變壓器剩磁對繞組變形試驗的影響

豆占良，張立功，張俊珍

(神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京100025)

變壓器剩磁對繞組變形試驗的影響

豆占良，張立功，張俊珍

(神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京100025)

隨著變壓器遭受短路沖擊的次數增多，繞組變形試驗在變壓器狀態監測及評估中變得越來越重要。為提高變壓器繞組變形試驗結果的準確性，詳細闡述了剩磁是如何對繞組變形試驗產生影響的。從變壓器結構和電感參數測量的角度出發，分析了剩磁與勵磁電感之間的關系。基于對低電壓短路阻抗法原理的深入研究，分析了剩磁是怎樣破壞準確測量低電壓短路阻抗的前提條件。通過重新審視頻率響應分析法的基本原理，分析了在剩磁存在時變壓器繞組幅頻特性測試結果的變化情況?，F場試驗結果證明了理論分析的正確性。為確保繞組變形試驗的可靠性，試驗開始前須采取必要的消磁措施。

變壓器；剩磁；繞組變形試驗；低電壓短路阻抗法；頻率響應分析法

0 引言

近年來，隨著電網的容量不斷增大，變壓器遭受短路電流沖擊而出現的損壞現象頻繁出現，其中繞組發生變形和位移的情況較常見[1]。為確定變壓器繞組是否出現變形，現場使用最多的檢測方法是低電壓短路阻抗法和頻率響應分析法。鑒于兩種試驗方法在繞組變形檢測中的實用性，國家能源局在國能安全[2014]161號文《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》中，明確指出變壓器在遭受近區突發短路后，應做繞組頻率響應測試或低電壓短路阻抗試驗，并與原始數據比較，判斷無異常后，方可投運[2]。

現場試驗情況顯示，變壓器剩磁會對繞組變形試驗的準確性產生影響，從而增加了工作人員誤判的可能性，但是這種現象未引起試驗人員的重視，這不利于繞組變形試驗的應用。因此，從變壓器結構和電感參數測量的角度出發，重新審視低電壓短路阻抗試驗和繞組頻率響應測試的特點，分析清楚剩磁是如何影響繞組變形試驗的結果，具有重要的現實意義。

1 變壓器結構和電感參數測量

1.1 變壓器結構

(1)變壓器利用電磁感應的原理制作而成[3]。以單相雙繞組變壓器為例，兩個互相絕緣的繞組套在共同的鐵芯上，如圖1所示。

圖1 變壓器結構圖

Lm=Φm/ I0

(1)

Ls1=Φs1/ I1

(2)

Ls2=Φs2/ I2

(3)

由于主磁通和漏磁通走的路徑不同，使得勵磁電感和漏電感的特征存在差異[4]。主磁通的路徑為鐵芯，磁導率大，且磁導率隨著磁路的飽和而減小，所以勵磁電感值很大，且隨著主磁通的增大，勵磁電感呈減小趨勢。而漏磁通的路徑主要為非鐵磁材料，磁導率小且為常數，故漏電感偏小，且可以看作常數。

將變壓器二次側的參數折算到一次側，可得到變壓器的T形等效電路，如圖2所示。

圖2 變壓器T形等效電路

1.2 變壓器電感參數測量

理論上，根據電感的定義式(4)，若要計算電感值L，則應測量流過電感元件的電流i和磁通量φ。但直接測量變壓器的各磁通量是比較麻煩的。

L=φ/i

(4)

根據電感元件的特性，電感元件的電阻可忽略，其流過電流i與其兩端電壓u之間的關系如式(5)。當i和u均為正弦量時，用有效值的形式可得到關系式(6)。

u=Ldi/dt

(5)

(6)

在測量變壓器各電感量的實際操作中，一般先測量變壓器各等效電感元件的電壓有效值和電流有效值，然后根據式(6)，計算出各電感量。在變壓器的低電壓短路阻抗試驗和繞組頻率響應測試中，模型涉及到的電感參數，即是利用這種測量方式得到。需要指出，這種測量方法準確的前提是電壓和電流均為正弦量。

2 剩磁對電感測量值的影響

2.1 變壓器剩磁

在變化磁場中，變壓器鐵芯所用的鐵磁材料具有磁滯特性[5]，即磁感應強度B的變化滯后于磁場強度H，其磁滯回線如圖3所示。當鐵芯的磁場強度H降為0時，其磁感應強度B只能降至Br，Br即為變壓器的剩磁。

圖3 變壓器鐵芯的磁滯回線

在實際生產現場，變壓器停運后出現剩磁的情況很多，例如在對變壓器進行直流電阻測量等操作后，鐵芯就會殘留剩磁，一般試驗電流越大，試驗越久，Br的絕對值越大[6]。

剩磁是鐵磁材料的磁滯特性導致的一種現象，它通過鐵芯構成回路。根據主磁通和漏磁通的路徑可知，剩磁應屬于變壓器主磁通的范疇。同時，如果不采取必要的消磁措施，大型變壓器的剩磁很難在短時間內自行消失[7]。

