變壓器剩磁對設(shè)備運行的影響與防范措施

張素梅 閆海寧

【摘 要】本文結(jié)合一起主變跳閘事件，介紹了變壓器剩磁的基本概念，伴隨著直流試驗，變壓器鐵心將會產(chǎn)生剩磁。如果不對剩磁進行處理，可能會對變壓器的繼電保護裝置以及一次設(shè)備帶來諸多不利影響。文章對變壓器剩磁的產(chǎn)生機理以及剩磁對設(shè)備運行的影響進行了分析，并根據(jù)其特點提出了一些防范對策，其中一些已經(jīng)在工程實際中取得了較好的效果。

【關(guān)鍵詞】變壓器;剩磁;試驗

0 引言

按照檢修計劃，在對某變電站主變壓器進行一系列預防性試驗后，該變壓器各項電氣試驗數(shù)據(jù)均符合相關(guān)規(guī)程要求，可以投運。但待運行人員依照調(diào)度指令將該主變投運時發(fā)生變壓器跳閘，根據(jù)錄波器記錄，經(jīng)過分析，初步懷疑引起變壓器跳閘的原因：變壓器在進行直流電阻試驗時，選擇的電流值稍大、環(huán)境溫度較低、預試完畢后不久就進行投運操作，不利于變壓器剩磁的自衰減。當空載充電時，由于剩磁的原因，導致勵磁涌流過大、引發(fā)保護動作。根據(jù)這一特性，初步判斷可能是之前進行直流電阻試驗之后未進行消磁處理，故變壓器投運時由于磁路飽和導致勵磁涌流過大引發(fā)保護動作。結(jié)合本次案例，本文就變壓器剩磁相關(guān)技術(shù)問題進行了探討。在作出上述判斷后，電氣試驗人員立即對變壓器剩磁進行了處理。待調(diào)度發(fā)出指令后，運行人員再次將該主變投運，設(shè)備投運成功。

1 剩磁的產(chǎn)生

1.1 鐵磁元件的電磁特性

圖1 鐵磁材料的磁滯回線

一般來說，處于磁場中的鐵磁元件，其磁感應強度B并不是磁場強度H的單值函數(shù)，而依賴于其所經(jīng)歷的磁狀態(tài)。如圖1所示，對以磁中性狀態(tài)為起始態(tài)，即H=B=0，當磁狀態(tài)沿起始磁化曲線0abc磁化到圖1鐵磁材料的磁滯回線c點附近時，此時磁感應強度B趨于飽和，曲線幾乎與H軸平行，記此時的磁感應強度為Bs，磁場強度為Hs。此后若減小磁場，則從某一磁場（b點）開始，磁感應強度B隨磁場強度H的變化偏離原先的起始磁化曲線，B的變化落后于H。當H減小至零時，B并不為零，而等于剩余磁感應強度Br。為使B減為零，需要另加一個反向磁場-Hcm，稱為矯頑力。反向磁場繼續(xù)增大到-Hs時，鐵磁元件的磁感應強度B沿反方向磁化到趨于飽和-Bs。反向磁場減小并再反向時，按相似的規(guī)律得到另一支偏離反向起始磁化曲線的曲線fegbc。于是，當磁場從Hs變成-Hs，再從-Hs變成Hs時，鐵磁元件的磁狀態(tài)由閉合曲線cbde-fegbc描述。其中bc與ef兩段對應于可逆磁化B為H的單值函數(shù);而bdegb稱為磁化曲線，在此回線上，同一個H可對應于兩個B值。若在小于Hs的±Hm間反復磁化時，則會得到較小的磁滯回線，稱為小磁滯回線或局部磁滯回線，如圖2所示。當變壓器中存在剩磁時可使其產(chǎn)生更大數(shù)值的勵磁涌流，而此時的勵磁電流與無剩磁時的勵磁電流的最大區(qū)別在于勵磁電流中存在較明顯的偶次諧波勵磁電流， 勵磁電流的偶次諧波是存在剩磁的標志。因此可通過對勵磁電流的偶次諧波的測量來判斷是否有剩磁的存在。

