應用交流消磁方法提高變壓器空載試驗的準確性

闞長遠，周麗濱，王慧峰，杜福貴

(佳木斯電業局，黑龍江佳木斯154002)

0 引言

在系統或用戶的變壓器交接、大修及故障后試驗中，應用低壓單相空載試驗測試變壓器空載損耗，是判斷變壓器鐵芯故障的有效手段。但有時試驗值不符合設計規律，或者誤差過大，對變壓器的鐵心損耗測試不夠準確，有時甚至誤導試驗人員造成誤判斷，影響變壓器的正常投運，甚至還會對電力系統的安全生產和經濟效益構成嚴重損害。所以，為了避免這些現象的出現，高壓試驗人員對其進行了具體分析研究，并用多種方法進行比對試驗，而采用簡易消磁技術，可提高低壓空載損耗數值的精確性和提高對變壓器安全狀況判斷的精度。

1 變壓器低壓單相空載法試驗方法

試驗人員在主變大修、交接試驗過程中，常采用低壓單項空載試驗測量鐵心空載損耗值以及各測量值之間的關系，從而考察鐵心是否存在缺陷。

低壓單相空載法試驗原理(以Ynd11接線為例)如下圖1所示。

圖1 低壓單相空載法試驗原理圖

接通電源，通過調壓器、電流表、電壓表、功率表等儀表，測試固定低電壓下的空載電流Iab、Ibc、Ica和空載損耗值Pab、Pbc、Pca。

試驗過程如下:

ab加電，短路bc;記錄Iab、Pab。

bc加電，短路ca;記錄Ibc、Pbc。

ca加電，短路ab;記錄Ica、Pca。

式中k值通常在1.3～1.5之間，這只與鐵心設計尺寸有關的量;LM0為鐵心柱中心線距離;H為窗高;S1為鐵心柱截面積;S2為鐵軛截面。

當k值與設計值或規程規定值之間有很大差別時，可判斷該變壓器鐵心存在缺陷。

2 剩磁的產生以及對空載試驗數據的影響

電流很大的直流試驗項目，變壓器短路故障各種突然分合閘的操作時產生的各種直流分量，都會使變壓器鐵心產生剩磁。剩磁是由制造鐵心的鐵磁材料的磁化特性決定的。即“被磁化了的鐵心在外磁場撤出后，磁疇地排列不會回到原始狀態，會對外顯示出一定的磁性，這種現象也叫“磁滯”現象。”磁滯回線如圖2所示。

圖2 磁滯回線及剩磁

如圖2所示，設鐵磁性材料已沿起始磁化曲線磁化到飽和，磁化開始飽和時的磁感應強度值用Bs表示。如果在達到飽和狀態之后使H減小，這時B值也要減小，但不沿原來的曲線下降，而是沿著上一條曲線段下降，即由A點延上曲線經-Hc到C點。對應的B值比原先的值大，說明鐵磁質磁化過程是不可逆的過程。當H=0時，B不為零，而是B=±Br，Br稱為剩余磁感應強度，簡稱“剩磁”。

根據空載損耗的分類，其損耗主要是指鐵心損耗，包括渦流損耗和磁滯損耗以及在數值上可以忽略的附加損耗。

式中，k為渦流損耗系數，取決于材料的電阻率;f為電源頻率;d為硅鋼片厚度;Bm為最大磁通量;V為鐵心體積。

式中，∮HdB是變量，表示磁滯回線的面積。

對于合格的變壓器，剩磁是影響空載電流大小并使空載損耗值出現偏差的主要原因，分析如下。

a.從能量守恒上看，剩磁所產生的磁場能，在多次的交流通電過程中，必然隨著剩磁的弱化而減少，減少的磁場能轉化為改變磁疇方向克服摩擦力所做的功，其能量來源為空載試驗電流，同等試驗電壓下，必然導致空載損耗增大。

b.從磁滯回線上看，當鐵心存在剩磁時，設空載損耗的增量為△Ph，即額外的磁滯損耗，在磁滯回線上表現為磁滯回線面積的增加。

對于合格的變壓器，設△Ph1、△Ph2、△Ph3為有剩磁時的附加損耗(分別對應Pab、Pbc、Pca)，從能量守恒上看，都是由克服磁場能做功引起的，只與剩磁的大小有關。而剩磁的大小是由鐵心規格(大小)、剩磁強度(剩磁Br與飽和磁通Bm的比)決定的，再加上空載電流本身也有去磁有作用。所以，對于不同規格的變壓器，試驗結果雖有著很大的不確定性，但是完全可以定性分析其影響程度。

