阻及消磁試驗的繞組電流

表6 1 000 kV變壓器直阻及消磁試驗的繞組電流

由表5和表6可見，變壓器在直流電阻試驗后，繞組電流明顯增加。采用該裝置進行消磁后，繞組電流明顯減小，均小于或等于直流電阻試驗前的繞組電流，說明該裝置在500 kV和1 000 kV電壓等級的變壓器上同樣適用。

該裝置不僅能夠有效地削弱直流電阻測試所產(chǎn)生的剩磁，而且能以電流值對比的形式，快速、直觀地展示鐵心剩磁量已恢復(fù)到直流電阻試驗前的水平。

4 結(jié)語

本文通過分析剩磁與繞組電流的關(guān)系，提出了一種簡單易實現(xiàn)的剩磁驗證方法，并研發(fā)了一套現(xiàn)場實用的變壓器消磁及剩磁驗證裝置。在不同電壓等級的主變上試驗結(jié)果表明：

(1)該剩磁驗證方法能快速驗證變壓器鐵心的剩磁量，為變壓器順利投運提供依據(jù)與保障，且檢測時間短、檢測成本低，對電源和試驗儀器無特殊要求，便于現(xiàn)場應(yīng)用。

(2)該消磁及剩磁驗證裝置對于不同電壓等級的變壓器，均能有效地削弱直流電阻試驗所產(chǎn)生的剩磁，使鐵心剩磁恢復(fù)到直流電阻試驗前的水平，達到減小勵磁涌流的目的。此外，該裝置體積小，重量輕，操作流程簡單，便于現(xiàn)場使用。

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