油油套管變壓器鐵心剩磁檢測與勵磁涌流評估決策研究

朱旭亮 何金 胡振彬 王偉

摘 要：本文介紹了油油套管出線變壓器鐵心剩磁檢測原理和接線方式，以一臺110kV變壓器為應用案例，評估了消磁前后變壓器勵磁涌流水平，驗證了剩磁檢測與消磁方法的有效性。

關鍵詞：油油套管;變壓器;剩磁;勵磁涌流

中圖分類號：TM406 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）14-0069-03

Core Remaining Magnetization Detection and Inrush Current

Evaluation of Oil Casing Transformer

ZHU Xuliang1 HE Jin1 HU Zhenbin2 WANG Wei1

（1.State Grid Tianjin Electric Power Company Electric Power Research Institute，Tianjin 300384;2.State Grid Shandong Electric Power Company Licheng District Power Supply Company of Jinan City，Jinan Shandong 250100）

Abstract： This paper introduced the principle and wiring method of residual magnetism detection for core of oil bushing outlet transformer. Taking a 110kV transformer as an application case， the inrush current level of transformer before and after demagnetization was evaluated， and the effectiveness of residual magnetism detection and demagnetization method was verified.

Keywords： oil casing;transformer;remaining magnetism;inrush current

變壓器在停電進行直流電阻等試驗后，會在鐵心中產生剩磁[1]。變壓器空載合閘時，如果鐵心中存在剩磁，會導致鐵心快速飽和并產生勵磁涌流，峰值可達到額定電流的6～8倍[2]，影響電力系統的正常運行。油油套管出線變壓器由于高壓側采用了“油油套管-交聯聚乙烯-GIS”的連接形式[3]，導致鐵心剩磁檢測與消磁試驗難以正常開展。

本文針對油油套管出線變壓器的特殊結構，提出了單相電源的剩磁檢測方法和接線方式，通過評估消磁前后的勵磁涌流水平，驗證該方法的有效性。

1 剩磁檢測原理

本文采用一種極性變化的直流電壓源來測量變壓器鐵心的剩磁通[4]。檢測過程中，變壓器低壓側開路，高壓側施加正向和負向的直流電壓，使鐵心分別達到正、負飽和點，記錄整個過程流過繞組的勵磁電流和繞組兩端的電壓。繪制鐵心磁通隨磁化電流的變化曲線可得到鐵心的部分飽和磁滯回線，根據得到的磁滯回線來計算鐵心的剩磁水平。變壓器鐵心磁滯回線如圖1所示。

圖中，[Φs]為飽和磁通;[Φr]為剩余磁通;[is]為飽和電流。[Φ1]為a、b點磁通變化量;[Φ2]為c、d點磁通變化量。由磁滯回線的對稱性可知，磁滯回線上的正、負飽和點的磁通數值應該相等，因此c點應為磁通零點。

飽和磁通為：

[Φs=Φ1+Φ22] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

剩余磁通量為：

[Φr=Φ1+Φ22-Φ1] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（創新驅動）2019年第14期_103928＼Image＼HENFXAMT43%]4J{`WR%GK$M.png>[Φ1][Φ2][Φs][Φr][Φ（t）][a][c

][O

][d

][is

][im（t）

][b

]

圖1 變壓器鐵心磁滯回線

剩磁系數為：

[Kr=ΦrΦs×100%=Φ2-Φ1Φ2+Φ1×100%] ? ? ? （3）

2 接線方式

若變壓器高壓繞組采用油油套管出線，則選擇該側出線上適宜的接地開關作為測試點。閉合該接地開關，拆除測試點的接地連接，從測試點施加電壓并進行測量。同時，中壓側（如有）和低壓側開路。

由于在測試點處無法連接到變壓器中性點，故將變壓器作為三相星型無中性點變壓器（Y型）進行試驗。因變壓器鐵心結構分為三相三柱和三相五柱兩種形式，故接線方式也有所不同。

