劉柯，廖振

(1．湖南華電長(zhǎng)沙發(fā)電有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410203;2．湖南省電力公司邵陽(yáng)新邵電力局，湖南新邵 422900)

基于變壓器勵(lì)磁阻抗測(cè)量的鐵芯消磁技術(shù)研究

劉柯1，廖振2

(1．湖南華電長(zhǎng)沙發(fā)電有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410203;2．湖南省電力公司邵陽(yáng)新邵電力局，湖南新邵 422900)

分析了變壓器鐵芯剩磁產(chǎn)生的原因、特點(diǎn)及危害，其中重點(diǎn)分析了剩磁產(chǎn)生的原因。介紹了現(xiàn)有的變壓器鐵芯剩磁檢測(cè)技術(shù)和消磁方法，并在現(xiàn)有技術(shù)理論基礎(chǔ)上提及一種基于變壓器勵(lì)磁阻抗測(cè)量的剩磁消除技術(shù)，該方法具有檢測(cè)時(shí)間短、檢測(cè)成本低、消磁時(shí)間短、流程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但是實(shí)際效果還有待實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)。

變壓器;鐵芯剩磁;鐵芯消磁;勵(lì)磁電抗

1 引言

變壓器是電力系統(tǒng)中不同電壓等級(jí)間相互轉(zhuǎn)化的樞紐設(shè)備［1］，對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。變壓器鐵芯剩磁對(duì)變壓器正常運(yùn)行及保護(hù)有著巨大的影響，若變壓器鐵芯磁飽和，在變壓器投切過(guò)程中可能出現(xiàn)勵(lì)磁涌流現(xiàn)象;此外鐵芯磁飽和會(huì)使勵(lì)磁電流中出現(xiàn)大量的諧波，既使變壓器無(wú)功損耗增加，又可能使繼保誤動(dòng)，還會(huì)引起油箱與金屬構(gòu)件因漏磁增加而局部過(guò)熱從而造成絕緣紙老化，進(jìn)而影響變壓器的使用壽命［2］。因此，在變壓器投運(yùn)前有必要對(duì)其鐵芯進(jìn)行消磁。目前對(duì)變壓器鐵芯消磁技術(shù)研究的文獻(xiàn)資料并不多，市面上雖然出現(xiàn)了變壓器鐵芯消磁的產(chǎn)品，但其技術(shù)手段很不完善。因此對(duì)現(xiàn)有的消磁技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的改良具有重要的意義。

2 變壓器鐵芯剩磁產(chǎn)生的原因、特點(diǎn)及危害

2．1 變壓器鐵芯剩磁的產(chǎn)生

位于磁場(chǎng)中的鐵磁元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度B并非與磁場(chǎng)強(qiáng)度H一一對(duì)應(yīng)的單值函數(shù)，而是與其所經(jīng)歷的磁狀態(tài)有著密切的關(guān)聯(lián)［3］。變壓器鐵芯的磁滯回線如圖1 所示［1］。

位于外磁場(chǎng)H中的鐵磁材料，外磁場(chǎng)會(huì)使其磁疇由原來(lái)的無(wú)規(guī)則排列狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)向沿著磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向排列，在鐵磁材料中，若是磁場(chǎng)方向與磁化方向接近，則磁疇體積就會(huì)增大，若是磁場(chǎng)方向與磁化方向相反，則磁疇體積就會(huì)減小，從而出現(xiàn)了磁疇轉(zhuǎn)向。此時(shí)，如圖1中的曲線OAC所示，磁化強(qiáng)度B會(huì)隨著外部磁場(chǎng)強(qiáng)度H的增加而增大，該曲線被稱(chēng)作起始磁化曲線。當(dāng)外部磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到Hs時(shí)，該鐵磁材料全部磁疇的磁化方向與外部磁場(chǎng)方向相同，鐵磁材料磁質(zhì)達(dá)到了磁飽和狀態(tài)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B達(dá)到飽和值Bs，達(dá)到飽和值后，即便外部磁場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度B也不再增加，磁化曲線會(huì)和外部磁場(chǎng)強(qiáng)度H軸平行，其變化曲線如圖1中CD。若外部磁場(chǎng)強(qiáng)度H減小時(shí)，其磁化曲線未按照起始磁化曲線返回，而是磁化強(qiáng)度B滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化，其磁化曲線如圖1中CEG所示，從而表現(xiàn)出一種磁滯現(xiàn)象。當(dāng)外部磁場(chǎng)強(qiáng)度H減小到0時(shí)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的鐵磁材料磁化強(qiáng)度Br稱(chēng)作剩余磁化強(qiáng)度。當(dāng)外部磁場(chǎng)強(qiáng)度H繼續(xù)減小時(shí)，磁疇向的磁場(chǎng)方向就會(huì)出現(xiàn)變化。若磁場(chǎng)強(qiáng)度方向減小到－Hs時(shí)，那么鐵磁材料中所有的磁疇都會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向，其磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和值－Bs，此后即使外部磁場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)減小，磁化強(qiáng)度B基本不變，其變化曲線圖如圖FG所示。若是外部磁場(chǎng)強(qiáng)度H此時(shí)開(kāi)始增大，其磁化曲線將會(huì)沿著圖1曲線FIJC回到正向飽和狀態(tài)而構(gòu)成磁滯回線。

