朱旭亮 何金 胡振彬 王偉

摘 要：本文介紹了油油套管出線變壓器鐵心剩磁檢測(cè)原理和接線方式，以一臺(tái)110kV變壓器為應(yīng)用案例，評(píng)估了消磁前后變壓器勵(lì)磁涌流水平，驗(yàn)證了剩磁檢測(cè)與消磁方法的有效性。

關(guān)鍵詞：油油套管;變壓器;剩磁;勵(lì)磁涌流

中圖分類號(hào)：TM406 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）14-0069-03

Core Remaining Magnetization Detection and Inrush Current

Evaluation of Oil Casing Transformer

ZHU Xuliang1 HE Jin1 HU Zhenbin2 WANG Wei1

（1.State Grid Tianjin Electric Power Company Electric Power Research Institute，Tianjin 300384;2.State Grid Shandong Electric Power Company Licheng District Power Supply Company of Jinan City，Jinan Shandong 250100）

Abstract： This paper introduced the principle and wiring method of residual magnetism detection for core of oil bushing outlet transformer. Taking a 110kV transformer as an application case， the inrush current level of transformer before and after demagnetization was evaluated， and the effectiveness of residual magnetism detection and demagnetization method was verified.

Keywords： oil casing;transformer;remaining magnetism;inrush current

變壓器在停電進(jìn)行直流電阻等試驗(yàn)后，會(huì)在鐵心中產(chǎn)生剩磁[1]。變壓器空載合閘時(shí)，如果鐵心中存在剩磁，會(huì)導(dǎo)致鐵心快速飽和并產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，峰值可達(dá)到額定電流的6～8倍[2]，影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。油油套管出線變壓器由于高壓側(cè)采用了“油油套管-交聯(lián)聚乙烯-GIS”的連接形式[3]，導(dǎo)致鐵心剩磁檢測(cè)與消磁試驗(yàn)難以正常開展。

本文針對(duì)油油套管出線變壓器的特殊結(jié)構(gòu)，提出了單相電源的剩磁檢測(cè)方法和接線方式，通過評(píng)估消磁前后的勵(lì)磁涌流水平，驗(yàn)證該方法的有效性。

1 剩磁檢測(cè)原理

本文采用一種極性變化的直流電壓源來測(cè)量變壓器鐵心的剩磁通[4]。檢測(cè)過程中，變壓器低壓側(cè)開路，高壓側(cè)施加正向和負(fù)向的直流電壓，使鐵心分別達(dá)到正、負(fù)飽和點(diǎn)，記錄整個(gè)過程流過繞組的勵(lì)磁電流和繞組兩端的電壓。繪制鐵心磁通隨磁化電流的變化曲線可得到鐵心的部分飽和磁滯回線，根據(jù)得到的磁滯回線來計(jì)算鐵心的剩磁水平。變壓器鐵心磁滯回線如圖1所示。

圖中，[Φs]為飽和磁通;[Φr]為剩余磁通;[is]為飽和電流。[Φ1]為a、b點(diǎn)磁通變化量;[Φ2]為c、d點(diǎn)磁通變化量。由磁滯回線的對(duì)稱性可知，磁滯回線上的正、負(fù)飽和點(diǎn)的磁通數(shù)值應(yīng)該相等，因此c點(diǎn)應(yīng)為磁通零點(diǎn)。

飽和磁通為：

[Φs=Φ1+Φ22] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

剩余磁通量為：

[Φr=Φ1+Φ22-Φ1] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)）2019年第14期_103928＼Image＼HENFXAMT43%]4J{`WR%GK$M.png>[Φ1][Φ2][Φs][Φr][Φ（t）][a][c

][O

][d

][is

][im（t）

][b

]

圖1 變壓器鐵心磁滯回線

剩磁系數(shù)為：

[Kr=ΦrΦs×100%=Φ2-Φ1Φ2+Φ1×100%] ? ? ? （3）

2 接線方式

若變壓器高壓繞組采用油油套管出線，則選擇該側(cè)出線上適宜的接地開關(guān)作為測(cè)試點(diǎn)。閉合該接地開關(guān)，拆除測(cè)試點(diǎn)的接地連接，從測(cè)試點(diǎn)施加電壓并進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)，中壓側(cè)（如有）和低壓側(cè)開路。

