变压器消磁及剩磁验证装置的研制

何 梦，徐 楠，李海南，仲 桦，简博恒

(国网上海市电力公司检修公司，上海 201204)

绕组直流电阻试验是变压器状态检修例行试验中必不可少的项目。由于铁磁材料的磁滞特性，直流电阻试验将在变压器铁心中残留剩磁。一般来说，直流电阻试验所加电流越大、加电流时间越长，剩磁量越大。在变压器轻载或者空载合闸时，铁心中存在的剩磁会加速铁心饱和，而产生较大的励磁涌流。

过大的励磁涌流，可能引起瓦斯保护和差动保护的误动作，还有可能造成直流换相失败甚至是直流闭锁[1]，此外，还会造成绕组结构的位移，使变压器绝缘能力下降，影响变压器的使用寿命。从变电站大型电力变压器跳闸实例分析可知，剩磁越大，合闸瞬时的励磁涌流数值越大[2]。因此，正确检测变压器铁心的剩磁对抑制励磁涌流的研究有很大作用。

近年来，国内外学者对变压器剩磁分析方法进行广泛而深入的研究。文献[3]指出可通过测量励磁电流的偶次谐波来判断是否有剩磁；文献[4]通过测量励磁电抗的大小变化来判断变压器铁心中是否存在剩磁；文献[5]提出了一种预充磁分析法，通过给变压器加载激励至一个较大的已知磁通值，使原有磁通被覆盖，然后以新的剩磁为基础进行分析；文献[6]在文献[5]基础上又提出了一种新的改进预充磁分析方法，采用低功率的恒压源对变压器进行充放电，改变原有磁通，根据测得的最大电流值判断最大剩磁值；文献[7]在分析磁性材料时效特性的基础上，结合Preisach模型及其特性，推导出分段计算铁心剩磁的办法；文献[8]通过记录变压器切出时刻的电压波形和相角变化，对切除时刻电压积分求取剩磁值。文献[1]选取环形变压器铁心搭建试验检测电路，处理试验得到暂态测量电流信号，并将结果代入已建立的剩磁—电流关系式中，得到电力变压器铁心中的剩磁。文献[9]利用幅值相同的正负恒压源对变压器进行充放电，建立“时间—电流”曲线，比较分析正负向电流达到同一设定参考值电流所需充放电时间是否相同来判定变压器中是否存在剩磁及剩磁的极性。但这些方法由于存在部分不可直接测量的参数或不便于现场使用，在变压器铁心剩磁的快速评估现场未得到应用。

本文在此基础上，研究出一种简单快速并且便于现场使用的剩磁验证方法，并采取有效措施削弱直流试验产生的剩磁，这对生产现场工作效率的提高、工作质量的保证，甚至是整个电网的稳定运行都显得至关重要。

1 剩磁产生与消除

1.1 变压器铁心剩磁产生的原因

在磁场中，磁性材料的磁感应强度B与磁场强度H并非一一对应的单值函数，而是与其所经历的磁化状态有关。在外磁场作用下，铁磁材料的磁畴由原来无规则排列状态逐渐转向沿着磁场强度方向的状态，发生磁畴转动和畴壁位移，改变了原有的磁畴结构，使材料由磁中性状态变为所有磁畴都与外加磁场方向相同的磁饱和状态，这种过程称为磁化过程。

铁心的磁滞回线见图1。

图1 铁心的磁滞回线

由于磁化过程的不可逆，导致当励磁电流产生的磁场对变压器铁心进行磁化结束以后，磁通密度不能跟随磁场强度下降到0，磁通密度与磁场强度相差一个相位，称为磁滞现象，磁滞现象是形成磁滞回线的原因，如图1所示。由于铁心材料固有的磁滞现象，当外磁场减小为零时，铁磁体不能恢复到磁中性状态，而是保持稳定的磁化强度，即剩磁，剩磁是不可逆磁化的标志，这就是剩磁形成的原因。

1.2 变压器铁心剩磁的消除方法

根据变压器铁心剩磁形成的机理，消除或削弱剩磁就是要使铁心中有序排列的磁畴重新回到紊乱的自然状态，目前主要有以下几种方法。

(1)直流消磁法。将逐渐衰减、换向的直流电流模拟交流工作状态，从变压器的高压绕组两端正、反向通入，从而实现缩小铁心的磁滞回环，以达到减小剩磁的目的。

(2)交流消磁法。在变压器低压侧加载交流电压，高压中性点接地。缓慢升高电压至50%额定值，并保持5 min后降至0 min，然后缓慢升高电压至100%额定值，保持5 min后缓慢降至0 min，以达到完全去磁。交流消磁法由于使用的设备容量比较大，现场使用不便。

