基于頻響法的電力變壓器剩磁檢測(cè)技術(shù)研究

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；3.武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430072；4.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400044)

0 引 言

隨著中國(guó)電力系統(tǒng)特高壓交直流互聯(lián)大電網(wǎng)的迅速發(fā)展，大容量勵(lì)磁電力設(shè)備的應(yīng)用日益增多，高幅值的勵(lì)磁涌流對(duì)電氣設(shè)備保護(hù)運(yùn)行的可靠性和快速性提出了較高的要求[1-2]。在電力變壓器進(jìn)行電壓比、直流電阻測(cè)量及空載試驗(yàn)等操作后，由于變壓器鐵芯磁疇磁滯特性，使鐵芯上存在大量的剩磁。當(dāng)合閘變壓器充電時(shí)，鐵芯中的剩磁與合閘初始磁通疊加使電力變壓器鐵芯迅速飽和，導(dǎo)致電力變壓器勵(lì)磁電流產(chǎn)生大量的諧波，造成波形畸變嚴(yán)重[3]。變壓器鐵芯剩磁極有可能造成變壓器勵(lì)磁涌流，勵(lì)磁涌流的幅值可達(dá)變壓器額定運(yùn)行電流的幾倍甚至幾十倍，導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作和長(zhǎng)時(shí)間的諧波電壓，使變電站設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)[4]。

幅值較高的勵(lì)磁涌流，在鐵芯、繞組和金屬結(jié)構(gòu)件中增加有功損耗，使鐵芯、繞組和金屬結(jié)構(gòu)件溫度升高，同時(shí)鐵芯的高度飽和使漏磁增加，引起變壓器局部過熱，造成絕緣紙老化，從而降低絕緣紙的絕緣性能，給變壓器帶來潛在性缺陷，數(shù)次積累可造成變壓器的永久性損害。勵(lì)磁涌流中的諧波會(huì)導(dǎo)致電力變壓器內(nèi)的雜散損耗增加，引起發(fā)電機(jī)和電容濾波器組中繼電器不正確跳閘。此外，大量諧波對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成嚴(yán)重的污染。剩磁會(huì)誘發(fā)低電壓和過電壓，在長(zhǎng)距離弱聯(lián)系電網(wǎng)中，剩磁會(huì)造成局部電壓過低，還可能使系統(tǒng)諧波震蕩，在系統(tǒng)遠(yuǎn)端造成電壓過高，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。剩磁還會(huì)誘發(fā)變壓器的差動(dòng)保護(hù)、輕重瓦斯保護(hù)等誤動(dòng)作，造成變壓器的投運(yùn)失敗[5-6]。

綜上所述，電力變壓器剩磁在一定條件下嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，為解決電力變壓器剩磁的影響，需要掌握電力變壓器剩磁的產(chǎn)生機(jī)理，研究剩磁檢測(cè)方法，掌握電力變壓器剩磁的實(shí)時(shí)狀態(tài)，從而制定消除剩磁對(duì)電網(wǎng)影響相關(guān)措施。

1 變壓器剩磁的檢測(cè)方法

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鐵磁原件的剩磁檢測(cè)、剩磁測(cè)量及去磁方法開展了相應(yīng)的研究。武漢大學(xué)陳文臣[7]等利用勵(lì)磁涌流含有很大的非周期分量、含有大量的偶次諧波且以二次諧波為主這一特點(diǎn)，對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行FFT分解，得到其各次諧波含量的分布圖，通過二次諧波的含量來判斷是否含有剩磁。劉勇等[8]在變壓器的中性點(diǎn)及高壓側(cè)施加正負(fù)極性的直流電壓，通過對(duì)加壓時(shí)間及電流波形的比較，來判斷變壓器是否含有剩磁。河北電科院張建軍等[9]通過施加電壓，獲得變壓器的上升及下降電流曲線，基于最小二乘法判斷是否含有剩磁。

關(guān)于鐵芯剩磁的測(cè)量，實(shí)際工程中，鐵芯剩磁的測(cè)量技術(shù)在國(guó)內(nèi)外目前還沒有較為明確且成熟的方法，鐵芯剩磁的測(cè)量方法主要有[10-14]：

1)經(jīng)驗(yàn)估磁法：一般認(rèn)為變壓器在實(shí)驗(yàn)或運(yùn)行結(jié)束后鐵芯中剩磁范圍為20%～80%飽和磁通值。在1984 年國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(international council on large electric systems) 的調(diào)查中，500臺(tái)電力變壓器中僅一臺(tái)變壓器的最大剩磁值超過這一范圍。

2)基于鐵芯磁化模型的剩磁計(jì)算方法：結(jié)合變壓器鐵芯磁滯回線數(shù)學(xué)模型，考慮磁化過程中的磁滯效應(yīng)，推導(dǎo)了鐵芯剩磁的計(jì)算公式。

