淺析電力變壓器的過(guò)勵(lì)磁問(wèn)題

摘要：文章根據(jù)電力變壓器鐵芯材料硅鋼片的特點(diǎn)，首先對(duì)過(guò)勵(lì)磁的概念進(jìn)行了定義，然后對(duì)電力變壓器產(chǎn)生過(guò)勵(lì)磁的原因進(jìn)行了比較深入細(xì)致的分析，最后對(duì)過(guò)勵(lì)磁對(duì)變壓器產(chǎn)生的影響及危害、避免過(guò)勵(lì)磁的方法等分別進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：變壓器；硅鋼片；過(guò)勵(lì)磁；磁通密度；絕緣

中圖分類(lèi)號(hào)：TM772 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）10-0111-02

1 概述

為了提高電力變壓器鐵芯的導(dǎo)磁性能，減小磁滯損耗和渦流損耗，變壓器的鐵芯大多采用厚度為0.35mm、表面涂有絕緣漆的硅鋼片作為鐵芯導(dǎo)磁材料。由于在磁通密度及頻率相同的情況下，冷軋硅鋼片比熱軋硅鋼片的單位損耗低，故電力變壓器的設(shè)計(jì)采用冷軋晶粒取向硅鋼片。并且由于硅鋼片有磁飽和現(xiàn)象，如果變壓器選用磁通密度太高，空載電流和空載損耗就會(huì)很大，因此磁通密度要選在飽和點(diǎn)以下，一般為1.6～1.7T，再根據(jù)磁導(dǎo)率和鐵芯截面，確定了不飽和的每伏匝數(shù)。只有按這個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)制造的變壓器才不容易出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，使電能通過(guò)磁路順利地傳遞給二次繞組，轉(zhuǎn)換成為改變電壓的能量輸出。

根據(jù)變壓器的4.44公式U≈E1=4.44f×N1×Φm得知，當(dāng)變壓器在電網(wǎng)電壓升高或頻率下降時(shí)，就會(huì)使U/f比值增大，都將造成變壓器工作時(shí)主磁通Φm的增加。而變壓器的鐵芯橫截面積一旦設(shè)計(jì)制成，就已經(jīng)確定，可以認(rèn)為是不變的。根據(jù)公式Φm=Bm×S，則磁通密度將會(huì)增加，當(dāng)超過(guò)鐵芯的冷軋硅鋼片飽和點(diǎn)，磁通密度為1.9T或更高些進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)，稱為變壓器過(guò)勵(lì)磁。如當(dāng)勵(lì)磁電壓為額定電壓的130%～140%時(shí)，過(guò)勵(lì)磁較嚴(yán)重，如果持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，硅鋼片單位損耗按指數(shù)上升，鐵芯溫度上升會(huì)使變壓器逐漸老化而損壞。

2 產(chǎn)生過(guò)勵(lì)磁現(xiàn)象的原因

通常認(rèn)為，接到電網(wǎng)上的電力變壓器產(chǎn)生過(guò)勵(lì)磁現(xiàn)象并不那么容易，因?yàn)殡娏ψ儔浩鞯拇磐芏龋谧畛踉O(shè)計(jì)時(shí)選取1.6～1.7T，而制造變壓器鐵芯的冷軋硅鋼片，其飽和點(diǎn)磁通密度為1.9T以上，該值完全能避免變壓器額定電壓和額定頻率造成的偏差。但是，實(shí)際情況并非如此，下面介紹一下最常見(jiàn)的幾種過(guò)勵(lì)磁現(xiàn)象在電力變壓器中到底是怎么出現(xiàn)的。

（1）電力變壓器分接開(kāi)關(guān)連接或調(diào)整不正確。當(dāng)電力變壓器進(jìn)行檢修，退出運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，分接開(kāi)關(guān)放在最小位置。檢修后沒(méi)有重新調(diào)整，然后就進(jìn)行合閘，這時(shí)電網(wǎng)電壓將大于最小分接電壓，這樣就很可能使電力變壓器發(fā)生過(guò)勵(lì)磁。