圖1 變壓器鐵芯磁滯回線圖

由于變壓器鐵芯固有的磁滯現(xiàn)象［4］，因此變壓器在進(jìn)行了一定時(shí)間的正負(fù)半軸不平衡運(yùn)行或者直流電阻測(cè)試試驗(yàn)后其鐵芯會(huì)出現(xiàn)剩磁。

剩磁越大，對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)的影響也越大，比較典型的例子是變壓器投切過(guò)程中產(chǎn)生勵(lì)磁涌流現(xiàn)象。勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)有［5］:

(1)涌流中含有大量的直流分量;

(2)波形是間斷的，間斷角一般大于60°;

(3)一個(gè)周期內(nèi)正半波與負(fù)半波不對(duì)稱(chēng);

(4)含有大量的二次諧波分量;

(5)涌流幅值很大，但是是衰減的等。

剩磁的危害有很多，主要變現(xiàn)在如下方面［6］:

(1)造成變壓器繼保裝置誤動(dòng)，使變壓器的投運(yùn)一直不成功;

(2)若是勵(lì)磁涌流數(shù)值很大會(huì)造成變壓器及斷路器因電動(dòng)力過(guò)大而損壞;

(3)引起系統(tǒng)的操縱過(guò)電壓，損壞電氣設(shè)備，造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失;

(4)勵(lì)磁涌流中的直流分量使TA的磁路過(guò)度磁化而對(duì)測(cè)量精度和繼保的正確動(dòng)作率造成巨大的影響;

(5)勵(lì)磁涌流中諧波分量是電網(wǎng)的主要諧波污染源之一等。

3 現(xiàn)有的變壓器鐵芯剩磁檢測(cè)及消磁技術(shù)

3．1 現(xiàn)有的變壓器鐵芯剩磁檢測(cè)技術(shù)

現(xiàn)階段，在國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有成熟可靠的方法來(lái)對(duì)變壓器鐵芯剩磁進(jìn)行檢測(cè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)方法一般有如下幾種［1，7］:

(1)通過(guò)測(cè)量變壓器勵(lì)磁涌流中2次諧波為主的諧波測(cè)量方法來(lái)判斷有無(wú)剩余磁通的存在。

其測(cè)量原理是:變壓器無(wú)剩磁時(shí)所產(chǎn)生勵(lì)磁涌流中諧波分量主要是以3次諧波為主的奇次諧波，若變壓器中存在剩磁時(shí)所產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流數(shù)值更大。將此二種情況相比較，有剩磁的勵(lì)磁電流和無(wú)剩磁時(shí)勵(lì)磁電流的最大區(qū)別在于有剩磁的勵(lì)磁電流中存在較明顯的偶次諧波勵(lì)磁電流，而這其中又以2次諧波含量最為明顯。因此，可以將勵(lì)磁電流中的2次諧波作為判斷存在剩磁的標(biāo)志。