由于在測(cè)試點(diǎn)處無法連接到變壓器中性點(diǎn)，故將變壓器作為三相星型無中性點(diǎn)變壓器（Y型）進(jìn)行試驗(yàn)。因變壓器鐵心結(jié)構(gòu)分為三相三柱和三相五柱兩種形式，故接線方式也有所不同。

2.1 三相三柱式

三相三柱式鐵心結(jié)構(gòu)變壓器分兩步進(jìn)行剩磁檢測(cè)和消磁。

第一步：施加單相消磁電源于B、C端，可實(shí)現(xiàn)B、C柱鐵心剩磁檢測(cè)與消磁。

第二步：施加單相消磁電源于A、B端，可實(shí)現(xiàn)A、B柱鐵心剩磁檢測(cè)與消磁。由于A、B柱上均有消磁繞組，已消磁的C柱磁通不會(huì)變化。這樣A、B、C柱消磁完成，變壓器被整體消磁。三相三柱式接線方式如圖2所示。

2.2 三相五柱式

三相五柱式鐵心結(jié)構(gòu)變壓器分兩步進(jìn)行剩磁檢測(cè)和消磁。

第一步：如圖3（a）所示，將變壓器A相和中性點(diǎn)O的端部分別接地、等效為短路AO，則A柱鐵心磁通等效開路，變壓器等效為單相模型。施加單相消磁電源于BC端，即可實(shí)現(xiàn)B柱、C柱、旁軛1、旁軛2的剩磁檢測(cè)與消磁。

第二步：如圖3（b）所示，打開變壓器A相端部接地，將變壓器C相端部接地、等效為短路CO，則C柱鐵心磁通等效開路，變壓器等效為單相模型。施加單相消磁電源于AB端，即可實(shí)現(xiàn)B柱、A柱、旁軛1、旁軛2的剩磁檢測(cè)與消磁。第一步中已完成消磁的C柱，此時(shí)CO短路，磁通保持不變，從而實(shí)現(xiàn)變壓器整體消磁。

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)）2019年第14期_103928＼Image＼][]KJN_6_$R%RE]S{GSW9E8.png>[單相消磁電源][單相消磁電源][A][B][C][C][B][A][A柱][B柱][C柱][C柱][B柱][A柱]

圖2 三相三柱式接線方式

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)）2019年第14期_103928＼Image＼92TMK2P236]OB{D）W@`%）%I.png>[單相消磁電源][單相消磁電源][B][C][C柱][B柱][B柱][C柱][A柱][A][B][C][0][等效]

（a） 第一步接線方式

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)）2019年第14期_103928＼Image＼6G272EHAOTXT）（5[[IJB`]7.png>[單相消磁電源][單相消磁電源][A][B][C][0][A][B][B柱][A柱][等效][A柱][B柱][C柱]

（b） 第二步接線方式

圖3 三相五柱式接線方式

3 勵(lì)磁涌流評(píng)估

對(duì)于單相分體式變壓器，當(dāng)鐵心磁通[Φt]=0時(shí)，勵(lì)磁電流[it]≈0。當(dāng)鐵心磁通飽和時(shí)，勵(lì)磁電流迅速增大。假設(shè)變壓器鐵心飽和時(shí)的電感為L(zhǎng)，勵(lì)磁涌流幅值如下。

當(dāng)[Φt>Φs]時(shí)：

[it]=[-Φmcoswt+α-cosα+Φr-ΦsL] ? ? （4）

當(dāng)[Φt<-Φs]時(shí)：

[it=-Φmcoswt+α-cosα+Φr+ΦsL] ? ? ? ? ? ? ?（5）

由式（4）和式（5）可以看出，變壓器勵(lì)磁電流幅值可以進(jìn)一步分解為周期性分量和非周期性分量。這是因?yàn)樽儔浩魈幱陲柡蜖顟B(tài)時(shí)，鐵心中存在剩磁，而磁通是不能突變的，因此出現(xiàn)了非周期性的暫態(tài)分量。由于電壓是正弦交變的，因而出現(xiàn)了周期性的暫態(tài)分量。

三相變壓器空載合閘時(shí)，三相繞組都會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。但三相變壓器空載合閘時(shí)，由于三相的接入初始相位角不同，每相產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流嚴(yán)重程度也不同，且變壓器繞組連接方式及磁路結(jié)構(gòu)也不同，因此，對(duì)線電流中勵(lì)磁涌流的大小和波形有較大影響。

