張 輝，張祥帥，雷若冰，錢 杰

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

變壓器是電力系統(tǒng)中連接不同電壓等級電網(wǎng)的重要樞紐設(shè)備，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[1]。受合閘相角的隨機(jī)性以及變壓器內(nèi)部剩磁的共同影響，變壓器空載合閘時(shí)往往會產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，其幅值可以達(dá)到額定電流的6～8 倍[2-4]。勵(lì)磁涌流可能使變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，造成送電失敗。即使差動(dòng)保護(hù)不誤動(dòng)，過大的勵(lì)磁電流流過變壓器線圈，也可能造成部件松動(dòng)、繞組輕微變形等，形成隱患或缺陷。此外，勵(lì)磁涌流中往往含有高次諧波，諧波會降低電網(wǎng)的電能質(zhì)量，甚至造成電網(wǎng)中的電力電子等敏感元器件損壞[5-6]。

目前針對變壓器勵(lì)磁涌流的研究大體可以分為兩方面，分別是勵(lì)磁涌流識別以及勵(lì)磁涌流抑制。勵(lì)磁涌流識別，主要原理是利用勵(lì)磁涌流表現(xiàn)出的不同于其他故障電流的特征，形成某種制動(dòng)策略，當(dāng)發(fā)生勵(lì)磁涌流時(shí)，通過閉鎖差動(dòng)保護(hù)以保證變壓器順利合閘送電[8-9]。但是，成功識別勵(lì)磁涌流并不能防止勵(lì)磁涌流對變壓器的損害以及其導(dǎo)致的電能質(zhì)量的降低。勵(lì)磁涌流抑制的方法主要有內(nèi)插電阻法、合閘回路串電阻法、低壓側(cè)并聯(lián)電容器法以及選相合閘技術(shù)等[10]，目前最適合現(xiàn)場使用的方法是選相合閘的方法，其本質(zhì)是通過控制合閘電壓相角，使得合閘偏磁與變壓器剩磁剛好抵消，從而防止變壓器鐵心進(jìn)入飽和狀態(tài)而產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。

選相合閘技術(shù)需要根據(jù)變壓器斷電時(shí)的分閘相位角獲知初始剩磁和極性，并以此初始剩磁作為選相合閘的依據(jù)。通常主變退出運(yùn)行的主要原因是檢修試驗(yàn)或者故障跳閘，兩種情況下，試驗(yàn)人員都會對變壓器進(jìn)行加壓試驗(yàn)，以判斷變壓器的電氣性能或者絕緣狀況能否滿足繼續(xù)運(yùn)行的要求，這顯然會改變變壓器鐵心的剩磁狀態(tài)，使得根據(jù)分閘相位角計(jì)算得到的初始剩磁與投運(yùn)前的主變實(shí)際剩磁差距較大，從而造成通過現(xiàn)有選相合閘技術(shù)抑制勵(lì)磁涌流的效果大打折扣。

下面采用了一種改進(jìn)的剩磁檢測及消磁技術(shù)，對管轄范圍內(nèi)多臺220 kV 變壓器進(jìn)行了現(xiàn)場消磁試驗(yàn)。

1 變壓器鐵心剩磁消除方法

電力變壓器在運(yùn)行過程中，其內(nèi)部會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)磁通。當(dāng)變壓器斷電切除時(shí)，由于回路磁通守恒，穩(wěn)態(tài)磁通不會立即消失，而會保留一個(gè)與最末時(shí)刻穩(wěn)態(tài)磁通大小相等、極性相同的剩磁。目前電力行業(yè)對變壓器鐵心剩磁的消除方法主要有如下兩種：直流消磁法和交流消磁法。

1.1 直流消磁法

該方法利用正負(fù)電壓交替的直流電流源對變壓器繞組施加幅值逐漸降低的電流，從而使剩余磁通逐步降低，反復(fù)多次后完成消磁，將變壓器鐵心剩磁降低至相當(dāng)?shù)偷牧恐怠５谴朔椒ㄔ谙胚^程中無法測量鐵心內(nèi)的實(shí)際剩余磁通，不能定量評估消磁效果。