2.1 三相三柱式

三相三柱式鐵心結構變壓器分兩步進行剩磁檢測和消磁。

第一步：施加單相消磁電源于B、C端，可實現B、C柱鐵心剩磁檢測與消磁。

第二步：施加單相消磁電源于A、B端，可實現A、B柱鐵心剩磁檢測與消磁。由于A、B柱上均有消磁繞組，已消磁的C柱磁通不會變化。這樣A、B、C柱消磁完成，變壓器被整體消磁。三相三柱式接線方式如圖2所示。

2.2 三相五柱式

三相五柱式鐵心結構變壓器分兩步進行剩磁檢測和消磁。

第一步：如圖3（a）所示，將變壓器A相和中性點O的端部分別接地、等效為短路AO，則A柱鐵心磁通等效開路，變壓器等效為單相模型。施加單相消磁電源于BC端，即可實現B柱、C柱、旁軛1、旁軛2的剩磁檢測與消磁。

第二步：如圖3（b）所示，打開變壓器A相端部接地，將變壓器C相端部接地、等效為短路CO，則C柱鐵心磁通等效開路，變壓器等效為單相模型。施加單相消磁電源于AB端，即可實現B柱、A柱、旁軛1、旁軛2的剩磁檢測與消磁。第一步中已完成消磁的C柱，此時CO短路，磁通保持不變，從而實現變壓器整體消磁。

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（創新驅動）2019年第14期_103928＼Image＼][]KJN_6_$R%RE]S{GSW9E8.png>[單相消磁電源][單相消磁電源][A][B][C][C][B][A][A柱][B柱][C柱][C柱][B柱][A柱]

圖2 三相三柱式接線方式

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（創新驅動）2019年第14期_103928＼Image＼92TMK2P236]OB{D）W@`%）%I.png>[單相消磁電源][單相消磁電源][B][C][C柱][B柱][B柱][C柱][A柱][A][B][C][0][等效]

（a） 第一步接線方式

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（創新驅動）2019年第14期_103928＼Image＼6G272EHAOTXT）（5[[IJB`]7.png>[單相消磁電源][單相消磁電源][A][B][C][0][A][B][B柱][A柱][等效][A柱][B柱][C柱]

（b） 第二步接線方式

圖3 三相五柱式接線方式

3 勵磁涌流評估

對于單相分體式變壓器，當鐵心磁通[Φt]=0時，勵磁電流[it]≈0。當鐵心磁通飽和時，勵磁電流迅速增大。假設變壓器鐵心飽和時的電感為L，勵磁涌流幅值如下。

當[Φt>Φs]時：

[it]=[-Φmcoswt+α-cosα+Φr-ΦsL] ? ? （4）

當[Φt<-Φs]時：

[it=-Φmcoswt+α-cosα+Φr+ΦsL] ? ? ? ? ? ? ?（5）

由式（4）和式（5）可以看出，變壓器勵磁電流幅值可以進一步分解為周期性分量和非周期性分量。這是因為變壓器處于飽和狀態時，鐵心中存在剩磁，而磁通是不能突變的，因此出現了非周期性的暫態分量。由于電壓是正弦交變的，因而出現了周期性的暫態分量。

三相變壓器空載合閘時，三相繞組都會產生勵磁涌流。但三相變壓器空載合閘時，由于三相的接入初始相位角不同，每相產生的勵磁涌流嚴重程度也不同，且變壓器繞組連接方式及磁路結構也不同，因此，對線電流中勵磁涌流的大小和波形有較大影響。

以最常見的Y/△接線的變壓器為例，當三相變壓器Y側空載合閘時，由于飽和相的勵磁電流流過非飽和相，非飽和相的二次△側必然會感應出電流，從而抵消該電流，該電流是△側的環流[iD]。根據磁勢平衡原理，電流[iD]對非飽和相鐵心柱起去磁作用，對產生勵磁涌流的飽和相卻起助磁作用，稱為“助增效應”。環流會影響Y側涌流，使其出現不一樣的波形特征，如式（6）所示：

