剩磁對變壓器的影響及防范措施

胡 浩，李 歡

（武漢地鐵集團有限公司，湖北武漢 430063）

0 引言

變壓器是電力系統(tǒng)最主要的設(shè)備之一，它在電力系統(tǒng)中傳送和分配電能，將發(fā)電機發(fā)出的電壓（通常只有 10.5～20 kV）逐級升高到 220～1 000 kV，以減少線路損耗。在電能輸送到用戶后，再用降壓變壓器逐級降到用戶所需電壓，供相應(yīng)的動力設(shè)備、照明設(shè)備使用。在城市軌道交通機電設(shè)備中，變壓器具有重要的作用，尤其是主變壓器，它承接著整條線路的用電負(fù)荷，關(guān)乎整條線路的安全運行。

1 事故分析

武漢地鐵某 110 kV 主變電所高壓側(cè)采用線路-變壓器組接線，中壓側(cè)采用單母分段接線，如圖1所示。在對 1#主變壓器（新投運）沖擊送電的過程中，主變壓器差動保護動作跳開進線開關(guān)。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)設(shè)備正常。取變壓器本體油樣進行油色譜試驗，數(shù)據(jù)顯示油中溶解氣體成分及含量均合格；跳閘時變壓器高、低壓側(cè)均無短路電流，排除了變壓器內(nèi)部存在放電擊穿及短路的可能性。

通過調(diào)取保護裝置動作時的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)保護動作時三相差動電流均大于主變壓器差動保護啟動整定值（0.6 A），三相二次諧波電流含量均小于主變壓器保護二次諧波制動整定值（0.17），如表1所示，諧波制動閉鎖開放，差動保護動作。

圖1 主變電所接線圖

表1 差動電流及二次諧波

變壓器保護通常采用二次諧波制動的方式來閉鎖差動保護，以躲過變壓器空載合閘過程中的勵磁涌流[1-2]。變壓器保護裝置的動作邏輯為正常運行時，變壓器各相電流中的二次諧波含量不超過整定值，勵磁涌流判據(jù)將閉鎖差動保護；若變壓器三相中任意一相的二次諧波含量超過整定值，保護裝置將開放差動保護動作跳閘。

2 勵磁涌流的產(chǎn)生

變壓器空載合閘到電網(wǎng)或切除故障恢復(fù)正常電壓時，可能出現(xiàn)很大的暫態(tài)電流，稱為勵磁涌流。勵磁涌流是由于電力系統(tǒng)電壓急劇變化產(chǎn)生的，歸根到底是由于鐵芯材料磁飽和（磁滯特性）而產(chǎn)生的剩磁造成的。若變壓器投入前的剩磁方向與變壓器投入時的系統(tǒng)電壓產(chǎn)生的磁通方向相同，則總磁通量將大大超過變壓器鐵芯的飽和磁通量，從而產(chǎn)生很大的勵磁涌流。

圖2 勵磁電流與磁通的關(guān)系

如圖2所示，變壓器空載合閘時，二次側(cè)開路，設(shè)一次側(cè)電壓 u1為：

式（1）中，a 為系統(tǒng)電壓的初始相位，U1為一次側(cè)電壓有效值，ωt 為電壓相位變換角，ω 為角頻率。

當(dāng) t ≥0 時，變壓器一次側(cè)電流 i1滿足方程：

式（2）中，φ為與一次繞組交鏈的總磁通，包括主磁通和漏磁通，近似為主磁通；i1為變壓器一次側(cè)電流，R1為變壓器一次側(cè)等效電阻，N1為變壓器一次側(cè)線圈匝數(shù)。

在式（2）中，電阻電壓 i1R1較小，在合閘瞬間可以忽略不計，但在計算瞬態(tài)電流的衰減時，必須計入 R1的影響，因為 R1是瞬態(tài)電流衰減的根本原因。忽略 R1時，式（2）變?yōu)椋?/p>

解此方程得：

C 由初始條件決定，由磁鏈?zhǔn)睾憧芍儔浩骺蛰d合閘前后的磁鏈為 0，得：

則有：

由式（6）可以看出，磁通φ的瞬變過程與合閘時刻的電壓初始相位有關(guān)。

以下討論初始相位的 2 種極端情況。

（2）在 t = 0、α = π 時合閘，系統(tǒng)電壓 u1為 0，此時

圖3 t = 0、α = π 磁通曲線

3 變壓器剩磁的產(chǎn)生及危害

3.1 變壓器剩磁的產(chǎn)生

剩磁是鐵芯材料在磁化過程中的磁滯損耗，鐵芯材料在交變磁場作用下逐漸被磁化的過程中，磁疇會不斷地轉(zhuǎn)動，相互間不停摩擦而消耗能量，產(chǎn)生損耗。變壓器產(chǎn)生剩磁主要有以下幾個方面原因。