(3)升温法。通过提高铁心的环境温度的方式来加快铁心材料的分子热运动，使铁心中的磁畴恢复自然状态，达到消磁的目的。但同样存在控制手段的问题，现场难以实现。

2 快速验证剩磁的方法

2.1 建立剩磁与可检测电流的关系

为建立剩磁与其他便于检测的物理量的关系，在变压器低压侧施加工频220 V交流电压，构成检测回路，分析变压器铁心剩磁量与绕组电流的关系。图2为简化的单相变压器剩磁验证等效电路。

图2 剩磁验证等效电路

若开关K在t=0时刻合闸，施加在变压器低压绕组上的工频测试电压为

u=Uisin(ωt+α)

(1)

式中Ui=220 V；ω=100π rad/s。

此时，该回路中的电磁方程为

(2)

(3)

解方程，可得

Φ=-Φicos(ωt+α)+Φ(0)

(4)

Φi=Ui/ω

式中 -Φicos(ωt+α)——稳态磁通分量；Φ(0)——磁通自由分量，若考虑变压器的损耗，Φ(0)——衰减的非周期分量；若不计及变压器损耗，Φ(0)——直流分量。

由于铁心的磁通不能突变，故有

Φ(0)=Φicosα+Φ

(5)

Φr为变压器铁心剩磁，其大小和方向与变压器上一状态有关。对于刚停役的变压器，剩磁的大小和方向与断路器分闸时的电压(磁通)有关；对于进行直流电阻试验后的变压器，剩磁的大小和方向与直流充电电流的强度、方向及充电时间有关。

变压器铁心磁路是闭合的，一般情况下电感是非线性的[10]。变压器的暂态等效电感L的计算方法如下

(6)

式中K——系数，取决于线圈的半径与长度的比值；μ——变压器铁心的磁导率；N——绕组匝数；S——变压器铁心磁回路的截面积；le——变压器铁心磁回路的平均长度。

对被试变压器而言，绕组匝数、铁心截面积、铁心回路长度都是确定的，影响变压器绕组暂态等效电感的是磁导率。

由式(4)、式(5)、式(6)可计算绕组中的电流为

(7)

由式(7)可知，绕组电流i的大小与变压器剩磁量正相关，与变压器绕组的暂态等效电感L成反比，即与变压器铁心的磁导率μ成反比。

在助磁时，铁心内磁场强度由0增大至Bs，根据铁磁材料的磁滞回线，可知铁心磁导率μ是先增大后减小的。随着外加磁场H迅速降至0，变压器铁心剩磁从BS降至Br，此时铁心磁导率μ是逐渐增大的。在消磁前，由于直流电阻试验使得剩磁Φr较大，此时铁心磁通饱和度较大，铁心磁导率μ仍然较小，即变压器绕组的暂态等效电感L较小，因而进行剩磁验证时，回路中的绕组电流i较大。在消磁后，剩磁Φr大大减小，此时铁心磁通饱和度大大降低，铁心磁导率μ大大增加，即变压器绕组的暂态等效电感L增大，故剩磁验证时，回路中的绕组电流i明显减小。

因此，只需对比直流试验前后的剩磁验证电路中绕组电流的有效值I，即可快速判定直流试验产生的剩磁在消磁后是否仍有残留。

2.2 消磁及剩磁验证装置的研制

结合直流消磁法，研制一台消磁及剩磁验证装置，如图3所示。现场只需提供交流220 V检修电源即可进行消磁及剩磁验证试验。

图3 消磁及剩磁验证装置

该装置由消磁模块和剩磁验证模块组成。消磁模块采用直流消磁法消磁，只需对低压绕组任意一相消磁即可达到消磁的目的。剩磁验证模块则是给绕组加载220 V交流电压，检测回路中流过绕组的电流有效值。

根据现场大容量变压器直流电阻的试验习惯，对于三角形连接的低压绕组通常按照ab、bc、ca的顺序进行直流电阻测量。因此，现场应用该装置时，建议在直流电阻试验前，采用剩磁验证模块测量低压绕组ca中的初始电流。在直流电阻试验后，采用消磁模块对低压绕组ca进行消磁。消磁后再次采用剩磁验证模块测量低压绕组ca中的电流，通过与直流电阻试验前的数据进行对比，即可判定变压器铁心的剩磁量是否恢复到直流试验前的水平。

