變壓器剩磁對(duì)繞組變形試驗(yàn)的影響

豆占良，張立功，張俊珍

(神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京100025)

變壓器剩磁對(duì)繞組變形試驗(yàn)的影響

豆占良，張立功，張俊珍

(神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京100025)

隨著變壓器遭受短路沖擊的次數(shù)增多，繞組變形試驗(yàn)在變壓器狀態(tài)監(jiān)測及評(píng)估中變得越來越重要。為提高變壓器繞組變形試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，詳細(xì)闡述了剩磁是如何對(duì)繞組變形試驗(yàn)產(chǎn)生影響的。從變壓器結(jié)構(gòu)和電感參數(shù)測量的角度出發(fā)，分析了剩磁與勵(lì)磁電感之間的關(guān)系?；趯?duì)低電壓短路阻抗法原理的深入研究，分析了剩磁是怎樣破壞準(zhǔn)確測量低電壓短路阻抗的前提條件。通過重新審視頻率響應(yīng)分析法的基本原理，分析了在剩磁存在時(shí)變壓器繞組幅頻特性測試結(jié)果的變化情況。現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果證明了理論分析的正確性。為確保繞組變形試驗(yàn)的可靠性，試驗(yàn)開始前須采取必要的消磁措施。

變壓器；剩磁；繞組變形試驗(yàn)；低電壓短路阻抗法；頻率響應(yīng)分析法

0 引言

近年來，隨著電網(wǎng)的容量不斷增大，變壓器遭受短路電流沖擊而出現(xiàn)的損壞現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，其中繞組發(fā)生變形和位移的情況較常見[1]。為確定變壓器繞組是否出現(xiàn)變形，現(xiàn)場使用最多的檢測方法是低電壓短路阻抗法和頻率響應(yīng)分析法。鑒于兩種試驗(yàn)方法在繞組變形檢測中的實(shí)用性，國家能源局在國能安全[2014]161號(hào)文《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中，明確指出變壓器在遭受近區(qū)突發(fā)短路后，應(yīng)做繞組頻率響應(yīng)測試或低電壓短路阻抗試驗(yàn)，并與原始數(shù)據(jù)比較，判斷無異常后，方可投運(yùn)[2]。

現(xiàn)場試驗(yàn)情況顯示，變壓器剩磁會(huì)對(duì)繞組變形試驗(yàn)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，從而增加了工作人員誤判的可能性，但是這種現(xiàn)象未引起試驗(yàn)人員的重視，這不利于繞組變形試驗(yàn)的應(yīng)用。因此，從變壓器結(jié)構(gòu)和電感參數(shù)測量的角度出發(fā)，重新審視低電壓短路阻抗試驗(yàn)和繞組頻率響應(yīng)測試的特點(diǎn)，分析清楚剩磁是如何影響繞組變形試驗(yàn)的結(jié)果，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 變壓器結(jié)構(gòu)和電感參數(shù)測量

1.1 變壓器結(jié)構(gòu)

(1)變壓器利用電磁感應(yīng)的原理制作而成[3]。以單相雙繞組變壓器為例，兩個(gè)互相絕緣的繞組套在共同的鐵芯上，如圖1所示。

圖1 變壓器結(jié)構(gòu)圖

Lm=Φm/ I0

(1)

Ls1=Φs1/ I1

(2)

Ls2=Φs2/ I2

(3)

由于主磁通和漏磁通走的路徑不同，使得勵(lì)磁電感和漏電感的特征存在差異[4]。主磁通的路徑為鐵芯，磁導(dǎo)率大，且磁導(dǎo)率隨著磁路的飽和而減小，所以勵(lì)磁電感值很大，且隨著主磁通的增大，勵(lì)磁電感呈減小趨勢。而漏磁通的路徑主要為非鐵磁材料，磁導(dǎo)率小且為常數(shù)，故漏電感偏小，且可以看作常數(shù)。

將變壓器二次側(cè)的參數(shù)折算到一次側(cè)，可得到變壓器的T形等效電路，如圖2所示。

圖2 變壓器T形等效電路

1.2 變壓器電感參數(shù)測量

理論上，根據(jù)電感的定義式(4)，若要計(jì)算電感值L，則應(yīng)測量流過電感元件的電流i和磁通量φ。但直接測量變壓器的各磁通量是比較麻煩的。

L=φ/i

(4)

根據(jù)電感元件的特性，電感元件的電阻可忽略，其流過電流i與其兩端電壓u之間的關(guān)系如式(5)。當(dāng)i和u均為正弦量時(shí)，用有效值的形式可得到關(guān)系式(6)。

u=Ldi/dt

(5)

(6)

