核電工程變壓器過勵磁能力研究

岳新亮，賈鴻斌，李　英，鄒宇星

（1. 中國中原對外工程有限公司，北京　100191；2. 特變電工衡陽變壓器有限公司，湖南　衡陽　421007）

核電工程變壓器過勵磁能力研究

岳新亮1，賈鴻斌1，李英2，鄒宇星2

（1. 中國中原對外工程有限公司，北京100191；2. 特變電工衡陽變壓器有限公司，湖南衡陽421007）

由于出口核電工程用變壓器運行環境的特殊性（低頻率、電壓不穩定），目前國家標準中的過勵磁曲線無法滿足發電機變壓器組保護整定值計算的需要，對發電機、變壓器乃至核電廠的安全運行都有極大的隱患。文章進行變壓器過勵磁能力的計算分析，開展了硅鋼片材料在頻率變化時的性能測試，對比了過電壓、降頻率兩種方式或兩種條件同時變化的過勵磁，得出了設計此類變壓器和二次整定保護的一些建議。

核電工程；變壓器；過勵磁

1　核電工程變壓器過勵磁產生的原因及危害

相對于額定值的電壓升高和頻率降低的過勵磁，將導致變壓器鐵芯的嚴重飽和，并且伴隨產生過量的渦流損耗，將使鐵芯和周圍的金屬附件發熱、絕緣老化，甚至損傷變壓器。但是，過勵磁對變壓器的危害性，長期以來一直被人們忽視。近年來，發現大型發電機變壓器組經常發生過勵磁，因此，過勵磁問題引起了人們的重視。由于高過勵磁試驗沒有相應的試驗標準規范，對產品具有一定風險，并且局部過熱點的測量有難度，開展試驗研究有一定的困難，所以通過材料性能研究、低過勵磁下的試驗研究和仿真計算分析結合的方法是目前研究高過勵磁的較好方法。

我國電網頻率穩定性較好，很少報道低頻過勵磁現象發生，過電壓是引起過勵磁的主要原因，但是出口國外的變壓器，由于世界各地電網穩定性的差異，低頻引起的過勵磁時有發生，并且核電工程變壓器合同對使用年限提出了60年壽命要求，在安全可靠性和質量控制上也比電網輸電用變壓器提出更加嚴格的要求。所以核電工程變壓器在過勵磁等特殊情況下的研究分析對產品安全運行就非常重要。

1.1變壓器過勵磁產生的危害性

變壓器的過勵磁有兩種情況：一是低過勵磁，在工作磁密B=（1.0～1.1）Be（Be為額定工作磁密）時，再加上由于增加的磁密所產生的附加溫升，這個磁密限制著最大的連續磁感應的幅值。二是高過勵磁，當B＞1.1 Be時，鐵芯飽和，再加上由于渦流損失所引起的繞組和結構部件的溫升，這個高過勵磁限制著短時允許的最大磁密。一般情況下，過勵磁的允許值和極限值：最大連續磁密Bmax=1.05 Be；短時允許的最大磁密Bmax=1.3 Be（30 s），由此可見，變壓器的過勵磁承受能力很差。大型變壓器的額定工作磁密Be=（17 000～18 000）×10-4T，而飽和磁密Be=（19 000～20 000）×10-4T，值比較接近，在工作磁密增加時，特別是在鐵芯飽和后勵磁電流急劇增加時，就將出現過勵磁現象。

鐵芯中產生過勵磁時會影響：

1）空載損耗增加。

2）變壓器的噪聲水平增加。

3）空載電流中高次諧波含量增加。

4）涌流會大于空載電流，引起較大的機械力。

5）過勵磁時雜散磁通會離開主磁路引起結構件中附加損耗。

6）鐵芯的溫升會增加。

7）過勵磁的同時還有過電壓，絕緣結構應能承受這一過電壓。

因此，在IEC 76-1標準上對過勵磁能力有一規定，在設計時要保證變壓器具有一定的過勵磁能力。在運行中，要保持一定的過勵磁能力。如不具有過勵磁能力或承受較大過勵磁能力，會影響變壓器的安全運行。

