變壓器剩磁對(duì)設(shè)備運(yùn)行的影響與防范措施

張素梅 閆海寧

【摘 要】本文結(jié)合一起主變跳閘事件，介紹了變壓器剩磁的基本概念，伴隨著直流試驗(yàn)，變壓器鐵心將會(huì)產(chǎn)生剩磁。如果不對(duì)剩磁進(jìn)行處理，可能會(huì)對(duì)變壓器的繼電保護(hù)裝置以及一次設(shè)備帶來諸多不利影響。文章對(duì)變壓器剩磁的產(chǎn)生機(jī)理以及剩磁對(duì)設(shè)備運(yùn)行的影響進(jìn)行了分析，并根據(jù)其特點(diǎn)提出了一些防范對(duì)策，其中一些已經(jīng)在工程實(shí)際中取得了較好的效果。

【關(guān)鍵詞】變壓器;剩磁;試驗(yàn)

0 引言

按照檢修計(jì)劃，在對(duì)某變電站主變壓器進(jìn)行一系列預(yù)防性試驗(yàn)后，該變壓器各項(xiàng)電氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合相關(guān)規(guī)程要求，可以投運(yùn)。但待運(yùn)行人員依照調(diào)度指令將該主變投運(yùn)時(shí)發(fā)生變壓器跳閘，根據(jù)錄波器記錄，經(jīng)過分析，初步懷疑引起變壓器跳閘的原因：變壓器在進(jìn)行直流電阻試驗(yàn)時(shí)，選擇的電流值稍大、環(huán)境溫度較低、預(yù)試完畢后不久就進(jìn)行投運(yùn)操作，不利于變壓器剩磁的自衰減。當(dāng)空載充電時(shí)，由于剩磁的原因，導(dǎo)致勵(lì)磁涌流過大、引發(fā)保護(hù)動(dòng)作。根據(jù)這一特性，初步判斷可能是之前進(jìn)行直流電阻試驗(yàn)之后未進(jìn)行消磁處理，故變壓器投運(yùn)時(shí)由于磁路飽和導(dǎo)致勵(lì)磁涌流過大引發(fā)保護(hù)動(dòng)作。結(jié)合本次案例，本文就變壓器剩磁相關(guān)技術(shù)問題進(jìn)行了探討。在作出上述判斷后，電氣試驗(yàn)人員立即對(duì)變壓器剩磁進(jìn)行了處理。待調(diào)度發(fā)出指令后，運(yùn)行人員再次將該主變投運(yùn)，設(shè)備投運(yùn)成功。

1 剩磁的產(chǎn)生

1.1 鐵磁元件的電磁特性

圖1 鐵磁材料的磁滯回線

一般來說，處于磁場(chǎng)中的鐵磁元件，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不是磁場(chǎng)強(qiáng)度H的單值函數(shù)，而依賴于其所經(jīng)歷的磁狀態(tài)。如圖1所示，對(duì)以磁中性狀態(tài)為起始態(tài)，即H=B=0，當(dāng)磁狀態(tài)沿起始磁化曲線0abc磁化到圖1鐵磁材料的磁滯回線c點(diǎn)附近時(shí)，此時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度B趨于飽和，曲線幾乎與H軸平行，記此時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bs，磁場(chǎng)強(qiáng)度為Hs。此后若減小磁場(chǎng)，則從某一磁場(chǎng)（b點(diǎn)）開始，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化偏離原先的起始磁化曲線，B的變化落后于H。當(dāng)H減小至零時(shí)，B并不為零，而等于剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br。為使B減為零，需要另加一個(gè)反向磁場(chǎng)-Hcm，稱為矯頑力。反向磁場(chǎng)繼續(xù)增大到-Hs時(shí)，鐵磁元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度B沿反方向磁化到趨于飽和-Bs。反向磁場(chǎng)減小并再反向時(shí)，按相似的規(guī)律得到另一支偏離反向起始磁化曲線的曲線fegbc。于是，當(dāng)磁場(chǎng)從Hs變成-Hs，再?gòu)?Hs變成Hs時(shí)，鐵磁元件的磁狀態(tài)由閉合曲線cbde-fegbc描述。其中bc與ef兩段對(duì)應(yīng)于可逆磁化B為H的單值函數(shù);而bdegb稱為磁化曲線，在此回線上，同一個(gè)H可對(duì)應(yīng)于兩個(gè)B值。若在小于Hs的±Hm間反復(fù)磁化時(shí)，則會(huì)得到較小的磁滯回線，稱為小磁滯回線或局部磁滯回線，如圖2所示。當(dāng)變壓器中存在剩磁時(shí)可使其產(chǎn)生更大數(shù)值的勵(lì)磁涌流，而此時(shí)的勵(lì)磁電流與無(wú)剩磁時(shí)的勵(lì)磁電流的最大區(qū)別在于勵(lì)磁電流中存在較明顯的偶次諧波勵(lì)磁電流， 勵(lì)磁電流的偶次諧波是存在剩磁的標(biāo)志。因此可通過對(duì)勵(lì)磁電流的偶次諧波的測(cè)量來判斷是否有剩磁的存在。

