220 kV變壓器剩磁檢測(cè)及消磁技術(shù)分析

張 輝，張祥帥，雷若冰，錢 杰

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

變壓器是電力系統(tǒng)中連接不同電壓等級(jí)電網(wǎng)的重要樞紐設(shè)備，對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[1]。受合閘相角的隨機(jī)性以及變壓器內(nèi)部剩磁的共同影響，變壓器空載合閘時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，其幅值可以達(dá)到額定電流的6～8 倍[2-4]。勵(lì)磁涌流可能使變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，造成送電失敗。即使差動(dòng)保護(hù)不誤動(dòng)，過大的勵(lì)磁電流流過變壓器線圈，也可能造成部件松動(dòng)、繞組輕微變形等，形成隱患或缺陷。此外，勵(lì)磁涌流中往往含有高次諧波，諧波會(huì)降低電網(wǎng)的電能質(zhì)量，甚至造成電網(wǎng)中的電力電子等敏感元器件損壞[5-6]。

目前針對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流的研究大體可以分為兩方面，分別是勵(lì)磁涌流識(shí)別以及勵(lì)磁涌流抑制。勵(lì)磁涌流識(shí)別，主要原理是利用勵(lì)磁涌流表現(xiàn)出的不同于其他故障電流的特征，形成某種制動(dòng)策略，當(dāng)發(fā)生勵(lì)磁涌流時(shí)，通過閉鎖差動(dòng)保護(hù)以保證變壓器順利合閘送電[8-9]。但是，成功識(shí)別勵(lì)磁涌流并不能防止勵(lì)磁涌流對(duì)變壓器的損害以及其導(dǎo)致的電能質(zhì)量的降低。勵(lì)磁涌流抑制的方法主要有內(nèi)插電阻法、合閘回路串電阻法、低壓側(cè)并聯(lián)電容器法以及選相合閘技術(shù)等[10]，目前最適合現(xiàn)場(chǎng)使用的方法是選相合閘的方法，其本質(zhì)是通過控制合閘電壓相角，使得合閘偏磁與變壓器剩磁剛好抵消，從而防止變壓器鐵心進(jìn)入飽和狀態(tài)而產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。

選相合閘技術(shù)需要根據(jù)變壓器斷電時(shí)的分閘相位角獲知初始剩磁和極性，并以此初始剩磁作為選相合閘的依據(jù)。通常主變退出運(yùn)行的主要原因是檢修試驗(yàn)或者故障跳閘，兩種情況下，試驗(yàn)人員都會(huì)對(duì)變壓器進(jìn)行加壓試驗(yàn)，以判斷變壓器的電氣性能或者絕緣狀況能否滿足繼續(xù)運(yùn)行的要求，這顯然會(huì)改變變壓器鐵心的剩磁狀態(tài)，使得根據(jù)分閘相位角計(jì)算得到的初始剩磁與投運(yùn)前的主變實(shí)際剩磁差距較大，從而造成通過現(xiàn)有選相合閘技術(shù)抑制勵(lì)磁涌流的效果大打折扣。

下面采用了一種改進(jìn)的剩磁檢測(cè)及消磁技術(shù)，對(duì)管轄范圍內(nèi)多臺(tái)220 kV 變壓器進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)消磁試驗(yàn)。

1 變壓器鐵心剩磁消除方法

電力變壓器在運(yùn)行過程中，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)磁通。當(dāng)變壓器斷電切除時(shí)，由于回路磁通守恒，穩(wěn)態(tài)磁通不會(huì)立即消失，而會(huì)保留一個(gè)與最末時(shí)刻穩(wěn)態(tài)磁通大小相等、極性相同的剩磁。目前電力行業(yè)對(duì)變壓器鐵心剩磁的消除方法主要有如下兩種：直流消磁法和交流消磁法。

1.1 直流消磁法

該方法利用正負(fù)電壓交替的直流電流源對(duì)變壓器繞組施加幅值逐漸降低的電流，從而使剩余磁通逐步降低，反復(fù)多次后完成消磁，將變壓器鐵心剩磁降低至相當(dāng)?shù)偷牧恐?。但是此方法在消磁過程中無法測(cè)量鐵心內(nèi)的實(shí)際剩余磁通，不能定量評(píng)估消磁效果。

1.2 交流消磁法

該方法利用大容量交流電源對(duì)變壓器低壓側(cè)加壓，高壓側(cè)中性點(diǎn)接地，將電壓由0 V 逐漸升高至1.1 倍額定電壓，然后將電壓緩慢降至0 V。通過逐漸減小交變磁場(chǎng)的幅值，使磁滯回線所圍面積也逐漸變小，剩磁將隨磁場(chǎng)強(qiáng)度一起最終接近于零。該方法消磁效果很好，但是對(duì)設(shè)備要求較高，現(xiàn)場(chǎng)無法提供大容量的交流電源。

