岳新亮，賈鴻斌，李　英，鄒宇星

（1. 中國(guó)中原對(duì)外工程有限公司，北京　100191；2. 特變電工衡陽(yáng)變壓器有限公司，湖南　衡陽(yáng)　421007）

核電工程變壓器過勵(lì)磁能力研究

岳新亮1，賈鴻斌1，李英2，鄒宇星2

（1. 中國(guó)中原對(duì)外工程有限公司，北京100191；2. 特變電工衡陽(yáng)變壓器有限公司，湖南衡陽(yáng)421007）

由于出口核電工程用變壓器運(yùn)行環(huán)境的特殊性（低頻率、電壓不穩(wěn)定），目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的過勵(lì)磁曲線無法滿足發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)整定值計(jì)算的需要，對(duì)發(fā)電機(jī)、變壓器乃至核電廠的安全運(yùn)行都有極大的隱患。文章進(jìn)行變壓器過勵(lì)磁能力的計(jì)算分析，開展了硅鋼片材料在頻率變化時(shí)的性能測(cè)試，對(duì)比了過電壓、降頻率兩種方式或兩種條件同時(shí)變化的過勵(lì)磁，得出了設(shè)計(jì)此類變壓器和二次整定保護(hù)的一些建議。

核電工程；變壓器；過勵(lì)磁

1　核電工程變壓器過勵(lì)磁產(chǎn)生的原因及危害

相對(duì)于額定值的電壓升高和頻率降低的過勵(lì)磁，將導(dǎo)致變壓器鐵芯的嚴(yán)重飽和，并且伴隨產(chǎn)生過量的渦流損耗，將使鐵芯和周圍的金屬附件發(fā)熱、絕緣老化，甚至損傷變壓器。但是，過勵(lì)磁對(duì)變壓器的危害性，長(zhǎng)期以來一直被人們忽視。近年來，發(fā)現(xiàn)大型發(fā)電機(jī)變壓器組經(jīng)常發(fā)生過勵(lì)磁，因此，過勵(lì)磁問題引起了人們的重視。由于高過勵(lì)磁試驗(yàn)沒有相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)產(chǎn)品具有一定風(fēng)險(xiǎn)，并且局部過熱點(diǎn)的測(cè)量有難度，開展試驗(yàn)研究有一定的困難，所以通過材料性能研究、低過勵(lì)磁下的試驗(yàn)研究和仿真計(jì)算分析結(jié)合的方法是目前研究高過勵(lì)磁的較好方法。

我國(guó)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性較好，很少報(bào)道低頻過勵(lì)磁現(xiàn)象發(fā)生，過電壓是引起過勵(lì)磁的主要原因，但是出口國(guó)外的變壓器，由于世界各地電網(wǎng)穩(wěn)定性的差異，低頻引起的過勵(lì)磁時(shí)有發(fā)生，并且核電工程變壓器合同對(duì)使用年限提出了60年壽命要求，在安全可靠性和質(zhì)量控制上也比電網(wǎng)輸電用變壓器提出更加嚴(yán)格的要求。所以核電工程變壓器在過勵(lì)磁等特殊情況下的研究分析對(duì)產(chǎn)品安全運(yùn)行就非常重要。

1.1變壓器過勵(lì)磁產(chǎn)生的危害性

變壓器的過勵(lì)磁有兩種情況：一是低過勵(lì)磁，在工作磁密B=（1.0～1.1）Be（Be為額定工作磁密）時(shí)，再加上由于增加的磁密所產(chǎn)生的附加溫升，這個(gè)磁密限制著最大的連續(xù)磁感應(yīng)的幅值。二是高過勵(lì)磁，當(dāng)B＞1.1 Be時(shí)，鐵芯飽和，再加上由于渦流損失所引起的繞組和結(jié)構(gòu)部件的溫升，這個(gè)高過勵(lì)磁限制著短時(shí)允許的最大磁密。一般情況下，過勵(lì)磁的允許值和極限值：最大連續(xù)磁密Bmax=1.05 Be；短時(shí)允許的最大磁密Bmax=1.3 Be（30 s），由此可見，變壓器的過勵(lì)磁承受能力很差。大型變壓器的額定工作磁密Be=（17 000～18 000）×10-4T，而飽和磁密Be=（19 000～20 000）×10-4T，值比較接近，在工作磁密增加時(shí)，特別是在鐵芯飽和后勵(lì)磁電流急劇增加時(shí)，就將出現(xiàn)過勵(lì)磁現(xiàn)象。

