变压器剩磁对设备运行的影响与防范措施

张素梅 闫海宁

【摘 要】本文结合一起主变跳闸事件，介绍了变压器剩磁的基本概念，伴随着直流试验，变压器铁心将会产生剩磁。如果不对剩磁进行处理，可能会对变压器的继电保护装置以及一次设备带来诸多不利影响。文章对变压器剩磁的产生机理以及剩磁对设备运行的影响进行了分析，并根据其特点提出了一些防范对策，其中一些已经在工程实际中取得了较好的效果。

【关键词】变压器;剩磁;试验

0 引言

按照检修计划，在对某变电站主变压器进行一系列预防性试验后，该变压器各项电气试验数据均符合相关规程要求，可以投运。但待运行人员依照调度指令将该主变投运时发生变压器跳闸，根据录波器记录，经过分析，初步怀疑引起变压器跳闸的原因：变压器在进行直流电阻试验时，选择的电流值稍大、环境温度较低、预试完毕后不久就进行投运操作，不利于变压器剩磁的自衰减。当空载充电时，由于剩磁的原因，导致励磁涌流过大、引发保护动作。根据这一特性，初步判断可能是之前进行直流电阻试验之后未进行消磁处理，故变压器投运时由于磁路饱和导致励磁涌流过大引发保护动作。结合本次案例，本文就变压器剩磁相关技术问题进行了探讨。在作出上述判断后，电气试验人员立即对变压器剩磁进行了处理。待调度发出指令后，运行人员再次将该主变投运，设备投运成功。

1 剩磁的产生

1.1 铁磁元件的电磁特性

图1 铁磁材料的磁滞回线

一般来说，处于磁场中的铁磁元件，其磁感应强度B并不是磁场强度H的单值函数，而依赖于其所经历的磁状态。如图1所示，对以磁中性状态为起始态，即H=B=0，当磁状态沿起始磁化曲线0abc磁化到图1铁磁材料的磁滞回线c点附近时，此时磁感应强度B趋于饱和，曲线几乎与H轴平行，记此时的磁感应强度为Bs，磁场强度为Hs。此后若减小磁场，则从某一磁场（b点）开始，磁感应强度B随磁场强度H的变化偏离原先的起始磁化曲线，B的变化落后于H。当H减小至零时，B并不为零，而等于剩余磁感应强度Br。为使B减为零，需要另加一个反向磁场-Hcm，称为矫顽力。反向磁场继续增大到-Hs时，铁磁元件的磁感应强度B沿反方向磁化到趋于饱和-Bs。反向磁场减小并再反向时，按相似的规律得到另一支偏离反向起始磁化曲线的曲线fegbc。于是，当磁场从Hs变成-Hs，再从-Hs变成Hs时，铁磁元件的磁状态由闭合曲线cbde-fegbc描述。其中bc与ef两段对应于可逆磁化B为H的单值函数;而bdegb称为磁化曲线，在此回线上，同一个H可对应于两个B值。若在小于Hs的±Hm间反复磁化时，则会得到较小的磁滞回线，称为小磁滞回线或局部磁滞回线，如图2所示。当变压器中存在剩磁时可使其产生更大数值的励磁涌流，而此时的励磁电流与无剩磁时的励磁电流的最大区别在于励磁电流中存在较明显的偶次谐波励磁电流， 励磁电流的偶次谐波是存在剩磁的标志。因此可通过对励磁电流的偶次谐波的测量来判断是否有剩磁的存在。

图2 局部磁滞回线

1.2 直流试验与剩磁

由图1可见，处于变化磁场中的铁磁元件，当磁场强度H为0时，其磁感应强度并不为0，而等于Br，通常称为剩余磁感应强度，简称剩磁。变压器剩磁的产生与对其所进行的直流试验有很大的关系。按照规程要求，变压器的预试项目必须包含“测量绕组连同套管的直流电阻”，其目的在于：检查绕组接头的焊接质量和绕组有无匝间短路;电压分接开关的各个位置接触是否良好以及分接开关实际位置与指示位置是否相符;引出线有无断裂;多股导线并饶的绕组是否有断股等情况。在进行直流电阻试验时，试验時间越长，试验电流越大，剩磁量也就越大。剩磁实质上是铁磁材料磁滞损耗的一种表现。磁滞损耗是铁磁元件吸收电能并转化成磁能的结果，在交流回路中表现为铁损。也就是说，磁滞损耗是能量转换所形成的，因此与输入的功率和时间有关。即在绕组上输入的电功率越大，作用时间越长，剩磁量也就越大。这是导致变压器产生剩磁的根本原因。剩磁的产生是铁磁材料固有的磁滞现象，电力变压器绕组直流电阻测试后， 会在铁心中残留剩磁。 一般说来， 直流磁化的安匝数愈大，剩磁愈严重。

2 剩磁对设备运行的影响

正是由于剩磁的存在，导致引言中所述的主变投运不成功。在实际工作中，变压器剩磁对设备正常运行的影响也是多方面的。

2.1 对继电保护装置的影响

在继电保护装置中，剩磁对瓦斯保护和差动保护的影响最大。瓦斯保护动作的机理：变压器内部故障时，在故障点产生有电弧的电路电流，造成油箱内局部过热并使变压器油分解、产生气体（瓦斯），进而造成喷油、冲动气体继电器，瓦斯保护动作。瓦斯保护分轻重两种，轻瓦斯保护作用于信号，重瓦斯保护作用于切除变压器。当变压器带有的剩磁量较大时，空载充电将导致励磁涌流过大，产生较大的电动力，引起主变线圈、器身振动形成油流涌动，致使变压器内部的油液面波动增大，触发重瓦斯保护动作。过大的励磁电流还会导致变压器输入电流与输出电流相差较大，引起变压器差动保护误动作。

