變壓器直流電阻測(cè)試產(chǎn)生的剩磁的影響

連 杰

（安康水力發(fā)電廠，陜西 安康 725000）

變壓器直流電阻測(cè)試產(chǎn)生的剩磁的影響

連 杰

（安康水力發(fā)電廠，陜西 安康 725000）

安康水力發(fā)電廠1號(hào)發(fā)電機(jī)變壓器組小修結(jié)束進(jìn)行開機(jī)試驗(yàn)時(shí)，變壓器產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流。分析認(rèn)為此次變壓器產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流源于變壓器直流電阻測(cè)試所產(chǎn)生的剩磁。指出了變壓器剩磁的危害，提出了消除剩磁的方法。

變壓器；直阻測(cè)試；剩磁；勵(lì)磁涌流；消磁

1 事件經(jīng)過

根據(jù)2013年的春檢工作計(jì)劃，安康水力發(fā)電廠經(jīng)過12天時(shí)間完成了1號(hào)水輪機(jī)的小修。小修期間，共完成了1號(hào)水輪機(jī)機(jī)械設(shè)備部分改造檢查、1號(hào)發(fā)電機(jī)機(jī)電設(shè)備清掃檢查以及1號(hào)變壓器預(yù)防性試驗(yàn)。

2013-05-16T20:40，進(jìn)行1號(hào)發(fā)電機(jī)開機(jī)試驗(yàn)。因1號(hào)發(fā)電機(jī)（1F）?與1號(hào)變壓器(1B)為單元接線(見圖1),所以采用1F帶1B空載開機(jī)啟勵(lì)升壓。開機(jī)過程中，?1F機(jī)端電壓直接升至額定電壓，未進(jìn)行遞升加壓。此時(shí)，1101開關(guān)還未合閘并網(wǎng)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控發(fā)出“1號(hào)發(fā)電機(jī)差動(dòng)啟動(dòng)告警”、“1F故障錄波器啟動(dòng)”光字信號(hào)。運(yùn)行人員從計(jì)算機(jī)上位機(jī)監(jiān)控畫面觀察到1號(hào)發(fā)電機(jī)機(jī)端出現(xiàn)1?000?A以上的定子電流(監(jiān)控畫面只能看粗略值)，大約經(jīng)過2?s電流衰減至0。于是終止試驗(yàn)，檢查相關(guān)設(shè)備，并進(jìn)行分析。

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)電機(jī)、變壓器一次設(shè)備無異常情況，1號(hào)發(fā)電機(jī)—變壓器組1FB繼電保護(hù)系統(tǒng)無動(dòng)作信號(hào)，1FB保護(hù)裝置無任何事件記錄，1號(hào)機(jī)組故障錄波器啟動(dòng)，記錄下了1號(hào)發(fā)電機(jī)機(jī)端三相定子電流波形。

技術(shù)人員對(duì)此次錄波圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)1號(hào)發(fā)電機(jī)機(jī)端三相定子電流中，B相、C相電流較大，二次側(cè)采樣有效值約為0.6?A(流互變比為12?000/5，即實(shí)際一次電流約 1?440?A)，且還具有如下特點(diǎn)：

(1)?電流偏于時(shí)間軸的一側(cè)，說明該電流包含有很大成分的非周期分量；

圖1 1號(hào)發(fā)電機(jī)-變壓器組接線示意

(2)?電流變化曲線為尖頂波，說明其中含有數(shù)值很大的高次諧波分量；

(3)?電流波形之間出現(xiàn)間斷。

以上3個(gè)特點(diǎn)完全符合變壓器勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)。由于1F機(jī)端三相定子電流即是1B低壓側(cè)的三相電流，而1B高壓側(cè)無電流，因而1B差動(dòng)保護(hù)采集到的差流就等于該電流。1F、1B在這次設(shè)備檢修過程中做過一些電氣試驗(yàn)和特性檢查，其電氣一次設(shè)備絕緣良好，電氣二次設(shè)備也沒有異?，F(xiàn)象，所以可以判定該三相電流的產(chǎn)生是由于受到相關(guān)設(shè)備電氣試驗(yàn)的影響，造成1F帶1B升壓時(shí)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。計(jì)算機(jī)監(jiān)控發(fā)出的“1號(hào)發(fā)電機(jī)差動(dòng)啟動(dòng)告警”信號(hào)，實(shí)際上是1B差流越限告警引起的。因此，決定再次空載開機(jī)，勵(lì)磁涌流現(xiàn)象沒再出現(xiàn)，設(shè)備一切正常。

