基于頻響法的電力變壓器剩磁檢測技術研究

(1.國網四川省電力公司，四川 成都 610041；2.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；3.武漢大學電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072；4.重慶大學電氣工程學院，重慶 400044)

0 引 言

隨著中國電力系統特高壓交直流互聯大電網的迅速發展，大容量勵磁電力設備的應用日益增多，高幅值的勵磁涌流對電氣設備保護運行的可靠性和快速性提出了較高的要求[1-2]。在電力變壓器進行電壓比、直流電阻測量及空載試驗等操作后，由于變壓器鐵芯磁疇磁滯特性，使鐵芯上存在大量的剩磁。當合閘變壓器充電時，鐵芯中的剩磁與合閘初始磁通疊加使電力變壓器鐵芯迅速飽和，導致電力變壓器勵磁電流產生大量的諧波，造成波形畸變嚴重[3]。變壓器鐵芯剩磁極有可能造成變壓器勵磁涌流，勵磁涌流的幅值可達變壓器額定運行電流的幾倍甚至幾十倍，導致變壓器差動保護誤動作和長時間的諧波電壓，使變電站設備的穩定運行面臨嚴峻的考驗[4]。

幅值較高的勵磁涌流，在鐵芯、繞組和金屬結構件中增加有功損耗，使鐵芯、繞組和金屬結構件溫度升高，同時鐵芯的高度飽和使漏磁增加，引起變壓器局部過熱，造成絕緣紙老化，從而降低絕緣紙的絕緣性能，給變壓器帶來潛在性缺陷，數次積累可造成變壓器的永久性損害。勵磁涌流中的諧波會導致電力變壓器內的雜散損耗增加，引起發電機和電容濾波器組中繼電器不正確跳閘。此外，大量諧波對電網電能質量造成嚴重的污染。剩磁會誘發低電壓和過電壓，在長距離弱聯系電網中，剩磁會造成局部電壓過低，還可能使系統諧波震蕩，在系統遠端造成電壓過高，嚴重威脅電網設備的安全穩定運行。剩磁還會誘發變壓器的差動保護、輕重瓦斯保護等誤動作，造成變壓器的投運失敗[5-6]。

綜上所述，電力變壓器剩磁在一定條件下嚴重影響電網安全穩定運行，為解決電力變壓器剩磁的影響，需要掌握電力變壓器剩磁的產生機理，研究剩磁檢測方法，掌握電力變壓器剩磁的實時狀態，從而制定消除剩磁對電網影響相關措施。

1 變壓器剩磁的檢測方法

國內外學者針對鐵磁原件的剩磁檢測、剩磁測量及去磁方法開展了相應的研究。武漢大學陳文臣[7]等利用勵磁涌流含有很大的非周期分量、含有大量的偶次諧波且以二次諧波為主這一特點，對勵磁電流進行FFT分解，得到其各次諧波含量的分布圖，通過二次諧波的含量來判斷是否含有剩磁。劉勇等[8]在變壓器的中性點及高壓側施加正負極性的直流電壓，通過對加壓時間及電流波形的比較，來判斷變壓器是否含有剩磁。河北電科院張建軍等[9]通過施加電壓，獲得變壓器的上升及下降電流曲線，基于最小二乘法判斷是否含有剩磁。

關于鐵芯剩磁的測量，實際工程中，鐵芯剩磁的測量技術在國內外目前還沒有較為明確且成熟的方法，鐵芯剩磁的測量方法主要有[10-14]：

1)經驗估磁法：一般認為變壓器在實驗或運行結束后鐵芯中剩磁范圍為20%～80%飽和磁通值。在1984 年國際大電網會議(international council on large electric systems) 的調查中，500臺電力變壓器中僅一臺變壓器的最大剩磁值超過這一范圍。