在測量變壓器各電感量的實(shí)際操作中，一般先測量變壓器各等效電感元件的電壓有效值和電流有效值，然后根據(jù)式(6)，計(jì)算出各電感量。在變壓器的低電壓短路阻抗試驗(yàn)和繞組頻率響應(yīng)測試中，模型涉及到的電感參數(shù)，即是利用這種測量方式得到。需要指出，這種測量方法準(zhǔn)確的前提是電壓和電流均為正弦量。

2 剩磁對(duì)電感測量值的影響

2.1 變壓器剩磁

在變化磁場中，變壓器鐵芯所用的鐵磁材料具有磁滯特性[5]，即磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化滯后于磁場強(qiáng)度H，其磁滯回線如圖3所示。當(dāng)鐵芯的磁場強(qiáng)度H降為0時(shí)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B只能降至Br，Br即為變壓器的剩磁。

圖3 變壓器鐵芯的磁滯回線

在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場，變壓器停運(yùn)后出現(xiàn)剩磁的情況很多，例如在對(duì)變壓器進(jìn)行直流電阻測量等操作后，鐵芯就會(huì)殘留剩磁，一般試驗(yàn)電流越大，試驗(yàn)越久，Br的絕對(duì)值越大[6]。

剩磁是鐵磁材料的磁滯特性導(dǎo)致的一種現(xiàn)象，它通過鐵芯構(gòu)成回路。根據(jù)主磁通和漏磁通的路徑可知，剩磁應(yīng)屬于變壓器主磁通的范疇。同時(shí)，如果不采取必要的消磁措施，大型變壓器的剩磁很難在短時(shí)間內(nèi)自行消失[7]。

2.2 剩磁對(duì)電感測量值的影響

由2.1可知，剩磁存在于鐵芯中，并不經(jīng)過非鐵磁材料，所以剩磁只影響變壓器勵(lì)磁電感的測量值。鐵芯內(nèi)的磁通量φ與勵(lì)磁電流i0的關(guān)系如圖4所示。

圖4 鐵芯磁通量φ與勵(lì)磁電流i0的關(guān)系曲線

(1)當(dāng)變壓器不存在剩磁時(shí)

圖5 測量勵(lì)磁電感的等效電路圖

該回路的電壓方程為：

(7)

求解方程式(7)，可得

φ=-Φmcos(ωt+α+θ)+Φme-Rmt/Lmccosα

(8)

其中，

忽略勵(lì)磁電阻Rm，當(dāng)變壓器狀態(tài)穩(wěn)定后，可得到式(9)和式(10)

(9)

(10)

以上即變壓器無剩磁時(shí)勵(lì)磁電感參數(shù)的測量過程，該測量結(jié)果是真正想求的目標(biāo)值。

(2)當(dāng)變壓器存在剩磁ΦRES時(shí)

(11)

① 假設(shè)ΦRES的絕對(duì)值較小，鐵芯仍工作在非飽和區(qū)，則勵(lì)磁電流

(12)

(13)

由公式(6)，我們可以得到勵(lì)磁電感的測量值，如式(14)

(14)

② 假設(shè)ΦRES的絕對(duì)值較大，以至于鐵芯工作在飽和區(qū)。由磁通量φ與勵(lì)磁電流i0的關(guān)系曲線可知，勵(lì)磁電流將激增，造成勵(lì)磁電感測量值減小得更加嚴(yán)重，最終導(dǎo)致測量結(jié)果與目標(biāo)值相差更遠(yuǎn)。

3 低電壓短路阻抗法

3.1 基本原理

變壓器的漏電感可看作變壓器內(nèi)部繞組與油箱之間以及繞組與繞組之間的非磁性材料空間內(nèi)磁動(dòng)勢形成漏磁通的反映。當(dāng)繞組發(fā)生變形或位移時(shí)，漏磁通的磁路將發(fā)生變化，這將靈敏地導(dǎo)致漏電感數(shù)值變化[10]。

圖6 低電壓短路阻抗法等效電路圖

理論上，試驗(yàn)電流在0到額定電流的范圍內(nèi)變化時(shí)，變壓器漏電感可以看作是不變的，所以現(xiàn)場的試驗(yàn)電源使用標(biāo)稱為380/220 V、50 Hz的交流電源即可。

3.2 剩磁的影響

由3.1可知，整個(gè)低電壓短路阻抗測試過程中隱含著一個(gè)前提條件，即勵(lì)磁阻抗遠(yuǎn)大于漏阻抗。這在變壓器鐵芯沒有剩磁的情況下，肯定是成立的。但是如果鐵芯內(nèi)殘留剩磁，由2.2的分析可知，勵(lì)磁阻抗會(huì)明顯減小，所以前提條件就不一定成立。