2 事件分析

2.1 設(shè)備介紹

安康水力發(fā)電廠是上世紀(jì)90年代初期投產(chǎn)發(fā)電的大中型水電站，4臺(tái)發(fā)電機(jī)分別與4臺(tái)主變構(gòu)成單元接線。變壓器1B是西安變壓器廠上世紀(jì)90年代初生產(chǎn)的SSP7—240?000/110型三相水冷變壓器，額定容量為240?000?kVA,接線組別為“Yn,d11”接線。發(fā)電機(jī)1F單機(jī)容量為200?MW，其勵(lì)磁系統(tǒng)采用的是東方電機(jī)廠生產(chǎn)的DLST—15型他勵(lì)可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)。1FB繼電保護(hù)設(shè)備是2011年初改造更換的國(guó)電南自凌伊電力自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的DGT—801系列數(shù)字式發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)裝置。電氣量保護(hù)采用A柜、B柜雙套化配置，其中A柜、B柜各配置1套DGT—801B型裝置。

DGT—801B型保護(hù)裝置配備有發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)、變壓器差動(dòng)保護(hù)、勵(lì)磁機(jī)差動(dòng)保護(hù)。對(duì)于這3種差動(dòng)保護(hù)裝置，設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)幾乎沒有差流。若差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生相間短路故障，其差流達(dá)到啟動(dòng)電流整定值時(shí)，保護(hù)裝置則會(huì)動(dòng)作出口切除故障并發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，還會(huì)在裝置的事件記錄中保存動(dòng)作報(bào)告。在某些情況下，若差流未達(dá)到啟動(dòng)電流整定值，但超過啟動(dòng)電流整定值的1/3時(shí)，一般預(yù)示差動(dòng)回路存在某種異常狀態(tài)，則向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)“差流越限告警”信號(hào)，提示運(yùn)行人員加以監(jiān)測(cè)，但保護(hù)裝置不會(huì)保存此類告警事件的報(bào)告。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，A柜、B柜發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)、變壓器差動(dòng)保護(hù)、勵(lì)磁機(jī)差動(dòng)保護(hù)的“差流越限告警”信號(hào)共用1對(duì)信號(hào)出口接點(diǎn)送至監(jiān)控系統(tǒng)。也就是說，其中的任何一套差動(dòng)保護(hù)差流越限，監(jiān)控系統(tǒng)都會(huì)發(fā)出“1號(hào)發(fā)電機(jī)差動(dòng)啟動(dòng)告警”光字信號(hào)。

一般情況下，保護(hù)裝置的告警信號(hào)是不保持的，告警源消失，告警信號(hào)就返回。對(duì)1FB繼電保護(hù)裝置檢查時(shí)沒有找到任何事件記錄，但故障錄波圖顯示，通過1F機(jī)端三相的定子電流(也就是1B低壓側(cè)的三相電流)具有變壓器勵(lì)磁涌流特征，并且1FB還未并入電網(wǎng)，即1101開關(guān)處于分閘位置，1B高壓側(cè)無電流。此時(shí)，1B低壓側(cè)電流就是1B差動(dòng)保護(hù)的差流，該電流雖未達(dá)到1B差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)整定值，但超過1B差動(dòng)啟動(dòng)整定電流的1/3。1B差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)電流整定值(折算到1B低壓側(cè)的一次電流值)為4?008?A,其差流越限報(bào)警值則應(yīng)為1?336?A，而故障錄波圖顯示當(dāng)時(shí)實(shí)際的電流有效值達(dá)到1?440?A。因而可以認(rèn)定，此次告警是1B產(chǎn)生勵(lì)磁涌流造成1B差動(dòng)保護(hù)差流越限引起的。

2.2 變壓器的剩磁與勵(lì)磁涌流

當(dāng)變壓器空載投入或外部故障切除電壓恢復(fù)時(shí)，相應(yīng)側(cè)可能出現(xiàn)很大的勵(lì)磁電流。這種暫態(tài)過程中出現(xiàn)的勵(lì)磁電流稱作勵(lì)磁涌流。在給變壓器充電、外部故障切除電壓恢復(fù)或其他引起系統(tǒng)電壓急劇變化的情況下,都會(huì)使變壓器產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流是由于鐵芯的磁飽和產(chǎn)生的。如果對(duì)一臺(tái)經(jīng)過預(yù)防性試驗(yàn)的變壓器，既沒有進(jìn)行消磁處理，也沒有采取其他有效措施，該變壓器一定會(huì)有不同程度的剩磁。那么，當(dāng)機(jī)組啟勵(lì)給發(fā)電機(jī)—變壓器組快速升壓時(shí)，在剩磁疊加影響下，會(huì)加劇勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生。