（2）電力變壓器從空載到投入負(fù)載運(yùn)行，在合閘的瞬間可能產(chǎn)生過(guò)勵(lì)磁。如果在電力變壓器鐵芯中有一定的剩磁通，且在外加電壓剛好過(guò)零時(shí)合閘，則此時(shí)過(guò)勵(lì)磁最為嚴(yán)重，是最不利的空載合閘時(shí)刻。

（3）升壓變壓器從電網(wǎng)上切除電源時(shí)，也會(huì)發(fā)生過(guò)勵(lì)磁現(xiàn)象。當(dāng)升壓變壓器在電網(wǎng)上正常運(yùn)行時(shí)，電力系統(tǒng)的電壓比較穩(wěn)定，產(chǎn)生過(guò)勵(lì)磁的可能性很小。但如果升壓變壓器要從電網(wǎng)上切斷時(shí)，其過(guò)勵(lì)磁就有可能發(fā)生。如果切斷時(shí)勵(lì)磁電壓很高，則U/f值增加，有可能達(dá)120%～135%以上，這樣，鐵芯磁通密度大大超過(guò)飽和點(diǎn)。

（4）電力變壓器運(yùn)行時(shí)額定電壓的頻率低于額定頻率。當(dāng)電力系統(tǒng)的頻率低于額定頻率，而電感性負(fù)載的電壓不變時(shí)，電網(wǎng)頻率的降低會(huì)引起電力變壓器鐵芯中磁通的增加，因而就會(huì)產(chǎn)生過(guò)勵(lì)磁。

（5）鐵芯結(jié)構(gòu)方面的因素。目前電力變壓器的鐵芯大都采用冷軋硅鋼片，作為鐵芯材料。鐵芯結(jié)構(gòu)采用全斜45°接縫的疊裝方式，接縫分兩處錯(cuò)開(kāi)，并有一定搭接的距離。雖然在搭接處的截面增加不少，但有效厚度卻變小了一些，所以接縫處的實(shí)際截面減少了，因此在接縫處會(huì)產(chǎn)生過(guò)勵(lì)磁，磁通密度會(huì)飽和。

（6）系統(tǒng)因事故解列后，部分系統(tǒng)的甩負(fù)荷引起過(guò)電壓，也可能引起電力變壓器過(guò)勵(lì)磁。

（7）三相三柱式心式鐵芯結(jié)構(gòu)，Y，yn0聯(lián)結(jié)組別的電力變壓器，由于負(fù)載不平衡，往往會(huì)引起中性點(diǎn)電壓的漂移，此時(shí)變壓器的鐵芯中也會(huì)產(chǎn)生過(guò)勵(lì)磁。

另外，還有如鐵磁諧振過(guò)電壓以及長(zhǎng)線路末端帶空載變壓器等，也可能產(chǎn)生較高的過(guò)電壓引起變壓器過(guò)勵(lì)磁。

3 過(guò)勵(lì)磁對(duì)變壓器的影響

從以上分析的幾個(gè)方面來(lái)看，電力變壓器出現(xiàn)過(guò)勵(lì)磁的情況比較多，如果電力變壓器的鐵芯出現(xiàn)過(guò)勵(lì)磁，到底會(huì)對(duì)電力變壓器產(chǎn)生哪些影響呢？

主要體現(xiàn)在以下五方面：

（1）變壓器的空載電流的高次諧波增加。

（2）變壓器的噪音明顯增大。

（3）過(guò)勵(lì)磁時(shí)勵(lì)磁涌流會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空載電流產(chǎn)生較強(qiáng)的機(jī)械力。

（4）雜散磁通不經(jīng)過(guò)主磁路，會(huì)引起變壓器結(jié)構(gòu)件中的附加損耗。

（5）變壓器的空載損耗增大，鐵芯的溫升會(huì)增加。由此看來(lái)，如果電力變壓器不具有承受過(guò)勵(lì)磁的能力，會(huì)影響變壓器的正常安全運(yùn)行。因此在IEC76-1標(biāo)準(zhǔn)上對(duì)電力變壓器過(guò)勵(lì)磁能力有規(guī)定：在設(shè)計(jì)時(shí)要求考慮，電力變壓器在運(yùn)行中要保證一定的過(guò)勵(lì)磁水平，具有一定的過(guò)勵(lì)磁能力。