有一點(diǎn)須指出，《DL/T1093-2008電力變壓器繞組變形的低電壓電抗法檢測判斷導(dǎo)則》中規(guī)定的判斷標(biāo)準(zhǔn)比較嚴(yán)格，例如“縱向比較時(shí)，容量100 MVA以上或電壓220 kV及以上的電力變壓器繞組參數(shù)相對(duì)變化不應(yīng)大于±1.6%”[8]。在這樣嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)下，剩磁就更容易產(chǎn)生不利影響。例如，只要剩磁造成勵(lì)磁阻抗減小的程度可以使短路阻抗測量值的縱向變化超過±1.6%，剩磁的影響就不能忽略，因?yàn)檫@時(shí)有可能造成工作人員誤判。

以河北某電廠220 kV三相變壓器組的A相單相變?yōu)槔?。該變壓器的阻抗電壓uk%=15.05%，空載電流I0%=0.2%。在標(biāo)幺值形式下，可知：

(15)

假設(shè)在本例中僅考慮縱向比較的標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)測量值與出廠值相比，變化量超過±1.6%時(shí)，剩磁對(duì)于低電壓短路阻抗法的影響將不能忽略。此時(shí)可得式(16)。

(16)

研究表明，在剩磁影響下，變壓器空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流的值可達(dá)6～8倍額定電流[11-12]。從這個(gè)角度看，變壓器空載合閘時(shí)，剩磁的存在可以使z1+zm減至0.125～0.167，即可使勵(lì)磁阻抗測量值降低到(0.66～1.21)z1。當(dāng)然，低電壓短路阻抗測試的電壓比空載合閘時(shí)小很多，鐵芯的飽和程度比空載合閘時(shí)低很多，所以勵(lì)磁阻抗不會(huì)降到(0.66～1.21)z1如此低。但是當(dāng)剩磁很大時(shí)，勵(lì)磁阻抗降到低于30z1的可能性是不能忽視的。

可見，在實(shí)施低電壓短路阻抗測試之前，最好對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行消磁，以消除剩磁產(chǎn)生的誤差。

4 頻率響應(yīng)分析法

4.1 基本原理

在頻率較高時(shí)，變壓器鐵芯的磁化特性會(huì)變?yōu)榫€性，其磁導(dǎo)率與空氣差不多，其繞組可等效成一個(gè)由分布參數(shù)構(gòu)成的兩端口線性無源網(wǎng)絡(luò)[13]，忽略電阻分量后，其等效電路如圖7所示。該兩端口網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部特性可利用傳遞函數(shù)H(jω)來反應(yīng)。當(dāng)變壓器發(fā)生變形或位移后，變壓器繞組的分布電感、分布電容等參數(shù)肯定會(huì)發(fā)生變化，這些變化進(jìn)一步會(huì)導(dǎo)致傳遞函數(shù)H(jω)的幅頻特性發(fā)生改變[14-15]。

圖7 高頻下變壓器繞組等效電路

4.2 剩磁的影響

根據(jù)磁通路徑不同，高頻下變壓器繞組的分布電感dL仍可等效成勵(lì)磁電感dLm和漏電感dLs的串聯(lián)組合，勵(lì)磁電感dLm與通過鐵芯構(gòu)成回路的磁通相對(duì)應(yīng)，漏電感dLs與另一部分磁通相對(duì)應(yīng)。

雖然高頻下鐵芯磁化特性變?yōu)榫€性，磁導(dǎo)率也下降至很小。但由2.2的分析可知，剩磁的存在仍會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電感dLm的減小。由式(14)可知，在理論上，頻率越高，剩磁量越大，造成的勵(lì)磁電感dLm誤差就越大。該誤差最終會(huì)導(dǎo)致變壓器繞組幅頻特性的測量值與真實(shí)值之間出現(xiàn)偏差，從而影響頻率響應(yīng)分析法在繞組變形檢測中的應(yīng)用效果。

由前述可知，剩磁是通過影響勵(lì)磁電感的測量結(jié)果，來影響兩種繞組變形試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。由于勵(lì)磁電感在兩種試驗(yàn)等效電路圖中的位置不同，導(dǎo)致剩磁對(duì)兩種試驗(yàn)的影響方式有所不同。在低電壓短路阻抗測試中，只有勵(lì)磁電感測量值降得特別小，剩磁的影響才會(huì)比較明顯。但在繞組頻率響應(yīng)試驗(yàn)中，只要?jiǎng)?lì)磁電感測量值稍有變化，繞組網(wǎng)絡(luò)的分布電感就會(huì)隨之改變，剩磁的影響也就會(huì)被體現(xiàn)出來。所以，為保證頻率響應(yīng)分析法的可靠性，應(yīng)盡量在變壓器鐵芯消磁之后開展試驗(yàn)。

