基于一起主變壓器跳閘事件的變壓器消磁技術探討

李仲彬

【摘 ?要】基于某公司某110kV變電站主變壓器高壓試驗結束后，用主變高壓側102斷路器對主變空充失敗的案例，分析大容量變壓器因直流電阻試驗導致變壓器鐵芯內剩磁產生的原因、特點及危害，重點探討現有的變壓器鐵芯消磁技術和消磁方法，并在現有的技術理論基礎上提出一種基于變壓器勵磁測量的消磁技術。

【關鍵詞】變壓器;跳閘;鐵芯剩磁;消磁

某110kV變電站110kV2號主變在預試定檢工作結束投運過程中，在主變高壓側102斷路器對2號主變進行充電時，發生110kV2號主變差動保護動作跳閘，經分析當主變空載合閘時，主變高壓側出現幅值很大的勵磁涌流，因保護未躲過勵磁涌流而動作跳閘。

一、跳閘概況

該變電站110kV2號主變型號為：SFZ11-40000/110。充電方式：通過110kVⅡ母線上的102斷路器對110kV2號主變進行充電，2號主變投入差動保護、三側復壓過流保護及瓦斯保護，充電時主變差動保護、三側復壓過流保護動作，跳開102斷路器。通過跳閘錄波文件分析，故障電流為類似正弦波，故障電流呈現出尖頂波，電流較正常狀態下波形偏向時間軸一側，故障電流有明顯的間斷角，可判斷為勵磁涌流。

二、跳閘原因分析

根據《1000kV交流電氣設備預防性試驗規程》（GB/Z 24846-2009）要求，直流電阻試驗為主變的例行試驗項目，由于鐵磁材料的磁滯特性，直流電阻試驗將在主變壓器鐵芯中產生剩磁，且主變壓器磁阻較小，尤其是三相五柱式變壓器，在直流電阻試驗時所加的試驗電流較大、時間較長，容易導致主變鐵芯剩磁較大，而主變剩磁過大會加速鐵芯飽和，導致主變充電時合閘勵磁涌流過大，引起110kV2號主變差動保護誤動作跳閘。

三、變壓器剩磁產生原理及特點

變壓器鐵芯是由低損耗硅鋼片疊裝制成，工頻電流產生的磁場將鐵芯磁化到飽和狀態后，再逐漸減小到零時，鐵芯內所保留的磁感應強度稱為剩磁。在進行變壓器直流電阻試驗時，在繞組上通過含有直流分量的電流產生與直流分量成正比的磁勢，鐵芯材料中的小磁極在此磁勢作用下形成有序排列，是一種電能轉化為磁能的磁滯損耗。

如圖2所示，變壓器鐵芯在線圈未通直流電時，磁場強度H為零，磁感應強度B也為零，即H=B=0。當直流電源通入線圈后，鐵芯開始勵磁，B隨著H的增大而增大。當H=Hs時，B趨于飽和，形成勵磁曲線0abc，記此時的磁感應強度為Bs。斷開直流電源，鐵芯勵磁電流消失，B隨著H的減小而減小，但是B偏離原來的磁化曲線，其變化落后于H。當H減小至零時，H并不為零，而等于剩余磁感應強度Br。為使B=0，需要另加一個反向磁場-Hcm，稱為矯頑力。反向磁場增大到-Hs時，鐵芯的磁感應強度B沿反方向趨于飽和-B s，反向磁場減小并再反向時，按相似的規律得到另一支偏離反向的磁化曲線fegbc，于是封閉曲線cbdef-fegbc稱為鐵芯的磁滯回線。上述可知，變壓器直流電阻試驗中未縮短時間和提高測量精度，通常采用較大電流測試方法，從而導致變壓器的剩磁量增大。