2 改進(jìn)的剩磁檢測(cè)及消磁技術(shù)

下面采用了一臺(tái)型號(hào)為L(zhǎng)X3600 的變壓器剩磁檢測(cè)及定量消磁分析儀，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)例行檢修的220 kV 變壓器進(jìn)行消磁試驗(yàn)。其基本原理是依據(jù)磁通量計(jì)算公式Φ=∫udt，對(duì)變壓器高壓繞組施加勵(lì)磁電流，并對(duì)測(cè)得的勵(lì)磁電壓曲線進(jìn)行積分，從而計(jì)算出鐵心內(nèi)的磁通量變化值。

由于變壓器勵(lì)磁繞組存在直流電阻，等效電路中此電阻與勵(lì)磁電感串聯(lián)，而直流電阻并不參與勵(lì)磁磁場(chǎng)的建立，所以在檢測(cè)變壓器鐵心內(nèi)當(dāng)前磁通量時(shí)，應(yīng)去除這部分直流電阻帶來的誤差。在對(duì)變壓器消磁過程中，首先對(duì)勵(lì)磁繞組施加電流i(t)，測(cè)得勵(lì)磁繞組兩端產(chǎn)生的電壓u(t)，從而可以計(jì)算出勵(lì)磁繞組的直流電阻RDC。分別對(duì)電壓信號(hào)u(t)和電流信號(hào)i(t)進(jìn)行高精度采樣，結(jié)合上述分析，可將磁通量計(jì)算公式Ф=∫udt，修改為:

這樣即可準(zhǔn)確計(jì)算出變壓器鐵心中當(dāng)前的磁通量，并且通過改變勵(lì)磁電流方向進(jìn)行多次測(cè)量，最終可以計(jì)算出鐵心的最大飽和磁通量Фs、初始剩余磁通量Фr和最終剩余磁通量Фr2。并且由上述公式計(jì)算得到以下兩個(gè)重要參數(shù)：

3 消磁儀現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

3.1 消磁效果驗(yàn)證

2020-04-28，220 kV 廟港變1 號(hào)主變小修預(yù)試。第一天停電時(shí)間較晚，主變只拆頭未試驗(yàn)。第二天主變?nèi)吭囼?yàn)工作結(jié)束后，用變壓器剩磁檢測(cè)及定量消磁分析儀進(jìn)行了第一次消磁，為驗(yàn)證消磁效果，進(jìn)行了第二次消磁。

從試驗(yàn)結(jié)果看，第一次消磁初始剩磁率達(dá)到65.380 %，消磁后最終剩磁率降為0.512 %；第二次消磁，剩磁率由初始的0.531 %最終降至0.140 %，兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，通過多次消磁，變壓器剩磁檢測(cè)及定量消磁分析儀可以將變壓器剩磁率降至很低的量值。

3.2 接地消磁與儀器消磁對(duì)比

2020-06-12，220 kV 向陽變2 號(hào)主變漏油處理后試驗(yàn)。第一天主變?nèi)毕萏幚斫Y(jié)束后進(jìn)行變比、直阻、絕緣試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束將主變?nèi)齻?cè)繞組短路接地，通過接地釋放殘余電荷。自6 月12 日下午5時(shí)至6 月14 日下午1 時(shí)共44 h 后，用變壓器剩磁檢測(cè)及定量消磁分析儀進(jìn)行檢測(cè)及消磁。經(jīng)檢測(cè)接地44 h 后，變壓器剩磁率依然達(dá)到27.8 %，可見接地消磁效果并不理想。而使用該儀器消磁后，當(dāng)前剩磁率為0.787 %。

2020-06-12，220 kV 郭巷變擴(kuò)建3 號(hào)主變局放試驗(yàn)，主變完成局放試驗(yàn)后恢復(fù)引線搭接，并通過接地刀閘接地，以釋放殘余電荷。2020-06-23，再次對(duì)該主變?nèi)齻?cè)引線拆除，進(jìn)行消磁、頻響試驗(yàn)，初始剩磁率3.589 %，消磁后當(dāng)前剩磁率0.742 %。