1.2變壓器過勵磁產生的原因

發電廠的升壓變壓器，如果低壓側連接到發電機，而高壓側沒有連接到系統，或突然從系統中斷開的空載運行狀況下，都可以導致變壓器的嚴重過勵磁，其具體原因如下：

1）發電機變壓器組在與系統并列之前，由于誤操作使勵磁電流過大，或發電機的自動電壓調節器故障。

2）發電機啟動過程中，在低轉速時將發電機電壓調至額定值，使U/f比值過大。

3）在切除機組過程中，勵磁開關失靈，滿負荷運行突然甩負荷時，由于調節勵磁裝置失靈，這時發電機電壓升高后將引起變壓器過勵磁。

4）發電機變壓器組在正常情況下突然甩負荷也會引起過勵磁。因為勵磁調節系統和原動機調速系統都是由慣性環節組成，突然甩負荷后，電壓上升快而頻率上升緩慢，因而使U/f比值增大，使變壓器短時間過勵磁。

變壓器應能承受這種水平的過勵磁而不遭受損傷。因此，要求變壓器允許的過勵磁倍數曲線應高于正常甩負荷的過勵磁倍數曲線。

連接到高壓供電系統的變壓器，一般具有恒定的電壓和恒定的頻率。即使在負荷變動時，電壓不會大幅度升高，頻率也不會大幅度下降，幾乎不存在過勵磁的危險。但是，由于以下一些原因，與系統并列運行的變壓器也可能導致過勵磁。

1）電力系統解列后，某一部分系統甩去大量負荷，使變壓器電壓升高；或由于發電機自勵磁引起過電壓而發生過勵磁。

2）由于鐵磁諧振引起過電壓，使變壓器過勵磁。

3）由于誤操作或變壓器分接頭使用不當，使電壓過高引起過勵磁。

4）系統電壓升高和頻率降低引起的變壓器過勵磁。

文章對硅鋼片材料的低頻過勵磁特性進行了測試研究，對變壓器過勵磁下的主磁通分布進行了仿真計算，得出了核電工程變壓器具有一定過勵磁能力的設計建議。

2　硅鋼片材料頻率波動測試研究

衡陽變壓器有限公司就硅鋼樣片進行了頻率波動對電磁性能的影響實驗，并對數據進行了整理。檢測硅鋼牌號為某日本硅鋼片，檢測樣按材料軋向和偏軋向45°取樣，進行SST檢測，頻率分別為47、48、49、50、51和52 Hz。

通過計算得知，磁化特性與磁通和軋制方向角度相關，與頻率降低還是升高關系不大，當采用軟件進行主磁通分布分析時，0°和45°時，頻率變化引起的材料磁化性能變化可以不計，在與軋制方向45°接近飽和點時頻率會影響B-H曲線。

通過計算得知，損耗與磁通和軋制方向夾角明顯相關，在磁通與軋制方向相同或成45°時，損耗與頻率變化有一定相關性，而且頻率降低與過電壓引起的過勵磁情況相比，損耗變化相似，主磁通計算時應充分考慮以上特點。

3　過勵磁時磁場及溫度場的仿真計算分析

以三相五柱的核電發電機主變壓器為例，根據現場電網運行頻率的變化范圍在48～50.5 Hz，設計中鐵芯磁密選擇充分考慮了在48 Hz過勵磁時，磁密與常規產品設計磁密相當，保證了即使在長期低頻過勵磁的情況下鐵芯工作磁密仍不高。對于容量較大的核電工程發電機變壓器，鐵芯直徑較大，也應充分考慮鐵芯磁密分布的不均勻性，在選擇材料時，應優先選用飽和磁密較高的優質硅鋼片。

分析變壓器低過勵磁穩定運行時可采用常規的磁場、溫度場仿真分析軟件，充分考慮散熱條件等實際情況，對磁場、損耗、溫度場的安全性進行校核計算，但在分析高過勵磁時，如果持續的時間較短，應采用瞬態方法進行計算分析。

變壓器過勵磁鐵芯溫升較高的位置如圖1所示。

圖1　三相五柱鐵芯過勵磁溫升熱點分布Fig.1　Over-excitation temperature increasing hot spot distribution of 3-phase and five-column iron core

