應(yīng)用交流消磁方法提高變壓器空載試驗(yàn)的準(zhǔn)確性

闞長遠(yuǎn)，周麗濱，王慧峰，杜福貴

(佳木斯電業(yè)局，黑龍江佳木斯154002)

0 引言

在系統(tǒng)或用戶的變壓器交接、大修及故障后試驗(yàn)中，應(yīng)用低壓單相空載試驗(yàn)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(yàn)值不符合設(shè)計(jì)規(guī)律，或者誤差過大，對變壓器的鐵心損耗測試不夠準(zhǔn)確，有時甚至誤導(dǎo)試驗(yàn)人員造成誤判斷，影響變壓器的正常投運(yùn)，甚至還會對電力系統(tǒng)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益構(gòu)成嚴(yán)重?fù)p害。所以，為了避免這些現(xiàn)象的出現(xiàn)，高壓試驗(yàn)人員對其進(jìn)行了具體分析研究，并用多種方法進(jìn)行比對試驗(yàn)，而采用簡易消磁技術(shù)，可提高低壓空載損耗數(shù)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(yàn)方法

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

低壓單相空載法試驗(yàn)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(yàn)原理圖

接通電源，通過調(diào)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(yàn)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(shè)計(jì)尺寸有關(guān)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(dāng)k值與設(shè)計(jì)值或規(guī)程規(guī)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(chǎn)生以及對空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響

電流很大的直流試驗(yàn)項(xiàng)目，變壓器短路故障各種突然分合閘的操作時產(chǎn)生的各種直流分量，都會使變壓器鐵心產(chǎn)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(tài)，會對外顯示出一定的磁性，這種現(xiàn)象也叫“磁滯”現(xiàn)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(shè)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(yīng)強(qiáng)度值用Bs表示。如果在達(dá)到飽和狀態(tài)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(diǎn)延上曲線經(jīng)-Hc到C點(diǎn)。對應(yīng)的B值比原先的值大，說明鐵磁質(zhì)磁化過程是不可逆的過程。當(dāng)H=0時，B不為零，而是B=±Br，Br稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡稱“剩磁”。

根據(jù)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(shù)值上可以忽略的附加損耗。

式中，k為渦流損耗系數(shù)，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(xiàn)偏差的主要原因，分析如下。

a.從能量守恒上看，剩磁所產(chǎn)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(zhuǎn)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(yàn)電流，同等試驗(yàn)電壓下，必然導(dǎo)致空載損耗增大。

b.從磁滯回線上看，當(dāng)鐵心存在剩磁時，設(shè)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(xiàn)為磁滯回線面積的增加。

對于合格的變壓器，設(shè)△Ph1、△Ph2、△Ph3為有剩磁時的附加損耗(分別對應(yīng)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(guān)。而剩磁的大小是由鐵心規(guī)格(大小)、剩磁強(qiáng)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(guī)格的變壓器，試驗(yàn)結(jié)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(jù)k值的大小估計(jì)剩磁對空載數(shù)據(jù)的影響程度，k值越接近1，表明剩磁所產(chǎn)生的附加損耗越大;越接近設(shè)計(jì)值，剩磁越少，空載數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確。

試驗(yàn)結(jié)果的有效性有如下兩種極端情況:

a.鐵心規(guī)格小，被磁化程度弱。此時消磁量少，額外損耗也小，空載試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果影響很小，空載值能夠反應(yīng)鐵心真實(shí)情況。

b.鐵心規(guī)格大，被磁化程度強(qiáng)。此時消磁量大，額外損耗也大，但由于剩磁過大，空載試驗(yàn)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(shí)情況。

3 變壓器交流消磁原理與應(yīng)用

3.1 變壓器鐵心消磁原理

高壓試驗(yàn)中，鐵心消磁技術(shù)是指:利用相關(guān)設(shè)備，消除鐵心中的剩磁，使鐵心磁疇重新恢復(fù)到雜亂無章的狀態(tài)，改善磁通路徑，進(jìn)而提高變壓器試驗(yàn)的準(zhǔn)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(diǎn)，那么可以根據(jù)不同外施交流電壓下的特定磁滯回線組，確定該點(diǎn)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(yàn)，就會因?yàn)橛休^大的剩磁產(chǎn)生附加損耗。在回線上表現(xiàn)為，試驗(yàn)電流值起初較大，但此時由于試驗(yàn)電流有一定的消磁作用，試驗(yàn)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(fù)作用，隨著磁滯回線面積的不斷減小(如圖3中O1坐標(biāo)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(wěn)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(biāo)原點(diǎn)，Hc為磁感應(yīng)強(qiáng)度B反向降低至零時的H值;O2，hc2為在O2坐標(biāo)下即全部消除剩磁后的對應(yīng)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(diǎn)變化到D點(diǎn)的過程，如果將O，O2兩個坐標(biāo)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(zhuǎn)化的鐵心磁場能。當(dāng)然，整個消磁過程需要相當(dāng)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(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用

2007年10月25日，在樺南風(fēng)電110 kV主變壓器交接過程中，由于單相低壓空載試驗(yàn)中k值只有1.083，判斷鐵心可能存在局部缺陷。在現(xiàn)場首次應(yīng)用了該項(xiàng)技術(shù)，具體實(shí)施過程如下。

應(yīng)用大功率發(fā)電機(jī)，經(jīng)過三相調(diào)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(diǎn)接地，是為了保證激磁過程的對稱性。

現(xiàn)場消磁方法原理圖如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場消磁方法原理圖

試驗(yàn)中，分三次進(jìn)行了近3小時的消磁，中間穿插空載電流試驗(yàn)，消磁前后數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 消磁前后數(shù)據(jù)對比

從圖5中可以看出，k值的偏差在若干次消磁后，發(fā)生了明顯變化，偏差最后穩(wěn)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(jīng)討論該變壓器k值為1.315時基本符合設(shè)計(jì)規(guī)律，雖然距設(shè)計(jì)值還有差距;但是，偏差范圍達(dá)到了規(guī)程要求，該變壓器可以投運(yùn)。這就在本質(zhì)上解決了剩磁問題，提高了試驗(yàn)質(zhì)量，保證了合格變壓器的正常投運(yùn)和生產(chǎn)。在2010年大青背風(fēng)電主變試驗(yàn)過程中也應(yīng)用了該項(xiàng)技術(shù)，效果良好。

圖5 試驗(yàn)偏差柱狀分析圖

3.3 消磁技術(shù)的完善與改進(jìn)

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?？山柚静ㄆ鞯仍O(shè)備對鐵心中磁場情況進(jìn)行監(jiān)測。

根據(jù)剩磁與空載電流的關(guān)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(zhuǎn)距做功，空載電流也較小;當(dāng)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(zhuǎn)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(nèi)，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(jié)束語

通過上述分析和實(shí)踐驗(yàn)證，采用這種簡單易行的消磁技術(shù)，可以極大地提高單相低壓空載試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和提升高壓試驗(yàn)的質(zhì)量;同時，對其他試驗(yàn)項(xiàng)目也有著很好的輔助作用，對狀態(tài)檢修和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著非常重要的意義。

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