岳新亮，贾鸿斌，李　英，邹宇星

（1. 中国中原对外工程有限公司，北京　100191；2. 特变电工衡阳变压器有限公司，湖南　衡阳　421007）

核电工程变压器过励磁能力研究

岳新亮1，贾鸿斌1，李英2，邹宇星2

（1. 中国中原对外工程有限公司，北京100191；2. 特变电工衡阳变压器有限公司，湖南衡阳421007）

由于出口核电工程用变压器运行环境的特殊性（低频率、电压不稳定），目前国家标准中的过励磁曲线无法满足发电机变压器组保护整定值计算的需要，对发电机、变压器乃至核电厂的安全运行都有极大的隐患。文章进行变压器过励磁能力的计算分析，开展了硅钢片材料在频率变化时的性能测试，对比了过电压、降频率两种方式或两种条件同时变化的过励磁，得出了设计此类变压器和二次整定保护的一些建议。

核电工程；变压器；过励磁

1　核电工程变压器过励磁产生的原因及危害

相对于额定值的电压升高和频率降低的过励磁，将导致变压器铁芯的严重饱和，并且伴随产生过量的涡流损耗，将使铁芯和周围的金属附件发热、绝缘老化，甚至损伤变压器。但是，过励磁对变压器的危害性，长期以来一直被人们忽视。近年来，发现大型发电机变压器组经常发生过励磁，因此，过励磁问题引起了人们的重视。由于高过励磁试验没有相应的试验标准规范，对产品具有一定风险，并且局部过热点的测量有难度，开展试验研究有一定的困难，所以通过材料性能研究、低过励磁下的试验研究和仿真计算分析结合的方法是目前研究高过励磁的较好方法。

我国电网频率稳定性较好，很少报道低频过励磁现象发生，过电压是引起过励磁的主要原因，但是出口国外的变压器，由于世界各地电网稳定性的差异，低频引起的过励磁时有发生，并且核电工程变压器合同对使用年限提出了60年寿命要求，在安全可靠性和质量控制上也比电网输电用变压器提出更加严格的要求。所以核电工程变压器在过励磁等特殊情况下的研究分析对产品安全运行就非常重要。

1.1变压器过励磁产生的危害性

变压器的过励磁有两种情况：一是低过励磁，在工作磁密B=（1.0～1.1）Be（Be为额定工作磁密）时，再加上由于增加的磁密所产生的附加温升，这个磁密限制着最大的连续磁感应的幅值。二是高过励磁，当B＞1.1 Be时，铁芯饱和，再加上由于涡流损失所引起的绕组和结构部件的温升，这个高过励磁限制着短时允许的最大磁密。一般情况下，过励磁的允许值和极限值：最大连续磁密Bmax=1.05 Be；短时允许的最大磁密Bmax=1.3 Be（30 s），由此可见，变压器的过励磁承受能力很差。大型变压器的额定工作磁密Be=（17 000～18 000）×10-4T，而饱和磁密Be=（19 000～20 000）×10-4T，值比较接近，在工作磁密增加时，特别是在铁芯饱和后励磁电流急剧增加时，就将出现过励磁现象。

铁芯中产生过励磁时会影响：

1）空载损耗增加。

2）变压器的噪声水平增加。

3）空载电流中高次谐波含量增加。

4）涌流会大于空载电流，引起较大的机械力。

5）过励磁时杂散磁通会离开主磁路引起结构件中附加损耗。

6）铁芯的温升会增加。

7）过励磁的同时还有过电压，绝缘结构应能承受这一过电压。

因此，在IEC 76-1标准上对过励磁能力有一规定，在设计时要保证变压器具有一定的过励磁能力。在运行中，要保持一定的过励磁能力。如不具有过励磁能力或承受较大过励磁能力，会影响变压器的安全运行。