4　產品的勵磁特性相關試驗情況

除了采用理論計算分析方法外，對變壓器過勵磁能力的研究也可采用試驗和計算相結合的方法，首先根據鐵芯的過勵磁特性試驗結果，電壓和電流的關系，確定鐵芯工作特性與硅鋼片磁特性的差異；再根據鐵芯過勵磁鐵芯損耗性能，對鐵芯的整體溫升進行分析，利用三維磁場和溫度場分析軟件，計算鐵芯損耗分布和溫升分布，結果是鐵芯窗內鐵軛和芯柱轉角處，由于磁場分布不均所致，單位體積的鐵芯損耗和溫升值較高；最后根據鐵芯本身的熱特性對過勵磁時溫升的瞬態過程進行分析，給出允許時間，所以在產品鐵芯結構設計時采取了一些必要措施，降低工作鐵芯磁密，研究近飽和處、鐵芯損耗不同硅鋼片廠家的特性差異，選擇過勵磁能力較好的硅鋼片，在結構設計上采取必要油道，加強鐵芯散熱，加強搭接處剪切工藝控制，保證加工精度。同時建議用戶在變壓器投切時，及時準確調整分接位置，避免分接開關不當引起的過勵磁，并在頻率降低時采用適當保護措施，共同維護和提高變壓器的過勵磁能力。

鐵芯1.1倍下的長時空載試驗也是檢驗鐵芯質量、散熱、過勵磁能力較好的檢驗方法，在這項試驗中鐵芯的勵磁電壓高，損耗增加明顯，運行時間基本達到鐵芯的穩定時間常數，充分考核了鐵芯的過勵磁能力及質量，在鐵芯1.1倍過長時空載試驗前后開展損耗、勵磁電流、油中溶解氣體等對比分析，確定產品安全性。

5　結論

1）根據材料性能測試結果，頻率降低與過電壓引起的過勵磁情況相比，磁化特性沒有明顯變化，在出現降頻和過電壓兩種過勵磁情況時損耗變化相似。

2）在設計中充分考慮頻率降低過勵磁，磁密仍不高的情況，保證低頻率過勵磁下連續運行的安全性。

3）鐵芯窗口內轉角處，由于是磁密路徑的低磁阻通路，磁密通常較高，應對鐵芯主磁通及磁密分析開展仿真計算分析，保證在過勵磁情況下磁密分布合理。鐵芯窗口轉角處，應保證合理的散熱結構，油流散熱條件充分。

4）在核電工程發電機變壓器容量較大時，應優先選用高飽和磁密的優質硅鋼片，以保證60年使用壽命中過勵磁多次發生或低過勵磁連續運行的安全可靠性。

5）根據材料性能測試結果和主磁通計算分析，在產品成品試驗中開展1.1 Un下4 h長時空載試驗，以驗證過勵磁下的安全性。

6）可以根據勵磁特性試驗和材料特性試驗，通過瞬態仿真計算分析方法對鐵芯的高過勵磁磁場、損耗、溫升進行計算，提供過勵磁倍數與運行持續時間關系曲線，為二次保護整定值提供參考。

Study on Over-excitation Capability of Nuclear Power Plant Transformer

YUE Xin-liang1，JIA Hong-bin1，LI Ying2，ZOU Yu-xing2
（1. China Zhongyuan Engineering Corp.，Beijing100191，China；2. TBEA Hengyang Transformer Co.，Ltd.，Hengyang of Hunan Prov. 421007，China）

Due to the particularity of the operation environment （low frequency，voltage instability） of export nuclear power plant transformer， the current national standard of the over-excitation curve cannot meet the requirement of protection setting value calculation， which has hidden risk for the safe operation of generator，transformer and even the whole nuclear power plant. In this regard， calculation and analysis are carried out for the transformer over-excitation ability. Performance tests are carried out for the silicon steel sheet material in frequency changes. The overexcitation is compared for two ways of over-pressure and frequency reduction or two conditions change at the same time. Some suggestions are given for the design of such transformer， and protection of the secondary setting.

nuclear power plant； transformer； over-excitation

TM623Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）02-0129-04

TM623

A

1674-1617（2015）02-0129-04

2015-04-08

岳新亮（1973—），男，河北人，助理工程師，長期從事核工程設備采購和監造工作。