1.2 交流消磁法

該方法利用大容量交流電源對變壓器低壓側(cè)加壓，高壓側(cè)中性點(diǎn)接地，將電壓由0 V 逐漸升高至1.1 倍額定電壓，然后將電壓緩慢降至0 V。通過逐漸減小交變磁場的幅值，使磁滯回線所圍面積也逐漸變小，剩磁將隨磁場強(qiáng)度一起最終接近于零。該方法消磁效果很好，但是對設(shè)備要求較高，現(xiàn)場無法提供大容量的交流電源。

2 改進(jìn)的剩磁檢測及消磁技術(shù)

下面采用了一臺型號為LX3600 的變壓器剩磁檢測及定量消磁分析儀，對現(xiàn)場例行檢修的220 kV 變壓器進(jìn)行消磁試驗(yàn)。其基本原理是依據(jù)磁通量計(jì)算公式Φ=∫udt，對變壓器高壓繞組施加勵(lì)磁電流，并對測得的勵(lì)磁電壓曲線進(jìn)行積分，從而計(jì)算出鐵心內(nèi)的磁通量變化值。

由于變壓器勵(lì)磁繞組存在直流電阻，等效電路中此電阻與勵(lì)磁電感串聯(lián)，而直流電阻并不參與勵(lì)磁磁場的建立，所以在檢測變壓器鐵心內(nèi)當(dāng)前磁通量時(shí)，應(yīng)去除這部分直流電阻帶來的誤差。在對變壓器消磁過程中，首先對勵(lì)磁繞組施加電流i(t)，測得勵(lì)磁繞組兩端產(chǎn)生的電壓u(t)，從而可以計(jì)算出勵(lì)磁繞組的直流電阻RDC。分別對電壓信號u(t)和電流信號i(t)進(jìn)行高精度采樣，結(jié)合上述分析，可將磁通量計(jì)算公式Ф=∫udt，修改為:

這樣即可準(zhǔn)確計(jì)算出變壓器鐵心中當(dāng)前的磁通量，并且通過改變勵(lì)磁電流方向進(jìn)行多次測量，最終可以計(jì)算出鐵心的最大飽和磁通量Фs、初始剩余磁通量Фr和最終剩余磁通量Фr2。并且由上述公式計(jì)算得到以下兩個(gè)重要參數(shù)：

3 消磁儀現(xiàn)場應(yīng)用情況

3.1 消磁效果驗(yàn)證

2020-04-28，220 kV 廟港變1 號主變小修預(yù)試。第一天停電時(shí)間較晚，主變只拆頭未試驗(yàn)。第二天主變?nèi)吭囼?yàn)工作結(jié)束后，用變壓器剩磁檢測及定量消磁分析儀進(jìn)行了第一次消磁，為驗(yàn)證消磁效果，進(jìn)行了第二次消磁。

從試驗(yàn)結(jié)果看，第一次消磁初始剩磁率達(dá)到65.380 %，消磁后最終剩磁率降為0.512 %；第二次消磁，剩磁率由初始的0.531 %最終降至0.140 %，兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，通過多次消磁，變壓器剩磁檢測及定量消磁分析儀可以將變壓器剩磁率降至很低的量值。

3.2 接地消磁與儀器消磁對比

2020-06-12，220 kV 向陽變2 號主變漏油處理后試驗(yàn)。第一天主變?nèi)毕萏幚斫Y(jié)束后進(jìn)行變比、直阻、絕緣試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束將主變?nèi)齻?cè)繞組短路接地，通過接地釋放殘余電荷。自6 月12 日下午5時(shí)至6 月14 日下午1 時(shí)共44 h 后，用變壓器剩磁檢測及定量消磁分析儀進(jìn)行檢測及消磁。經(jīng)檢測接地44 h 后，變壓器剩磁率依然達(dá)到27.8 %，可見接地消磁效果并不理想。而使用該儀器消磁后，當(dāng)前剩磁率為0.787 %。

2020-06-12，220 kV 郭巷變擴(kuò)建3 號主變局放試驗(yàn)，主變完成局放試驗(yàn)后恢復(fù)引線搭接，并通過接地刀閘接地，以釋放殘余電荷。2020-06-23，再次對該主變?nèi)齻?cè)引線拆除，進(jìn)行消磁、頻響試驗(yàn)，初始剩磁率3.589 %，消磁后當(dāng)前剩磁率0.742 %。

