基于变压器励磁阻抗测量的铁芯消磁技术研究

刘柯，廖振

(1．湖南华电长沙发电有限公司，湖南 长沙 410203;2．湖南省电力公司邵阳新邵电力局，湖南新邵 422900)

基于变压器励磁阻抗测量的铁芯消磁技术研究

刘柯1，廖振2

(1．湖南华电长沙发电有限公司，湖南 长沙 410203;2．湖南省电力公司邵阳新邵电力局，湖南新邵 422900)

分析了变压器铁芯剩磁产生的原因、特点及危害，其中重点分析了剩磁产生的原因。介绍了现有的变压器铁芯剩磁检测技术和消磁方法，并在现有技术理论基础上提及一种基于变压器励磁阻抗测量的剩磁消除技术，该方法具有检测时间短、检测成本低、消磁时间短、流程简单等特点，但是实际效果还有待实践来检验。

变压器;铁芯剩磁;铁芯消磁;励磁电抗

1 引言

变压器是电力系统中不同电压等级间相互转化的枢纽设备［1］，对电力系统安全稳定运行起着至关重要的作用。变压器铁芯剩磁对变压器正常运行及保护有着巨大的影响，若变压器铁芯磁饱和，在变压器投切过程中可能出现励磁涌流现象;此外铁芯磁饱和会使励磁电流中出现大量的谐波，既使变压器无功损耗增加，又可能使继保误动，还会引起油箱与金属构件因漏磁增加而局部过热从而造成绝缘纸老化，进而影响变压器的使用寿命［2］。因此，在变压器投运前有必要对其铁芯进行消磁。目前对变压器铁芯消磁技术研究的文献资料并不多，市面上虽然出现了变压器铁芯消磁的产品，但其技术手段很不完善。因此对现有的消磁技术进行进一步的改良具有重要的意义。

2 变压器铁芯剩磁产生的原因、特点及危害

2．1 变压器铁芯剩磁的产生

位于磁场中的铁磁元件的磁感应强度B并非与磁场强度H一一对应的单值函数，而是与其所经历的磁状态有着密切的关联［3］。变压器铁芯的磁滞回线如图1 所示［1］。

位于外磁场H中的铁磁材料，外磁场会使其磁畴由原来的无规则排列状态逐渐转向沿着磁场强度的方向排列，在铁磁材料中，若是磁场方向与磁化方向接近，则磁畴体积就会增大，若是磁场方向与磁化方向相反，则磁畴体积就会减小，从而出现了磁畴转向。此时，如图1中的曲线OAC所示，磁化强度B会随着外部磁场强度H的增加而增大，该曲线被称作起始磁化曲线。当外部磁场强度增加到Hs时，该铁磁材料全部磁畴的磁化方向与外部磁场方向相同，铁磁材料磁质达到了磁饱和状态，磁感应强度B达到饱和值Bs，达到饱和值后，即便外部磁场强度继续增加，磁感应强度B也不再增加，磁化曲线会和外部磁场强度H轴平行，其变化曲线如图1中CD。若外部磁场强度H减小时，其磁化曲线未按照起始磁化曲线返回，而是磁化强度B滞后于磁场强度H的变化，其磁化曲线如图1中CEG所示，从而表现出一种磁滞现象。当外部磁场强度H减小到0时，此时所对应的铁磁材料磁化强度Br称作剩余磁化强度。当外部磁场强度H继续减小时，磁畴向的磁场方向就会出现变化。若磁场强度方向减小到－Hs时，那么铁磁材料中所有的磁畴都会发生转向，其磁化强度达到饱和值－Bs，此后即使外部磁场强度继续减小，磁化强度B基本不变，其变化曲线图如图FG所示。若是外部磁场强度H此时开始增大，其磁化曲线将会沿着图1曲线FIJC回到正向饱和状态而构成磁滞回线。

图1 变压器铁芯磁滞回线图

由于变压器铁芯固有的磁滞现象［4］，因此变压器在进行了一定时间的正负半轴不平衡运行或者直流电阻测试试验后其铁芯会出现剩磁。

剩磁越大，对变压器运行状态的影响也越大，比较典型的例子是变压器投切过程中产生励磁涌流现象。励磁涌流的特点有［5］:

(1)涌流中含有大量的直流分量;

(2)波形是间断的，间断角一般大于60°;

(3)一个周期内正半波与负半波不对称;

(4)含有大量的二次谐波分量;

(5)涌流幅值很大，但是是衰减的等。

剩磁的危害有很多，主要变现在如下方面［6］:

(1)造成变压器继保装置误动，使变压器的投运一直不成功;

(2)若是励磁涌流数值很大会造成变压器及断路器因电动力过大而损坏;

(3)引起系统的操纵过电压，损坏电气设备，造成不可估量的经济损失;

(4)励磁涌流中的直流分量使TA的磁路过度磁化而对测量精度和继保的正确动作率造成巨大的影响;

(5)励磁涌流中谐波分量是电网的主要谐波污染源之一等。

3 现有的变压器铁芯剩磁检测及消磁技术

3．1 现有的变压器铁芯剩磁检测技术

现阶段，在国内外还没有成熟可靠的方法来对变压器铁芯剩磁进行检测已经实现的检测方法一般有如下几种［1，7］:

(1)通过测量变压器励磁涌流中2次谐波为主的谐波测量方法来判断有无剩余磁通的存在。

其测量原理是:变压器无剩磁时所产生励磁涌流中谐波分量主要是以3次谐波为主的奇次谐波，若变压器中存在剩磁时所产生的励磁涌流数值更大。将此二种情况相比较，有剩磁的励磁电流和无剩磁时励磁电流的最大区别在于有剩磁的励磁电流中存在较明显的偶次谐波励磁电流，而这其中又以2次谐波含量最为明显。因此，可以将励磁电流中的2次谐波作为判断存在剩磁的标志。

(2)文献［8］的研究表明，对于一个确定的变压器，其铁芯饱和磁通为已经确定的值，可以由不同合闸角的多次仿真来计算变压器在饱和电流时激磁的表达式，即可根据合闸角和该合闸角下的铁芯饱和电流，再计算出剩磁或者通过合闸角与剩磁得到饱和电流值。

3．2 现有的变压器铁芯消磁技术

变压器现有的铁芯剩磁消除技术与变压器铁芯剩磁检测技术一样尚不成熟，下面介绍几种消磁方法和装置［9，10］:

(1)将一逐渐减小的直流电流从变压器的高压绕组两端正反向通入，从而实现缩小铁芯的磁滞回环，消除剩磁的目的。

(2)通过提高铁芯的环境温度的方式来加速铁芯材料的分子热运动，打乱了铁芯中有序排列的磁极，达到消磁的目的，但是存在控制问题。

(3)通过在变压器上加一个降低电压等级的外加交流电源消磁。即用一个电压等级低于变压器额定电压的交流电源给变压器空载充电。

(4)瑞典的IBEKO POWER AB公司制造DEM60三相变压器去磁装置是一款已经在市场上流通的变压器去磁产品，其工作原理是通过频率响应分析或测试励磁电流变化率，当判断变压器出现剩磁时，该装置可对变压器采用幅值最小可调至零的极性交替变换的直流电进行消磁。

4 本文的变压器铁芯消磁技术研究

4．1 变压器等效电路分析

变压器模型的研究由来已久，最简单也是最常见的是T型等效电路模型。

图2(a)所示的为空载时变压器T型等效电路模型，图中R1为一次侧绕组的铜损，X1为一次侧绕组的漏磁抗，R2为二次绕组铜损，X2为二次绕组的漏磁抗，Rm为变压器铁损，Xm为励磁电抗。T型等效电路模型一般用于稳态计算，若是要考虑励磁涌流则就要对其按照B-H曲线处理，得到图2(b)所示等效电路图［1，10－11］。

