特高壓變壓器啟勵(lì)過程異常分析及對(duì)策

中電國際新能源發(fā)展有限公司 徐新達(dá)

中電華創(chuàng)技術(shù)研究有限公司 胡磊

近年來，我國特高壓系統(tǒng)發(fā)展突飛猛進(jìn)。以1000千伏淮滬特高壓線路為南半環(huán)的華東特高壓環(huán)網(wǎng)基本建成，某電廠機(jī)端直接升壓至1000千伏的大容量變壓器也已投運(yùn)。本文以某電廠機(jī)組啟動(dòng)并網(wǎng)過程中發(fā)生的異常事件為例，來分析大容量特高壓變壓器剩磁的影響，并提出防范措施。

事件經(jīng)過

某電廠5、6號(hào)機(jī)組為100萬千瓦級(jí)超超臨界單元機(jī)組，主變使用三相DFP-400000/1100變壓器，機(jī)端電壓從27千伏升至1000千伏，經(jīng)特高壓線路送出。升壓站采用三角形接線方式，正常并網(wǎng)操作過程為DCS順控合閘勵(lì)磁、升壓、啟動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)。某日，5號(hào)機(jī)組調(diào)停結(jié)束后啟動(dòng)，17時(shí)08分大機(jī)掛閘暖機(jī)，18時(shí)20分大機(jī)沖轉(zhuǎn)，18時(shí)32分大機(jī)轉(zhuǎn)速到3000轉(zhuǎn)/分，具備啟勵(lì)并網(wǎng)條件。18時(shí)40分網(wǎng)調(diào)許可5號(hào)機(jī)調(diào)停結(jié)束后啟動(dòng)，18時(shí)42分29秒692毫秒5號(hào)機(jī)磁場(chǎng)開關(guān)合上，機(jī)端電壓逐步建立，18時(shí)42分59秒497毫秒5號(hào)機(jī)通過并網(wǎng)。勵(lì)磁開關(guān)合后汽機(jī)平臺(tái)有低頻嗡嗡聲，勵(lì)磁電壓最高1080伏，勵(lì)磁電流最大6426安，運(yùn)行人員立即打閘汽機(jī)，程序逆功率動(dòng)作，18時(shí)43分38秒851毫秒出口斷路器斷開。檢查電氣系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)異常，后采用手動(dòng)緩加勵(lì)磁方式，機(jī)組升壓至額定，檢查勵(lì)磁系統(tǒng)，確認(rèn)發(fā)電機(jī)組正常。分開磁場(chǎng)開關(guān)，執(zhí)行順控并網(wǎng)操作，5號(hào)機(jī)并網(wǎng)成功，各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)正常。

原因分析

1.從現(xiàn)場(chǎng)錄波圖中分析發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)開關(guān)合閘后開始升壓，約4秒后機(jī)端電流開始異常增大，此時(shí)勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓也同時(shí)異常增大。約6秒后機(jī)端電流開始緩慢回落，電壓逐步升至額定。期間機(jī)端電流最大達(dá)19800安，約為0.8倍額定電流，勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電壓超額定值。并且機(jī)端電流有明顯的間斷角，二次諧波比例高達(dá)70%，有明顯的勵(lì)磁涌流特征。

圖1 發(fā)電機(jī)相電流與線電壓錄波圖

2.查詢檢修記錄發(fā)現(xiàn)，某日前因主變分接頭調(diào)整對(duì)三相主變進(jìn)行了直流電阻測(cè)試工作。分析認(rèn)為，在測(cè)量直流電阻過程中如給線圈通入直流電流較大且未進(jìn)行去磁操作時(shí)，變壓器鐵芯會(huì)存在比較嚴(yán)重的剩磁，而且這種剩磁不會(huì)自動(dòng)消失。機(jī)組啟勵(lì)過程中，主變剩磁和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁疊加，導(dǎo)致鐵芯勵(lì)磁在與磁場(chǎng)方向一致的半波飽和，另一半波不飽和，動(dòng)態(tài)地改變等效電路電感參數(shù)，引起繞組電壓躍變，導(dǎo)致主變過激磁、變壓器工作磁密不斷升高直到飽和，鐵損急劇增加，漏磁增強(qiáng)也會(huì)在鐵芯表面和其他磁性材料中引起渦流損耗，發(fā)電機(jī)定子電流增加且波形畸變，發(fā)電機(jī)振動(dòng)增加。而此原因引起的異常是不需特殊處理的，若未對(duì)一次設(shè)備造成損傷，再次升壓后一般會(huì)恢復(fù)正常。

