胡 浩，李 歡

（武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063）

0 引言

變壓器是電力系統(tǒng)最主要的設(shè)備之一，它在電力系統(tǒng)中傳送和分配電能，將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓（通常只有 10.5～20 kV）逐級升高到 220～1 000 kV，以減少線路損耗。在電能輸送到用戶后，再用降壓變壓器逐級降到用戶所需電壓，供相應(yīng)的動力設(shè)備、照明設(shè)備使用。在城市軌道交通機(jī)電設(shè)備中，變壓器具有重要的作用，尤其是主變壓器，它承接著整條線路的用電負(fù)荷，關(guān)乎整條線路的安全運(yùn)行。

1 事故分析

武漢地鐵某 110 kV 主變電所高壓側(cè)采用線路-變壓器組接線，中壓側(cè)采用單母分段接線，如圖1所示。在對 1#主變壓器（新投運(yùn)）沖擊送電的過程中，主變壓器差動保護(hù)動作跳開進(jìn)線開關(guān)?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)設(shè)備正常。取變壓器本體油樣進(jìn)行油色譜試驗(yàn)，數(shù)據(jù)顯示油中溶解氣體成分及含量均合格；跳閘時變壓器高、低壓側(cè)均無短路電流，排除了變壓器內(nèi)部存在放電擊穿及短路的可能性。

通過調(diào)取保護(hù)裝置動作時的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)保護(hù)動作時三相差動電流均大于主變壓器差動保護(hù)啟動整定值（0.6 A），三相二次諧波電流含量均小于主變壓器保護(hù)二次諧波制動整定值（0.17），如表1所示，諧波制動閉鎖開放，差動保護(hù)動作。

圖1 主變電所接線圖

表1 差動電流及二次諧波

變壓器保護(hù)通常采用二次諧波制動的方式來閉鎖差動保護(hù)，以躲過變壓器空載合閘過程中的勵磁涌流[1-2]。變壓器保護(hù)裝置的動作邏輯為正常運(yùn)行時，變壓器各相電流中的二次諧波含量不超過整定值，勵磁涌流判據(jù)將閉鎖差動保護(hù)；若變壓器三相中任意一相的二次諧波含量超過整定值，保護(hù)裝置將開放差動保護(hù)動作跳閘。

2 勵磁涌流的產(chǎn)生

變壓器空載合閘到電網(wǎng)或切除故障恢復(fù)正常電壓時，可能出現(xiàn)很大的暫態(tài)電流，稱為勵磁涌流。勵磁涌流是由于電力系統(tǒng)電壓急劇變化產(chǎn)生的，歸根到底是由于鐵芯材料磁飽和（磁滯特性）而產(chǎn)生的剩磁造成的。若變壓器投入前的剩磁方向與變壓器投入時的系統(tǒng)電壓產(chǎn)生的磁通方向相同，則總磁通量將大大超過變壓器鐵芯的飽和磁通量，從而產(chǎn)生很大的勵磁涌流。

圖2 勵磁電流與磁通的關(guān)系

如圖2所示，變壓器空載合閘時，二次側(cè)開路，設(shè)一次側(cè)電壓 u1為：

式（1）中，a 為系統(tǒng)電壓的初始相位，U1為一次側(cè)電壓有效值，ωt 為電壓相位變換角，ω 為角頻率。

當(dāng) t ≥0 時，變壓器一次側(cè)電流 i1滿足方程：

式（2）中，φ為與一次繞組交鏈的總磁通，包括主磁通和漏磁通，近似為主磁通；i1為變壓器一次側(cè)電流，R1為變壓器一次側(cè)等效電阻，N1為變壓器一次側(cè)線圈匝數(shù)。

在式（2）中，電阻電壓 i1R1較小，在合閘瞬間可以忽略不計，但在計算瞬態(tài)電流的衰減時，必須計入 R1的影響，因?yàn)?R1是瞬態(tài)電流衰減的根本原因。忽略 R1時，式（2）變?yōu)椋?/p>

解此方程得：

C 由初始條件決定，由磁鏈?zhǔn)睾憧芍?，變壓器空載合閘前后的磁鏈為 0，得：

則有：

由式（6）可以看出，磁通φ的瞬變過程與合閘時刻的電壓初始相位有關(guān)。

以下討論初始相位的 2 種極端情況。

（2）在 t = 0、α = π 時合閘，系統(tǒng)電壓 u1為 0，此時

圖3 t = 0、α = π 磁通曲線

3 變壓器剩磁的產(chǎn)生及危害

3.1 變壓器剩磁的產(chǎn)生

剩磁是鐵芯材料在磁化過程中的磁滯損耗，鐵芯材料在交變磁場作用下逐漸被磁化的過程中，磁疇會不斷地轉(zhuǎn)動，相互間不停摩擦而消耗能量，產(chǎn)生損耗。變壓器產(chǎn)生剩磁主要有以下幾個方面原因。

（1）變壓器三相對稱，而斷路器在電流過零（某一相電流為零）時分?jǐn)?，造成非同期分閘，產(chǎn)生剩磁。

（2）變壓器投運(yùn)前，需要做一系列的直流試驗(yàn)（繞組直流電阻、絕緣電阻、泄漏電流、介損試驗(yàn)等），單向的直流電壓使變壓器繞組產(chǎn)生剩磁。