(2)文獻(xiàn)［8］的研究表明，對(duì)于一個(gè)確定的變壓器，其鐵芯飽和磁通為已經(jīng)確定的值，可以由不同合閘角的多次仿真來(lái)計(jì)算變壓器在飽和電流時(shí)激磁的表達(dá)式，即可根據(jù)合閘角和該合閘角下的鐵芯飽和電流，再計(jì)算出剩磁或者通過(guò)合閘角與剩磁得到飽和電流值。

3．2 現(xiàn)有的變壓器鐵芯消磁技術(shù)

變壓器現(xiàn)有的鐵芯剩磁消除技術(shù)與變壓器鐵芯剩磁檢測(cè)技術(shù)一樣尚不成熟，下面介紹幾種消磁方法和裝置［9，10］:

(1)將一逐漸減小的直流電流從變壓器的高壓繞組兩端正反向通入，從而實(shí)現(xiàn)縮小鐵芯的磁滯回環(huán)，消除剩磁的目的。

(2)通過(guò)提高鐵芯的環(huán)境溫度的方式來(lái)加速鐵芯材料的分子熱運(yùn)動(dòng)，打亂了鐵芯中有序排列的磁極，達(dá)到消磁的目的，但是存在控制問(wèn)題。

(3)通過(guò)在變壓器上加一個(gè)降低電壓等級(jí)的外加交流電源消磁。即用一個(gè)電壓等級(jí)低于變壓器額定電壓的交流電源給變壓器空載充電。

(4)瑞典的IBEKO POWER AB公司制造DEM60三相變壓器去磁裝置是一款已經(jīng)在市場(chǎng)上流通的變壓器去磁產(chǎn)品，其工作原理是通過(guò)頻率響應(yīng)分析或測(cè)試勵(lì)磁電流變化率，當(dāng)判斷變壓器出現(xiàn)剩磁時(shí)，該裝置可對(duì)變壓器采用幅值最小可調(diào)至零的極性交替變換的直流電進(jìn)行消磁。

4 本文的變壓器鐵芯消磁技術(shù)研究

4．1 變壓器等效電路分析

變壓器模型的研究由來(lái)已久，最簡(jiǎn)單也是最常見(jiàn)的是T型等效電路模型。

圖2(a)所示的為空載時(shí)變壓器T型等效電路模型，圖中R1為一次側(cè)繞組的銅損，X1為一次側(cè)繞組的漏磁抗，R2為二次繞組銅損，X2為二次繞組的漏磁抗，Rm為變壓器鐵損，Xm為勵(lì)磁電抗。T型等效電路模型一般用于穩(wěn)態(tài)計(jì)算，若是要考慮勵(lì)磁涌流則就要對(duì)其按照B-H曲線處理，得到圖2(b)所示等效電路圖［1，10－11］。

圖2 變壓器空載時(shí)等效電路模型

4．2 基于勵(lì)磁電抗測(cè)量的變壓器消磁技術(shù)研究

4．2．1 變壓器鐵芯剩磁判斷

由于變壓器的磁化曲線為非線性的，因此變壓器正常運(yùn)行時(shí)，其勵(lì)磁阻抗Zm是基本保持不變的，此時(shí)，其勵(lì)磁阻抗值很大，就大型變壓器而言，其勵(lì)磁阻抗是以變壓器額定電壓和電流為基準(zhǔn)的，一般勵(lì)磁阻抗Zm＞100。而空載電流I0即為勵(lì)磁電流Im，幅值很小，其幅值一般小于1%的變壓器額定電流。當(dāng)變壓器鐵芯飽和，勵(lì)磁電流Im變大，則勵(lì)磁阻抗Zm變小，考慮勵(lì)磁涌流，空載合閘的情況下，Zm的最小值與最大值會(huì)相差幾百甚至上千倍，因此可以通過(guò)測(cè)量勵(lì)磁電抗Zm的大小作為判斷變壓器鐵芯是否存在剩磁的判據(jù)。

4．2．2 變壓器消磁技術(shù)