图2 变压器空载时等效电路模型

4．2 基于励磁电抗测量的变压器消磁技术研究

4．2．1 变压器铁芯剩磁判断

由于变压器的磁化曲线为非线性的，因此变压器正常运行时，其励磁阻抗Zm是基本保持不变的，此时，其励磁阻抗值很大，就大型变压器而言，其励磁阻抗是以变压器额定电压和电流为基准的，一般励磁阻抗Zm＞100。而空载电流I0即为励磁电流Im，幅值很小，其幅值一般小于1%的变压器额定电流。当变压器铁芯饱和，励磁电流Im变大，则励磁阻抗Zm变小，考虑励磁涌流，空载合闸的情况下，Zm的最小值与最大值会相差几百甚至上千倍，因此可以通过测量励磁电抗Zm的大小作为判断变压器铁芯是否存在剩磁的判据。

4．2．2 变压器消磁技术

本文采用直流法对变压器铁芯进行消磁。其原理为首先检测出变压器铁芯中剩磁的磁极，具体方法是在被测变压器的高压绕组(A、C相或者B－0相)任意加上直流电压，加压后，变压器高压绕组中会产生直流电流，从而产生一个磁场与变压器铁芯中的磁场进行叠加。此时测量该变压器的励磁阻抗，若是阻抗值不变或是减小，说明该直流电压的极性接反了，则改变接线后再加压;若是变压器的励磁阻抗增加，则说明直流电压的极性未接反，可以继续加压。加压的同时应实时测量变压器的励磁阻抗来控制直流电流的大小，当励磁阻抗恢复至正常范围内则说明铁芯中的剩磁已经消除，便停止加压。其工作原理框图如图3所示。

图3 基于励磁阻抗测量的变压器消磁技术原理框图

5 结论

本文针对现阶段变压器铁芯剩磁检测以及消磁技术尚不成熟的现状，提出一种通过实时测量变压器励磁电抗大小来判别变压器铁芯剩磁极性，并将该测量值作为闭环控制变压器消磁电流大小一种控制量的新方法。该方法与现有的变压器剩磁检测及消磁技术相比，具有检测时间短、检测成本低、消磁时间短、流程简单等优势。但此方法仅仅是一种理论上的技术，尚未在实际工作中进行验证，还有待加强。

［1］ 韩正庆．变压器仿真计算模型与保护原理研究［D］．西南交通大学，2006．

［2］ 陈文臣，刘帆，陈颢，等．电力变压器铁心剩磁检测方法研究［J］．四川电力技术．2009，32(06):58 －60．

［3］ 胡虔生，胡敏强．电机学［M］．北京:中国电力出版社，2005．

［4］ 辜承林，陈乔夫，熊永前．电机学［M］．武汉:华中科技大学出版社，2005．

［5］ 支叶青．国家电网公司生产技能人员职业能力培训专用教材:继电保护［M］．北京:中国电力出版社，2010．

［6］ http://baike．baidu．com/view/9867704．htm．

［7］ 梁仕斌，文华，曹敏，等．铁芯剩磁对电流互感器性能的影响［J］．继电器，2007，35(22):27 －32．

［8］ 周建平，罗建．变压器铁心剩磁的一种估算方法［J］．热力发电，2010，39(03):61 －64．

［9］ 程玉红．大型电力变压器直流预防性试验后的剩磁影响及消除［J］．电力技术，2010，19(5):70 －73．

［10］ http://www．bltu．net/info．asp?id=47．

［11］ 汤蕴缪，史乃．电机学［M］．北京:机械工业出版社，1999．

［12］ http://baike．baidu．com/view/9867704．htm［OL］．

Research on lron-core Demagnetization Technology Based on the Excitation Im pedance M easure of Transformer

LIU Ke1，LIAO Zhen2
(1．Huadian Changsha Generation Co，Ltd，Changsha 410203，China;
2．Xinshao Power Bureau，Hunnan Electric Power company，Shaoyang 422900，China)

The paper analyzes the reason，characteristics and harm of the iron-core demagnetization，special stress on analysing the reason caused by demagnetization．It presents the iron-core residual demagnetization testing techndogy of the transformer and the demaynetizationmethod，and puts forward a demagnetization defeat techndogy based on the transformer excitation impedancemeasure on the basis of existing technical theory．Themethod has the features of short testing line，low testing cost，short demagnetization time and simple process and so on，but their actual results will be tested in the coming practice．

tranformer;iron-core residualmagntism;iron－core demagnetization;excitation reacfance

TM41

B

1004－289X(2013)03－0047－04

2013－04－21