3 消磁及剩磁验证的实例分析

3.1 直流消磁有效性验证试验

为验证该装置直流消磁的有效性，以一台500 kV三相双绕组变压器为例，将该装置的直流消磁法与交流消磁法进行对比试验。被试变压器的型号为SFP-1170000/500，额定容量为1 170/1 170 MVA，额定电压为(525±2×2.5%)/27 kV，接线方式为YNd11，天威保变(秦皇岛)变压器有限公司生产。

首先采用直流电阻测试仪对变压器助磁，待三相直流电阻值读数稳定后，采用该装置剩磁验证模块测量绕组电流。然后采用交流消磁法对该变压器消磁，消磁电源由发电机组提供，先缓慢升高电压至50%额定值，并保持5 min后降至0 V，然后缓慢升高电压至100%额定值，保持5 min后缓慢降至0 V。再次采用该装置剩磁验证模块测量绕组电流，对比数据如表1所示。

表1 变压器交流消磁前后的绕组电流

对比试验仍采用直流电阻测试仪以相等的助磁电流对变压器进行助磁，待三相直流电阻值读数稳定后，采用该装置剩磁验证模块测量绕组电流。然后采用该装置的直流消磁模块对该变压器消磁。再采用该装置剩磁验证模块测量绕组电流，对比数据如表2所示。

表2 变压器直流消磁前后的绕组电流

对比表1和表2中消磁前后的绕组电流，可见交流消磁法消磁后，绕组电流明显下降。由于交流消磁法基本可达到完全去磁，此时可认为变压器已处于零剩磁状态(不计变压器固有剩磁)。该装置采用的直流消磁法消磁后，绕组电流比交流消磁后的绕组电流略高，相差不超过7.5%。说明该装置采用的直流消磁法已基本达到了消磁的目的。

3.2 剩磁验证的现场实例

将高低压绕组进行直流电阻试验，并在试验前后进行三相剩磁验证试验，测得绕组电流数据如表3所示。

表3 220 kV变压器直阻试验前后的绕组电流

由表3可见，在变压器直流试验前，铁心初始剩磁状态下，三相绕组电流(也即剩磁量)相近但不完全一致。

在直流电阻试验后，三相的绕组电流均明显增加，说明直流电阻试验会使绕组铁心的剩磁量明显增加。各相的剩磁增加量并不完全一致，与初始剩磁及直流试验时充电时间、直阻测试相别的先后顺序有关。

在直流电阻试验后，采用该装置的变压器进行消磁。并在消磁后进行剩磁验证试验，各相绕组电流如表4所示。

表4 220 kV变压器试验前和消磁后的绕组电流

由表3和表4可见，消磁后的绕组电流明显减小，各相的绕组电流均小于或等于直流电阻试验前的绕组电流，说明该装置能够将直流试验产生的剩磁基本消除，并验证了变压器铁心剩磁已恢复到直流电阻试验前的剩磁水平。

为验证该装置对不同电压等级变压器的适用性，选取了一台型号为ODFPSZ-250000/500的500 kV单相自耦变压器和一台型号为ODFPS- 1000000/1000的1 000 kV单相自耦变压器为例，在现场直流电阻试验时，进行了消磁及剩磁验证试验。

采用该装置测得到的绕组电流如表5和表6所示。

表5 500 kV变压器直阻及消磁试验的绕组电流

表6 1 000 kV变压器直阻及消磁试验的绕组电流

由表5和表6可见，变压器在直流电阻试验后，绕组电流明显增加。采用该装置进行消磁后，绕组电流明显减小，均小于或等于直流电阻试验前的绕组电流，说明该装置在500 kV和1 000 kV电压等级的变压器上同样适用。

该装置不仅能够有效地削弱直流电阻测试所产生的剩磁，而且能以电流值对比的形式，快速、直观地展示铁心剩磁量已恢复到直流电阻试验前的水平。

4 结语

本文通过分析剩磁与绕组电流的关系，提出了一种简单易实现的剩磁验证方法，并研发了一套现场实用的变压器消磁及剩磁验证装置。在不同电压等级的主变上试验结果表明：

(1)该剩磁验证方法能快速验证变压器铁心的剩磁量，为变压器顺利投运提供依据与保障，且检测时间短、检测成本低，对电源和试验仪器无特殊要求，便于现场应用。

(2)该消磁及剩磁验证装置对于不同电压等级的变压器，均能有效地削弱直流电阻试验所产生的剩磁，使铁心剩磁恢复到直流电阻试验前的水平，达到减小励磁涌流的目的。此外，该装置体积小，重量轻，操作流程简单，便于现场使用。

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