圖2 局部磁滯回線

1.2 直流試驗(yàn)與剩磁

由圖1可見，處于變化磁場(chǎng)中的鐵磁元件，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H為0時(shí)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度并不為0，而等于Br，通常稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱剩磁。變壓器剩磁的產(chǎn)生與對(duì)其所進(jìn)行的直流試驗(yàn)有很大的關(guān)系。按照規(guī)程要求，變壓器的預(yù)試項(xiàng)目必須包含“測(cè)量繞組連同套管的直流電阻”，其目的在于：檢查繞組接頭的焊接質(zhì)量和繞組有無(wú)匝間短路;電壓分接開關(guān)的各個(gè)位置接觸是否良好以及分接開關(guān)實(shí)際位置與指示位置是否相符;引出線有無(wú)斷裂;多股導(dǎo)線并饒的繞組是否有斷股等情況。在進(jìn)行直流電阻試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間越長(zhǎng)，試驗(yàn)電流越大，剩磁量也就越大。剩磁實(shí)質(zhì)上是鐵磁材料磁滯損耗的一種表現(xiàn)。磁滯損耗是鐵磁元件吸收電能并轉(zhuǎn)化成磁能的結(jié)果，在交流回路中表現(xiàn)為鐵損。也就是說，磁滯損耗是能量轉(zhuǎn)換所形成的，因此與輸入的功率和時(shí)間有關(guān)。即在繞組上輸入的電功率越大，作用時(shí)間越長(zhǎng)，剩磁量也就越大。這是導(dǎo)致變壓器產(chǎn)生剩磁的根本原因。剩磁的產(chǎn)生是鐵磁材料固有的磁滯現(xiàn)象，電力變壓器繞組直流電阻測(cè)試后， 會(huì)在鐵心中殘留剩磁。 一般說來， 直流磁化的安匝數(shù)愈大，剩磁愈嚴(yán)重。

2 剩磁對(duì)設(shè)備運(yùn)行的影響

正是由于剩磁的存在，導(dǎo)致引言中所述的主變投運(yùn)不成功。在實(shí)際工作中，變壓器剩磁對(duì)設(shè)備正常運(yùn)行的影響也是多方面的。

2.1 對(duì)繼電保護(hù)裝置的影響

在繼電保護(hù)裝置中，剩磁對(duì)瓦斯保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)的影響最大。瓦斯保護(hù)動(dòng)作的機(jī)理：變壓器內(nèi)部故障時(shí)，在故障點(diǎn)產(chǎn)生有電弧的電路電流，造成油箱內(nèi)局部過熱并使變壓器油分解、產(chǎn)生氣體（瓦斯），進(jìn)而造成噴油、沖動(dòng)氣體繼電器，瓦斯保護(hù)動(dòng)作。瓦斯保護(hù)分輕重兩種，輕瓦斯保護(hù)作用于信號(hào)，重瓦斯保護(hù)作用于切除變壓器。當(dāng)變壓器帶有的剩磁量較大時(shí)，空載充電將導(dǎo)致勵(lì)磁涌流過大，產(chǎn)生較大的電動(dòng)力，引起主變線圈、器身振動(dòng)形成油流涌動(dòng)，致使變壓器內(nèi)部的油液面波動(dòng)增大，觸發(fā)重瓦斯保護(hù)動(dòng)作。過大的勵(lì)磁電流還會(huì)導(dǎo)致變壓器輸入電流與輸出電流相差較大，引起變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。