鐵芯中產(chǎn)生過勵(lì)磁時(shí)會(huì)影響：

1）空載損耗增加。

2）變壓器的噪聲水平增加。

3）空載電流中高次諧波含量增加。

4）涌流會(huì)大于空載電流，引起較大的機(jī)械力。

5）過勵(lì)磁時(shí)雜散磁通會(huì)離開主磁路引起結(jié)構(gòu)件中附加損耗。

6）鐵芯的溫升會(huì)增加。

7）過勵(lì)磁的同時(shí)還有過電壓，絕緣結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受這一過電壓。

因此，在IEC 76-1標(biāo)準(zhǔn)上對(duì)過勵(lì)磁能力有一規(guī)定，在設(shè)計(jì)時(shí)要保證變壓器具有一定的過勵(lì)磁能力。在運(yùn)行中，要保持一定的過勵(lì)磁能力。如不具有過勵(lì)磁能力或承受較大過勵(lì)磁能力，會(huì)影響變壓器的安全運(yùn)行。

1.2變壓器過勵(lì)磁產(chǎn)生的原因

發(fā)電廠的升壓變壓器，如果低壓側(cè)連接到發(fā)電機(jī)，而高壓側(cè)沒有連接到系統(tǒng)，或突然從系統(tǒng)中斷開的空載運(yùn)行狀況下，都可以導(dǎo)致變壓器的嚴(yán)重過勵(lì)磁，其具體原因如下：

1）發(fā)電機(jī)變壓器組在與系統(tǒng)并列之前，由于誤操作使勵(lì)磁電流過大，或發(fā)電機(jī)的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器故障。

2）發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過程中，在低轉(zhuǎn)速時(shí)將發(fā)電機(jī)電壓調(diào)至額定值，使U/f比值過大。

3）在切除機(jī)組過程中，勵(lì)磁開關(guān)失靈，滿負(fù)荷運(yùn)行突然甩負(fù)荷時(shí)，由于調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置失靈，這時(shí)發(fā)電機(jī)電壓升高后將引起變壓器過勵(lì)磁。

4）發(fā)電機(jī)變壓器組在正常情況下突然甩負(fù)荷也會(huì)引起過勵(lì)磁。因?yàn)閯?lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)和原動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)都是由慣性環(huán)節(jié)組成，突然甩負(fù)荷后，電壓上升快而頻率上升緩慢，因而使U/f比值增大，使變壓器短時(shí)間過勵(lì)磁。

變壓器應(yīng)能承受這種水平的過勵(lì)磁而不遭受損傷。因此，要求變壓器允許的過勵(lì)磁倍數(shù)曲線應(yīng)高于正常甩負(fù)荷的過勵(lì)磁倍數(shù)曲線。

連接到高壓供電系統(tǒng)的變壓器，一般具有恒定的電壓和恒定的頻率。即使在負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，電壓不會(huì)大幅度升高，頻率也不會(huì)大幅度下降，幾乎不存在過勵(lì)磁的危險(xiǎn)。但是，由于以下一些原因，與系統(tǒng)并列運(yùn)行的變壓器也可能導(dǎo)致過勵(lì)磁。

1）電力系統(tǒng)解列后，某一部分系統(tǒng)甩去大量負(fù)荷，使變壓器電壓升高；或由于發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁引起過電壓而發(fā)生過勵(lì)磁。