如果電力變壓器在設(shè)計(jì)的飽和磁通密度值以上運(yùn)行時(shí)，就會(huì)有大量的雜散磁通，不經(jīng)過(guò)主磁路，使繞組和夾件、油箱等金屬件的溫度達(dá)到120℃以上，使其相鄰的絕緣部件產(chǎn)生碳化，甚至燒壞。鐵芯過(guò)熱程度和變壓器的設(shè)計(jì)磁通密度關(guān)系很大，當(dāng)變壓器的過(guò)勵(lì)磁超過(guò)設(shè)計(jì)磁通密度的120%時(shí)，運(yùn)行時(shí)間不允許超過(guò)2分鐘。對(duì)于電力變壓器，損壞是累積的，如反復(fù)多次，并伴隨著局部過(guò)熱，絕緣部件壽命縮短，最終會(huì)燒壞變壓器，然而偶爾1～2次過(guò)勵(lì)磁盡管較為嚴(yán)重，也不至于燒毀變壓器。

如果變壓器運(yùn)行電壓超過(guò)額定電壓的10%時(shí)，就會(huì)使變壓器鐵芯飽和，而因飽和產(chǎn)生的漏磁將使變壓器鐵損增大，造成鐵芯溫度升高；同時(shí)還會(huì)使漏磁通增強(qiáng)，使靠近鐵芯的繞組導(dǎo)線、油箱壁及其他金屬構(gòu)件產(chǎn)生渦流損耗，使變壓器過(guò)熱，絕緣老化，影響變壓器壽命，嚴(yán)重時(shí)造成局部變形和損傷周?chē)慕^緣介質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀變壓器。

4 變壓器避免過(guò)勵(lì)磁的方法

為了使電力變壓器不出現(xiàn)過(guò)勵(lì)磁或縮短過(guò)勵(lì)磁時(shí)間，應(yīng)采用以下三種方法來(lái)避免變壓器產(chǎn)生過(guò)勵(lì)磁：

（1）電力變壓器運(yùn)行中應(yīng)裝設(shè)過(guò)勵(lì)磁保護(hù)裝置。如大型電力變壓器，額定工作磁通密度BN=1.7～1.8T，飽和工作磁通密度BS=1.9～2.0T，兩者相差不大。當(dāng)U/f比值增加時(shí)，工作磁通密度B增加，使變壓器勵(lì)磁電流增加，特別是在鐵芯飽和之后，勵(lì)磁電流要急劇增大，造成變壓器過(guò)勵(lì)磁，所以大型電力變壓器應(yīng)裝設(shè)過(guò)勵(lì)磁保護(hù)。應(yīng)根據(jù)變壓器特性曲線，設(shè)置整定值，一旦發(fā)生過(guò)勵(lì)磁，使其發(fā)出預(yù)警信號(hào)而切除變壓器。

（2）設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)變壓器運(yùn)行特性來(lái)考慮。如果電力變壓器允許過(guò)勵(lì)磁超過(guò)設(shè)計(jì)磁通密度的105%而長(zhǎng)期運(yùn)行，則設(shè)計(jì)磁通密度應(yīng)略微有降低，制造成本相應(yīng)提高，因此設(shè)計(jì)磁通密度的選擇取決于變壓器的種類(lèi)。電網(wǎng)中變電所內(nèi)電力變壓器可以按5%的過(guò)勵(lì)磁來(lái)考慮即可，大部分廠家設(shè)計(jì)這類(lèi)電力變壓器時(shí)磁通密度取1.8T的也較為普遍，但設(shè)計(jì)升壓變壓器要根據(jù)本身的特性來(lái)考慮，并對(duì)鐵芯進(jìn)行溫升計(jì)算，以避免變壓器不必要的燒壞。

（3）當(dāng)如果電力變壓器產(chǎn)生過(guò)勵(lì)磁的原因是由于額定電壓的頻率低于額定頻率時(shí)，可以用甩開(kāi)負(fù)載的方法來(lái)解決。如果當(dāng)變壓器運(yùn)行時(shí)頻率下降3%時(shí)可以甩掉負(fù)載20%。

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作者簡(jiǎn)介：傅永華（1972-），男，內(nèi)江鐵路機(jī)械學(xué)校講師。

（責(zé)任編輯：劉 晶）