基于一起主變壓器跳閘事件的變壓器消磁技術(shù)探討

李仲彬

【摘 ?要】基于某公司某110kV變電站主變壓器高壓試驗(yàn)結(jié)束后，用主變高壓側(cè)102斷路器對主變空充失敗的案例，分析大容量變壓器因直流電阻試驗(yàn)導(dǎo)致變壓器鐵芯內(nèi)剩磁產(chǎn)生的原因、特點(diǎn)及危害，重點(diǎn)探討現(xiàn)有的變壓器鐵芯消磁技術(shù)和消磁方法，并在現(xiàn)有的技術(shù)理論基礎(chǔ)上提出一種基于變壓器勵磁測量的消磁技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】變壓器;跳閘;鐵芯剩磁;消磁

某110kV變電站110kV2號主變在預(yù)試定檢工作結(jié)束投運(yùn)過程中，在主變高壓側(cè)102斷路器對2號主變進(jìn)行充電時，發(fā)生110kV2號主變差動保護(hù)動作跳閘，經(jīng)分析當(dāng)主變空載合閘時，主變高壓側(cè)出現(xiàn)幅值很大的勵磁涌流，因保護(hù)未躲過勵磁涌流而動作跳閘。

一、跳閘概況

該變電站110kV2號主變型號為：SFZ11-40000/110。充電方式：通過110kVⅡ母線上的102斷路器對110kV2號主變進(jìn)行充電，2號主變投入差動保護(hù)、三側(cè)復(fù)壓過流保護(hù)及瓦斯保護(hù)，充電時主變差動保護(hù)、三側(cè)復(fù)壓過流保護(hù)動作，跳開102斷路器。通過跳閘錄波文件分析，故障電流為類似正弦波，故障電流呈現(xiàn)出尖頂波，電流較正常狀態(tài)下波形偏向時間軸一側(cè)，故障電流有明顯的間斷角，可判斷為勵磁涌流。

二、跳閘原因分析

根據(jù)《1000kV交流電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》（GB/Z 24846-2009）要求，直流電阻試驗(yàn)為主變的例行試驗(yàn)項目，由于鐵磁材料的磁滯特性，直流電阻試驗(yàn)將在主變壓器鐵芯中產(chǎn)生剩磁，且主變壓器磁阻較小，尤其是三相五柱式變壓器，在直流電阻試驗(yàn)時所加的試驗(yàn)電流較大、時間較長，容易導(dǎo)致主變鐵芯剩磁較大，而主變剩磁過大會加速鐵芯飽和，導(dǎo)致主變充電時合閘勵磁涌流過大，引起110kV2號主變差動保護(hù)誤動作跳閘。

三、變壓器剩磁產(chǎn)生原理及特點(diǎn)

變壓器鐵芯是由低損耗硅鋼片疊裝制成，工頻電流產(chǎn)生的磁場將鐵芯磁化到飽和狀態(tài)后，再逐漸減小到零時，鐵芯內(nèi)所保留的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為剩磁。在進(jìn)行變壓器直流電阻試驗(yàn)時，在繞組上通過含有直流分量的電流產(chǎn)生與直流分量成正比的磁勢，鐵芯材料中的小磁極在此磁勢作用下形成有序排列，是一種電能轉(zhuǎn)化為磁能的磁滯損耗。

如圖2所示，變壓器鐵芯在線圈未通直流電時，磁場強(qiáng)度H為零，磁感應(yīng)強(qiáng)度B也為零，即H=B=0。當(dāng)直流電源通入線圈后，鐵芯開始勵磁，B隨著H的增大而增大。當(dāng)H=Hs時，B趨于飽和，形成勵磁曲線0abc，記此時的磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bs。斷開直流電源，鐵芯勵磁電流消失，B隨著H的減小而減小，但是B偏離原來的磁化曲線，其變化落后于H。當(dāng)H減小至零時，H并不為零，而等于剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br。為使B=0，需要另加一個反向磁場-Hcm，稱為矯頑力。反向磁場增大到-Hs時，鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度B沿反方向趨于飽和-B s，反向磁場減小并再反向時，按相似的規(guī)律得到另一支偏離反向的磁化曲線fegbc，于是封閉曲線cbdef-fegbc稱為鐵芯的磁滯回線。上述可知，變壓器直流電阻試驗(yàn)中未縮短時間和提高測量精度，通常采用較大電流測試方法，從而導(dǎo)致變壓器的剩磁量增大。

