消磁線圈在超特高壓變壓器中的研究與應用

張曉陽

（山東電力設備有限公司,濟南 250022）

消磁線圈在超特高壓變壓器中的研究與應用

張曉陽

（山東電力設備有限公司,濟南 250022）

在超特高壓、大容量變壓器中，鐵心的重量最大可達200噸左右，這將給變壓器帶來較大的空載損耗，同時較大的鐵心體積將會使變壓器噪聲大幅增加，另外因為大容量所相應產生的附加損耗也將較大。變壓器損耗的大小是影響變壓器運行經濟性指標的重要因素，而降低變壓器的噪聲是變壓器發展的趨勢。因此，隨著現代變壓器的發展，降低損耗與噪聲是各個變壓器廠研究的主要方向，這點對于超特高壓、大容量變壓器來講尤為重要。本文對消磁線圈原理進行了闡述并結合實例介紹消磁線圈的作用。

消磁線圈；穿窗電流；附加磁通

1 引言

在變壓器的結構設計過程中，必須要求繞組的首、末端均布置在鐵心的同一側。如果不在同一側則首、末端通過用電負載后會在變壓器外部閉合，因其穿過鐵心窗口在鐵軛外側閉合，俗稱穿窗電流，其大小與繞組的線端電流相等。該穿窗電流會在變壓器的鐵軛回路中建立一附加磁通。根據安培環路定律，該附加磁通與穿窗電流的安匝成正比，因為穿過鐵心窗口的是一匝線，所以穿窗電流的大小與繞組的線端電流相等。而穿窗電流產生的附加磁通與主磁通在鐵心中疊加會造成鐵軛的磁通過度飽和，從而導致空載損耗增加，鐵心因振動所產生噪聲也會大幅增加；同時，因為鐵軛的磁通飽和，使線圈組漏磁通無法進入鐵軛，線圈組漏磁通只能在油箱、夾件等結構件中形成閉合回路，導致變壓器的附加損耗大幅增加，并可能產生局部過熱。在220kV及以下等級的變壓器結構設計中往往能夠避免穿窗電流的出現，但是在超特高壓變壓器中，由于油箱內部的空間較小，同時為了使引線走線更加的方便，往往需要繞組的首末端不在同一側出線，這就必然會出現產生穿窗電流的問題。而消磁線圈的主要作用則是能夠抵消穿窗電流產生的附加磁通對主磁通的影響，對降低空、負載損耗和噪聲有著重要意義。

2 消磁線圈的原理簡述

圖1是變壓器產品中常用的冷軋導向硅鋼片的磁化曲線，從圖中的曲線可以看出，當硅鋼片的磁通飽和前，硅鋼片的單位損耗與磁通密度基本成正比的關系，而且磁化曲線的斜率相對較小；但是當硅鋼片的磁通飽和后，磁化曲線的斜率變大，意味著硅鋼片的單位損耗急劇增加，這說明硅鋼片的磁密飽和后，硅鋼片的損耗隨磁密增加而增加的較快。因此，在變壓器設計時，一般不允許硅鋼片運行在飽和區域，因為這會造成變壓器空載損耗較大，鐵心的溫升較高，影響變壓器的運行壽命。

圖1

如果變壓器繞組的首、末端布置在鐵心的兩側，在負載條件下，穿窗電流必然會在鐵心的鐵軛中感應出一附加磁通，該磁通的大小與繞組的線端電流成正比。而穿窗電流產生的附加磁通會造成鐵軛內的磁通飽和，導致變壓器空載損耗、負載損耗、噪聲均增加，并可能引起局部過熱。

為了抵消穿窗電流帶來的影響，我們可以在鐵軛上設計一組或多組消磁線圈組，使消磁線圈產生的磁通能夠平衡掉穿窗電流產生的磁通；消磁線圈使主磁通可以通過，但附加磁通會被消磁線圈產生的反向磁通所抵消掉，從而消除穿窗電流所帶來的影響。此時，鐵心中會產生由繞組產生的主磁通、由穿窗電流產生的附加磁通和由消磁線圈產生的感應磁通，感應磁通與附加磁通在鐵心中方向一直相反，能夠有效達到了抑制穿窗電流產生的附加磁通的目的。

