變壓器直流電阻試驗后剩磁影響及對策

寇海榮，王新中，史明彪

（陽城國際發電有限責任公司，山西 晉城 048100）

變壓器直流電阻試驗后剩磁影響及對策

寇海榮，王新中，史明彪

（陽城國際發電有限責任公司，山西 晉城 048100）

闡述了大型變壓器在直流電阻試驗中，會在鐵芯中產生剩磁，當發變組進行零起升壓或變壓器空載合閘時，可能會造成差動保護誤動作。結合實例分析了變壓器剩磁產生的原因及現象，并提出了可以利用減小直流電阻試驗電流值及試驗時間、控制電壓合閘相位角、差動保護設置二次諧波交叉閉鎖三種方法來減少變壓器剩磁，避免差動保護誤動。

變壓器；直流電阻；剩磁；勵磁涌流；差動保護

0 引言

按照《電力設備預防性試驗規程》要求，大型變壓器在檢修后或運行1～3 a后，必要時都要進行直流電阻試驗[1]。直流電阻試驗將在變壓器鐵芯中產生剩磁，而且由于大型變壓器磁阻較小，尤其是三相五柱式變壓器，直流電阻試驗所加電流時間較長，剩磁較多，將對變壓器產生不利影響[2]。某電廠2號機組小修后，機組啟勵時，主變差動保護動作、發變組差動保護動作。經分析認為小修時對變壓器直流電阻試驗，產生較大剩磁，在快速升壓充電時，受剩磁影響，變壓器鐵芯飽和，產生數值較大、時間較長的勵磁涌流，導致差動保護二次諧波制動閉鎖失效，差動保護出口。

1 實例介紹

2010年5月31日00 時12分31秒，某電廠2號機小修后啟機，啟勵過程中，2號機第一套主變差動保護、第二套差動保護動作，2號機滅磁并聯跳汽機。

1.1 變壓器差動保護裝置跳閘信息

表1為兩套差動保護動作后的保護裝置動作報文。從報文中可以看出，兩套保護裝置三相差流都超過啟動值0.25I/In，開始階段差動保護二次諧波制動發生作用，制動保護，但在B相二次諧波返回后，差流仍大于啟動值，差動動作出口。

表1 保護裝置動作報文

1.2 故障錄波器波形

圖1為差動保護動作時故障錄波器的錄波圖。從波形可以看出，出現了明顯的波形間斷角，且電流呈衰減狀，但衰減時間較長。

圖1 陽城電廠一期工程2號機組故障錄波器故障波形圖

1.3 一次設備檢查情況

差動保護動作后，立即檢查發變組一次設備，結果均正常。同時，針對主變直流電阻試驗、直流泄漏試驗，查看了本次小修后預防性試驗項目報告。

1.4 綜合分析

結合一次檢查情況、故障錄波圖、保護裝置報文分析，主變直流電阻試驗產生剩磁，機組啟勵時（自并勵機組快速啟勵）產生勵磁涌流，在剩磁疊加影響下，勵磁涌流數值加大、時間變長，造成主變差動保護二次諧波閉鎖不成功，差動保護出口。

機組啟勵對主變磁路有交變影響，可以減弱或消除剩磁，判斷上次啟勵過程減弱或消除了剩磁，決定再次啟動機組。隨后機組正常啟勵并網，保護無異常。

2 實例中主變剩磁產生的原因

電力變壓器進行直流試驗后會產生剩磁，剩磁大小取決于變壓器繞組通過的直流電流強度和時間。剩磁是鐵磁材料的磁滯損耗表現，磁滯損耗是鐵磁材料將電能吸收后轉化為磁能的結果，在交流回路中表現為鐵損的一部分（與渦流損耗共同組成變壓器的鐵損），也就是說，磁滯損耗是能量轉換的結果[3]。在進行直流電阻測試時，選取的電流檔越高、充電時間越長，在變壓器鐵芯上剩磁量就越大，反之相反。

實例中主變小修進行直流電阻測試，試驗儀器是LZ-C變壓器直流電阻測試儀，變壓器高壓側為星形接法，加20 A的電流，測試時間約3min左右，低壓側為三角形接法，加50A的電流，測試時間30min左右，其他試驗項目電流很小，可以忽略不計。剩磁主要來源于直流電阻的測試。

3 變壓器激磁時剩磁對差動保護的影響

變壓器穩態運行時，勵磁電流只有額定電流的2%～5%。當變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復時，可能出現很大的勵磁電流即勵磁涌流。這是由于變壓器鐵芯飽和及剩磁的存在引起的，具體分析如下（見圖2）。

當二次側開路而一次側接入電源時，一次電路的方程為

式中：U1——次電壓；

Um——次電壓的峰值；

α ——合閘瞬間的電壓初相角;

R1——變壓器一次繞組的電阻;

N1——變壓器一次繞組的匝數;

Φ ——變壓器一次側磁通。

由于i1R1相對比較小，在分析瞬態過程初始階段可以忽略不計，所以空載合閘磁通為

由（2）式可得空載合閘磁通的大小與電壓的初相角α有關，考慮最不利情況，當α=90°時，電壓過零。

電壓過零點時變壓器主磁通的變化磁通有兩個分量，周期分量Φmcos wt與非周期分量Φm，此時磁通的最大值為穩態時磁通的2倍。變壓器正常情況下是工作在鐵芯磁化曲線的膝點附近，此時鐵芯已接近或略微飽和。當磁通達到2倍Φm以上時，鐵芯就高度飽和了，此時變壓器的勵磁電流大幅度增加，可達額定電流的6～8倍。由于勵磁電流只在變壓器的一側出現所以在差動繼電器中會產生很大的不平衡電流，此后由于R1的存在，非周期分量衰減，Φ值將減小。如果變壓器存在剩磁，影響將更大。