本文采用直流法對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行消磁。其原理為首先檢測(cè)出變壓器鐵芯中剩磁的磁極，具體方法是在被測(cè)變壓器的高壓繞組(A、C相或者B－0相)任意加上直流電壓，加壓后，變壓器高壓繞組中會(huì)產(chǎn)生直流電流，從而產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)與變壓器鐵芯中的磁場(chǎng)進(jìn)行疊加。此時(shí)測(cè)量該變壓器的勵(lì)磁阻抗，若是阻抗值不變或是減小，說(shuō)明該直流電壓的極性接反了，則改變接線后再加壓;若是變壓器的勵(lì)磁阻抗增加，則說(shuō)明直流電壓的極性未接反，可以繼續(xù)加壓。加壓的同時(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)測(cè)量變壓器的勵(lì)磁阻抗來(lái)控制直流電流的大小，當(dāng)勵(lì)磁阻抗恢復(fù)至正常范圍內(nèi)則說(shuō)明鐵芯中的剩磁已經(jīng)消除，便停止加壓。其工作原理框圖如圖3所示。

圖3 基于勵(lì)磁阻抗測(cè)量的變壓器消磁技術(shù)原理框圖

5 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)階段變壓器鐵芯剩磁檢測(cè)以及消磁技術(shù)尚不成熟的現(xiàn)狀，提出一種通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量變壓器勵(lì)磁電抗大小來(lái)判別變壓器鐵芯剩磁極性，并將該測(cè)量值作為閉環(huán)控制變壓器消磁電流大小一種控制量的新方法。該方法與現(xiàn)有的變壓器剩磁檢測(cè)及消磁技術(shù)相比，具有檢測(cè)時(shí)間短、檢測(cè)成本低、消磁時(shí)間短、流程簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。但此方法僅僅是一種理論上的技術(shù)，尚未在實(shí)際工作中進(jìn)行驗(yàn)證，還有待加強(qiáng)。

［1］ 韓正慶．變壓器仿真計(jì)算模型與保護(hù)原理研究［D］．西南交通大學(xué)，2006．

［2］ 陳文臣，劉帆，陳顥，等．電力變壓器鐵心剩磁檢測(cè)方法研究［J］．四川電力技術(shù)．2009，32(06):58 －60．

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

［4］ 辜承林，陳喬夫，熊永前．電機(jī)學(xué)［M］．武漢:華中科技大學(xué)出版社，2005．

［5］ 支葉青．國(guó)家電網(wǎng)公司生產(chǎn)技能人員職業(yè)能力培訓(xùn)專(zhuān)用教材:繼電保護(hù)［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2010．

［6］ http://baike．baidu．com/view/9867704．htm．

［7］ 梁仕斌，文華，曹敏，等．鐵芯剩磁對(duì)電流互感器性能的影響［J］．繼電器，2007，35(22):27 －32．

［8］ 周建平，羅建．變壓器鐵心剩磁的一種估算方法［J］．熱力發(fā)電，2010，39(03):61 －64．

［9］ 程玉紅．大型電力變壓器直流預(yù)防性試驗(yàn)后的剩磁影響及消除［J］．電力技術(shù)，2010，19(5):70 －73．

［10］ http://www．bltu．net/info．a(chǎn)sp?id=47．

［11］ 湯蘊(yùn)繆，史乃．電機(jī)學(xué)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999．

［12］ http://baike．baidu．com/view/9867704．htm［OL］．

Research on lron-core Demagnetization Technology Based on the Excitation Im pedance M easure of Transformer

LIU Ke1，LIAO Zhen2
(1．Huadian Changsha Generation Co，Ltd，Changsha 410203，China;
2．Xinshao Power Bureau，Hunnan Electric Power company，Shaoyang 422900，China)

The paper analyzes the reason，characteristics and harm of the iron-core demagnetization，special stress on analysing the reason caused by demagnetization．It presents the iron-core residual demagnetization testing techndogy of the transformer and the demaynetizationmethod，and puts forward a demagnetization defeat techndogy based on the transformer excitation impedancemeasure on the basis of existing technical theory．Themethod has the features of short testing line，low testing cost，short demagnetization time and simple process and so on，but their actual results will be tested in the coming practice．

tranformer;iron-core residualmagntism;iron－core demagnetization;excitation reacfance

TM41

B

1004－289X(2013)03－0047－04

2013－04－21