（1）變壓器三相對稱，而斷路器在電流過零（某一相電流為零）時分?jǐn)啵斐煞峭诜珠l，產(chǎn)生剩磁。

（2）變壓器投運前，需要做一系列的直流試驗（繞組直流電阻、絕緣電阻、泄漏電流、介損試驗等），單向的直流電壓使變壓器繞組產(chǎn)生剩磁。

3.2 變壓器剩磁的危害

如圖4所示，正常運行時，變壓器工作在A點，變壓器鐵芯磁通φ接近飽和；空載合閘時，變壓器工作在B 點，此時的變壓器鐵芯磁通非常飽和，勵磁電流超過額定電流的 3 倍；變壓器剩磁時，可能工作在 C 點，此時的勵磁電流將超過允許值，造成差動保護誤動作。由于系統(tǒng)電壓三相對稱，變壓器空載合閘時，必有一相工作在最不利狀態(tài)下，若變壓器有剩磁，勵磁電流將會更大，達(dá)到額定電流的 6～8 倍，直接導(dǎo)致變壓器保護的誤動作。

圖4 鐵芯磁化曲線

4 變壓器剩磁的消除方法

4.1 直流消磁法

直流消磁法，也可以稱為反向沖擊法，是目前普遍采用的一種消磁方法。變壓器進行預(yù)防性試驗后，分別在變壓器高壓繞組兩端正、反向通入直流電流，直流電流的輸入方向應(yīng)當(dāng)與測試?yán)@組直流電阻時的電流方向相反，正、反向電流持續(xù)通入相同的時間，大約 5～10min，之后不斷減小通入的直流電流 I，以減小鐵芯的磁滯回線，從而達(dá)到消除剩磁的目的[3]，直流消磁法如圖5所示，圖5中 t 為通入直流電流持續(xù)時間。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，選用不同的電流值依次進行正、反向沖擊消磁，正、反向重復(fù)沖擊 4～5 次基本可以消除剩磁，實現(xiàn)消磁的目的。自動消磁儀是目前常采用的消磁儀器，其采用的就是直流消磁原理。

圖5 直流消磁法

4.2 交流消磁法

交流消磁法也是一種常用的消磁方法，變壓器常規(guī)試驗完成后，也可采用交流消磁法消除變壓器的剩磁。使用該方法時要求合上變壓器中性點接地刀閘，然后在變壓器的低壓側(cè)加交流試驗電壓，逐漸升高交流試驗電壓至 50% 額定值，持續(xù)幾分鐘后緩慢降至 0，然后逐漸升高至 100% 額定電壓，持續(xù)幾分鐘后緩慢降至 0，這樣可以大幅降低鐵芯磁通的幅值，消除剩磁，從而達(dá)到減小勵磁電流的目的。交流試驗電壓持續(xù)時間一般為 4～6min。

4.3 改進直流電阻試驗

變壓器直流電阻試驗時可以盡量降低加載的電流值，采用助磁法進行測量，將高、低壓繞組串聯(lián)，通入試驗電流測量。由于變壓器高壓側(cè)繞組的匝數(shù)多，可以用較小的電流使鐵芯快速飽和，進而使繞組電感減小，縮短直流電阻的測試時間，實現(xiàn)快速測量直流電阻的目的，盡量減小變壓器的鐵芯剩磁。

4.4 控制變壓器空投時相位角

變壓器繞組鐵芯在常規(guī)試驗后由于鐵磁材料被試驗電壓極化（磁疇有規(guī)則排列），在試驗完成后，磁疇的排列不能恢復(fù)到原始狀態(tài)（隨機排列），導(dǎo)致變壓器鐵芯的剩磁，這種情況引起的剩磁是可以抑制甚至消除的。變壓器鐵芯極化后的剩磁極性及大小是可以通過選擇外加試驗電壓合閘時的相位角進行控制的。因此，如果能掌握變壓器試驗完成后斷電繞組鐵芯中的剩磁極性，就可以通過控制變壓器空投時的電源相位角使偏磁與剩磁極性相反，實現(xiàn)勵磁涌流的抑制[4]。

通過對 110 kV 變壓器采用直流消磁法消除變壓器的剩磁后進行沖擊合閘，5 次沖擊均成功。

5 結(jié)束語

變壓器差動保護作為變壓器的主保護，在為變壓器安全穩(wěn)定運行提供支持的同時，也可能因為勵磁涌流等原因?qū)е抡`動作[5]。通常變電站會配置專門的繼電保護裝置作為變壓器的主保護。當(dāng)變壓器進行空投時，繞組內(nèi)會產(chǎn)生一個很大的暫態(tài)沖擊電流，即勵磁涌流。而剩磁的存在使得勵磁涌流大幅增加，造成變壓器保護誤動作。本文針對一起 110 kV 主變電所變壓器差動保護誤動作的事故進行分析，提出了抑制變壓器剩磁的具體措施，確保了電網(wǎng)和設(shè)備的安全。

[1]李貞，張明珠，倪傳坤，等. 變壓器勵磁涌流的自適應(yīng)二次諧波分相制動方案[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2013，37（6）：121-124.

[2]王大立，段周朝. 變壓器勵磁涌流引起的保護誤動分析[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（10）：138-140，144.

[3]吳鷹飛，周兆英. 消除電磁夾緊機構(gòu)的剩磁影響[J].電工技術(shù)，2002（9）：41-42.

[4]黃金，粱兆庭. 基于剩磁測量的選相關(guān)合技術(shù)[J]. 低壓電器，2011（9）：10-13，16.

[5]張清明. 變壓器差動保護誤動原因分析及改進措施[J]. 上海電氣技術(shù)，2011，4（2）：18-22.