2)基于鐵芯磁化模型的剩磁計算方法：結合變壓器鐵芯磁滯回線數學模型，考慮磁化過程中的磁滯效應，推導了鐵芯剩磁的計算公式。

3)電壓積分法：基于電磁感應定律，通過記錄變壓器分閘時線圈中電壓波形，對電壓積分求取鐵芯磁通。

4)基于勵磁涌流的剩磁測量方法：通過測量變壓器鐵芯中剩磁存在時勵磁電流瞬時的變化(即勵磁涌流)，對比不同剩磁值時勵磁涌流的差異，從而來判斷剩磁的方向和大小。

5)基于變壓器漏磁的剩磁測量方法：利用磁通門傳感器測量變壓器漏磁，通過建立變壓器漏磁和鐵芯剩磁的傳遞函數，測量變壓器鐵芯剩磁。

變壓器產生剩磁時，需采用一定的方法消除剩磁，以避免剩磁對設備帶來不利影響。關于變壓器鐵芯的去磁方法，目前主要有交流去磁法和直流去磁法。

1)交流去磁法：通常在變壓器低壓側加壓，高壓側空載，高低壓中性點均接地，輪流在低壓側三相加壓，低壓側的非加壓相空載，電壓升高至額定電壓的1.1倍，按每10 s 0.1倍額定電壓的速度逐漸將電壓降低為0。

2)直流去磁法：對變壓器繞組施加直流電流并不斷變換極性。直流消磁法分為等幅變頻法、等頻降幅法兩種。等幅變頻法是指采用恒定幅值電壓的恒壓源，逐漸提高正負交替頻率來實現變壓器剩磁的消除；等頻降幅法是指采用同一個正負電壓交替頻率，逐漸將電壓幅值降低來實現變壓器剩磁的消除。針對變壓器三相剩磁的消除，直流消磁法因為可以把初始磁通調整到三相都達到較高的飽和點，三相剩磁的消磁只需要在變壓器中間相施加直流交替電壓，就可以完成變壓器三相剩磁的同時消除[15]。

下面對變壓器開展去磁試驗，基于繞組的頻率響應研究其剩磁檢測方法。

2 試驗變壓器去磁試驗

利用直流去磁法，在變壓器斷口施加直流電流，對110 kV試驗變壓器進行去磁試驗。

試驗對象為110 kV油浸式試驗變壓器，原邊額定電壓為200 V，副邊額定電壓為110 kV。去磁試驗前，對變壓器施加工頻電壓，以此來產生剩磁，確保變壓器含有剩磁。

去磁設備為TD-6910變壓器消磁及驗證裝置，可采用手動去磁及自動去磁兩種模式，消磁電流可設置為1 A、5 A、10 A的直流電流。去磁裝置可接在變壓器高壓側或低壓側，在消磁過程中，直流電流正負極性交替變化，電流幅值等時間間隔衰減直至電流為0，消磁完成。在消磁前后，可對變壓器施加220 V工頻電壓，利用羅氏線圈測得其在消磁前后的空載電流，通過比較空載電流的大小，即可判斷變壓器是否完成消磁。

試驗對象的高壓繞組經測試電阻達250 kΩ，若將測試電流施加在其高壓端，由于其阻抗過大使測試電流不能正常施加而無法完成去磁試驗。低壓繞組電阻測試值為0.1 Ω。因此，將去磁電流從低壓端輸入，選取電流為10 A，試驗布置見圖1。

圖1 試驗布置

去磁試驗后，從試驗結果報表可以發現在去磁過程中，去磁電流從10 A開始逐漸減小，直至減小至0完成去磁，在去磁前后，空載電流明顯減小。

3 剩磁對變壓器頻率響應特性的影響分析

首先利用直流發生器對5 kV雙繞組干式變壓器進行充磁，然后對充磁變壓器進行掃頻試驗，并對有剩磁及沒有剩磁狀態下的幅頻特性進行比較。

3.1 試驗方法

試驗對象為DG-10雙繞組干式變壓器，原邊額定電壓為220 V，副邊額定電壓為5 kV，額定容量為10 kVA。

直流發生器為MS-115D，最大輸出電壓為30 V，最大輸出電流為5 A。利用直流發生器輸出不同幅值的直流電流至變壓器，直流電流的幅值逐漸增加使變壓器產生不同的剩磁量，每個幅值的電流施加時間為30 s。直流發生器的最大輸出電流為5 A。為了在電流逐漸增大的過程中，使變壓器產生足夠的剩磁并達到飽和，考慮變壓器原邊及副邊的變比，將直流電流從變壓器的副邊輸入，當副邊電流較小時，也能在原邊產生一個很大的勵磁電流。

