變壓器低頻短路加熱干燥法鐵心飽和問題研究

張曉東，姜秉梁，曲 通，馬云飛

(1.國網冀北電力有限公司技能培訓中心，河北 保定 071003;2.沈陽中科瑞達科技有限公司，遼寧 沈陽 110000)

大型變壓器現場安裝過程中，防止受潮是最關鍵的環節。目前現場干燥處理的方法為濾油機熱油循環法[1-3]，處理時間長、效率低，尤其在環境溫度較低時，無法加熱到工藝要求溫度，從而難以達到理想的干燥效果。

變壓器低頻短路加熱干燥法是在傳統工頻短路法的基礎上發展起來的一種絕緣干燥方法，采用低頻短路加熱法進行變壓器絕緣加熱處理，可以明顯減小所需電源容量，降低施壓端所加電壓，并無需專門無功補償裝置，克服了工頻條件下短路加熱存在的主要問題[4-7]。

施加在變壓器繞組電源頻率越低，電源功率因數越高，設備體積越小，試驗越經濟。但低頻下變壓器鐵芯很容易飽和，當鐵芯飽和時變壓器鐵芯將過熱，導致硅鋼片間絕緣損壞，甚至造成鐵芯融化等嚴重故障[8]。因此低頻短路方式下，研究影響變壓器鐵芯飽和的關鍵因素、厘清各因素與變壓器鐵芯飽和之間的關系，有利于變壓器低頻加熱技術的進一步發展與完善。

文獻[9-10]探討了變壓器加熱功率一定時，電源頻率f與繞組兩端電壓、視在功率的關系，并根據功率因數選取范圍，確定了頻率大致范圍。文獻[11-12]分析了短路法電流、電壓與鐵芯磁通關系，推導出了鐵芯磁通-感應強度曲線(B-H曲線)可測的電流表示法，結合變壓器空載試驗數據，給出了一種確定低頻加熱鐵芯飽和的臨界頻率計算方法。

本文深入分析低頻加熱工況下，施加在變壓器高壓繞組側電壓幅值與頻率對變壓器鐵芯飽和產生的影響，同時提出防止變壓器鐵芯飽和的約束條件，并根據工程要求，提出了一種新的防止變壓器鐵芯飽和臨界頻率工程計算方法。試驗結果驗證文中所述方法有效、可行，為變壓器低頻加熱控制技術的發展提供了新的思路。

1 變壓器低頻短路法加熱原理

變壓器低頻短路法加熱原理如圖1所示。

變壓器低頻加熱裝置由低頻加熱電源和控制系統組成，其中低頻加熱電源采用交-直-交變流裝置組成，輸出0.01～5 Hz正弦波或方波低頻電壓；被試變壓器二次側短路，一次側通入低頻電流，利用變壓器負載損耗產生的熱量加熱變壓器絕緣，以達到絕緣干燥的目的；對大型電力變壓器器身進行干燥時，可配合濾油機熱油循環，可大幅縮短變壓器絕緣干燥加熱時間，提高工作效率。

圖1 變壓器低頻短路法加熱原理圖

2 變壓器鐵芯飽和特性分析

2.1 鐵芯飽和對變壓器的影響

通常，為了提高鐵磁材料的利用率，電力變壓器的激磁電流i0和主磁通φ的特性曲線一般設計在額定頻率和額定電流下磁化曲線進入飽和時的“膝點”附近，因此，額定工況時主磁通φm與飽和值非常接近，有

(1)

式中：E1為一次側空載感應電壓，V；U1N為一次側額定電壓，V；fN為額定頻率，Hz；N1為一次繞組匝數。

由式(1)可知，若頻率變化速度大于外施電壓變化速度，則鐵芯磁路進入飽和狀態，變壓器激磁電流急劇上升，變壓器鐵芯溫度升高；若鐵芯進入深度飽和，磁通達到最大值而不再變化，主磁通變化率趨于0，致使二次側線圈不能感應電動勢，二次側感應電流亦將趨于0，致使低頻加熱時變壓器鐵芯發熱不均勻。

為避免變壓器低頻加熱時鐵芯進入飽和狀態，施加在變壓器一次側的電壓與頻率須同時變化，應滿足式(2)約束條件，即

(2)