2.2 剩磁對電感測量值的影響

由2.1可知，剩磁存在于鐵芯中，并不經過非鐵磁材料，所以剩磁只影響變壓器勵磁電感的測量值。鐵芯內的磁通量φ與勵磁電流i0的關系如圖4所示。

圖4 鐵芯磁通量φ與勵磁電流i0的關系曲線

(1)當變壓器不存在剩磁時

圖5 測量勵磁電感的等效電路圖

該回路的電壓方程為：

(7)

求解方程式(7)，可得

φ=-Φmcos(ωt+α+θ)+Φme-Rmt/Lmccosα

(8)

其中，

忽略勵磁電阻Rm，當變壓器狀態穩定后，可得到式(9)和式(10)

(9)

(10)

以上即變壓器無剩磁時勵磁電感參數的測量過程，該測量結果是真正想求的目標值。

(2)當變壓器存在剩磁ΦRES時

(11)

① 假設ΦRES的絕對值較小，鐵芯仍工作在非飽和區，則勵磁電流

(12)

(13)

由公式(6)，我們可以得到勵磁電感的測量值，如式(14)

(14)

② 假設ΦRES的絕對值較大，以至于鐵芯工作在飽和區。由磁通量φ與勵磁電流i0的關系曲線可知，勵磁電流將激增，造成勵磁電感測量值減小得更加嚴重，最終導致測量結果與目標值相差更遠。

3 低電壓短路阻抗法

3.1 基本原理

變壓器的漏電感可看作變壓器內部繞組與油箱之間以及繞組與繞組之間的非磁性材料空間內磁動勢形成漏磁通的反映。當繞組發生變形或位移時，漏磁通的磁路將發生變化，這將靈敏地導致漏電感數值變化[10]。

圖6 低電壓短路阻抗法等效電路圖

理論上，試驗電流在0到額定電流的范圍內變化時，變壓器漏電感可以看作是不變的，所以現場的試驗電源使用標稱為380/220 V、50 Hz的交流電源即可。

3.2 剩磁的影響

由3.1可知，整個低電壓短路阻抗測試過程中隱含著一個前提條件，即勵磁阻抗遠大于漏阻抗。這在變壓器鐵芯沒有剩磁的情況下，肯定是成立的。但是如果鐵芯內殘留剩磁，由2.2的分析可知，勵磁阻抗會明顯減小，所以前提條件就不一定成立。

有一點須指出，《DL/T1093-2008電力變壓器繞組變形的低電壓電抗法檢測判斷導則》中規定的判斷標準比較嚴格，例如“縱向比較時，容量100 MVA以上或電壓220 kV及以上的電力變壓器繞組參數相對變化不應大于±1.6%”[8]。在這樣嚴格的標準下，剩磁就更容易產生不利影響。例如，只要剩磁造成勵磁阻抗減小的程度可以使短路阻抗測量值的縱向變化超過±1.6%，剩磁的影響就不能忽略，因為這時有可能造成工作人員誤判。

以河北某電廠220 kV三相變壓器組的A相單相變為例。該變壓器的阻抗電壓uk%=15.05%，空載電流I0%=0.2%。在標幺值形式下，可知：

(15)

假設在本例中僅考慮縱向比較的標準，即當測量值與出廠值相比，變化量超過±1.6%時，剩磁對于低電壓短路阻抗法的影響將不能忽略。此時可得式(16)。

(16)

研究表明，在剩磁影響下，變壓器空載合閘時勵磁涌流的值可達6～8倍額定電流[11-12]。從這個角度看，變壓器空載合閘時，剩磁的存在可以使z1+zm減至0.125～0.167，即可使勵磁阻抗測量值降低到(0.66～1.21)z1。當然，低電壓短路阻抗測試的電壓比空載合閘時小很多，鐵芯的飽和程度比空載合閘時低很多，所以勵磁阻抗不會降到(0.66～1.21)z1如此低。但是當剩磁很大時，勵磁阻抗降到低于30z1的可能性是不能忽視的。

可見，在實施低電壓短路阻抗測試之前，最好對變壓器鐵芯進行消磁，以消除剩磁產生的誤差。

4 頻率響應分析法

4.1 基本原理

在頻率較高時，變壓器鐵芯的磁化特性會變為線性，其磁導率與空氣差不多，其繞組可等效成一個由分布參數構成的兩端口線性無源網絡[13]，忽略電阻分量后，其等效電路如圖7所示。該兩端口網絡的內部特性可利用傳遞函數H(jω)來反應。當變壓器發生變形或位移后，變壓器繞組的分布電感、分布電容等參數肯定會發生變化，這些變化進一步會導致傳遞函數H(jω)的幅頻特性發生改變[14-15]。

圖7 高頻下變壓器繞組等效電路

4.2 剩磁的影響

根據磁通路徑不同，高頻下變壓器繞組的分布電感dL仍可等效成勵磁電感dLm和漏電感dLs的串聯組合，勵磁電感dLm與通過鐵芯構成回路的磁通相對應，漏電感dLs與另一部分磁通相對應。