2.2 對(duì)一次設(shè)備的影響

變壓器容量越小，空投時(shí)勵(lì)磁涌流與其額定電流之比就越大。曾經(jīng)發(fā)生過由于剩磁的原因，導(dǎo)致變電站站用變投運(yùn)時(shí)高壓側(cè)熔絲熔斷的事例。同時(shí)，空載充電時(shí)形成的沖擊電流會(huì)引起繞組間的機(jī)械力作用，可能逐漸使其固定物松動(dòng)、繞組變形，從而形成隱患。

2.3 其它影響

勵(lì)磁涌流中含有多種諧波成分及直流分量，使得變壓器成為電網(wǎng)中的諧波源，降低了供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量;同時(shí)，諧波中的高次分量對(duì)電力系統(tǒng)中的敏感電力電子元器件也會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的破壞作用。

3 防范對(duì)策

綜上分析可知，要控制變壓器剩磁，就必須嚴(yán)控直流試驗(yàn)時(shí)的電流與試驗(yàn)時(shí)間。但如果剩磁已經(jīng)超出允許范圍，就必須采取措施消除剩磁，或?qū)⑵淇刂频揭欢ǖ姆秶詢?nèi)。當(dāng)變壓器發(fā)生剩磁影響時(shí)，消除剩磁就成為一項(xiàng)必需的工作。 剩磁是變壓器鐵心磁化過程中磁滯損耗的結(jié)果。 鐵心磁化過程就是在外加的磁勢(shì)作用下，鐵心材料內(nèi)的小磁極的有序的排列;磁滯損耗是一種能量的損耗。 因此，可以根據(jù)剩磁形成的機(jī)理，采取消除剩磁的措施：加一個(gè)反向直流磁勢(shì)進(jìn)行退磁，這在理論上是可以的，但控制起來比較困難，直流電阻試驗(yàn)電流值及試驗(yàn)時(shí)間在變壓器試驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡量降低加載的電流值，可考慮使用助磁法進(jìn)行測(cè)量，把高、低壓繞組串聯(lián)起來，通電流測(cè)量，由于高壓繞組的匝數(shù)遠(yuǎn)比低壓繞組匝數(shù)多，借助于高壓繞組的勵(lì)磁安匝數(shù)，用較小的電流就可使鐵芯飽和，從而使繞組電感大為減小，以縮短測(cè)試時(shí)間，而達(dá)到快速測(cè)試的目的，從而盡量減小鐵芯中的剩磁。同時(shí)提高鐵心的環(huán)境溫度，加速鐵心材料的分子熱運(yùn)動(dòng)，有序排列的磁極重新紊亂，達(dá)到消磁的目的，但同樣存在控制方面的問題;加一個(gè)交流磁勢(shì)，消除剩磁，目前這是較好的方法。使根據(jù)剩磁的特點(diǎn)與產(chǎn)生機(jī)理，可以采取多種措施。

3.1 直流消磁

直流消磁法又稱反向沖擊法，是在變壓器高壓繞組兩端正向、反向分別通入直流電流，并不斷減小，以縮小鐵心的磁滯回環(huán)，從而達(dá)到消除剩磁的目的。

圖3 直流消磁法

據(jù)相關(guān)研究資料表明，一般情況下，反復(fù)沖擊4～5次即可以取得較好的效果。

3.2 交流消磁

交流消磁法的具體操作是給變壓器用一個(gè)較低電壓等級(jí)的電壓充電。這樣可以降低鐵心磁通？覫m的峰值，從而達(dá)到減小勵(lì)磁電流的目的。在本文引言案例中，電氣試驗(yàn)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，采用了交流消磁法對(duì)變壓器的剩磁進(jìn)行了處理，最終取得了較好的效果。

