220 kV變壓器剩磁檢測及消磁技術分析

張 輝，張祥帥，雷若冰，錢 杰

(國網江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

變壓器是電力系統中連接不同電壓等級電網的重要樞紐設備，對電力系統安全穩定運行起著至關重要的作用[1]。受合閘相角的隨機性以及變壓器內部剩磁的共同影響，變壓器空載合閘時往往會產生勵磁涌流，其幅值可以達到額定電流的6～8 倍[2-4]。勵磁涌流可能使變壓器差動保護誤動作，造成送電失敗。即使差動保護不誤動，過大的勵磁電流流過變壓器線圈，也可能造成部件松動、繞組輕微變形等，形成隱患或缺陷。此外，勵磁涌流中往往含有高次諧波，諧波會降低電網的電能質量，甚至造成電網中的電力電子等敏感元器件損壞[5-6]。

目前針對變壓器勵磁涌流的研究大體可以分為兩方面，分別是勵磁涌流識別以及勵磁涌流抑制。勵磁涌流識別，主要原理是利用勵磁涌流表現出的不同于其他故障電流的特征，形成某種制動策略，當發生勵磁涌流時，通過閉鎖差動保護以保證變壓器順利合閘送電[8-9]。但是，成功識別勵磁涌流并不能防止勵磁涌流對變壓器的損害以及其導致的電能質量的降低。勵磁涌流抑制的方法主要有內插電阻法、合閘回路串電阻法、低壓側并聯電容器法以及選相合閘技術等[10]，目前最適合現場使用的方法是選相合閘的方法，其本質是通過控制合閘電壓相角，使得合閘偏磁與變壓器剩磁剛好抵消，從而防止變壓器鐵心進入飽和狀態而產生勵磁涌流。

選相合閘技術需要根據變壓器斷電時的分閘相位角獲知初始剩磁和極性，并以此初始剩磁作為選相合閘的依據。通常主變退出運行的主要原因是檢修試驗或者故障跳閘，兩種情況下，試驗人員都會對變壓器進行加壓試驗，以判斷變壓器的電氣性能或者絕緣狀況能否滿足繼續運行的要求，這顯然會改變變壓器鐵心的剩磁狀態，使得根據分閘相位角計算得到的初始剩磁與投運前的主變實際剩磁差距較大，從而造成通過現有選相合閘技術抑制勵磁涌流的效果大打折扣。

下面采用了一種改進的剩磁檢測及消磁技術，對管轄范圍內多臺220 kV 變壓器進行了現場消磁試驗。

1 變壓器鐵心剩磁消除方法

電力變壓器在運行過程中，其內部會產生穩態磁通。當變壓器斷電切除時，由于回路磁通守恒，穩態磁通不會立即消失，而會保留一個與最末時刻穩態磁通大小相等、極性相同的剩磁。目前電力行業對變壓器鐵心剩磁的消除方法主要有如下兩種：直流消磁法和交流消磁法。

1.1 直流消磁法

該方法利用正負電壓交替的直流電流源對變壓器繞組施加幅值逐漸降低的電流，從而使剩余磁通逐步降低，反復多次后完成消磁，將變壓器鐵心剩磁降低至相當低的量值。但是此方法在消磁過程中無法測量鐵心內的實際剩余磁通，不能定量評估消磁效果。

1.2 交流消磁法

該方法利用大容量交流電源對變壓器低壓側加壓，高壓側中性點接地，將電壓由0 V 逐漸升高至1.1 倍額定電壓，然后將電壓緩慢降至0 V。通過逐漸減小交變磁場的幅值，使磁滯回線所圍面積也逐漸變小，剩磁將隨磁場強度一起最終接近于零。該方法消磁效果很好，但是對設備要求較高，現場無法提供大容量的交流電源。

2 改進的剩磁檢測及消磁技術

下面采用了一臺型號為LX3600 的變壓器剩磁檢測及定量消磁分析儀，對現場例行檢修的220 kV 變壓器進行消磁試驗。其基本原理是依據磁通量計算公式Φ=∫udt，對變壓器高壓繞組施加勵磁電流，并對測得的勵磁電壓曲線進行積分，從而計算出鐵心內的磁通量變化值。

由于變壓器勵磁繞組存在直流電阻，等效電路中此電阻與勵磁電感串聯，而直流電阻并不參與勵磁磁場的建立，所以在檢測變壓器鐵心內當前磁通量時，應去除這部分直流電阻帶來的誤差。在對變壓器消磁過程中，首先對勵磁繞組施加電流i(t)，測得勵磁繞組兩端產生的電壓u(t)，從而可以計算出勵磁繞組的直流電阻RDC。分別對電壓信號u(t)和電流信號i(t)進行高精度采樣，結合上述分析，可將磁通量計算公式Ф=∫udt，修改為:

這樣即可準確計算出變壓器鐵心中當前的磁通量，并且通過改變勵磁電流方向進行多次測量，最終可以計算出鐵心的最大飽和磁通量Фs、初始剩余磁通量Фr和最終剩余磁通量Фr2。并且由上述公式計算得到以下兩個重要參數：

