寇海榮，王新中，史明彪

（陽城國際發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 晉城 048100）

變壓器直流電阻試驗(yàn)后剩磁影響及對(duì)策

寇海榮，王新中，史明彪

（陽城國際發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 晉城 048100）

闡述了大型變壓器在直流電阻試驗(yàn)中，會(huì)在鐵芯中產(chǎn)生剩磁，當(dāng)發(fā)變組進(jìn)行零起升壓或變壓器空載合閘時(shí)，可能會(huì)造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。結(jié)合實(shí)例分析了變壓器剩磁產(chǎn)生的原因及現(xiàn)象，并提出了可以利用減小直流電阻試驗(yàn)電流值及試驗(yàn)時(shí)間、控制電壓合閘相位角、差動(dòng)保護(hù)設(shè)置二次諧波交叉閉鎖三種方法來減少變壓器剩磁，避免差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。

變壓器；直流電阻；剩磁；勵(lì)磁涌流；差動(dòng)保護(hù)

0 引言

按照《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》要求，大型變壓器在檢修后或運(yùn)行1～3 a后，必要時(shí)都要進(jìn)行直流電阻試驗(yàn)[1]。直流電阻試驗(yàn)將在變壓器鐵芯中產(chǎn)生剩磁，而且由于大型變壓器磁阻較小，尤其是三相五柱式變壓器，直流電阻試驗(yàn)所加電流時(shí)間較長，剩磁較多，將對(duì)變壓器產(chǎn)生不利影響[2]。某電廠2號(hào)機(jī)組小修后，機(jī)組啟勵(lì)時(shí)，主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作、發(fā)變組差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。經(jīng)分析認(rèn)為小修時(shí)對(duì)變壓器直流電阻試驗(yàn)，產(chǎn)生較大剩磁，在快速升壓充電時(shí)，受剩磁影響，變壓器鐵芯飽和，產(chǎn)生數(shù)值較大、時(shí)間較長的勵(lì)磁涌流，導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)二次諧波制動(dòng)閉鎖失效，差動(dòng)保護(hù)出口。

1 實(shí)例介紹

2010年5月31日00 時(shí)12分31秒，某電廠2號(hào)機(jī)小修后啟機(jī)，啟勵(lì)過程中，2號(hào)機(jī)第一套主變差動(dòng)保護(hù)、第二套差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，2號(hào)機(jī)滅磁并聯(lián)跳汽機(jī)。

1.1 變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置跳閘信息

表1為兩套差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后的保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)文。從報(bào)文中可以看出，兩套保護(hù)裝置三相差流都超過啟動(dòng)值0.25I/In，開始階段差動(dòng)保護(hù)二次諧波制動(dòng)發(fā)生作用，制動(dòng)保護(hù)，但在B相二次諧波返回后，差流仍大于啟動(dòng)值，差動(dòng)動(dòng)作出口。

表1 保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)文

1.2 故障錄波器波形

圖1為差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)故障錄波器的錄波圖。從波形可以看出，出現(xiàn)了明顯的波形間斷角，且電流呈衰減狀，但衰減時(shí)間較長。

圖1 陽城電廠一期工程2號(hào)機(jī)組故障錄波器故障波形圖

1.3 一次設(shè)備檢查情況

差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后，立即檢查發(fā)變組一次設(shè)備，結(jié)果均正常。同時(shí)，針對(duì)主變直流電阻試驗(yàn)、直流泄漏試驗(yàn)，查看了本次小修后預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目報(bào)告。

1.4 綜合分析

結(jié)合一次檢查情況、故障錄波圖、保護(hù)裝置報(bào)文分析，主變直流電阻試驗(yàn)產(chǎn)生剩磁，機(jī)組啟勵(lì)時(shí)（自并勵(lì)機(jī)組快速啟勵(lì)）產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，在剩磁疊加影響下，勵(lì)磁涌流數(shù)值加大、時(shí)間變長，造成主變差動(dòng)保護(hù)二次諧波閉鎖不成功，差動(dòng)保護(hù)出口。

機(jī)組啟勵(lì)對(duì)主變磁路有交變影響，可以減弱或消除剩磁，判斷上次啟勵(lì)過程減弱或消除了剩磁，決定再次啟動(dòng)機(jī)組。隨后機(jī)組正常啟勵(lì)并網(wǎng)，保護(hù)無異常。

2 實(shí)例中主變剩磁產(chǎn)生的原因

電力變壓器進(jìn)行直流試驗(yàn)后會(huì)產(chǎn)生剩磁，剩磁大小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[3]。在進(jìn)行直流電阻測試時(shí)，選取的電流檔越高、充電時(shí)間越長，在變壓器鐵芯上剩磁量就越大，反之相反。

實(shí)例中主變小修進(jìn)行直流電阻測試，試驗(yàn)儀器是LZ-C變壓器直流電阻測試儀，變壓器高壓側(cè)為星形接法，加20 A的電流，測試時(shí)間約3min左右，低壓側(cè)為三角形接法，加50A的電流，測試時(shí)間30min左右，其他試驗(yàn)項(xiàng)目電流很小，可以忽略不計(jì)。剩磁主要來源于直流電阻的測試。

3 變壓器激磁時(shí)剩磁對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響

變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流只有額定電流的2%～5%。當(dāng)變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)，可能出現(xiàn)很大的勵(lì)磁電流即勵(lì)磁涌流。這是由于變壓器鐵芯飽和及剩磁的存在引起的，具體分析如下（見圖2）。

