電力變壓器鐵芯剩磁危害及消除方法

陶平虎

摘要：目前，我國的經(jīng)濟在迅猛發(fā)展，社會在不斷進(jìn)步，變壓器是一種靜止電器，通過線圈之間的電磁感應(yīng)，它能夠?qū)⒁环N電壓等級的交流電能轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種電壓等級的交流電能。鐵芯作為變壓器的主磁路，在正常運行和試驗時，會產(chǎn)生剩磁。由于剩磁的存在，在電壓比測試、繞組直流電阻測量、額定電壓下沖擊合閘等試驗時可能會出現(xiàn)異常，導(dǎo)致產(chǎn)生錯誤的試驗結(jié)果。因此，本文提出水利發(fā)電廠電力變壓器鐵芯剩磁危害及消除方法，以保證電力變壓器安全穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：電力變壓器;鐵芯剩磁;電磁感應(yīng);剩磁消除

引言

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，對電力變壓器的要求越來越多，性能要求也越來越高。電力變壓器作為電網(wǎng)中關(guān)鍵的一部分，起到升降電壓的作用，是電力傳輸過程中不可或缺的一環(huán)。然而因為變壓器剩磁的原因致使電力變壓器無法合閘的情況時有發(fā)生，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，也對人員有一定的危險，所以削弱剩磁勢在必行。電工磁材料磁特性研究作為電磁仿真的基礎(chǔ)，需要更深入細(xì)致的研究。對軟硬磁材料特性進(jìn)行更加深入的研究之后，可以根據(jù)磁特性來設(shè)計性能更加優(yōu)良的變壓器和互感器。變壓器鐵芯的剩磁會導(dǎo)致勵磁電感測量值比目標(biāo)值有所減少，從而直接造成變壓器短路阻抗值有所偏小，同時高頻下繞組分布電感下降。變壓器合閘時會產(chǎn)生沖擊電流，這個沖擊電流叫勵磁涌流。勵磁涌流的產(chǎn)生原因及其大小、原理如下：變壓器合閘使變壓器的電壓、電流和磁通密度從一個穩(wěn)態(tài)過渡到另一個穩(wěn)態(tài)，過渡過程和合閘瞬間的電壓相位角及鐵芯剩磁有直接關(guān)系，當(dāng)合閘瞬間的電壓相位角等于0，鐵芯中的剩磁方向又和周期分量方向相反時，鐵芯中的磁通量嚴(yán)重飽和，產(chǎn)生的勵磁電流可以達(dá)穩(wěn)態(tài)時的勵磁電流（空載電流）值的幾倍或者幾十倍。合閘勵磁涌流一般不會對變壓器造成危害，但可能引起變壓器的過電流保護(hù)或者差動保護(hù)誤動，會使電流保護(hù)掉閘;或者由于變壓器是空載，沖擊側(cè)有很大的勵磁涌流，而另一次是開路無電流，故而造成差動的誤動作掉閘。勵磁涌流中含有奇數(shù)和偶次諧波。

1變壓器鐵芯剩磁測量的研究背景及意義

隨著電力技術(shù)的進(jìn)步以及超高壓電網(wǎng)的不斷發(fā)展，工業(yè)應(yīng)用對大容量的電力變壓器、電機等設(shè)備運行穩(wěn)定性的要求不斷增加。與此同時，勵磁檢測水平在工業(yè)應(yīng)用中也要求得到不斷提升。由于鐵磁材料之間存在磁特性差異，所以由其構(gòu)成的鐵芯部件是影響電機、變壓器及其它設(shè)備電氣性能的關(guān)鍵部分。解決磁性材料在工程上的計算難題和性能模擬己經(jīng)成為國際電工領(lǐng)域的前沿和熱點問題，具有重要的工程利用價值及科學(xué)意義。電力變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備。當(dāng)變壓器出現(xiàn)故障，可能會引起大面積的停電事故并造成重大損失，所以變壓器的安全性尤為重要。變壓器的主保護(hù)通常選擇性能良好的差動保護(hù)，變壓器采用差動保護(hù)時應(yīng)考慮到在其空載合閘時勵磁涌流可能會引起的保護(hù)裝置誤動。由于勵磁涌流存在不對稱性，導(dǎo)致電力變壓器的無功消耗增加，并且在繞組、鐵芯以及金屬構(gòu)件中產(chǎn)生大量熱量。若勵磁涌流過大，則會給電網(wǎng)和電力變壓器造成非常大的負(fù)面影響，并且由此產(chǎn)生的過電壓可能引起斷路器跳閘，嚴(yán)重時則會燒毀器件。由于電力變壓器勵磁涌流中含有直流分量和各種諧波成分，因此變壓器成為電網(wǎng)中的諧波源。與此同時，電力系統(tǒng)中的敏感電子元器件也可能會被諧波中的高次分量所破壞，使得供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量進(jìn)一步降低。因此，防止空載合閘時電力變壓器勵磁涌流可能引起的損失己經(jīng)成為變壓器安全運行的一個重要課題。勵磁涌流的衰減時間以及大小與變壓器容量、所施加的電壓、回路阻抗、變壓器鐵芯剩磁的方向及大小等有關(guān)。在電力變壓器鐵芯剩磁以及合閘角度等條件的綜合作用下，變壓器鐵芯進(jìn)入飽和區(qū)并由此產(chǎn)生勵磁涌流。當(dāng)斷路器的合閘角度等因素保持不變時，合閘時變壓器勵磁涌流的大小受變壓器鐵芯的飽和程度影響較大。并且鐵芯剩磁越大，在變壓器合閘瞬時產(chǎn)生的勵磁涌流就越大，此時電力變壓器鐵芯的剩磁情況在一定程度上便可通過勵磁涌流的大小來反應(yīng)。電力變壓器鐵芯剩磁的正確測量對后續(xù)的退磁并進(jìn)而減小變壓器合閘時的勵磁涌流有非常重要的意義。