圖2 局部磁滯回線

1.2 直流試驗與剩磁

由圖1可見，處于變化磁場中的鐵磁元件，當磁場強度H為0時，其磁感應強度并不為0，而等于Br，通常稱為剩余磁感應強度，簡稱剩磁。變壓器剩磁的產(chǎn)生與對其所進行的直流試驗有很大的關(guān)系。按照規(guī)程要求，變壓器的預試項目必須包含“測量繞組連同套管的直流電阻”，其目的在于：檢查繞組接頭的焊接質(zhì)量和繞組有無匝間短路;電壓分接開關(guān)的各個位置接觸是否良好以及分接開關(guān)實際位置與指示位置是否相符;引出線有無斷裂;多股導線并饒的繞組是否有斷股等情況。在進行直流電阻試驗時，試驗時間越長，試驗電流越大，剩磁量也就越大。剩磁實質(zhì)上是鐵磁材料磁滯損耗的一種表現(xiàn)。磁滯損耗是鐵磁元件吸收電能并轉(zhuǎn)化成磁能的結(jié)果，在交流回路中表現(xiàn)為鐵損。也就是說，磁滯損耗是能量轉(zhuǎn)換所形成的，因此與輸入的功率和時間有關(guān)。即在繞組上輸入的電功率越大，作用時間越長，剩磁量也就越大。這是導致變壓器產(chǎn)生剩磁的根本原因。剩磁的產(chǎn)生是鐵磁材料固有的磁滯現(xiàn)象，電力變壓器繞組直流電阻測試后， 會在鐵心中殘留剩磁。 一般說來， 直流磁化的安匝數(shù)愈大，剩磁愈嚴重。

2 剩磁對設(shè)備運行的影響

正是由于剩磁的存在，導致引言中所述的主變投運不成功。在實際工作中，變壓器剩磁對設(shè)備正常運行的影響也是多方面的。

2.1 對繼電保護裝置的影響

在繼電保護裝置中，剩磁對瓦斯保護和差動保護的影響最大。瓦斯保護動作的機理：變壓器內(nèi)部故障時，在故障點產(chǎn)生有電弧的電路電流，造成油箱內(nèi)局部過熱并使變壓器油分解、產(chǎn)生氣體（瓦斯），進而造成噴油、沖動氣體繼電器，瓦斯保護動作。瓦斯保護分輕重兩種，輕瓦斯保護作用于信號，重瓦斯保護作用于切除變壓器。當變壓器帶有的剩磁量較大時，空載充電將導致勵磁涌流過大，產(chǎn)生較大的電動力，引起主變線圈、器身振動形成油流涌動，致使變壓器內(nèi)部的油液面波動增大，觸發(fā)重瓦斯保護動作。過大的勵磁電流還會導致變壓器輸入電流與輸出電流相差較大，引起變壓器差動保護誤動作。

2.2 對一次設(shè)備的影響

變壓器容量越小，空投時勵磁涌流與其額定電流之比就越大。曾經(jīng)發(fā)生過由于剩磁的原因，導致變電站站用變投運時高壓側(cè)熔絲熔斷的事例。同時，空載充電時形成的沖擊電流會引起繞組間的機械力作用，可能逐漸使其固定物松動、繞組變形，從而形成隱患。

2.3 其它影響

勵磁涌流中含有多種諧波成分及直流分量，使得變壓器成為電網(wǎng)中的諧波源，降低了供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量;同時，諧波中的高次分量對電力系統(tǒng)中的敏感電力電子元器件也會產(chǎn)生較強的破壞作用。