在變壓器無剩磁狀態及不同幅值的直流電流輸入后，均對變壓器進行掃頻試驗。掃頻設備為HR-2000數字頻響分析儀。該設備產生一個幅值為3.5 V的掃頻信號從變壓器的高壓側輸入，在變壓器的低壓側對輸出信號進行采集。輸入及輸出信號通過采集設備由數字頻響儀利用數據傳輸線傳至電腦端，即可得到變壓器的幅頻響應特性曲線，試驗的掃頻范圍為10 Hz～10 MHz。掃頻試驗接線示意圖見圖2。

圖2 掃頻試驗接線

3.2 試驗結果分析

掃頻試驗結果見圖3，圖中除明確指出“無剩磁”的曲線為不含剩磁狀態下變壓器的幅頻響應特性曲線外，其他均為變壓器含有剩磁的曲線。利用直流發生器產生剩磁時，助磁電流不同，則在變壓器上產生的剩磁含量不同，相應的掃頻曲線也會存在一定的差異。通過對圖3觀察可知，隨著掃頻頻率變化，變壓的輸出幅值發生了變化，在掃頻范圍內上下波動，最大幅值的絕對值約為52 dB，最小幅值的絕對值約為2 dB。進一步可以發現，當掃頻頻率為10 Hz～1000 kHz時，變壓器是否含有剩磁以及剩磁含量是否不同，均未對幅頻響應特性產生影響，幾種工況下在這一頻率范圍內的幅頻響應曲線重合。

而當頻率大于1000 kHz時，可以發現，各工況下的幅頻響應曲線開始出現了偏移，并在一定的頻率范圍內呈現出一定的規律性。圖4為1000～2000 kHz各工況下的幅頻響應曲線。曲線1為變壓器不含剩磁的幅頻響應特性曲線，曲線2—曲線5為變壓器不同剩磁含量的幅頻響應特性。觀察可知，在這一頻率范圍內，若變壓器存在剩磁，則輸出的幅值會發生變化，且隨著剩磁含量的增加，輸出幅值的絕對值逐漸減小。當掃頻范圍為4000～4200 kHz時，在這一頻率范圍內，隨著剩磁含量的增加，輸出幅值的極值逐漸增大，見圖5。

圖3 掃頻試驗結果

圖4 1000～2000 kHz實驗結果

當頻率較高時，變壓器繞組的高低壓端可視為分布電容、電感、電阻構成的線性無源雙端口網絡，這個雙端口網絡的傳遞函數與網絡內部狀態密切相關。當剩磁存在于變壓器鐵芯時，高頻電壓在變壓器分布電感參數上積分磁通起點不一樣，所以剩磁會影響變壓器勵磁電感的測量值。當變壓器不含剩磁時，回路電壓方程為

圖5 3700～4500 kHz實驗結果

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

當變壓器含剩磁時：

(6)

(7)

(8)

(9)

綜上所述，由于剩磁的存在，測量到的勵磁電流有效值發生變化，進而導致勵磁電感測量值變化；剩磁越大，測量值的誤差越大。

4 結 語

通過試驗發現，由于剩磁影響了變壓器的電感分布而改變了其傳遞函數，因此基于變壓繞組的頻率響應，通過對一定掃頻范圍的頻率響應進行對比，能準確地判斷出變壓器是否含有剩磁及剩磁含量的大小。進一步的研究可以通過大量試驗，建立變壓器剩磁含量與一定頻率范圍內幅頻響應的準確關系。