2.2 对一次设备的影响

变压器容量越小，空投时励磁涌流与其额定电流之比就越大。曾经发生过由于剩磁的原因，导致变电站站用变投运时高压侧熔丝熔断的事例。同时，空载充电时形成的冲击电流会引起绕组间的机械力作用，可能逐渐使其固定物松动、绕组变形，从而形成隐患。

2.3 其它影响

励磁涌流中含有多种谐波成分及直流分量，使得变压器成为电网中的谐波源，降低了供电系统的供电质量;同时，谐波中的高次分量对电力系统中的敏感电力电子元器件也会产生较强的破坏作用。

3 防范对策

综上分析可知，要控制变压器剩磁，就必须严控直流试验时的电流与试验时间。但如果剩磁已经超出允许范围，就必须采取措施消除剩磁，或将其控制到一定的范围以内。当变压器发生剩磁影响时，消除剩磁就成为一项必需的工作。 剩磁是变压器铁心磁化过程中磁滞损耗的结果。 铁心磁化过程就是在外加的磁势作用下，铁心材料内的小磁极的有序的排列;磁滞损耗是一种能量的损耗。 因此，可以根据剩磁形成的机理，采取消除剩磁的措施：加一个反向直流磁势进行退磁，这在理论上是可以的，但控制起来比较困难，直流电阻试验电流值及试验时间在变压器试验时应尽量降低加载的电流值，可考虑使用助磁法进行测量，把高、低压绕组串联起来，通电流测量，由于高压绕组的匝数远比低压绕组匝数多，借助于高压绕组的励磁安匝数，用较小的电流就可使铁芯饱和，从而使绕组电感大为减小，以缩短测试时间，而达到快速测试的目的，从而尽量减小铁芯中的剩磁。同时提高铁心的环境温度，加速铁心材料的分子热运动，有序排列的磁极重新紊乱，达到消磁的目的，但同样存在控制方面的问题;加一个交流磁势，消除剩磁，目前这是较好的方法。使根据剩磁的特点与产生机理，可以采取多种措施。

3.1 直流消磁

直流消磁法又称反向冲击法，是在变压器高压绕组两端正向、反向分别通入直流电流，并不断减小，以缩小铁心的磁滞回环，从而达到消除剩磁的目的。

图3 直流消磁法

据相关研究资料表明，一般情况下，反复冲击4～5次即可以取得较好的效果。

3.2 交流消磁

交流消磁法的具体操作是给变压器用一个较低电压等级的电压充电。这样可以降低铁心磁通？覫m的峰值，从而达到减小励磁电流的目的。在本文引言案例中，电气试验人员根据现场情况，采用了交流消磁法对变压器的剩磁进行了处理，最终取得了较好的效果。

3.3 制电压合闸相位角

由铁芯剩磁引起的励磁涌流是可以抑制乃至消除的。由于偏磁的极性及数值是可以通过选择外施电压合闸相位角进行控制的，因此，如果能掌握变压器上次断电时磁路中的剩磁极性，就完全可以通过控制变压器空投时的电源电压相位角，实现让偏磁与剩磁极性相反，从而消除产生励磁涌流的根源—磁路饱和，实现对励磁涌流的抑制。通过控制变压器空投电源时的电压合闸相位角，使其不产生偏磁，从而避免空投电源时磁路出现饱和。捕捉不产生偏磁的电源电压合闸角只有两个，即正弦电压的两个峰值点（90°或270°），如果偏离了这两点，偏磁就会出现，如果动作时间漂移1 mm ，合闸相位角就将产生18°的误差。此外，由于三相电压的峰值并不是同时到来，而是相互相差120°，为了完全消除三相励磁涌流，可以分相控制断路器合闸时间，来减小励磁涌流。目前220 kV及以上电压等级的断路器跳合闸时间已经比较精确、稳定。

3.4 升铁心温度

当铁心的温度升高时，会加剧其材料的分子热运动。原先磁化后趋向磁场排列的原子磁矩受热骚动作用趋向混乱排列，原子磁矩间相互作用，而无法形成合磁矩，进而达到消磁的目的。

3.5 择矫顽力小的新型软磁材料软磁材料

是指具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料，有着易磁化，也易退磁的特性。变压器铁芯所用的硅钢就是软磁材料的一种。随着技术的进步，有着更小矫顽力的非晶合金材料也开始应用于变压器制造领域。非晶变压器有着极佳的磁滞特性，变压器的剩磁现象无疑将会大大改善。

3.6 动保护设置二次谐波交叉制动功能

设置二次谐波交叉制动功能，即二次谐波不仅对本相起制动作用，对其他相也起制动作用，只要有一相检测出涌流，三相都闭锁。制动作用时间通过保护装置定值设置来实现。对于三相五柱式变压器而言，由于其各相之间除了与电之间的联系外，磁路相互联系，一相检测出励磁涌流后，应当闭锁其它相。如此，只要保护装置检测出一相电流二次谐波分量达到闭锁数值，闭锁各相差动保护。

4 结语

变压器试验或运行中出现的一些异常现象，其中有很大比例都与铁心中的剩磁有很大关系。了解变压器剩磁的产生机理、剩磁对设备运行的影响以及相关的防范措施，无疑将对保障设备的安全稳定运行起到很大的帮助作用。

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[责任编辑：杨玉洁]