雖然高頻下鐵芯磁化特性變為線性，磁導率也下降至很小。但由2.2的分析可知，剩磁的存在仍會導致勵磁電感dLm的減小。由式(14)可知，在理論上，頻率越高，剩磁量越大，造成的勵磁電感dLm誤差就越大。該誤差最終會導致變壓器繞組幅頻特性的測量值與真實值之間出現偏差，從而影響頻率響應分析法在繞組變形檢測中的應用效果。

由前述可知，剩磁是通過影響勵磁電感的測量結果，來影響兩種繞組變形試驗的準確性。由于勵磁電感在兩種試驗等效電路圖中的位置不同，導致剩磁對兩種試驗的影響方式有所不同。在低電壓短路阻抗測試中，只有勵磁電感測量值降得特別小，剩磁的影響才會比較明顯。但在繞組頻率響應試驗中，只要勵磁電感測量值稍有變化，繞組網絡的分布電感就會隨之改變，剩磁的影響也就會被體現出來。所以，為保證頻率響應分析法的可靠性，應盡量在變壓器鐵芯消磁之后開展試驗。

5 實例驗證

利用河北某電廠2號機組大修的機會，對500 kV主變B、C相單相變進行了繞組頻率響應測試和低電壓短路阻抗試驗。自投運以來，該主變運行正常，從未遭受近區短路電流等沖擊。為了驗證剩磁的影響，這兩個試驗被安排在直流電阻測量等常規性試驗之后開展，因為直流電阻測量等操作會導致變壓器鐵芯殘留剩磁[16]。

(1)鐵芯消磁前

圖8 消磁前B、C相單相變繞組頻率響應曲線

在直流電流測量等操作后，未采取任何消磁措施，馬上開展繞組變形試驗，繞組頻率響應試驗的結果如圖8所示，低電壓短路阻抗測試的數據如表1所示。由圖8可看出，兩個單相變的高壓側及低壓側繞組幅頻特性曲線均出現重合度不高的現象，尤其是高壓側，橫向比較的結果顯示變壓器高低壓側均存在不同程度的繞組變形。同時短路阻抗的測試數據與兩個單相變的出廠值比較，也出現超標的現象。

表1 消磁前B、C相單相變低電壓短路阻抗測試結果 %

(2)鐵芯消磁后

利用電科院專門的變壓器消磁設備對B、C相單相變進行充分消磁，確保變壓器鐵芯無剩磁后，重新對其進行繞組變形試驗。消磁后的繞組頻率響應試驗結果如圖9所示，消磁后的低電壓短路阻抗測試數據如表2所示。由圖9可看出，消磁后兩個單相變的高壓側及低壓側繞組幅頻特性曲線均變得高度重合，未見繞組變形的跡象。由表2可知，消磁后短路阻抗的測量值增加，這與3.2的理論分析相符，同時消磁后短路阻抗的測量值與變壓器的出廠值之間偏差明顯減小，完全符合規程的標準。

圖9 消磁后B、C相單相變繞組頻率響應曲線

表2 消磁后B、C相單相變低電壓短路阻抗測試結果 %

從消磁前后試驗結果的對比情況中，可以看出，剩磁會對繞組頻率響應測試和低電壓短路阻抗試驗產生很大影響，在工程實踐中應引起高度重視。

6 結論

變壓器鐵芯的剩磁會導致勵磁電感測量值比目標值有所減小，從而直接造成變壓器短路阻抗值偏小，同時高頻下繞組分布電感下降。這將從源頭上增加低電壓短路阻抗測試和繞組頻率響應試驗的誤差，而且剩磁量越大，誤差就越大，給現場工作人員造成的混淆也越大。

由于實際現場中變壓器出現剩磁的情況很普遍，所以，為了更好地發揮低電壓短路阻抗法和頻率響應法在繞組變形檢測中的作用，必須高度重視繞組變形試驗前變壓器的消磁工作。

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Research for Influence of Residual Flux on Transformer Winding Deformation Test

DOU Zhanliang,ZHANG Ligong,ZHANG Junzhen

(Shenhua Guohua (Beijing) Electric Power Research Institute Co.Ltd.,Beijing 100025,China)

With the increase of the number of short circuit shocks,the transformer winding deformation test becomes more and more important in the monitoring and evaluation of the transformer condition.In order to improve the accuracy of test results，the influence of the residual flux on the transformer winding deformation test is elaborated in detail.From the perspective of the transformer structure and parameters,the relationship between residual magnetism and excitation inductance is analyzed.Based on the deep research on the principle of low voltage short circuit impedance method,this paper analyzes the premise condition of the way residual flux destroys the accurate measure of the short-circuit impedance.By re-examining the basic principle of frequency response analysis method,the change of test results of transformer winding amplitude-frequency characteristics is analyzed as well.The field test results verified the theoretical analysis.In order to ensure the reliability of winding deformation test,we should take the necessary degaussing-measures before the start of test.

transformer; residual flux; winding deformation test; low-voltage short-circuit impedance method; frequency response analysis method

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.01.010

2016-10-08。

TM406

1672-0792(2017)01-0054-07

豆占良(1987-)，男，中級工程師，研究方向為電力系統變配電設備研究。