當(dāng)二次側(cè)開路而一次側(cè)接入電源時(shí)，一次電路的方程為

式中：U1——次電壓；

Um——次電壓的峰值；

α ——合閘瞬間的電壓初相角;

R1——變壓器一次繞組的電阻;

N1——變壓器一次繞組的匝數(shù);

Φ ——變壓器一次側(cè)磁通。

由于i1R1相對(duì)比較小，在分析瞬態(tài)過程初始階段可以忽略不計(jì)，所以空載合閘磁通為

由（2）式可得空載合閘磁通的大小與電壓的初相角α有關(guān)，考慮最不利情況，當(dāng)α=90°時(shí)，電壓過零。

電壓過零點(diǎn)時(shí)變壓器主磁通的變化磁通有兩個(gè)分量，周期分量Φmcos wt與非周期分量Φm，此時(shí)磁通的最大值為穩(wěn)態(tài)時(shí)磁通的2倍。變壓器正常情況下是工作在鐵芯磁化曲線的膝點(diǎn)附近，此時(shí)鐵芯已接近或略微飽和。當(dāng)磁通達(dá)到2倍Φm以上時(shí)，鐵芯就高度飽和了，此時(shí)變壓器的勵(lì)磁電流大幅度增加，可達(dá)額定電流的6～8倍。由于勵(lì)磁電流只在變壓器的一側(cè)出現(xiàn)所以在差動(dòng)繼電器中會(huì)產(chǎn)生很大的不平衡電流，此后由于R1的存在，非周期分量衰減，Φ值將減小。如果變壓器存在剩磁，影響將更大。

綜上所述，勵(lì)磁涌流的大小和衰減時(shí)間與外加電壓、鐵芯的剩磁大小、方向、回路阻抗、變壓器的容量和鐵芯的性質(zhì)有關(guān)。

產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的根源是在變壓器任一側(cè)繞組感受到外施電壓驟增時(shí)，基于磁鏈?zhǔn)睾愣ɡ?，該繞組在磁路中將產(chǎn)生單極性的偏磁，如偏磁極性恰好和變壓器原來的剩磁極性相同時(shí)，就可能因偏磁與剩磁和穩(wěn)態(tài)磁通疊加而導(dǎo)致磁路迅速飽和，從而大幅度降低變壓器繞組的勵(lì)磁電抗，進(jìn)而誘發(fā)數(shù)值可觀的勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流不僅峰值大，且含有較多的諧波及直流分量，會(huì)引發(fā)變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，最終造成變壓器投運(yùn)失敗。

4 減少剩磁影響的措施

4.1 減小直流電阻試驗(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)行測量，把高、低壓繞組串聯(lián)起來，通電流測量，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，以縮短測試時(shí)間，而達(dá)到快速測試的目的，從而盡量減小鐵芯中的剩磁。

4.2 控制電壓合閘相位角

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[4]。

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1mm，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。

4.3 差動(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)。

5 結(jié)論

大型變壓器在直流電阻試驗(yàn)后，由于剩磁的影響，當(dāng)發(fā)變組進(jìn)行零起升壓或變壓器空載合閘時(shí)，可能會(huì)造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。理論上可以通過控制電壓合閘相位角來減少勵(lì)磁涌流，但在實(shí)際應(yīng)用中需進(jìn)一步探討驗(yàn)證。在進(jìn)行變壓器試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡可能減少剩磁的積聚。差動(dòng)保護(hù)設(shè)置上可利用二次諧波交叉閉鎖功能來減少類似情況的發(fā)生。

［1］ 中華人民共和國電力工業(yè)部.DL/T 596電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程［S］.中國電力出版社，2006：13.

［2］ 劉曦.淺析變壓器勵(lì)磁涌流引起的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)［J］.浙江電力，2009（3）：43.

［3］ 周建平，羅建.變壓器鐵芯剩磁的一種估算方法［J］.熱力發(fā)電，2010，39（3）：63.

［4］ 李偉，黃金，方春恩，等.基于相控開關(guān)技術(shù)的空載變壓器勵(lì)磁涌流抑制研究［J］.高壓電器，2010，46（5）：11-13.

The Remanence Influence of Transformer DC Resistance Test and Its Countermeasures

KOU Hai-rong，WANG Xin-zhong，SHIM ing-biao
（Yangcheng International Power Generation Co.，Ltd，Jincheng，Shanxi 048100，China）

In the DC resistance test of large transformer，remanence will be generated in the core of transformer.When the generator-transformer unit raises voltage from zero or experience no-load switch-on，the differential protection may causemalfunction.Based on the reasons and phenomena about remanence generating，this article puts forward three ways to reduce the remanence and prevent differential protection malfunctioning,including reducing the current and testing time during the DC resistance test，controlling phase anglesofvoltage closing，and setting the second harmonic blocking differentialprotection.

transformer；DC resistance；remanence；inrush current；differentialprotection

TM401

A

1671-0320-（2011）03-0024-04

2011-01-20，

2011-03-16

寇海榮（1977-），男，山西應(yīng)縣人，1999年畢業(yè)于太原電專發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)，工程師，從事發(fā)電廠電氣工作；

王新中（1977-），男，山西山陰人，1999年畢業(yè)于中南工業(yè)大學(xué)工業(yè)電氣自動(dòng)化專業(yè)，工程師，從事發(fā)電廠繼電保護(hù)工作；

史明彪（1976-），男，山西交城人，1999年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，工程師，從事發(fā)電廠高壓預(yù)試工作。