聯立得

(3)

低頻加熱時，當變壓器一次側電壓與頻率的變化滿足式(3)時，可保證變壓器鐵芯處于非飽和狀態。

由圖2可知，變壓器鐵芯飽和區域以φm為分界線，φm直線以上為飽和區；a、b分別為U11、U12電壓下，為保證變壓器運行在不飽和區域時不同磁通φ時的臨界值。

圖2 變壓器鐵芯飽和區域分布圖

(1)當頻率f一定時，為使變壓器運行在不飽和區，則施加在變壓器一次側電壓U1應滿足如下表達式：

(4)

(2)當電壓U1一定時，為使變壓器運行在不飽和區，則施加在變壓器一次側電壓頻率f應滿足如下表達式：

(5)

2.2 變壓器鐵芯飽和臨界頻率

又由變壓器等效短路電路可知(如圖3所示)，施加在變壓器一次側繞組端電壓為

(6)

式中：Z為折算到一次側的短路阻抗Ω；Rk為折算到一次側的每相短路電阻，Ω；X為折算到一次側的每相短路電抗Ω；Xk為額定工況下，折算到一次側的每相短路電抗，Xk=2πfN。

圖3 變壓器(單相)短路等效電路圖

將式(6)代入式(5)，當變壓器一次側輸入電流I1為一定值時，則有

(7)

對式(7)進一步化解可得，當電流I1一定時，保證變壓器鐵芯處于不飽和區域的頻率約束條件為

(8)

由式(8)可知，變壓器鐵芯飽和臨界頻率fσ表達式為

(9)

由式(9)可知，變壓器鐵芯飽和臨界頻率可由變壓器的額定參數(U1N，fN，Rk，Xk)及給定電流I1直接算出。

3 試驗驗證

以型號SF9-8000/35電力變壓器為例，其額定電壓為：35 kV/6.3 kV，額定電流：132 A/423.28 A。短路阻抗：7.5%，單相直阻(75oC)：Rk=0.91Ω，額定工況下短路電抗Xk=19.8 Ω。

通常，變壓器采用低頻短路法加熱干燥時，為了達到更好的加熱效果且不損壞設備，通入變壓器的一次側電流盡可能接近額定電流I1N，則當電流I1=I1N時，保證變壓器運行在不飽和區的頻率臨界值為

(10)

由式(10)可知：當一次側電流設定為額定電流I1N時，只要保證施加在變壓器一次側的電壓頻率大于0.3 Hz，即可避免變壓器運行進入到飽和區域，因此變壓器臨界頻率為0.3 Hz。

當施加在變壓器一次側電流為額定電流I1N時，不同頻率下的二次側繞組電流仿真波形如圖4、圖5所示。

圖4 f=0.3 Hz時的二次側電流波形

圖5 f=0.2 Hz時的二次側電流波形

由仿真試驗可知，當頻率為0.3 Hz時，變壓器處于不飽和狀態，二次側電流波形保持正弦波；當頻率繼續減小，變壓器鐵芯達到飽和，二次側的電流波形開始發生畸變，頻率越小，畸變越嚴重。

圖6、圖7為變壓器低頻加熱實測波形。圖6的工況說明：當頻率一定時，施加在一次側的電壓幅值越大，越容易使變壓器鐵芯進入飽和狀態；圖7的工況說明：當電壓一定時，頻率由飽和臨界頻率開始降低，頻率越小，飽和越嚴重。

圖6 電壓增加導致二次側電流波形發生畸變

圖7 頻率降低導致二次側電流波形發生畸變

4 結 論

文中深入分析了變壓器低頻加熱時頻率和電壓變化對變壓器鐵芯飽和產生的影響，即當施加在高壓側的低頻電流一定時，既可改變電壓幅值進行調節，又可改變電壓頻率進行調節，只要遵循文中所述的約束調節，即可避免變壓器低頻加熱時鐵芯進入飽和狀態。

同時，文中根據變壓器額定參數提出的變壓器鐵芯飽和臨界頻率計算公式，通過仿真和實測試驗驗可行、有效，為工程人員實現變壓器低頻加熱控制提供了重要的工程經驗和理論支持。