參照之前主變試驗(yàn)后消磁結(jié)果，可以預(yù)估郭巷變3 號主變交接試驗(yàn)后剩磁率為60 %左右，經(jīng)過三側(cè)繞組短路接地，進(jìn)行放電共計(jì)250 h，剩磁檢測結(jié)果為3.589 %。此次由于接地放電時(shí)間較長，剩磁率明顯降低。

上述兩臺主變接地放電時(shí)間與剩磁率對比結(jié)果見表1，可以看到通過將繞組短路接地可以降低鐵心剩磁，但是所需時(shí)間較長，由于現(xiàn)場停電時(shí)間較短，無法通過長時(shí)間接地來完成消磁。

表1 接地放電時(shí)間與剩磁率對比

3.3 電氣試驗(yàn)前后剩磁情況對比

2020-05-17，東渚變1 號主變小修預(yù)試。第一天主變停電時(shí)間晚，主變只拆引線接頭未試驗(yàn)。第二天先用變壓器剩磁檢測及定量消磁分析儀進(jìn)行消磁，以檢測主變停運(yùn)后初始剩磁率；全部試驗(yàn)工作結(jié)束后，使用變壓器剩磁檢測及定量消磁分析儀進(jìn)行第二次消磁，以檢測主變試驗(yàn)后剩磁率。

對比兩次消磁結(jié)果可以看到，該主變由運(yùn)行轉(zhuǎn)停電狀態(tài)有一定量的初始剩磁率(20.51 %)，全部試驗(yàn)工作結(jié)束后，剩磁率出現(xiàn)了明顯的增長(63.44 %)。通過使用變壓器剩磁檢測及定量消磁分析儀進(jìn)行消磁，最終剩磁率均達(dá)到1 %以下(分別為0.681 %，0.689 %)，剩磁降至極低量值。

3.4 主變消磁與不消磁送電高壓勵(lì)磁電流對比分析

通常主變合閘瞬間，高壓側(cè)電流會急劇升高，之后逐漸降低，并且恢復(fù)穩(wěn)定?；谏鲜鎏卣鳎旅嬉灾髯兒祥l最大電流與半小時(shí)后的穩(wěn)定電流之比K，作為反映合閘后勵(lì)磁電流大小的參數(shù)，K值越大則勵(lì)磁電流越大，反之則越小。為了驗(yàn)證消磁對勵(lì)磁電流的降低效果，調(diào)取了部分配合停電的主變和停電例行試驗(yàn)的主變送電時(shí)的高壓側(cè)電流數(shù)據(jù)，如表2 所示。主變1 ～3 為停電例行試驗(yàn)的主變，均進(jìn)行了常規(guī)例行試驗(yàn)，并且送電前采用上述消磁儀進(jìn)行消磁。主變4～6 為配合停電的主變，其本身不進(jìn)行試驗(yàn)工作，因此配合結(jié)束后，不消磁直接送電。從表2 數(shù)據(jù)可以看出，消磁后送電的主變1～3 的K值平均為1.05，不消磁直接送電的主變4～6 的K值平均為1.52，前者與后者相比降低了30.87 %，說明消磁后，主變送電時(shí)高壓勵(lì)磁電流降低效果可以達(dá)到30.87 %。

表2 主變消磁與不消磁送電高壓勵(lì)磁電流對比

4 結(jié)論

(1) 通過將繞組短路接地可以降低鐵心剩磁，但是所需等待時(shí)間較長，無法滿足現(xiàn)場送電時(shí)間的要求。

(2) 變壓器停電后具有一定的初始剩磁率，進(jìn)行電氣試驗(yàn)后剩磁率則會進(jìn)一步增大，說明選相合閘以停電分閘時(shí)的波形數(shù)據(jù)計(jì)算得到的剩磁率與變壓器試驗(yàn)后實(shí)際剩磁差別較大，變壓器電氣試驗(yàn)后合閘送電以選相合閘系統(tǒng)計(jì)算的剩磁為依據(jù)是不合理的。

(3) 通過采用變壓器剩磁檢測及定量消磁分析儀的多次消磁，可使送電前變壓器的實(shí)際剩磁率降至極低量值(1 %以下)，送電時(shí)高壓勵(lì)磁電流也有明顯降低；再結(jié)合現(xiàn)有的選相合閘技術(shù)，則可以有效降低主變空載合閘勵(lì)磁涌流的發(fā)生率，提高主變送電成功率，具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值，可供電力系統(tǒng)相關(guān)人員參考。