2）由于鐵磁諧振引起過電壓，使變壓器過勵(lì)磁。

3）由于誤操作或變壓器分接頭使用不當(dāng)，使電壓過高引起過勵(lì)磁。

4）系統(tǒng)電壓升高和頻率降低引起的變壓器過勵(lì)磁。

文章對(duì)硅鋼片材料的低頻過勵(lì)磁特性進(jìn)行了測(cè)試研究，對(duì)變壓器過勵(lì)磁下的主磁通分布進(jìn)行了仿真計(jì)算，得出了核電工程變壓器具有一定過勵(lì)磁能力的設(shè)計(jì)建議。

2　硅鋼片材料頻率波動(dòng)測(cè)試研究

衡陽(yáng)變壓器有限公司就硅鋼樣片進(jìn)行了頻率波動(dòng)對(duì)電磁性能的影響實(shí)驗(yàn)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理。檢測(cè)硅鋼牌號(hào)為某日本硅鋼片，檢測(cè)樣按材料軋向和偏軋向45°取樣，進(jìn)行SST檢測(cè)，頻率分別為47、48、49、50、51和52 Hz。

通過計(jì)算得知，磁化特性與磁通和軋制方向角度相關(guān)，與頻率降低還是升高關(guān)系不大，當(dāng)采用軟件進(jìn)行主磁通分布分析時(shí)，0°和45°時(shí)，頻率變化引起的材料磁化性能變化可以不計(jì)，在與軋制方向45°接近飽和點(diǎn)時(shí)頻率會(huì)影響B(tài)-H曲線。

通過計(jì)算得知，損耗與磁通和軋制方向夾角明顯相關(guān)，在磁通與軋制方向相同或成45°時(shí)，損耗與頻率變化有一定相關(guān)性，而且頻率降低與過電壓引起的過勵(lì)磁情況相比，損耗變化相似，主磁通計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮以上特點(diǎn)。

3　過勵(lì)磁時(shí)磁場(chǎng)及溫度場(chǎng)的仿真計(jì)算分析

以三相五柱的核電發(fā)電機(jī)主變壓器為例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電網(wǎng)運(yùn)行頻率的變化范圍在48～50.5 Hz，設(shè)計(jì)中鐵芯磁密選擇充分考慮了在48 Hz過勵(lì)磁時(shí)，磁密與常規(guī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)磁密相當(dāng)，保證了即使在長(zhǎng)期低頻過勵(lì)磁的情況下鐵芯工作磁密仍不高。對(duì)于容量較大的核電工程發(fā)電機(jī)變壓器，鐵芯直徑較大，也應(yīng)充分考慮鐵芯磁密分布的不均勻性，在選擇材料時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用飽和磁密較高的優(yōu)質(zhì)硅鋼片。

分析變壓器低過勵(lì)磁穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)可采用常規(guī)的磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)仿真分析軟件，充分考慮散熱條件等實(shí)際情況，對(duì)磁場(chǎng)、損耗、溫度場(chǎng)的安全性進(jìn)行校核計(jì)算，但在分析高過勵(lì)磁時(shí)，如果持續(xù)的時(shí)間較短，應(yīng)采用瞬態(tài)方法進(jìn)行計(jì)算分析。

變壓器過勵(lì)磁鐵芯溫升較高的位置如圖1所示。

圖1　三相五柱鐵芯過勵(lì)磁溫升熱點(diǎn)分布Fig.1　Over-excitation temperature increasing hot spot distribution of 3-phase and five-column iron core