四、變壓器剩磁危害

變壓器直流電阻試驗(yàn)后，鐵芯中有較多剩磁，通過直流電阻試驗(yàn)儀器上的消磁功能不能有效實(shí)現(xiàn)鐵芯消磁，其危害主要變現(xiàn)在以下方面：容易造成變壓器空充時勵磁涌流過大導(dǎo)致繼保裝置誤動，使變壓器的投運(yùn)不成功;若是勵磁涌流數(shù)值很大，容易造成變壓器及斷路器損壞;勵磁涌流中大量的直流分量使 TA 磁路過度磁化，而對測量精度和繼保的正確動作率造成巨大影響;勵磁涌流中諧波分量是電網(wǎng)主要諧波污染源之一。

五、常用變壓器特性消磁技術(shù)

根據(jù)上述變壓器鐵芯剩磁形成的原理，消除或者削弱剩磁，只需要將鐵芯材料中的小磁極所形成有序排列打亂恢復(fù)到原來的紊亂狀態(tài)，目前主要的消磁方法有以下幾種：

1.直流消磁法：又稱反向反復(fù)沖擊法。在變壓器高壓繞組兩端正向，反向分別通入直流電流，并不斷減小直流電流幅值，以實(shí)現(xiàn)縮小變壓器鐵芯的磁滯回環(huán)，達(dá)到消磁目的，一般情況下沖擊4～6次可以達(dá)到消磁的效果。通常選用5A、2A、1A電流值，依次進(jìn)行反向反復(fù)沖擊消磁，每次沖擊時間5至10分鐘，該方法存在耗時長、操作復(fù)雜、消磁不徹底等問題。

2.交流消磁法：又稱交流零起升壓消磁法。在變壓器低壓側(cè)ab，bc，ca之間同時施加可調(diào)的交流電壓，高壓側(cè)中性點(diǎn)接地，這種方法的接線類似于變壓器的空載試驗(yàn)，通過調(diào)壓器將電壓升至低壓側(cè)額定電壓的30%，保持5min鐘后，將電壓緩慢平穩(wěn)降至零，重復(fù)上述操作3～5次，可以達(dá)到降低勵磁涌流的目的。該方法由于需要使用調(diào)壓器，設(shè)備容量比較大，現(xiàn)場操作不方便。

上述消磁方法為現(xiàn)行主流變壓器消磁技術(shù)，但是存在消磁時間長，操作復(fù)雜，設(shè)備容量大，現(xiàn)場實(shí)施困難，試驗(yàn)效率低下等問題。

六、基于變壓器剩磁測量的消磁技術(shù)

變壓器消磁設(shè)備應(yīng)該實(shí)現(xiàn)兩部分功能：1.可對變壓器鐵芯剩磁量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，通過感測元件、調(diào)壓器及相關(guān)輸入、輸出回路，實(shí)時監(jiān)測變壓器剩磁量;2.直流消磁功能，實(shí)時分析感測元件所接受到剩磁量，由PLC程序控制，在變壓器高壓側(cè)施加方向直流脈沖電流，逐步縮小鐵芯磁滯回環(huán)，實(shí)現(xiàn)消磁目的。具體原理如下：

1.建立變壓器高壓側(cè)剩磁量與可檢測電流的關(guān)系。為建立變壓器剩磁量與測量回路的關(guān)系，在變壓器低壓側(cè)加入工頻220v交流電壓，構(gòu)成監(jiān)測回路，通過霍爾效應(yīng)傳感器分析變壓器鐵芯剩磁量與繞組電流數(shù)值的關(guān)系。圖3為簡化的單相變壓器剩磁驗(yàn)證等效電路。

2.如圖4所示，在基于單相變壓器鐵芯剩磁等效電路的基礎(chǔ)上，通過在主變低壓裝設(shè)霍爾效應(yīng)傳感器，并配套相應(yīng)的感測元件，對變壓器剩磁實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測和分析。由PLC程序控制，在變壓器剩磁不滿足技術(shù)規(guī)范要求時，通過調(diào)壓器對主變壓器高壓側(cè)施加方向衰減直流電流脈沖，感測元件在每個直流電流脈沖結(jié)束后，繼續(xù)監(jiān)測分析變壓器剩磁量，如果剩磁量不滿足要求，程序繼續(xù)驅(qū)動消磁回路工作，在重復(fù)上述過程直至感測元件測量到的變壓器剩磁滿足技術(shù)規(guī)范要求，則消磁結(jié)束。

七、結(jié)論

本文通過一起110kV主變勵磁涌流跳閘事件，分析變壓器鐵芯剩磁產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)有變壓器鐵芯消磁技術(shù)，提出一種通過基于變壓器剩磁測量的消磁技術(shù)，該技術(shù)作為變壓器消磁的一種新方法與現(xiàn)有變壓器消磁技術(shù)相比，具有監(jiān)測時間短、檢測成本低、消磁時間短、流程簡單、能夠?qū)崟r監(jiān)測等優(yōu)勢。

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（作者單位：云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司德宏供電局）