四、變壓器剩磁危害

變壓器直流電阻試驗后，鐵芯中有較多剩磁，通過直流電阻試驗儀器上的消磁功能不能有效實現鐵芯消磁，其危害主要變現在以下方面：容易造成變壓器空充時勵磁涌流過大導致繼保裝置誤動，使變壓器的投運不成功;若是勵磁涌流數值很大，容易造成變壓器及斷路器損壞;勵磁涌流中大量的直流分量使 TA 磁路過度磁化，而對測量精度和繼保的正確動作率造成巨大影響;勵磁涌流中諧波分量是電網主要諧波污染源之一。

五、常用變壓器特性消磁技術

根據上述變壓器鐵芯剩磁形成的原理，消除或者削弱剩磁，只需要將鐵芯材料中的小磁極所形成有序排列打亂恢復到原來的紊亂狀態，目前主要的消磁方法有以下幾種：

1.直流消磁法：又稱反向反復沖擊法。在變壓器高壓繞組兩端正向，反向分別通入直流電流，并不斷減小直流電流幅值，以實現縮小變壓器鐵芯的磁滯回環，達到消磁目的，一般情況下沖擊4～6次可以達到消磁的效果。通常選用5A、2A、1A電流值，依次進行反向反復沖擊消磁，每次沖擊時間5至10分鐘，該方法存在耗時長、操作復雜、消磁不徹底等問題。

2.交流消磁法：又稱交流零起升壓消磁法。在變壓器低壓側ab，bc，ca之間同時施加可調的交流電壓，高壓側中性點接地，這種方法的接線類似于變壓器的空載試驗，通過調壓器將電壓升至低壓側額定電壓的30%，保持5min鐘后，將電壓緩慢平穩降至零，重復上述操作3～5次，可以達到降低勵磁涌流的目的。該方法由于需要使用調壓器，設備容量比較大，現場操作不方便。

上述消磁方法為現行主流變壓器消磁技術，但是存在消磁時間長，操作復雜，設備容量大，現場實施困難，試驗效率低下等問題。

六、基于變壓器剩磁測量的消磁技術

變壓器消磁設備應該實現兩部分功能：1.可對變壓器鐵芯剩磁量進行實時監測，通過感測元件、調壓器及相關輸入、輸出回路，實時監測變壓器剩磁量;2.直流消磁功能，實時分析感測元件所接受到剩磁量，由PLC程序控制，在變壓器高壓側施加方向直流脈沖電流，逐步縮小鐵芯磁滯回環，實現消磁目的。具體原理如下：

1.建立變壓器高壓側剩磁量與可檢測電流的關系。為建立變壓器剩磁量與測量回路的關系，在變壓器低壓側加入工頻220v交流電壓，構成監測回路，通過霍爾效應傳感器分析變壓器鐵芯剩磁量與繞組電流數值的關系。圖3為簡化的單相變壓器剩磁驗證等效電路。

2.如圖4所示，在基于單相變壓器鐵芯剩磁等效電路的基礎上，通過在主變低壓裝設霍爾效應傳感器，并配套相應的感測元件，對變壓器剩磁實現實時監測和分析。由PLC程序控制，在變壓器剩磁不滿足技術規范要求時，通過調壓器對主變壓器高壓側施加方向衰減直流電流脈沖，感測元件在每個直流電流脈沖結束后，繼續監測分析變壓器剩磁量，如果剩磁量不滿足要求，程序繼續驅動消磁回路工作，在重復上述過程直至感測元件測量到的變壓器剩磁滿足技術規范要求，則消磁結束。

七、結論

本文通過一起110kV主變勵磁涌流跳閘事件，分析變壓器鐵芯剩磁產生的原因及特點，根據現有變壓器鐵芯消磁技術，提出一種通過基于變壓器剩磁測量的消磁技術，該技術作為變壓器消磁的一種新方法與現有變壓器消磁技術相比，具有監測時間短、檢測成本低、消磁時間短、流程簡單、能夠實時監測等優勢。

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（作者單位：云南電網有限責任公司德宏供電局）