綜上所述，勵磁涌流的大小和衰減時間與外加電壓、鐵芯的剩磁大小、方向、回路阻抗、變壓器的容量和鐵芯的性質有關。

產生勵磁涌流的根源是在變壓器任一側繞組感受到外施電壓驟增時，基于磁鏈守恒定理，該繞組在磁路中將產生單極性的偏磁，如偏磁極性恰好和變壓器原來的剩磁極性相同時，就可能因偏磁與剩磁和穩態磁通疊加而導致磁路迅速飽和，從而大幅度降低變壓器繞組的勵磁電抗，進而誘發數值可觀的勵磁涌流。勵磁涌流不僅峰值大，且含有較多的諧波及直流分量，會引發變壓器差動保護誤動，最終造成變壓器投運失敗。

4 減少剩磁影響的措施

4.1 減小直流電阻試驗電流值及試驗時間

在變壓器試驗時應盡量降低加載的電流值，可考慮使用助磁法進行測量，把高、低壓繞組串聯起來，通電流測量，由于高壓繞組的匝數遠比低壓繞組匝數多，借助于高壓繞組的勵磁安匝數，用較小的電流就可使鐵芯飽和，從而使繞組電感大為減小，以縮短測試時間，而達到快速測試的目的，從而盡量減小鐵芯中的剩磁。

4.2 控制電壓合閘相位角

由鐵芯剩磁引起的勵磁涌流是可以抑制乃至消除的。由于偏磁的極性及數值是可以通過選擇外施電壓合閘相位角進行控制的，因此，如果能掌握變壓器上次斷電時磁路中的剩磁極性，就完全可以通過控制變壓器空投時的電源電壓相位角，實現讓偏磁與剩磁極性相反，從而消除產生勵磁涌流的根源——磁路飽和，實現對勵磁涌流的抑制[4]。

通過控制變壓器空投電源時的電壓合閘相位角，使其不產生偏磁，從而避免空投電源時磁路出現飽和。捕捉不產生偏磁的電源電壓合閘角只有兩個，即正弦電壓的兩個峰值點（90°或270°），如果偏離了這兩點，偏磁就會出現，如果動作時間漂移1mm，合閘相位角就將產生18°的誤差。此外，由于三相電壓的峰值并不是同時到來，而是相互相差120°，為了完全消除三相勵磁涌流，可以分相控制斷路器合閘時間，來減小勵磁涌流。目前220 kV及以上電壓等級的斷路器跳合閘時間已經比較精確、穩定。

4.3 差動保護設置二次諧波交叉制動功能

設置二次諧波交叉制動功能，即二次諧波不僅對本相起制動作用，對其他相也起制動作用，只要有一相檢測出涌流，三相都閉鎖。制動作用時間通過保護裝置定值設置來實現。對于三相五柱式變壓器而言，由于其各相之間除了與電之間的聯系外，磁路相互聯系，一相檢測出勵磁涌流后，應當閉鎖其它相。如此，只要保護裝置檢測出一相電流二次諧波分量達到閉鎖數值，閉鎖各相差動保護。

5 結論

大型變壓器在直流電阻試驗后，由于剩磁的影響，當發變組進行零起升壓或變壓器空載合閘時，可能會造成差動保護誤動作。理論上可以通過控制電壓合閘相位角來減少勵磁涌流，但在實際應用中需進一步探討驗證。在進行變壓器試驗時，應盡可能減少剩磁的積聚。差動保護設置上可利用二次諧波交叉閉鎖功能來減少類似情況的發生。

［1］ 中華人民共和國電力工業部.DL/T 596電力設備預防性試驗規程［S］.中國電力出版社，2006：13.

［2］ 劉曦.淺析變壓器勵磁涌流引起的差動保護誤動［J］.浙江電力，2009（3）：43.

［3］ 周建平，羅建.變壓器鐵芯剩磁的一種估算方法［J］.熱力發電，2010，39（3）：63.

［4］ 李偉，黃金，方春恩，等.基于相控開關技術的空載變壓器勵磁涌流抑制研究［J］.高壓電器，2010，46（5）：11-13.

The Remanence Influence of Transformer DC Resistance Test and Its Countermeasures

KOU Hai-rong，WANG Xin-zhong，SHIM ing-biao
（Yangcheng International Power Generation Co.，Ltd，Jincheng，Shanxi 048100，China）

In the DC resistance test of large transformer，remanence will be generated in the core of transformer.When the generator-transformer unit raises voltage from zero or experience no-load switch-on，the differential protection may causemalfunction.Based on the reasons and phenomena about remanence generating，this article puts forward three ways to reduce the remanence and prevent differential protection malfunctioning,including reducing the current and testing time during the DC resistance test，controlling phase anglesofvoltage closing，and setting the second harmonic blocking differentialprotection.

transformer；DC resistance；remanence；inrush current；differentialprotection

TM401

A

1671-0320-（2011）03-0024-04

2011-01-20，

2011-03-16

寇海榮（1977-），男，山西應縣人，1999年畢業于太原電專發電廠及電力系統專業，工程師，從事發電廠電氣工作；

王新中（1977-），男，山西山陰人，1999年畢業于中南工業大學工業電氣自動化專業，工程師，從事發電廠繼電保護工作；

史明彪（1976-），男，山西交城人，1999年畢業于華北電力大學電力系統及其自動化專業，工程師，從事發電廠高壓預試工作。