1.2变压器过励磁产生的原因

发电厂的升压变压器，如果低压侧连接到发电机，而高压侧没有连接到系统，或突然从系统中断开的空载运行状况下，都可以导致变压器的严重过励磁，其具体原因如下：

1）发电机变压器组在与系统并列之前，由于误操作使励磁电流过大，或发电机的自动电压调节器故障。

2）发电机启动过程中，在低转速时将发电机电压调至额定值，使U/f比值过大。

3）在切除机组过程中，励磁开关失灵，满负荷运行突然甩负荷时，由于调节励磁装置失灵，这时发电机电压升高后将引起变压器过励磁。

4）发电机变压器组在正常情况下突然甩负荷也会引起过励磁。因为励磁调节系统和原动机调速系统都是由惯性环节组成，突然甩负荷后，电压上升快而频率上升缓慢，因而使U/f比值增大，使变压器短时间过励磁。

变压器应能承受这种水平的过励磁而不遭受损伤。因此，要求变压器允许的过励磁倍数曲线应高于正常甩负荷的过励磁倍数曲线。

连接到高压供电系统的变压器，一般具有恒定的电压和恒定的频率。即使在负荷变动时，电压不会大幅度升高，频率也不会大幅度下降，几乎不存在过励磁的危险。但是，由于以下一些原因，与系统并列运行的变压器也可能导致过励磁。

1）电力系统解列后，某一部分系统甩去大量负荷，使变压器电压升高；或由于发电机自励磁引起过电压而发生过励磁。

2）由于铁磁谐振引起过电压，使变压器过励磁。

3）由于误操作或变压器分接头使用不当，使电压过高引起过励磁。

4）系统电压升高和频率降低引起的变压器过励磁。

文章对硅钢片材料的低频过励磁特性进行了测试研究，对变压器过励磁下的主磁通分布进行了仿真计算，得出了核电工程变压器具有一定过励磁能力的设计建议。

2　硅钢片材料频率波动测试研究

衡阳变压器有限公司就硅钢样片进行了频率波动对电磁性能的影响实验，并对数据进行了整理。检测硅钢牌号为某日本硅钢片，检测样按材料轧向和偏轧向45°取样，进行SST检测，频率分别为47、48、49、50、51和52 Hz。

通过计算得知，磁化特性与磁通和轧制方向角度相关，与频率降低还是升高关系不大，当采用软件进行主磁通分布分析时，0°和45°时，频率变化引起的材料磁化性能变化可以不计，在与轧制方向45°接近饱和点时频率会影响B-H曲线。

通过计算得知，损耗与磁通和轧制方向夹角明显相关，在磁通与轧制方向相同或成45°时，损耗与频率变化有一定相关性，而且频率降低与过电压引起的过励磁情况相比，损耗变化相似，主磁通计算时应充分考虑以上特点。

3　过励磁时磁场及温度场的仿真计算分析

以三相五柱的核电发电机主变压器为例，根据现场电网运行频率的变化范围在48～50.5 Hz，设计中铁芯磁密选择充分考虑了在48 Hz过励磁时，磁密与常规产品设计磁密相当，保证了即使在长期低频过励磁的情况下铁芯工作磁密仍不高。对于容量较大的核电工程发电机变压器，铁芯直径较大，也应充分考虑铁芯磁密分布的不均匀性，在选择材料时，应优先选用饱和磁密较高的优质硅钢片。

分析变压器低过励磁稳定运行时可采用常规的磁场、温度场仿真分析软件，充分考虑散热条件等实际情况，对磁场、损耗、温度场的安全性进行校核计算，但在分析高过励磁时，如果持续的时间较短，应采用瞬态方法进行计算分析。

变压器过励磁铁芯温升较高的位置如图1所示。

图1　三相五柱铁芯过励磁温升热点分布Fig.1　Over-excitation temperature increasing hot spot distribution of 3-phase and five-column iron core

