陶平虎

摘要：目前，我国的经济在迅猛发展，社会在不断进步，变压器是一种静止电器，通过线圈之间的电磁感应，它能够将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能。铁芯作为变压器的主磁路，在正常运行和试验时，会产生剩磁。由于剩磁的存在，在电压比测试、绕组直流电阻测量、额定电压下冲击合闸等试验时可能会出现异常，导致产生错误的试验结果。因此，本文提出水利发电厂电力变压器铁芯剩磁危害及消除方法，以保证电力变压器安全稳定运行。

关键词：电力变压器;铁芯剩磁;电磁感应;剩磁消除

引言

随着电网的发展，对电力变压器的要求越来越多，性能要求也越来越高。电力变压器作为电网中关键的一部分，起到升降电压的作用，是电力传输过程中不可或缺的一环。然而因为变压器剩磁的原因致使电力变压器无法合闸的情况时有发生，严重影响了电网的稳定性和可靠性，也对人员有一定的危险，所以削弱剩磁势在必行。电工磁材料磁特性研究作为电磁仿真的基础，需要更深入细致的研究。对软硬磁材料特性进行更加深入的研究之后，可以根据磁特性来设计性能更加优良的变压器和互感器。变压器铁芯的剩磁会导致励磁电感测量值比目标值有所减少，从而直接造成变压器短路阻抗值有所偏小，同时高频下绕组分布电感下降。变压器合闸时会产生冲击电流，这个冲击电流叫励磁涌流。励磁涌流的产生原因及其大小、原理如下：变压器合闸使变压器的电压、电流和磁通密度从一个稳态过渡到另一个稳态，过渡过程和合闸瞬间的电压相位角及铁芯剩磁有直接关系，当合闸瞬间的电压相位角等于0，铁芯中的剩磁方向又和周期分量方向相反时，铁芯中的磁通量严重饱和，产生的励磁电流可以达稳态时的励磁电流（空载电流）值的几倍或者几十倍。合闸励磁涌流一般不会对变压器造成危害，但可能引起变压器的过电流保护或者差动保护误动，会使电流保护掉闸;或者由于变压器是空载，冲击侧有很大的励磁涌流，而另一次是开路无电流，故而造成差动的误动作掉闸。励磁涌流中含有奇数和偶次谐波。

1变压器铁芯剩磁测量的研究背景及意义

随着电力技术的进步以及超高压电网的不断发展，工业应用对大容量的电力变压器、电机等设备运行稳定性的要求不断增加。与此同时，励磁检测水平在工业应用中也要求得到不断提升。由于铁磁材料之间存在磁特性差异，所以由其构成的铁芯部件是影响电机、变压器及其它设备电气性能的关键部分。解决磁性材料在工程上的计算难题和性能模拟己经成为国际电工领域的前沿和热点问题，具有重要的工程利用价值及科学意义。电力变压器是电力系统中的重要设备。当变压器出现故障，可能会引起大面积的停电事故并造成重大损失，所以变压器的安全性尤为重要。变压器的主保护通常选择性能良好的差动保护，变压器采用差动保护时应考虑到在其空载合闸时励磁涌流可能会引起的保护装置误动。由于励磁涌流存在不对称性，导致电力变压器的无功消耗增加，并且在绕组、铁芯以及金属构件中产生大量热量。若励磁涌流过大，则会给电网和电力变压器造成非常大的负面影响，并且由此产生的过电压可能引起断路器跳闸，严重时则会烧毁器件。由于电力变压器励磁涌流中含有直流分量和各种谐波成分，因此变压器成为电网中的谐波源。与此同时，电力系统中的敏感电子元器件也可能会被谐波中的高次分量所破坏，使得供电系统的供电质量进一步降低。因此，防止空载合闸时电力变压器励磁涌流可能引起的损失己经成为变压器安全运行的一个重要课题。励磁涌流的衰减时间以及大小与变压器容量、所施加的电压、回路阻抗、变压器铁芯剩磁的方向及大小等有关。在电力变压器铁芯剩磁以及合闸角度等条件的综合作用下，变压器铁芯进入饱和区并由此产生励磁涌流。当断路器的合闸角度等因素保持不变时，合闸时变压器励磁涌流的大小受变压器铁芯的饱和程度影响较大。并且铁芯剩磁越大，在变压器合闸瞬时产生的励磁涌流就越大，此时电力变压器铁芯的剩磁情况在一定程度上便可通过励磁涌流的大小来反应。电力变压器铁芯剩磁的正确测量对后续的退磁并进而减小变压器合闸时的励磁涌流有非常重要的意义。