3)電壓積分法：基于電磁感應(yīng)定律，通過記錄變壓器分閘時(shí)線圈中電壓波形，對(duì)電壓積分求取鐵芯磁通。

4)基于勵(lì)磁涌流的剩磁測(cè)量方法：通過測(cè)量變壓器鐵芯中剩磁存在時(shí)勵(lì)磁電流瞬時(shí)的變化(即勵(lì)磁涌流)，對(duì)比不同剩磁值時(shí)勵(lì)磁涌流的差異，從而來判斷剩磁的方向和大小。

5)基于變壓器漏磁的剩磁測(cè)量方法：利用磁通門傳感器測(cè)量變壓器漏磁，通過建立變壓器漏磁和鐵芯剩磁的傳遞函數(shù)，測(cè)量變壓器鐵芯剩磁。

變壓器產(chǎn)生剩磁時(shí)，需采用一定的方法消除剩磁，以避免剩磁對(duì)設(shè)備帶來不利影響。關(guān)于變壓器鐵芯的去磁方法，目前主要有交流去磁法和直流去磁法。

1)交流去磁法：通常在變壓器低壓側(cè)加壓，高壓側(cè)空載，高低壓中性點(diǎn)均接地，輪流在低壓側(cè)三相加壓，低壓側(cè)的非加壓相空載，電壓升高至額定電壓的1.1倍，按每10 s 0.1倍額定電壓的速度逐漸將電壓降低為0。

2)直流去磁法：對(duì)變壓器繞組施加直流電流并不斷變換極性。直流消磁法分為等幅變頻法、等頻降幅法兩種。等幅變頻法是指采用恒定幅值電壓的恒壓源，逐漸提高正負(fù)交替頻率來實(shí)現(xiàn)變壓器剩磁的消除；等頻降幅法是指采用同一個(gè)正負(fù)電壓交替頻率，逐漸將電壓幅值降低來實(shí)現(xiàn)變壓器剩磁的消除。針對(duì)變壓器三相剩磁的消除，直流消磁法因?yàn)榭梢园殉跏即磐ㄕ{(diào)整到三相都達(dá)到較高的飽和點(diǎn)，三相剩磁的消磁只需要在變壓器中間相施加直流交替電壓，就可以完成變壓器三相剩磁的同時(shí)消除[15]。

下面對(duì)變壓器開展去磁試驗(yàn)，基于繞組的頻率響應(yīng)研究其剩磁檢測(cè)方法。

2 試驗(yàn)變壓器去磁試驗(yàn)

利用直流去磁法，在變壓器斷口施加直流電流，對(duì)110 kV試驗(yàn)變壓器進(jìn)行去磁試驗(yàn)。

試驗(yàn)對(duì)象為110 kV油浸式試驗(yàn)變壓器，原邊額定電壓為200 V，副邊額定電壓為110 kV。去磁試驗(yàn)前，對(duì)變壓器施加工頻電壓，以此來產(chǎn)生剩磁，確保變壓器含有剩磁。

去磁設(shè)備為TD-6910變壓器消磁及驗(yàn)證裝置，可采用手動(dòng)去磁及自動(dòng)去磁兩種模式，消磁電流可設(shè)置為1 A、5 A、10 A的直流電流。去磁裝置可接在變壓器高壓側(cè)或低壓側(cè)，在消磁過程中，直流電流正負(fù)極性交替變化，電流幅值等時(shí)間間隔衰減直至電流為0，消磁完成。在消磁前后，可對(duì)變壓器施加220 V工頻電壓，利用羅氏線圈測(cè)得其在消磁前后的空載電流，通過比較空載電流的大小，即可判斷變壓器是否完成消磁。

試驗(yàn)對(duì)象的高壓繞組經(jīng)測(cè)試電阻達(dá)250 kΩ，若將測(cè)試電流施加在其高壓端，由于其阻抗過大使測(cè)試電流不能正常施加而無法完成去磁試驗(yàn)。低壓繞組電阻測(cè)試值為0.1 Ω。因此，將去磁電流從低壓端輸入，選取電流為10 A，試驗(yàn)布置見圖1。

圖1 試驗(yàn)布置

去磁試驗(yàn)后，從試驗(yàn)結(jié)果報(bào)表可以發(fā)現(xiàn)在去磁過程中，去磁電流從10 A開始逐漸減小，直至減小至0完成去磁，在去磁前后，空載電流明顯減小。

3 剩磁對(duì)變壓器頻率響應(yīng)特性的影響分析

首先利用直流發(fā)生器對(duì)5 kV雙繞組干式變壓器進(jìn)行充磁，然后對(duì)充磁變壓器進(jìn)行掃頻試驗(yàn)，并對(duì)有剩磁及沒有剩磁狀態(tài)下的幅頻特性進(jìn)行比較。

3.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)對(duì)象為DG-10雙繞組干式變壓器，原邊額定電壓為220 V，副邊額定電壓為5 kV，額定容量為10 kVA。