3 消磁線圈的應用實例

為了更加清晰的說明該問題，以我公司2005年生產的1臺500kV超高壓自耦電力變壓器為例，該變壓器在2012年進行了返廠大修，大修時在旁柱增加了消磁線圈。該變壓器的結構特點為：該變壓器為單相三柱鐵心、單柱套線圈結構，其結構及出頭布置如圖2所示，變壓器的高壓首頭和中性點布置在高壓側，而中壓出頭在低壓側。因此在中壓繞組參與運行時將會有半匝線穿過鐵心窗口，穿窗電流等于中壓線圈的電流，最大達1157.0A，而且穿窗電流形成的安匝不能參與運行線圈的安匝平衡，勢必在鐵軛中勵磁產生一附加磁通，造成旁軛及上下軛局部磁通飽和，從而造成整個變壓器的損耗和噪聲增加。

圖2

解決該問題的方案一是將同一個線圈的出頭都設計在同一側，或將在不同側的出頭由窗內引回至同一側，如圖3所示。

圖3

此方案理論上可以完全消除中壓穿窗電流及由此帶來的損耗和噪音問題。但由于中壓線圈首端出頭和高壓線圈末端出頭都為220kV等級，穿窗引至高壓側的難度非常大，因此，我們決定采用在鐵軛上增加消磁線圈的方法來抵消穿窗電流產生的附加磁通。

在返修過程中，我們在兩個旁柱上各繞了1組消磁線圈，示意圖如圖4。

圖4

根據變壓器的參數來選取合適的導線繞制消磁線圈。

返修后的試驗結果表明：該方案有效地解決了損耗和噪音問題。返修后的變壓器負載損耗降低了約100kW，降低了約30％；空載損耗降低了約15kW，降低了約15％；變壓器噪聲也有了較大的改善，大約降低了10dB左右。

在我公司近幾年的500kV自耦變壓器的設計中，為了提高產品的抗短路能力及控制極限分接阻抗偏差等原因，大多數500kV單相自耦變壓器采用了旁柱調壓的結構，其主柱的出頭布置根據用戶的要求不同而有各種方式，往往會出現高壓線圈或中壓線圈穿窗電流的問題，但旁柱調壓結構中，旁柱上都有一個與主柱低壓或中壓線圈并聯的勵磁繞組，形成了一個平衡電流的流通通路，因而消除了鐵心的附加磁通，不會引起損耗和噪音的增加，這一點通過我公司近幾年的500kV自耦變壓器產品的試驗數據已經證明。

4 結論

根據我公司500kV單相自耦變壓器產品出現的問題及消磁線圈在特高壓自耦變產品中的應用成果，我們對變壓器因出頭布置而產生的損耗和噪音問題有了一定的認識。目前得出的主要結論為：

（1）半匝線穿窗電流問題一般在采用單柱套線圈結構時容易發生，且線圈電流越大，電流穿窗的影響越嚴重。

（2）對多柱套線圈的結構，且在各柱間有連成環行回路的線圈，也就是有平衡電流回路時，電流穿窗問題的影響較小。

（3）在今后的大容量產品設計中，原則上規定盡可能使同一個線圈的出頭在鐵心同一側。特別要注意大電流線圈的出頭布置。

（4）三相一體的變壓器如果三相線圈組的線圈出頭位置均一致，即便存在穿窗電流的問題，但穿窗電流引起的磁通因為相位角的因素可以在鐵軛中相互抵消，因此三相變壓器的線圈首尾端出頭可以不在一側，但三相必須在同一側。

（5）如果受結構限制，同一線圈出頭不能在一側引出，可以采取以下兩個措施：1）將一側出頭用引線從鐵心窗內連接至另一側后，再與套管或開關連接；2）在鐵軛上增加消磁線圈，構成平衡電流回路，以抵消鐵軛中的附加磁通。

張曉陽（1974-8），男，山東濟南人，本科，主要從事：超高壓電力變壓器的設計與研發工作。