3 防范對策

綜上分析可知，要控制變壓器剩磁，就必須嚴控直流試驗時的電流與試驗時間。但如果剩磁已經(jīng)超出允許范圍，就必須采取措施消除剩磁，或?qū)⑵淇刂频揭欢ǖ姆秶詢?nèi)。當變壓器發(fā)生剩磁影響時，消除剩磁就成為一項必需的工作。 剩磁是變壓器鐵心磁化過程中磁滯損耗的結(jié)果。 鐵心磁化過程就是在外加的磁勢作用下，鐵心材料內(nèi)的小磁極的有序的排列;磁滯損耗是一種能量的損耗。 因此，可以根據(jù)剩磁形成的機理，采取消除剩磁的措施：加一個反向直流磁勢進行退磁，這在理論上是可以的，但控制起來比較困難，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(lián)起來，通電流測量，由于高壓繞組的匝數(shù)遠比低壓繞組匝數(shù)多，借助于高壓繞組的勵磁安匝數(shù)，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。同時提高鐵心的環(huán)境溫度，加速鐵心材料的分子熱運動，有序排列的磁極重新紊亂，達到消磁的目的，但同樣存在控制方面的問題;加一個交流磁勢，消除剩磁，目前這是較好的方法。使根據(jù)剩磁的特點與產(chǎn)生機理，可以采取多種措施。

3.1 直流消磁

直流消磁法又稱反向沖擊法，是在變壓器高壓繞組兩端正向、反向分別通入直流電流，并不斷減小，以縮小鐵心的磁滯回環(huán)，從而達到消除剩磁的目的。

圖3 直流消磁法

據(jù)相關(guān)研究資料表明，一般情況下，反復沖擊4～5次即可以取得較好的效果。

3.2 交流消磁

交流消磁法的具體操作是給變壓器用一個較低電壓等級的電壓充電。這樣可以降低鐵心磁通？覫m的峰值，從而達到減小勵磁電流的目的。在本文引言案例中，電氣試驗人員根據(jù)現(xiàn)場情況，采用了交流消磁法對變壓器的剩磁進行了處理，最終取得了較好的效果。

3.3 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(shù)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(xiàn)讓偏磁與剩磁極性相反，從而消除產(chǎn)生勵磁涌流的根源—磁路飽和，實現(xiàn)對勵磁涌流的抑制。通過控制變壓器空投電源時的電壓合閘相位角，使其不產(chǎn)生偏磁，從而避免空投電源時磁路出現(xiàn)飽和。捕捉不產(chǎn)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(xiàn)，如果動作時間漂移1 mm ，合閘相位角就將產(chǎn)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(jīng)比較精確、穩(wěn)定。

3.4 升鐵心溫度

當鐵心的溫度升高時，會加劇其材料的分子熱運動。原先磁化后趨向磁場排列的原子磁矩受熱騷動作用趨向混亂排列，原子磁矩間相互作用，而無法形成合磁矩，進而達到消磁的目的。

3.5 擇矯頑力小的新型軟磁材料軟磁材料

是指具有低矯頑力和高磁導率的磁性材料，有著易磁化，也易退磁的特性。變壓器鐵芯所用的硅鋼就是軟磁材料的一種。隨著技術(shù)的進步，有著更小矯頑力的非晶合金材料也開始應用于變壓器制造領(lǐng)域。非晶變壓器有著極佳的磁滯特性，變壓器的剩磁現(xiàn)象無疑將會大大改善。

3.6 動保護設(shè)置二次諧波交叉制動功能

設(shè)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(shè)置來實現(xiàn)。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(lián)系外，磁路相互聯(lián)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(shù)值，閉鎖各相差動保護。

4 結(jié)語

變壓器試驗或運行中出現(xiàn)的一些異常現(xiàn)象，其中有很大比例都與鐵心中的剩磁有很大關(guān)系。了解變壓器剩磁的產(chǎn)生機理、剩磁對設(shè)備運行的影響以及相關(guān)的防范措施，無疑將對保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運行起到很大的幫助作用。

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[責任編輯：楊玉潔]