直流發(fā)生器為MS-115D，最大輸出電壓為30 V，最大輸出電流為5 A。利用直流發(fā)生器輸出不同幅值的直流電流至變壓器，直流電流的幅值逐漸增加使變壓器產(chǎn)生不同的剩磁量，每個(gè)幅值的電流施加時(shí)間為30 s。直流發(fā)生器的最大輸出電流為5 A。為了在電流逐漸增大的過程中，使變壓器產(chǎn)生足夠的剩磁并達(dá)到飽和，考慮變壓器原邊及副邊的變比，將直流電流從變壓器的副邊輸入，當(dāng)副邊電流較小時(shí)，也能在原邊產(chǎn)生一個(gè)很大的勵(lì)磁電流。

在變壓器無剩磁狀態(tài)及不同幅值的直流電流輸入后，均對(duì)變壓器進(jìn)行掃頻試驗(yàn)。掃頻設(shè)備為HR-2000數(shù)字頻響分析儀。該設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)幅值為3.5 V的掃頻信號(hào)從變壓器的高壓側(cè)輸入，在變壓器的低壓側(cè)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行采集。輸入及輸出信號(hào)通過采集設(shè)備由數(shù)字頻響儀利用數(shù)據(jù)傳輸線傳至電腦端，即可得到變壓器的幅頻響應(yīng)特性曲線，試驗(yàn)的掃頻范圍為10 Hz～10 MHz。掃頻試驗(yàn)接線示意圖見圖2。

圖2 掃頻試驗(yàn)接線

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

掃頻試驗(yàn)結(jié)果見圖3，圖中除明確指出“無剩磁”的曲線為不含剩磁狀態(tài)下變壓器的幅頻響應(yīng)特性曲線外，其他均為變壓器含有剩磁的曲線。利用直流發(fā)生器產(chǎn)生剩磁時(shí)，助磁電流不同，則在變壓器上產(chǎn)生的剩磁含量不同，相應(yīng)的掃頻曲線也會(huì)存在一定的差異。通過對(duì)圖3觀察可知，隨著掃頻頻率變化，變壓的輸出幅值發(fā)生了變化，在掃頻范圍內(nèi)上下波動(dòng)，最大幅值的絕對(duì)值約為52 dB，最小幅值的絕對(duì)值約為2 dB。進(jìn)一步可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)掃頻頻率為10 Hz～1000 kHz時(shí)，變壓器是否含有剩磁以及剩磁含量是否不同，均未對(duì)幅頻響應(yīng)特性產(chǎn)生影響，幾種工況下在這一頻率范圍內(nèi)的幅頻響應(yīng)曲線重合。

而當(dāng)頻率大于1000 kHz時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，各工況下的幅頻響應(yīng)曲線開始出現(xiàn)了偏移，并在一定的頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。圖4為1000～2000 kHz各工況下的幅頻響應(yīng)曲線。曲線1為變壓器不含剩磁的幅頻響應(yīng)特性曲線，曲線2—曲線5為變壓器不同剩磁含量的幅頻響應(yīng)特性。觀察可知，在這一頻率范圍內(nèi)，若變壓器存在剩磁，則輸出的幅值會(huì)發(fā)生變化，且隨著剩磁含量的增加，輸出幅值的絕對(duì)值逐漸減小。當(dāng)掃頻范圍為4000～4200 kHz時(shí)，在這一頻率范圍內(nèi)，隨著剩磁含量的增加，輸出幅值的極值逐漸增大，見圖5。

圖3 掃頻試驗(yàn)結(jié)果

圖4 1000～2000 kHz實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)頻率較高時(shí)，變壓器繞組的高低壓端可視為分布電容、電感、電阻構(gòu)成的線性無源雙端口網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部狀態(tài)密切相關(guān)。當(dāng)剩磁存在于變壓器鐵芯時(shí)，高頻電壓在變壓器分布電感參數(shù)上積分磁通起點(diǎn)不一樣，所以剩磁會(huì)影響變壓器勵(lì)磁電感的測(cè)量值。當(dāng)變壓器不含剩磁時(shí)，回路電壓方程為

圖5 3700～4500 kHz實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

當(dāng)變壓器含剩磁時(shí)：

(6)

(7)

(8)

(9)

綜上所述，由于剩磁的存在，測(cè)量到的勵(lì)磁電流有效值發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致勵(lì)磁電感測(cè)量值變化；剩磁越大，測(cè)量值的誤差越大。

4 結(jié) 語

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于剩磁影響了變壓器的電感分布而改變了其傳遞函數(shù)，因此基于變壓繞組的頻率響應(yīng)，通過對(duì)一定掃頻范圍的頻率響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，能準(zhǔn)確地判斷出變壓器是否含有剩磁及剩磁含量的大小。進(jìn)一步的研究可以通過大量試驗(yàn)，建立變壓器剩磁含量與一定頻率范圍內(nèi)幅頻響應(yīng)的準(zhǔn)確關(guān)系。