5 實(shí)例驗(yàn)證

利用河北某電廠2號(hào)機(jī)組大修的機(jī)會(huì)，對(duì)500 kV主變B、C相單相變進(jìn)行了繞組頻率響應(yīng)測試和低電壓短路阻抗試驗(yàn)。自投運(yùn)以來，該主變運(yùn)行正常，從未遭受近區(qū)短路電流等沖擊。為了驗(yàn)證剩磁的影響，這兩個(gè)試驗(yàn)被安排在直流電阻測量等常規(guī)性試驗(yàn)之后開展，因?yàn)橹绷麟娮铚y量等操作會(huì)導(dǎo)致變壓器鐵芯殘留剩磁[16]。

(1)鐵芯消磁前

圖8 消磁前B、C相單相變繞組頻率響應(yīng)曲線

在直流電流測量等操作后，未采取任何消磁措施，馬上開展繞組變形試驗(yàn)，繞組頻率響應(yīng)試驗(yàn)的結(jié)果如圖8所示，低電壓短路阻抗測試的數(shù)據(jù)如表1所示。由圖8可看出，兩個(gè)單相變的高壓側(cè)及低壓側(cè)繞組幅頻特性曲線均出現(xiàn)重合度不高的現(xiàn)象，尤其是高壓側(cè)，橫向比較的結(jié)果顯示變壓器高低壓側(cè)均存在不同程度的繞組變形。同時(shí)短路阻抗的測試數(shù)據(jù)與兩個(gè)單相變的出廠值比較，也出現(xiàn)超標(biāo)的現(xiàn)象。

表1 消磁前B、C相單相變低電壓短路阻抗測試結(jié)果 %

(2)鐵芯消磁后

利用電科院專門的變壓器消磁設(shè)備對(duì)B、C相單相變進(jìn)行充分消磁，確保變壓器鐵芯無剩磁后，重新對(duì)其進(jìn)行繞組變形試驗(yàn)。消磁后的繞組頻率響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，消磁后的低電壓短路阻抗測試數(shù)據(jù)如表2所示。由圖9可看出，消磁后兩個(gè)單相變的高壓側(cè)及低壓側(cè)繞組幅頻特性曲線均變得高度重合，未見繞組變形的跡象。由表2可知，消磁后短路阻抗的測量值增加，這與3.2的理論分析相符，同時(shí)消磁后短路阻抗的測量值與變壓器的出廠值之間偏差明顯減小，完全符合規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 消磁后B、C相單相變繞組頻率響應(yīng)曲線

表2 消磁后B、C相單相變低電壓短路阻抗測試結(jié)果 %

從消磁前后試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況中，可以看出，剩磁會(huì)對(duì)繞組頻率響應(yīng)測試和低電壓短路阻抗試驗(yàn)產(chǎn)生很大影響，在工程實(shí)踐中應(yīng)引起高度重視。

6 結(jié)論

變壓器鐵芯的剩磁會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電感測量值比目標(biāo)值有所減小，從而直接造成變壓器短路阻抗值偏小，同時(shí)高頻下繞組分布電感下降。這將從源頭上增加低電壓短路阻抗測試和繞組頻率響應(yīng)試驗(yàn)的誤差，而且剩磁量越大，誤差就越大，給現(xiàn)場工作人員造成的混淆也越大。

由于實(shí)際現(xiàn)場中變壓器出現(xiàn)剩磁的情況很普遍，所以，為了更好地發(fā)揮低電壓短路阻抗法和頻率響應(yīng)法在繞組變形檢測中的作用，必須高度重視繞組變形試驗(yàn)前變壓器的消磁工作。

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Research for Influence of Residual Flux on Transformer Winding Deformation Test

DOU Zhanliang,ZHANG Ligong,ZHANG Junzhen

(Shenhua Guohua (Beijing) Electric Power Research Institute Co.Ltd.,Beijing 100025,China)

With the increase of the number of short circuit shocks,the transformer winding deformation test becomes more and more important in the monitoring and evaluation of the transformer condition.In order to improve the accuracy of test results，the influence of the residual flux on the transformer winding deformation test is elaborated in detail.From the perspective of the transformer structure and parameters,the relationship between residual magnetism and excitation inductance is analyzed.Based on the deep research on the principle of low voltage short circuit impedance method,this paper analyzes the premise condition of the way residual flux destroys the accurate measure of the short-circuit impedance.By re-examining the basic principle of frequency response analysis method,the change of test results of transformer winding amplitude-frequency characteristics is analyzed as well.The field test results verified the theoretical analysis.In order to ensure the reliability of winding deformation test,we should take the necessary degaussing-measures before the start of test.

transformer; residual flux; winding deformation test; low-voltage short-circuit impedance method; frequency response analysis method

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.01.010

2016-10-08。

TM406

1672-0792(2017)01-0054-07

豆占良(1987-)，男，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)變配電設(shè)備研究。