4　产品的励磁特性相关试验情况

除了采用理论计算分析方法外，对变压器过励磁能力的研究也可采用试验和计算相结合的方法，首先根据铁芯的过励磁特性试验结果，电压和电流的关系，确定铁芯工作特性与硅钢片磁特性的差异；再根据铁芯过励磁铁芯损耗性能，对铁芯的整体温升进行分析，利用三维磁场和温度场分析软件，计算铁芯损耗分布和温升分布，结果是铁芯窗内铁轭和芯柱转角处，由于磁场分布不均所致，单位体积的铁芯损耗和温升值较高；最后根据铁芯本身的热特性对过励磁时温升的瞬态过程进行分析，给出允许时间，所以在产品铁芯结构设计时采取了一些必要措施，降低工作铁芯磁密，研究近饱和处、铁芯损耗不同硅钢片厂家的特性差异，选择过励磁能力较好的硅钢片，在结构设计上采取必要油道，加强铁芯散热，加强搭接处剪切工艺控制，保证加工精度。同时建议用户在变压器投切时，及时准确调整分接位置，避免分接开关不当引起的过励磁，并在频率降低时采用适当保护措施，共同维护和提高变压器的过励磁能力。

铁芯1.1倍下的长时空载试验也是检验铁芯质量、散热、过励磁能力较好的检验方法，在这项试验中铁芯的励磁电压高，损耗增加明显，运行时间基本达到铁芯的稳定时间常数，充分考核了铁芯的过励磁能力及质量，在铁芯1.1倍过长时空载试验前后开展损耗、励磁电流、油中溶解气体等对比分析，确定产品安全性。

5　结论

1）根据材料性能测试结果，频率降低与过电压引起的过励磁情况相比，磁化特性没有明显变化，在出现降频和过电压两种过励磁情况时损耗变化相似。

2）在设计中充分考虑频率降低过励磁，磁密仍不高的情况，保证低频率过励磁下连续运行的安全性。

3）铁芯窗口内转角处，由于是磁密路径的低磁阻通路，磁密通常较高，应对铁芯主磁通及磁密分析开展仿真计算分析，保证在过励磁情况下磁密分布合理。铁芯窗口转角处，应保证合理的散热结构，油流散热条件充分。

4）在核电工程发电机变压器容量较大时，应优先选用高饱和磁密的优质硅钢片，以保证60年使用寿命中过励磁多次发生或低过励磁连续运行的安全可靠性。

5）根据材料性能测试结果和主磁通计算分析，在产品成品试验中开展1.1 Un下4 h长时空载试验，以验证过励磁下的安全性。

6）可以根据励磁特性试验和材料特性试验，通过瞬态仿真计算分析方法对铁芯的高过励磁磁场、损耗、温升进行计算，提供过励磁倍数与运行持续时间关系曲线，为二次保护整定值提供参考。

Study on Over-excitation Capability of Nuclear Power Plant Transformer

YUE Xin-liang1，JIA Hong-bin1，LI Ying2，ZOU Yu-xing2
（1. China Zhongyuan Engineering Corp.，Beijing100191，China；2. TBEA Hengyang Transformer Co.，Ltd.，Hengyang of Hunan Prov. 421007，China）

Due to the particularity of the operation environment （low frequency，voltage instability） of export nuclear power plant transformer， the current national standard of the over-excitation curve cannot meet the requirement of protection setting value calculation， which has hidden risk for the safe operation of generator，transformer and even the whole nuclear power plant. In this regard， calculation and analysis are carried out for the transformer over-excitation ability. Performance tests are carried out for the silicon steel sheet material in frequency changes. The overexcitation is compared for two ways of over-pressure and frequency reduction or two conditions change at the same time. Some suggestions are given for the design of such transformer， and protection of the secondary setting.

nuclear power plant； transformer； over-excitation

TM623Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）02-0129-04

TM623

A

1674-1617（2015）02-0129-04

2015-04-08

岳新亮（1973—），男，河北人，助理工程师，长期从事核工程设备采购和监造工作。