同時，可以根據k值的大小估計剩磁對空載數據的影響程度，k值越接近1，表明剩磁所產生的附加損耗越大;越接近設計值，剩磁越少，空載數據越準確。

試驗結果的有效性有如下兩種極端情況:

a.鐵心規格小，被磁化程度弱。此時消磁量少，額外損耗也小，空載試驗電流去磁明顯，甚至可以完全去磁，剩磁對空載損耗影響不大，對試驗結果影響很小，空載值能夠反應鐵心真實情況。

b.鐵心規格大，被磁化程度強。此時消磁量大，額外損耗也大，但由于剩磁過大，空載試驗電流去磁作用不顯著，但受△Ph1、△Ph2、△Ph3的影響仍很大，空載值不能反映鐵心真實情況。

3 變壓器交流消磁原理與應用

3.1 變壓器鐵心消磁原理

高壓試驗中，鐵心消磁技術是指:利用相關設備，消除鐵心中的剩磁，使鐵心磁疇重新恢復到雜亂無章的狀態，改善磁通路徑，進而提高變壓器試驗的準確性。

消磁過程如圖3所示。

圖3 消磁過程圖解

在圖3中，由于特定原因，使鐵心中的剩磁為圖中的A點，那么可以根據不同外施交流電壓下的特定磁滯回線組，確定該點所在的磁滯回線的全部回線。即圖中最外圍面積最大的磁滯回線包圍的整個部分。如果此時做低壓單相空載試驗，就會因為有較大的剩磁產生附加損耗。在回線上表現為，試驗電流值起初較大，但此時由于試驗電流有一定的消磁作用，試驗電流將隨著剩磁的減少而不斷減小，附加損耗也不斷減小。通過長時間的反復作用，隨著磁滯回線面積的不斷減小(如圖3中O1坐標系下的變化過程)，最后完全消除剩磁，形成沒有剩磁影響時穩定的磁滯回線h2，即圖3中最小的磁滯回線。可見，磁滯回線組中的兩條線段OHc＞O2hc2(O為磁滯回線坐標原點，Hc為磁感應強度B反向降低至零時的H值;O2，hc2為在O2坐標下即全部消除剩磁后的對應值)，回線面積SO＞SO2(SO，SO2為圖中最大磁滯回線面積和最小磁滯回線面積)。圖3中，由A點變化到D點的過程，如果將O，O2兩個坐標軸重合，回線初始面積SO與最終面積SO2的差值，就是消磁時轉化的鐵心磁場能。當然，整個消磁過程需要相當長的時間，因此必須采取更加有效的方法，快速完成上述消磁過程。

3.2 消磁技術的現場應用

2007年10月25日，在樺南風電110 kV主變壓器交接過程中，由于單相低壓空載試驗中k值只有1.083，判斷鐵心可能存在局部缺陷。在現場首次應用了該項技術，具體實施過程如下。

應用大功率發電機，經過三相調壓器，向變壓器同時通入三相380V交流電(條件允許可以增加電壓等級和容量)，這樣可以使鐵心中的剩磁更加對稱，三相同時消磁也可以減少消磁的時間。高壓中性點接地，是為了保證激磁過程的對稱性。

現場消磁方法原理圖如圖4所示。

圖4 現場消磁方法原理圖

試驗中，分三次進行了近3小時的消磁，中間穿插空載電流試驗，消磁前后數據對比見表1。

表1 消磁前后數據對比

從圖5中可以看出，k值的偏差在若干次消磁后，發生了明顯變化，偏差最后穩定在4.0%左右，這表明此時消磁取得了非常顯著的效果，鐵心中近于沒有剩磁了。經討論該變壓器k值為1.315時基本符合設計規律，雖然距設計值還有差距;但是，偏差范圍達到了規程要求，該變壓器可以投運。這就在本質上解決了剩磁問題，提高了試驗質量，保證了合格變壓器的正常投運和生產。在2010年大青背風電主變試驗過程中也應用了該項技術，效果良好。

圖5 試驗偏差柱狀分析圖

3.3 消磁技術的完善與改進

上述消磁方法有不足之處，即無法判斷剩磁是否徹底消除。因此，需要一種檢測的手段，判斷鐵心中是否還有剩磁。可借助示波器等設備對鐵心中磁場情況進行監測。

根據剩磁與空載電流的關系可以得知:方向與剩磁方向相同時，空載電流克服較小的磁轉距做功，空載電流也較小;當空載電流的方向與剩磁方向相反時，空載電流須克服更大的磁轉距做功，因此空載電流較大。

所以，在相同的激磁電壓下，可以通過電流互感器采集電流信號，并在示波器上觀察一個電流信號周期內，電流的波峰波谷是否相等，波形上下是否對稱。如果電流的波峰波谷不相等不對稱，則說明還有剩磁存在;如果波形上下對稱，就可以判斷鐵心中以無剩磁。

4 結束語

通過上述分析和實踐驗證，采用這種簡單易行的消磁技術，可以極大地提高單相低壓空載試驗的準確性和提升高壓試驗的質量;同時，對其他試驗項目也有著很好的輔助作用，對狀態檢修和電力系統的安全穩定運行有著非常重要的意義。

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