4　產(chǎn)品的勵(lì)磁特性相關(guān)試驗(yàn)情況

除了采用理論計(jì)算分析方法外，對(duì)變壓器過勵(lì)磁能力的研究也可采用試驗(yàn)和計(jì)算相結(jié)合的方法，首先根據(jù)鐵芯的過勵(lì)磁特性試驗(yàn)結(jié)果，電壓和電流的關(guān)系，確定鐵芯工作特性與硅鋼片磁特性的差異；再根據(jù)鐵芯過勵(lì)磁鐵芯損耗性能，對(duì)鐵芯的整體溫升進(jìn)行分析，利用三維磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析軟件，計(jì)算鐵芯損耗分布和溫升分布，結(jié)果是鐵芯窗內(nèi)鐵軛和芯柱轉(zhuǎn)角處，由于磁場(chǎng)分布不均所致，單位體積的鐵芯損耗和溫升值較高；最后根據(jù)鐵芯本身的熱特性對(duì)過勵(lì)磁時(shí)溫升的瞬態(tài)過程進(jìn)行分析，給出允許時(shí)間，所以在產(chǎn)品鐵芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采取了一些必要措施，降低工作鐵芯磁密，研究近飽和處、鐵芯損耗不同硅鋼片廠家的特性差異，選擇過勵(lì)磁能力較好的硅鋼片，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取必要油道，加強(qiáng)鐵芯散熱，加強(qiáng)搭接處剪切工藝控制，保證加工精度。同時(shí)建議用戶在變壓器投切時(shí)，及時(shí)準(zhǔn)確調(diào)整分接位置，避免分接開關(guān)不當(dāng)引起的過勵(lì)磁，并在頻率降低時(shí)采用適當(dāng)保護(hù)措施，共同維護(hù)和提高變壓器的過勵(lì)磁能力。

鐵芯1.1倍下的長(zhǎng)時(shí)空載試驗(yàn)也是檢驗(yàn)鐵芯質(zhì)量、散熱、過勵(lì)磁能力較好的檢驗(yàn)方法，在這項(xiàng)試驗(yàn)中鐵芯的勵(lì)磁電壓高，損耗增加明顯，運(yùn)行時(shí)間基本達(dá)到鐵芯的穩(wěn)定時(shí)間常數(shù)，充分考核了鐵芯的過勵(lì)磁能力及質(zhì)量，在鐵芯1.1倍過長(zhǎng)時(shí)空載試驗(yàn)前后開展損耗、勵(lì)磁電流、油中溶解氣體等對(duì)比分析，確定產(chǎn)品安全性。

5　結(jié)論

1）根據(jù)材料性能測(cè)試結(jié)果，頻率降低與過電壓引起的過勵(lì)磁情況相比，磁化特性沒有明顯變化，在出現(xiàn)降頻和過電壓兩種過勵(lì)磁情況時(shí)損耗變化相似。

2）在設(shè)計(jì)中充分考慮頻率降低過勵(lì)磁，磁密仍不高的情況，保證低頻率過勵(lì)磁下連續(xù)運(yùn)行的安全性。

3）鐵芯窗口內(nèi)轉(zhuǎn)角處，由于是磁密路徑的低磁阻通路，磁密通常較高，應(yīng)對(duì)鐵芯主磁通及磁密分析開展仿真計(jì)算分析，保證在過勵(lì)磁情況下磁密分布合理。鐵芯窗口轉(zhuǎn)角處，應(yīng)保證合理的散熱結(jié)構(gòu)，油流散熱條件充分。

4）在核電工程發(fā)電機(jī)變壓器容量較大時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用高飽和磁密的優(yōu)質(zhì)硅鋼片，以保證60年使用壽命中過勵(lì)磁多次發(fā)生或低過勵(lì)磁連續(xù)運(yùn)行的安全可靠性。

5）根據(jù)材料性能測(cè)試結(jié)果和主磁通計(jì)算分析，在產(chǎn)品成品試驗(yàn)中開展1.1 Un下4 h長(zhǎng)時(shí)空載試驗(yàn)，以驗(yàn)證過勵(lì)磁下的安全性。

6）可以根據(jù)勵(lì)磁特性試驗(yàn)和材料特性試驗(yàn)，通過瞬態(tài)仿真計(jì)算分析方法對(duì)鐵芯的高過勵(lì)磁磁場(chǎng)、損耗、溫升進(jìn)行計(jì)算，提供過勵(lì)磁倍數(shù)與運(yùn)行持續(xù)時(shí)間關(guān)系曲線，為二次保護(hù)整定值提供參考。

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，助理工程師，長(zhǎng)期從事核工程設(shè)備采購(gòu)和監(jiān)造工作。