3.2 變壓器剩磁的危害

如圖4所示，正常運(yùn)行時，變壓器工作在A點(diǎn)，變壓器鐵芯磁通φ接近飽和；空載合閘時，變壓器工作在B 點(diǎn)，此時的變壓器鐵芯磁通非常飽和，勵磁電流超過額定電流的 3 倍；變壓器剩磁時，可能工作在 C 點(diǎn)，此時的勵磁電流將超過允許值，造成差動保護(hù)誤動作。由于系統(tǒng)電壓三相對稱，變壓器空載合閘時，必有一相工作在最不利狀態(tài)下，若變壓器有剩磁，勵磁電流將會更大，達(dá)到額定電流的 6～8 倍，直接導(dǎo)致變壓器保護(hù)的誤動作。

圖4 鐵芯磁化曲線

4 變壓器剩磁的消除方法

4.1 直流消磁法

直流消磁法，也可以稱為反向沖擊法，是目前普遍采用的一種消磁方法。變壓器進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)后，分別在變壓器高壓繞組兩端正、反向通入直流電流，直流電流的輸入方向應(yīng)當(dāng)與測試?yán)@組直流電阻時的電流方向相反，正、反向電流持續(xù)通入相同的時間，大約 5～10min，之后不斷減小通入的直流電流 I，以減小鐵芯的磁滯回線，從而達(dá)到消除剩磁的目的[3]，直流消磁法如圖5所示，圖5中 t 為通入直流電流持續(xù)時間。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，選用不同的電流值依次進(jìn)行正、反向沖擊消磁，正、反向重復(fù)沖擊 4～5 次基本可以消除剩磁，實(shí)現(xiàn)消磁的目的。自動消磁儀是目前常采用的消磁儀器，其采用的就是直流消磁原理。

圖5 直流消磁法

4.2 交流消磁法

交流消磁法也是一種常用的消磁方法，變壓器常規(guī)試驗(yàn)完成后，也可采用交流消磁法消除變壓器的剩磁。使用該方法時要求合上變壓器中性點(diǎn)接地刀閘，然后在變壓器的低壓側(cè)加交流試驗(yàn)電壓，逐漸升高交流試驗(yàn)電壓至 50% 額定值，持續(xù)幾分鐘后緩慢降至 0，然后逐漸升高至 100% 額定電壓，持續(xù)幾分鐘后緩慢降至 0，這樣可以大幅降低鐵芯磁通的幅值，消除剩磁，從而達(dá)到減小勵磁電流的目的。交流試驗(yàn)電壓持續(xù)時間一般為 4～6min。

4.3 改進(jìn)直流電阻試驗(yàn)

變壓器直流電阻試驗(yàn)時可以盡量降低加載的電流值，采用助磁法進(jìn)行測量，將高、低壓繞組串聯(lián)，通入試驗(yàn)電流測量。由于變壓器高壓側(cè)繞組的匝數(shù)多，可以用較小的電流使鐵芯快速飽和，進(jìn)而使繞組電感減小，縮短直流電阻的測試時間，實(shí)現(xiàn)快速測量直流電阻的目的，盡量減小變壓器的鐵芯剩磁。

4.4 控制變壓器空投時相位角

變壓器繞組鐵芯在常規(guī)試驗(yàn)后由于鐵磁材料被試驗(yàn)電壓極化（磁疇有規(guī)則排列），在試驗(yàn)完成后，磁疇的排列不能恢復(fù)到原始狀態(tài)（隨機(jī)排列），導(dǎo)致變壓器鐵芯的剩磁，這種情況引起的剩磁是可以抑制甚至消除的。變壓器鐵芯極化后的剩磁極性及大小是可以通過選擇外加試驗(yàn)電壓合閘時的相位角進(jìn)行控制的。因此，如果能掌握變壓器試驗(yàn)完成后斷電繞組鐵芯中的剩磁極性，就可以通過控制變壓器空投時的電源相位角使偏磁與剩磁極性相反，實(shí)現(xiàn)勵磁涌流的抑制[4]。

通過對 110 kV 變壓器采用直流消磁法消除變壓器的剩磁后進(jìn)行沖擊合閘，5 次沖擊均成功。

5 結(jié)束語

變壓器差動保護(hù)作為變壓器的主保護(hù)，在為變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行提供支持的同時，也可能因?yàn)閯畲庞苛鞯仍驅(qū)е抡`動作[5]。通常變電站會配置專門的繼電保護(hù)裝置作為變壓器的主保護(hù)。當(dāng)變壓器進(jìn)行空投時，繞組內(nèi)會產(chǎn)生一個很大的暫態(tài)沖擊電流，即勵磁涌流。而剩磁的存在使得勵磁涌流大幅增加，造成變壓器保護(hù)誤動作。本文針對一起 110 kV 主變電所變壓器差動保護(hù)誤動作的事故進(jìn)行分析，提出了抑制變壓器剩磁的具體措施，確保了電網(wǎng)和設(shè)備的安全。

[1]李貞，張明珠，倪傳坤，等. 變壓器勵磁涌流的自適應(yīng)二次諧波分相制動方案[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2013，37（6）：121-124.

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