[iA=imA+iDiB=imB+iDiC=imC+iD] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

由式（6）可知，變壓器Y側的三相勵磁涌流[iA]、[iB]、[iC]是由各自的鐵心磁化電流[imA]、[imB]、[imC]和環流[iD]構成，三相涌流相互影響。

4 應用案例

某110kV變電站2號主變壓器型號為SZ10-50000/110，聯結組別YNd11，高壓側為油油套管出線方式。停電檢修完成低壓側直流電阻、繞組介質損耗和繞組變形（頻響法和低電壓阻抗法）試驗項目之后，進行了鐵心剩磁檢測與消磁試驗，以驗證停電檢修的油油套管變壓器在例行和診斷性試驗之后的剩磁水平，試驗結果如表1所示。

表1 剩磁檢測與消磁試驗結果

[檢測階段 檢測項目 檢測數值/% 剩磁檢測 初始剩磁系數 AB 36.9 BC 5.1 鐵心消磁 消磁后剩磁系數 AB 0.5 BC 0.7 ]

在變壓器空載合閘相位角為0°、鐵心剩磁方向為正向的假定情況下，計算了2號主變消磁前后高壓A相繞組勵磁涌流幅值和波形，如圖4所示。從圖4可以看出，在此假定情況下，經過鐵心消磁后的空載合閘勵磁涌流幅值下降了約30%。

5 結論

①通過現場測試發現，變壓器在交接試驗或停電例行及診斷性試驗之后，鐵心會存在較高的剩磁水平，經消磁后剩磁水平顯著降低，相應的勵磁涌流幅值也減小到可接受的水平，可有效避免繼電保護誤動作及勵磁涌流對變壓器的沖擊損壞。

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（創新驅動）2019年第14期_103928＼Image＼[D81S978KQ%3JJZPDP_0JYX.png>[高壓繞組電流（A）][3 000

2 000

1 000

0

-1 000][0][0.1][0.2][0.3][0.4][0.5][時間/（s）][消磁前][消磁后]

圖4 消磁前后A相勵磁涌流波形

②在相同合閘相位角的情況下，變壓器空載合閘勵磁涌流隨鐵心剩磁水平的增加而增大。在鐵心零剩磁的情況下，合閘相位角在0°或180°時勵磁涌流幅值達到最大，其值一般不會影響變壓器正常投運和運行。

③直流電阻是影響變壓器鐵心剩磁水平的一個重要因素。由于高電壓、大容量變壓器的直流電阻測試電流大、時間長，因此，其剩磁水平一般高于低電壓小容量的變壓器。此外，由于油油套管變壓器在例行試驗中僅對低壓側進行直流電阻測試，因此，其剩磁水平一般低于常規套管變壓器。

由此，建議對110kV及以上變壓器在停電試驗后、投運之前均開展鐵心消磁工作。對于常規套管變壓器，消磁電壓應加在高壓套管端部;對于油油套管變壓器，應在組合電器接地刀閘的接地連接處施加消磁電壓。

參考文獻：

[1]戈文祺，汪友華，陳學廣.電力變壓器鐵心剩磁的測量與削弱方法[J].電工技術學報，2015（16）：10-16.

[2]李廣瑞.大型變壓器因實驗產生剩磁的影響及消除剩磁的方法[J].神華科技，2014（6）：63-66.

[3]王楠，房志廉，曹建瑞，等.油油套管出線變壓器不拆頭現場試驗分析[J].變壓器，2016（4）：57-64.

[4]劉濤，劉鑫，梁仕斌，等.基于極性變化直流電壓源的鐵磁元件鐵心剩磁通測量方法[J].電工技術學報，2017（13）：137-144.