在這次1F小修期間對(duì)變壓器1B做過的試驗(yàn)項(xiàng)目有，高低壓繞組的絕緣電阻(吸收比)、直流泄漏、直流電阻、繞組介損、套管絕緣等預(yù)防性試驗(yàn)。一般來說，交流磁勢(shì)對(duì)變壓器會(huì)有部分消除剩磁的作用，而電力變壓器在做直流試驗(yàn)后都會(huì)產(chǎn)生剩磁。剩磁的多少取決于變壓器繞組通過的直流電流強(qiáng)度和時(shí)間。剩磁是鐵磁材料的磁滯損耗表現(xiàn)，磁滯損耗是鐵磁材料將電能吸收后轉(zhuǎn)化為磁能的結(jié)果，在交流回路中表現(xiàn)為鐵損的一部分(與渦流損耗共同組成變壓器的鐵損)。也就是說，磁滯損耗是能量轉(zhuǎn)換的結(jié)果，因此，與輸入的功率和時(shí)間有關(guān)，即在變壓器繞組上輸入的電功率越大，時(shí)間越長(zhǎng)，剩磁量就越大。

在這次1B預(yù)試中能使變壓器低壓繞組產(chǎn)生剩磁的預(yù)試項(xiàng)目是直流電阻測(cè)試。其他試驗(yàn)項(xiàng)目有的使用交流測(cè)試，有的使用的直流電流很小，產(chǎn)生的剩磁可以忽略不計(jì)。安康水電廠直流電阻測(cè)試使用的是JD—2550型變壓器直阻測(cè)試儀，該儀器是專門為變壓器繞組電阻測(cè)量而設(shè)計(jì)的快速測(cè)試設(shè)備。它采用全新的電源技術(shù)，額定功率為1?200?W，輸出電流大?？奢敵龅闹绷麟娏饔?0?A，25?A，12?A 這 3 個(gè)檔位，量程為 50?A(0.4～400?mΩ)、25?A(1～800?mΩ)、12?A(1～1?600?mΩ）。該儀器采用單片機(jī)作為系統(tǒng)處理的核心，對(duì)整機(jī)進(jìn)行控制，自動(dòng)完成校驗(yàn)、穩(wěn)流判斷、數(shù)據(jù)處理、阻值顯示等功能，適合大型變壓器直流電阻的測(cè)試。

由于變壓器繞組可視為被測(cè)繞組的電感L與其電阻R串聯(lián)的等值電路，對(duì)其通入直流電流時(shí)，因電感L中的電流不能突變，電路達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間取決于L與R的比值,即時(shí)間常數(shù)T。由于大型變壓器繞組的電感較大、電阻較小，因而時(shí)間常數(shù)T較大，過渡過程時(shí)間較長(zhǎng)，測(cè)量大型變壓器的直流電阻需要很長(zhǎng)的時(shí)間。

采用“Yn，d11”接線的1B低壓側(cè)相間直流電阻大約為1.3～1.4?mΩ，為確保測(cè)試精度，測(cè)試時(shí)一般選擇50?A(0.4～400?mΩ)的量程。3組繞組的直阻測(cè)試時(shí)間共需要1.5?h。這樣大功率的直流長(zhǎng)時(shí)間地加在變壓器低壓繞組上，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)多的剩磁。

2.3 變壓器剩磁的危害

變壓器剩磁具有一定的危害性，表現(xiàn)在當(dāng)變壓器投入運(yùn)行時(shí)，鐵芯剩磁使變壓器鐵芯半周飽和，在勵(lì)磁電流中產(chǎn)生大量諧波。這不僅增加了變壓器的無功消耗，而且可能會(huì)引起繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作。另外，鐵芯的高度飽和會(huì)使漏磁增加，引起繞組間的機(jī)械作用力，可能造成其固定物逐漸松動(dòng)，還可能引起金屬結(jié)構(gòu)件和油箱的局部過熱。局部過熱將加速絕緣老化并使變壓器油分解，影響變壓器的使用壽命。并且，假如產(chǎn)生了數(shù)值較大的勵(lì)磁涌流，還會(huì)導(dǎo)致變壓器因電動(dòng)力過大而受損。另外，勵(lì)磁涌流中的直流分量還可導(dǎo)致電流互感器磁路被過度磁化，大幅降低測(cè)量精度和繼電保護(hù)的正確動(dòng)作率。

