特高壓變壓器啟勵過程異常分析及對策

中電國際新能源發展有限公司 徐新達

中電華創技術研究有限公司 胡磊

近年來，我國特高壓系統發展突飛猛進。以1000千伏淮滬特高壓線路為南半環的華東特高壓環網基本建成，某電廠機端直接升壓至1000千伏的大容量變壓器也已投運。本文以某電廠機組啟動并網過程中發生的異常事件為例，來分析大容量特高壓變壓器剩磁的影響，并提出防范措施。

事件經過

某電廠5、6號機組為100萬千瓦級超超臨界單元機組，主變使用三相DFP-400000/1100變壓器，機端電壓從27千伏升至1000千伏，經特高壓線路送出。升壓站采用三角形接線方式，正常并網操作過程為DCS順控合閘勵磁、升壓、啟動準同期并網。某日，5號機組調停結束后啟動，17時08分大機掛閘暖機，18時20分大機沖轉，18時32分大機轉速到3000轉/分，具備啟勵并網條件。18時40分網調許可5號機調停結束后啟動，18時42分29秒692毫秒5號機磁場開關合上，機端電壓逐步建立，18時42分59秒497毫秒5號機通過并網。勵磁開關合后汽機平臺有低頻嗡嗡聲，勵磁電壓最高1080伏，勵磁電流最大6426安，運行人員立即打閘汽機，程序逆功率動作，18時43分38秒851毫秒出口斷路器斷開。檢查電氣系統未發現異常，后采用手動緩加勵磁方式，機組升壓至額定，檢查勵磁系統，確認發電機組正常。分開磁場開關，執行順控并網操作，5號機并網成功，各項指標參數正常。

原因分析

1.從現場錄波圖中分析發現，磁場開關合閘后開始升壓，約4秒后機端電流開始異常增大，此時勵磁電流、勵磁電壓也同時異常增大。約6秒后機端電流開始緩慢回落，電壓逐步升至額定。期間機端電流最大達19800安，約為0.8倍額定電流，勵磁電流和勵磁電壓超額定值。并且機端電流有明顯的間斷角，二次諧波比例高達70%，有明顯的勵磁涌流特征。

圖1 發電機相電流與線電壓錄波圖

2.查詢檢修記錄發現，某日前因主變分接頭調整對三相主變進行了直流電阻測試工作。分析認為，在測量直流電阻過程中如給線圈通入直流電流較大且未進行去磁操作時，變壓器鐵芯會存在比較嚴重的剩磁，而且這種剩磁不會自動消失。機組啟勵過程中，主變剩磁和發電機勵磁疊加，導致鐵芯勵磁在與磁場方向一致的半波飽和，另一半波不飽和，動態地改變等效電路電感參數，引起繞組電壓躍變，導致主變過激磁、變壓器工作磁密不斷升高直到飽和，鐵損急劇增加，漏磁增強也會在鐵芯表面和其他磁性材料中引起渦流損耗，發電機定子電流增加且波形畸變，發電機振動增加。而此原因引起的異常是不需特殊處理的，若未對一次設備造成損傷，再次升壓后一般會恢復正常。

3.變壓器穩態運行時，勵磁電流只有其額定電流的0.35%～10%，但當變壓器空載合閘或外部故障切除后電壓恢復時，會產生很大的勵磁涌流，其峰值可達額定電流的數十倍。

以典型的單相變壓器為例分析勵磁涌流的成因，設變壓器外加電壓為：

又由變壓器空載時初級繞組的電壓方程為：

因，上式可改寫為：

因為電阻R1很小，可將L1近似為常數，求解微分方程得磁通Φ的表達式為：

其中β為初級繞組阻抗角，A為暫態磁通分量的幅值。

可以看出變壓器初級繞組加上電源后在磁路中的總磁通有兩個分量，即穩態分量和暫態分量。本例中，初始升壓時（t=0）的邊界條件為（Um（0）=0），阻抗角β可簡化≈0，設磁路中原剩磁為Фr，則根據t=0前后磁通不能突變可列等式為：

磁通表達式可轉換為：

圖2 磁通和電壓的關系

根據公式繪制磁通、電壓關系圖，如圖2，其中暫態磁通逐步下降，穩態磁通隨著電壓的升高幅值逐步升高，疊加構成總磁通，當總磁通超過飽和磁通時進入涌流區間。

圖3 變壓器鐵磁磁通

假定主變三相繞組高壓側剩磁方向相同，由于變壓器為感性負載，電流滯后于電壓90度，飽和電流應出現在電壓波峰過后90度。根據圖3磁化特性曲線，當總磁通進入涌流區間后，勵磁電流將瞬間增大，將出現明顯的機端電流，這充分說明這是一起由于主變存在剩磁而造成的升壓過程異常事件。

預防措施

控制或消除鐵芯剩磁，普遍認為需要嚴格控制變壓器直流電阻測試時的電流和電壓。但過小的試驗電流長時間無法得到穩定數據，直接影響測試結果的準確性。所以為保證試驗能得到穩定可靠的數據，直流電阻試驗選取電流大小應與變壓器容量相對應，試驗完成后必須對變壓器進行消磁，以消除剩磁影響。

剩磁是因為變壓器鐵芯在磁化過程磁滯損耗的結果。鐵芯磁化過程就是在外加的磁勢作用下，鐵芯材料內的小磁極的有序排列，因此，可以根據剩磁形成的原理，采取消除剩磁的措施?？梢栽诎l變組零起升壓過程中控制升壓速度，增加手動增磁方式進行變壓器消磁工作。但這種方式會占用機組啟動時間，而且不容易人工控制。也可以在直流電阻測試完成后在繞組兩端正反向通入直流電流，并逐漸減小，縮小鐵芯的磁滯回環，可以達到消除剩磁的目的。目前已有采用此原理開發的專用消磁儀器，經電廠實踐以后未再發生過勵磁涌流現象，完美消除了高壓試驗后對變壓器穩定運行的影響。

結語

本文結合一起發電廠特高壓變壓器啟動過程中的異常事件，簡要介紹了變壓器直流電阻測試后產生剩磁的危害，并進一步結合特高壓變壓器結構特點對其進行深入分析和探討，最后提出了變壓器直流電阻測試后，必須重視變壓器鐵芯消磁工作的建議，希望能為同行們提供一點借鑒和參考。