2電力變壓器鐵芯剩磁危害及消除方法

2.1直流消磁

直流消磁法又稱反向沖擊法，是指在變壓器高壓繞組兩端正向、反向分別通入直流電流，并使其不斷減小，以縮小鐵芯的磁滯回環(huán)，從而達(dá)到消除剩磁的目的。根據(jù)相關(guān)研究資料表明，一般情況下，反復(fù)進(jìn)行4次～5次即可以取得較好效果。

2.2電力變壓器剩磁測量方案

因為磁通計是通過積分的方式來測量被測物體的磁通量，所以在實際情況中剩磁不能直接通過儀器測量出來?？梢酝ㄟ^非常大的正負(fù)向激勵，來達(dá)到正負(fù)向的磁通密度飽和，通過求這兩個的差值，來計算剩磁，不過此時設(shè)備內(nèi)部會有新的剩磁產(chǎn)生。當(dāng)電力變壓器中存在剩磁時，接通電路時會有勵磁涌流。是否存在剩磁可以通過激勵電流的不同來確定，或者通過對比上升時間來確定是否有剩磁和剩磁的方向問題。激勵產(chǎn)生的磁場方向和剩磁方向相同時，電流上升時間短。當(dāng)方向相反時，電流變化慢，上升時間長。

2.3空載合閘操作

在電力系統(tǒng)的日常運行過程中變壓器的空載合閘操作經(jīng)常出現(xiàn)，在變壓器投運前也會對其進(jìn)行沖擊合閘的操作。因為勵磁電感具有飽和特性，所以當(dāng)對變壓器進(jìn)行空載合閘操作時，其勵磁支路可能由于變壓器鐵芯飽和而生成較大的勵磁涌流。仿真分析了電力變壓器空載合閘的過程。在仿真模型中，通過建立變壓器鐵芯的動態(tài)磁滯回線模型，設(shè)置變壓器鐵芯的初始磁通，最終研究分析了剩磁對勵磁涌流的影響。通過仿真可知，鐵芯材料的鐵磁特性與剩磁值對變壓器空載合閘所生成的涌流造成重要影響，鐵芯深度飽和后的勵磁特性通常是利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到的。目前，國內(nèi)還沒有電力變壓器鐵芯剩磁的確切實測數(shù)據(jù)，日本相關(guān)單位實測鐵芯剩磁為40%左右。

3案例分析

本文所選擇的案例為某220kV變電站2號主變擴建工程，變壓器型號為SFSZ11-240000/220，額定容量240MVA。根據(jù)調(diào)度指令對變壓器進(jìn)行沖擊合閘試驗，前3次沖擊試驗順利通過，但沖擊時變壓器聲音較大，第4次沖擊時，變壓器產(chǎn)生差動速斷保護(hù)動作，220kV斷路器跳閘，對跳閘后的變壓器進(jìn)行檢查，沒有發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，初步判斷是沒有躲過勵磁涌流，引起保護(hù)誤動。投運工作暫停后，重新對變壓器進(jìn)行全面檢查和相關(guān)試驗。通過檢查，瓦斯繼電器內(nèi)無氣體、密封性能良好，觀察窗內(nèi)變壓器油顏色正常，變壓器本體和油枕無滲漏油現(xiàn)象，油溫和油位指示正常。油色譜分析、繞組直流電阻測量、介質(zhì)損耗測量、繞組變形測量均未發(fā)現(xiàn)異常。在差動保護(hù)整定時間之外，通過故障錄波分析出存在較大的沖擊電流。

結(jié)語

剩磁測量和削弱是電力變壓器中較難的問題，為解決上述問題，本文提出了一種改進(jìn)了的單相變壓器剩磁測量和削弱方法，通過數(shù)值模擬和試驗測量對其進(jìn)行了驗證。首先基于基礎(chǔ)理論和鐵磁材料的基本特性，本文對電力變壓器剩磁產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并對電力變壓器剩磁的危害進(jìn)行了分析。其次依據(jù)等效電路和數(shù)學(xué)方法，推導(dǎo)出了試驗方法。然后通過數(shù)值模擬方法確定試驗中參數(shù)的選擇和驗證試驗方法的可行性。最后通過試驗對上述方法進(jìn)行驗證，驗證了方法的可行性。歸納分析己有的剩磁削弱方法，通過數(shù)值模擬和試驗找到最優(yōu)的剩磁削弱方法。

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