3 變壓器剩磁的消除措施

變壓器繞組直流電阻的測(cè)試會(huì)產(chǎn)生剩磁，而該測(cè)試是變壓器試驗(yàn)中的一個(gè)重要試驗(yàn)項(xiàng)目。通過直流電阻測(cè)試分析，可以發(fā)現(xiàn)諸如變壓器接頭松動(dòng)、分接開關(guān)接觸不良、檔位錯(cuò)誤等許多缺陷，對(duì)保證變壓器安全運(yùn)行起到重要作用。

由于變壓器剩磁有諸多不良影響，因此在變壓器經(jīng)過大電流直流電阻測(cè)試后，必須采取適當(dāng)?shù)南糯胧?。根?jù)剩磁形成的機(jī)理，可以采取下列消除剩磁的措施。

(1)?用專用設(shè)備——電力變壓器消磁儀進(jìn)行消磁。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，一些性能良好的變壓器消磁儀相繼面市并得到廣泛應(yīng)用。

(2)?直阻流電試驗(yàn)完畢后，將直流電阻測(cè)試儀調(diào)換極性，對(duì)變壓器繞組再進(jìn)行1次充電，用其所產(chǎn)生的磁通抵消直流電阻測(cè)試時(shí)所產(chǎn)生的部分剩磁。

(3)?由于交流磁勢(shì)對(duì)變壓器會(huì)有部分消除剩磁的作用，可在變壓器預(yù)試結(jié)束時(shí)給變壓器低壓繞組外加一個(gè)交流磁勢(shì)，以消除剩磁。也可以在變壓器預(yù)試的試驗(yàn)順序上進(jìn)行嘗試，例如先做直流測(cè)試項(xiàng)目，最后做交流測(cè)試項(xiàng)目。

(4)?對(duì)于發(fā)電機(jī)變壓器單元接線系統(tǒng)，在變壓器經(jīng)過大電流直流電阻測(cè)試后的首次升壓時(shí)，應(yīng)盡可能避免直接充全電壓，而可以采用發(fā)變組零起升壓或遞升加壓等逐漸升高電壓的方法，這也能很好地解決變壓器的剩磁問題。

4 發(fā)變組檢修后的啟動(dòng)方式與反思

安康水力發(fā)電廠投產(chǎn)發(fā)電20多年來，在發(fā)電機(jī)、變壓器設(shè)備新投運(yùn)或者進(jìn)行發(fā)變組大修檢查后都必須進(jìn)行發(fā)變組零起升壓試驗(yàn)，而且在發(fā)變組小修檢查后一般也都要進(jìn)行發(fā)變組遞升加壓試驗(yàn)。采用零起升壓試驗(yàn)方式，即發(fā)變組自零電壓開始，逐步平穩(wěn)升壓，直至額定電壓，以檢查發(fā)變組設(shè)備是否還存在故障，可防止直接將全電壓加在有故障的設(shè)備上造成設(shè)備損壞。發(fā)變組遞升加壓，一般是在升壓過程中在發(fā)電機(jī)額定電壓的 30?%，50?%，80?%處分別停頓一下，檢查相關(guān)設(shè)備無異常后再加壓至100?%Ue，最后并網(wǎng)帶負(fù)荷。

發(fā)變組零起升壓和遞升加壓不但可以有效防止直接將全電壓加在有故障的設(shè)備上造成的設(shè)備損壞，更對(duì)變壓器消除剩磁具有至關(guān)重要的作用。20多年來，該廠對(duì)發(fā)變組設(shè)備一直按部就班地做好設(shè)備修后零起升壓和遞升加壓試驗(yàn)。但近年來，部分相關(guān)技術(shù)人員對(duì)零起升壓和遞升加壓試驗(yàn)的重要性有所忽視，特別是對(duì)發(fā)變組小修檢查后進(jìn)行發(fā)變組遞升加壓試驗(yàn)的必要性認(rèn)識(shí)不足。對(duì)此次進(jìn)行發(fā)變組小修檢查后的開機(jī)試驗(yàn)時(shí)，未進(jìn)行發(fā)變組遞升加壓試驗(yàn)項(xiàng)目造成的事故隱患需要進(jìn)行反思。

2013-07-29）