參照之前主變?cè)囼?yàn)后消磁結(jié)果，可以預(yù)估郭巷變3 號(hào)主變交接試驗(yàn)后剩磁率為60 %左右，經(jīng)過三側(cè)繞組短路接地，進(jìn)行放電共計(jì)250 h，剩磁檢測(cè)結(jié)果為3.589 %。此次由于接地放電時(shí)間較長(zhǎng)，剩磁率明顯降低。

上述兩臺(tái)主變接地放電時(shí)間與剩磁率對(duì)比結(jié)果見表1，可以看到通過將繞組短路接地可以降低鐵心剩磁，但是所需時(shí)間較長(zhǎng)，由于現(xiàn)場(chǎng)停電時(shí)間較短，無法通過長(zhǎng)時(shí)間接地來完成消磁。

表1 接地放電時(shí)間與剩磁率對(duì)比

3.3 電氣試驗(yàn)前后剩磁情況對(duì)比

2020-05-17，東渚變1 號(hào)主變小修預(yù)試。第一天主變停電時(shí)間晚，主變只拆引線接頭未試驗(yàn)。第二天先用變壓器剩磁檢測(cè)及定量消磁分析儀進(jìn)行消磁，以檢測(cè)主變停運(yùn)后初始剩磁率；全部試驗(yàn)工作結(jié)束后，使用變壓器剩磁檢測(cè)及定量消磁分析儀進(jìn)行第二次消磁，以檢測(cè)主變?cè)囼?yàn)后剩磁率。

對(duì)比兩次消磁結(jié)果可以看到，該主變由運(yùn)行轉(zhuǎn)停電狀態(tài)有一定量的初始剩磁率(20.51 %)，全部試驗(yàn)工作結(jié)束后，剩磁率出現(xiàn)了明顯的增長(zhǎng)(63.44 %)。通過使用變壓器剩磁檢測(cè)及定量消磁分析儀進(jìn)行消磁，最終剩磁率均達(dá)到1 %以下(分別為0.681 %，0.689 %)，剩磁降至極低量值。

3.4 主變消磁與不消磁送電高壓勵(lì)磁電流對(duì)比分析

通常主變合閘瞬間，高壓側(cè)電流會(huì)急劇升高，之后逐漸降低，并且恢復(fù)穩(wěn)定。基于上述特征，下面以主變合閘最大電流與半小時(shí)后的穩(wěn)定電流之比K，作為反映合閘后勵(lì)磁電流大小的參數(shù)，K值越大則勵(lì)磁電流越大，反之則越小。為了驗(yàn)證消磁對(duì)勵(lì)磁電流的降低效果，調(diào)取了部分配合停電的主變和停電例行試驗(yàn)的主變送電時(shí)的高壓側(cè)電流數(shù)據(jù)，如表2 所示。主變1 ～3 為停電例行試驗(yàn)的主變，均進(jìn)行了常規(guī)例行試驗(yàn)，并且送電前采用上述消磁儀進(jìn)行消磁。主變4～6 為配合停電的主變，其本身不進(jìn)行試驗(yàn)工作，因此配合結(jié)束后，不消磁直接送電。從表2 數(shù)據(jù)可以看出，消磁后送電的主變1～3 的K值平均為1.05，不消磁直接送電的主變4～6 的K值平均為1.52，前者與后者相比降低了30.87 %，說明消磁后，主變送電時(shí)高壓勵(lì)磁電流降低效果可以達(dá)到30.87 %。

表2 主變消磁與不消磁送電高壓勵(lì)磁電流對(duì)比

4 結(jié)論

(1) 通過將繞組短路接地可以降低鐵心剩磁，但是所需等待時(shí)間較長(zhǎng)，無法滿足現(xiàn)場(chǎng)送電時(shí)間的要求。

(2) 變壓器停電后具有一定的初始剩磁率，進(jìn)行電氣試驗(yàn)后剩磁率則會(huì)進(jìn)一步增大，說明選相合閘以停電分閘時(shí)的波形數(shù)據(jù)計(jì)算得到的剩磁率與變壓器試驗(yàn)后實(shí)際剩磁差別較大，變壓器電氣試驗(yàn)后合閘送電以選相合閘系統(tǒng)計(jì)算的剩磁為依據(jù)是不合理的。

(3) 通過采用變壓器剩磁檢測(cè)及定量消磁分析儀的多次消磁，可使送電前變壓器的實(shí)際剩磁率降至極低量值(1 %以下)，送電時(shí)高壓勵(lì)磁電流也有明顯降低；再結(jié)合現(xiàn)有的選相合閘技術(shù)，則可以有效降低主變空載合閘勵(lì)磁涌流的發(fā)生率，提高主變送電成功率，具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值，可供電力系統(tǒng)相關(guān)人員參考。