3 消磁儀現場應用情況

3.1 消磁效果驗證

2020-04-28，220 kV 廟港變1 號主變小修預試。第一天停電時間較晚，主變只拆頭未試驗。第二天主變全部試驗工作結束后，用變壓器剩磁檢測及定量消磁分析儀進行了第一次消磁，為驗證消磁效果，進行了第二次消磁。

從試驗結果看，第一次消磁初始剩磁率達到65.380 %，消磁后最終剩磁率降為0.512 %；第二次消磁，剩磁率由初始的0.531 %最終降至0.140 %，兩次試驗數據表明，通過多次消磁，變壓器剩磁檢測及定量消磁分析儀可以將變壓器剩磁率降至很低的量值。

3.2 接地消磁與儀器消磁對比

2020-06-12，220 kV 向陽變2 號主變漏油處理后試驗。第一天主變缺陷處理結束后進行變比、直阻、絕緣試驗，試驗結束將主變三側繞組短路接地，通過接地釋放殘余電荷。自6 月12 日下午5時至6 月14 日下午1 時共44 h 后，用變壓器剩磁檢測及定量消磁分析儀進行檢測及消磁。經檢測接地44 h 后，變壓器剩磁率依然達到27.8 %，可見接地消磁效果并不理想。而使用該儀器消磁后，當前剩磁率為0.787 %。

2020-06-12，220 kV 郭巷變擴建3 號主變局放試驗，主變完成局放試驗后恢復引線搭接，并通過接地刀閘接地，以釋放殘余電荷。2020-06-23，再次對該主變三側引線拆除，進行消磁、頻響試驗，初始剩磁率3.589 %，消磁后當前剩磁率0.742 %。

參照之前主變試驗后消磁結果，可以預估郭巷變3 號主變交接試驗后剩磁率為60 %左右，經過三側繞組短路接地，進行放電共計250 h，剩磁檢測結果為3.589 %。此次由于接地放電時間較長，剩磁率明顯降低。

上述兩臺主變接地放電時間與剩磁率對比結果見表1，可以看到通過將繞組短路接地可以降低鐵心剩磁，但是所需時間較長，由于現場停電時間較短，無法通過長時間接地來完成消磁。

表1 接地放電時間與剩磁率對比

3.3 電氣試驗前后剩磁情況對比

2020-05-17，東渚變1 號主變小修預試。第一天主變停電時間晚，主變只拆引線接頭未試驗。第二天先用變壓器剩磁檢測及定量消磁分析儀進行消磁，以檢測主變停運后初始剩磁率；全部試驗工作結束后，使用變壓器剩磁檢測及定量消磁分析儀進行第二次消磁，以檢測主變試驗后剩磁率。

對比兩次消磁結果可以看到，該主變由運行轉停電狀態有一定量的初始剩磁率(20.51 %)，全部試驗工作結束后，剩磁率出現了明顯的增長(63.44 %)。通過使用變壓器剩磁檢測及定量消磁分析儀進行消磁，最終剩磁率均達到1 %以下(分別為0.681 %，0.689 %)，剩磁降至極低量值。

3.4 主變消磁與不消磁送電高壓勵磁電流對比分析

通常主變合閘瞬間，高壓側電流會急劇升高，之后逐漸降低，并且恢復穩定。基于上述特征，下面以主變合閘最大電流與半小時后的穩定電流之比K，作為反映合閘后勵磁電流大小的參數，K值越大則勵磁電流越大，反之則越小。為了驗證消磁對勵磁電流的降低效果，調取了部分配合停電的主變和停電例行試驗的主變送電時的高壓側電流數據，如表2 所示。主變1 ～3 為停電例行試驗的主變，均進行了常規例行試驗，并且送電前采用上述消磁儀進行消磁。主變4～6 為配合停電的主變，其本身不進行試驗工作，因此配合結束后，不消磁直接送電。從表2 數據可以看出，消磁后送電的主變1～3 的K值平均為1.05，不消磁直接送電的主變4～6 的K值平均為1.52，前者與后者相比降低了30.87 %，說明消磁后，主變送電時高壓勵磁電流降低效果可以達到30.87 %。

表2 主變消磁與不消磁送電高壓勵磁電流對比

4 結論

(1) 通過將繞組短路接地可以降低鐵心剩磁，但是所需等待時間較長，無法滿足現場送電時間的要求。

(2) 變壓器停電后具有一定的初始剩磁率，進行電氣試驗后剩磁率則會進一步增大，說明選相合閘以停電分閘時的波形數據計算得到的剩磁率與變壓器試驗后實際剩磁差別較大，變壓器電氣試驗后合閘送電以選相合閘系統計算的剩磁為依據是不合理的。

(3) 通過采用變壓器剩磁檢測及定量消磁分析儀的多次消磁，可使送電前變壓器的實際剩磁率降至極低量值(1 %以下)，送電時高壓勵磁電流也有明顯降低；再結合現有的選相合閘技術，則可以有效降低主變空載合閘勵磁涌流的發生率，提高主變送電成功率，具有現實應用價值，可供電力系統相關人員參考。