2电力变压器铁芯剩磁危害及消除方法

2.1直流消磁

直流消磁法又称反向冲击法，是指在变压器高压绕组两端正向、反向分别通入直流电流，并使其不断减小，以缩小铁芯的磁滞回环，从而达到消除剩磁的目的。根据相关研究资料表明，一般情况下，反复进行4次～5次即可以取得较好效果。

2.2电力变压器剩磁测量方案

因为磁通计是通过积分的方式来测量被测物体的磁通量，所以在实际情况中剩磁不能直接通过仪器测量出来。可以通过非常大的正负向激励，来达到正负向的磁通密度飽和，通过求这两个的差值，来计算剩磁，不过此时设备内部会有新的剩磁产生。当电力变压器中存在剩磁时，接通电路时会有励磁涌流。是否存在剩磁可以通过激励电流的不同来确定，或者通过对比上升时间来确定是否有剩磁和剩磁的方向问题。激励产生的磁场方向和剩磁方向相同时，电流上升时间短。当方向相反时，电流变化慢，上升时间长。

2.3空载合闸操作

在电力系统的日常运行过程中变压器的空载合闸操作经常出现，在变压器投运前也会对其进行冲击合闸的操作。因为励磁电感具有饱和特性，所以当对变压器进行空载合闸操作时，其励磁支路可能由于变压器铁芯饱和而生成较大的励磁涌流。仿真分析了电力变压器空载合闸的过程。在仿真模型中，通过建立变压器铁芯的动态磁滞回线模型，设置变压器铁芯的初始磁通，最终研究分析了剩磁对励磁涌流的影响。通过仿真可知，铁芯材料的铁磁特性与剩磁值对变压器空载合闸所生成的涌流造成重要影响，铁芯深度饱和后的励磁特性通常是利用现有的数据进行拟合得到的。目前，国内还没有电力变压器铁芯剩磁的确切实测数据，日本相关单位实测铁芯剩磁为40%左右。

3案例分析

本文所选择的案例为某220kV变电站2号主变扩建工程，变压器型号为SFSZ11-240000/220，额定容量240MVA。根据调度指令对变压器进行冲击合闸试验，前3次冲击试验顺利通过，但冲击时变压器声音较大，第4次冲击时，变压器产生差动速断保护动作，220kV断路器跳闸，对跳闸后的变压器进行检查，没有发现异常现象，初步判断是没有躲过励磁涌流，引起保护误动。投运工作暂停后，重新对变压器进行全面检查和相关试验。通过检查，瓦斯继电器内无气体、密封性能良好，观察窗内变压器油颜色正常，变压器本体和油枕无渗漏油现象，油温和油位指示正常。油色谱分析、绕组直流电阻测量、介质损耗测量、绕组变形测量均未发现异常。在差动保护整定时间之外，通过故障录波分析出存在较大的冲击电流。

结语

剩磁测量和削弱是电力变压器中较难的问题，为解决上述问题，本文提出了一种改进了的单相变压器剩磁测量和削弱方法，通过数值模拟和试验测量对其进行了验证。首先基于基础理论和铁磁材料的基本特性，本文对电力变压器剩磁产生的原因进行了分析，并对电力变压器剩磁的危害进行了分析。其次依据等效电路和数学方法，推导出了试验方法。然后通过数值模拟方法确定试验中参数的选择和验证试验方法的可行性。最后通过试验对上述方法进行验证，验证了方法的可行性。归纳分析己有的剩磁削弱方法，通过数值模拟和试验找到最优的剩磁削弱方法。

参考文献：

[1]陶风波，张刚，李建生，等.基于局部磁滞回线斜率的变压器铁心剩磁估算[J].变压器，2019，56（2）：33-39.

[2]黄泰山，吕晓勇，洪心.浅谈变压器直阻测量后消磁的必要性[J].水电与新能源，2018，32（9）：64-66.