3.變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流只有其額定電流的0.35%～10%，但當(dāng)變壓器空載合閘或外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的勵(lì)磁涌流，其峰值可達(dá)額定電流的數(shù)十倍。

以典型的單相變壓器為例分析勵(lì)磁涌流的成因，設(shè)變壓器外加電壓為：

又由變壓器空載時(shí)初級(jí)繞組的電壓方程為：

因，上式可改寫為：

因?yàn)殡娮鑂1很小，可將L1近似為常數(shù)，求解微分方程得磁通Φ的表達(dá)式為：

其中β為初級(jí)繞組阻抗角，A為暫態(tài)磁通分量的幅值。

可以看出變壓器初級(jí)繞組加上電源后在磁路中的總磁通有兩個(gè)分量，即穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量。本例中，初始升壓時(shí)（t=0）的邊界條件為（Um（0）=0），阻抗角β可簡(jiǎn)化≈0，設(shè)磁路中原剩磁為Фr，則根據(jù)t=0前后磁通不能突變可列等式為：

磁通表達(dá)式可轉(zhuǎn)換為：

圖2 磁通和電壓的關(guān)系

根據(jù)公式繪制磁通、電壓關(guān)系圖，如圖2，其中暫態(tài)磁通逐步下降，穩(wěn)態(tài)磁通隨著電壓的升高幅值逐步升高，疊加構(gòu)成總磁通，當(dāng)總磁通超過飽和磁通時(shí)進(jìn)入涌流區(qū)間。

圖3 變壓器鐵磁磁通

假定主變?nèi)嗬@組高壓側(cè)剩磁方向相同，由于變壓器為感性負(fù)載，電流滯后于電壓90度，飽和電流應(yīng)出現(xiàn)在電壓波峰過后90度。根據(jù)圖3磁化特性曲線，當(dāng)總磁通進(jìn)入涌流區(qū)間后，勵(lì)磁電流將瞬間增大，將出現(xiàn)明顯的機(jī)端電流，這充分說明這是一起由于主變存在剩磁而造成的升壓過程異常事件。

預(yù)防措施

控制或消除鐵芯剩磁，普遍認(rèn)為需要嚴(yán)格控制變壓器直流電阻測(cè)試時(shí)的電流和電壓。但過小的試驗(yàn)電流長(zhǎng)時(shí)間無法得到穩(wěn)定數(shù)據(jù)，直接影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。所以為保證試驗(yàn)?zāi)艿玫椒€(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)，直流電阻試驗(yàn)選取電流大小應(yīng)與變壓器容量相對(duì)應(yīng)，試驗(yàn)完成后必須對(duì)變壓器進(jìn)行消磁，以消除剩磁影響。

剩磁是因?yàn)樽儔浩麒F芯在磁化過程磁滯損耗的結(jié)果。鐵芯磁化過程就是在外加的磁勢(shì)作用下，鐵芯材料內(nèi)的小磁極的有序排列，因此，可以根據(jù)剩磁形成的原理，采取消除剩磁的措施?？梢栽诎l(fā)變組零起升壓過程中控制升壓速度，增加手動(dòng)增磁方式進(jìn)行變壓器消磁工作。但這種方式會(huì)占用機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間，而且不容易人工控制。也可以在直流電阻測(cè)試完成后在繞組兩端正反向通入直流電流，并逐漸減小，縮小鐵芯的磁滯回環(huán)，可以達(dá)到消除剩磁的目的。目前已有采用此原理開發(fā)的專用消磁儀器，經(jīng)電廠實(shí)踐以后未再發(fā)生過勵(lì)磁涌流現(xiàn)象，完美消除了高壓試驗(yàn)后對(duì)變壓器穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

結(jié)語

本文結(jié)合一起發(fā)電廠特高壓變壓器啟動(dòng)過程中的異常事件，簡(jiǎn)要介紹了變壓器直流電阻測(cè)試后產(chǎn)生剩磁的危害，并進(jìn)一步結(jié)合特高壓變壓器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行深入分析和探討，最后提出了變壓器直流電阻測(cè)試后，必須重視變壓器鐵芯消磁工作的建議，希望能為同行們提供一點(diǎn)借鑒和參考。