3.3 制電壓合閘相位角

由鐵芯剩磁引起的勵(lì)磁涌流是可以抑制乃至消除的。由于偏磁的極性及數(shù)值是可以通過選擇外施電壓合閘相位角進(jìn)行控制的，因此，如果能掌握變壓器上次斷電時(shí)磁路中的剩磁極性，就完全可以通過控制變壓器空投時(shí)的電源電壓相位角，實(shí)現(xiàn)讓偏磁與剩磁極性相反，從而消除產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的根源—磁路飽和，實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁涌流的抑制。通過控制變壓器空投電源時(shí)的電壓合閘相位角，使其不產(chǎn)生偏磁，從而避免空投電源時(shí)磁路出現(xiàn)飽和。捕捉不產(chǎn)生偏磁的電源電壓合閘角只有兩個(gè)，即正弦電壓的兩個(gè)峰值點(diǎn)（90°或270°），如果偏離了這兩點(diǎn)，偏磁就會(huì)出現(xiàn)，如果動(dòng)作時(shí)間漂移1 mm ，合閘相位角就將產(chǎn)生18°的誤差。此外，由于三相電壓的峰值并不是同時(shí)到來，而是相互相差120°，為了完全消除三相勵(lì)磁涌流，可以分相控制斷路器合閘時(shí)間，來減小勵(lì)磁涌流。目前220 kV及以上電壓等級(jí)的斷路器跳合閘時(shí)間已經(jīng)比較精確、穩(wěn)定。

3.4 升鐵心溫度

當(dāng)鐵心的溫度升高時(shí)，會(huì)加劇其材料的分子熱運(yùn)動(dòng)。原先磁化后趨向磁場(chǎng)排列的原子磁矩受熱騷動(dòng)作用趨向混亂排列，原子磁矩間相互作用，而無(wú)法形成合磁矩，進(jìn)而達(dá)到消磁的目的。

3.5 擇矯頑力小的新型軟磁材料軟磁材料

是指具有低矯頑力和高磁導(dǎo)率的磁性材料，有著易磁化，也易退磁的特性。變壓器鐵芯所用的硅鋼就是軟磁材料的一種。隨著技術(shù)的進(jìn)步，有著更小矯頑力的非晶合金材料也開始應(yīng)用于變壓器制造領(lǐng)域。非晶變壓器有著極佳的磁滯特性，變壓器的剩磁現(xiàn)象無(wú)疑將會(huì)大大改善。

3.6 動(dòng)保護(hù)設(shè)置二次諧波交叉制動(dòng)功能

設(shè)置二次諧波交叉制動(dòng)功能，即二次諧波不僅對(duì)本相起制動(dòng)作用，對(duì)其他相也起制動(dòng)作用，只要有一相檢測(cè)出涌流，三相都閉鎖。制動(dòng)作用時(shí)間通過保護(hù)裝置定值設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于三相五柱式變壓器而言，由于其各相之間除了與電之間的聯(lián)系外，磁路相互聯(lián)系，一相檢測(cè)出勵(lì)磁涌流后，應(yīng)當(dāng)閉鎖其它相。如此，只要保護(hù)裝置檢測(cè)出一相電流二次諧波分量達(dá)到閉鎖數(shù)值，閉鎖各相差動(dòng)保護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

變壓器試驗(yàn)或運(yùn)行中出現(xiàn)的一些異常現(xiàn)象，其中有很大比例都與鐵心中的剩磁有很大關(guān)系。了解變壓器剩磁的產(chǎn)生機(jī)理、剩磁對(duì)設(shè)備運(yùn)行的影響以及相關(guān)的防范措施，無(wú)疑將對(duì)保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到很大的幫助作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]胡虔生，胡敏強(qiáng).電機(jī)學(xué)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[2]萬(wàn)凱，劉會(huì)金.計(jì)及剩磁效應(yīng)得變壓器模型[J].變壓器，2002，39（5）：10-13.

[3]李建明，朱康.高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)方法[M].北京：中國(guó)電力出版社，2001.

[4]江蘇省電力公司.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理與實(shí)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[5]翁漢琍，林湘寧，劉沛.變壓器有載合閘時(shí)縱聯(lián)查董保護(hù)誤動(dòng)分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（20）：27-32.

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

[責(zé)任編輯：楊玉潔]