以最常見的Y/△接線的變壓器為例，當(dāng)三相變壓器Y側(cè)空載合閘時(shí)，由于飽和相的勵(lì)磁電流流過非飽和相，非飽和相的二次△側(cè)必然會(huì)感應(yīng)出電流，從而抵消該電流，該電流是△側(cè)的環(huán)流[iD]。根據(jù)磁勢(shì)平衡原理，電流[iD]對(duì)非飽和相鐵心柱起去磁作用，對(duì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的飽和相卻起助磁作用，稱為“助增效應(yīng)”。環(huán)流會(huì)影響Y側(cè)涌流，使其出現(xiàn)不一樣的波形特征，如式（6）所示：

[iA=imA+iDiB=imB+iDiC=imC+iD] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

由式（6）可知，變壓器Y側(cè)的三相勵(lì)磁涌流[iA]、[iB]、[iC]是由各自的鐵心磁化電流[imA]、[imB]、[imC]和環(huán)流[iD]構(gòu)成，三相涌流相互影響。

4 應(yīng)用案例

某110kV變電站2號(hào)主變壓器型號(hào)為SZ10-50000/110，聯(lián)結(jié)組別YNd11，高壓側(cè)為油油套管出線方式。停電檢修完成低壓側(cè)直流電阻、繞組介質(zhì)損耗和繞組變形（頻響法和低電壓阻抗法）試驗(yàn)項(xiàng)目之后，進(jìn)行了鐵心剩磁檢測(cè)與消磁試驗(yàn)，以驗(yàn)證停電檢修的油油套管變壓器在例行和診斷性試驗(yàn)之后的剩磁水平，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 剩磁檢測(cè)與消磁試驗(yàn)結(jié)果

[檢測(cè)階段 檢測(cè)項(xiàng)目 檢測(cè)數(shù)值/% 剩磁檢測(cè) 初始剩磁系數(shù) AB 36.9 BC 5.1 鐵心消磁 消磁后剩磁系數(shù) AB 0.5 BC 0.7 ]

在變壓器空載合閘相位角為0°、鐵心剩磁方向?yàn)檎虻募俣ㄇ闆r下，計(jì)算了2號(hào)主變消磁前后高壓A相繞組勵(lì)磁涌流幅值和波形，如圖4所示。從圖4可以看出，在此假定情況下，經(jīng)過鐵心消磁后的空載合閘勵(lì)磁涌流幅值下降了約30%。

5 結(jié)論

①通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，變壓器在交接試驗(yàn)或停電例行及診斷性試驗(yàn)之后，鐵心會(huì)存在較高的剩磁水平，經(jīng)消磁后剩磁水平顯著降低，相應(yīng)的勵(lì)磁涌流幅值也減小到可接受的水平，可有效避免繼電保護(hù)誤動(dòng)作及勵(lì)磁涌流對(duì)變壓器的沖擊損壞。

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)）2019年第14期_103928＼Image＼[D81S978KQ%3JJZPDP_0JYX.png>[高壓繞組電流（A）][3 000

2 000

1 000

0

-1 000][0][0.1][0.2][0.3][0.4][0.5][時(shí)間/（s）][消磁前][消磁后]

圖4 消磁前后A相勵(lì)磁涌流波形

②在相同合閘相位角的情況下，變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流隨鐵心剩磁水平的增加而增大。在鐵心零剩磁的情況下，合閘相位角在0°或180°時(shí)勵(lì)磁涌流幅值達(dá)到最大，其值一般不會(huì)影響變壓器正常投運(yùn)和運(yùn)行。

③直流電阻是影響變壓器鐵心剩磁水平的一個(gè)重要因素。由于高電壓、大容量變壓器的直流電阻測(cè)試電流大、時(shí)間長(zhǎng)，因此，其剩磁水平一般高于低電壓小容量的變壓器。此外，由于油油套管變壓器在例行試驗(yàn)中僅對(duì)低壓側(cè)進(jìn)行直流電阻測(cè)試，因此，其剩磁水平一般低于常規(guī)套管變壓器。

由此，建議對(duì)110kV及以上變壓器在停電試驗(yàn)后、投運(yùn)之前均開展鐵心消磁工作。對(duì)于常規(guī)套管變壓器，消磁電壓應(yīng)加在高壓套管端部;對(duì)于油油套管變壓器，應(yīng)在組合電器接地刀閘的接地連接處施加消磁電壓。

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