剩磁对变压器的影响及防范措施

胡 浩，李 欢

（武汉地铁集团有限公司，湖北武汉 430063）

0 引言

变压器是电力系统最主要的设备之一，它在电力系统中传送和分配电能，将发电机发出的电压（通常只有 10.5～20 kV）逐级升高到 220～1 000 kV，以减少线路损耗。在电能输送到用户后，再用降压变压器逐级降到用户所需电压，供相应的动力设备、照明设备使用。在城市轨道交通机电设备中，变压器具有重要的作用，尤其是主变压器，它承接着整条线路的用电负荷，关乎整条线路的安全运行。

1 事故分析

武汉地铁某 110 kV 主变电所高压侧采用线路-变压器组接线，中压侧采用单母分段接线，如图1所示。在对 1#主变压器（新投运）冲击送电的过程中，主变压器差动保护动作跳开进线开关。现场检查发现设备正常。取变压器本体油样进行油色谱试验，数据显示油中溶解气体成分及含量均合格；跳闸时变压器高、低压侧均无短路电流，排除了变压器内部存在放电击穿及短路的可能性。

通过调取保护装置动作时的数据，发现保护动作时三相差动电流均大于主变压器差动保护启动整定值（0.6 A），三相二次谐波电流含量均小于主变压器保护二次谐波制动整定值（0.17），如表1所示，谐波制动闭锁开放，差动保护动作。

图1 主变电所接线图

表1 差动电流及二次谐波

变压器保护通常采用二次谐波制动的方式来闭锁差动保护，以躲过变压器空载合闸过程中的励磁涌流[1-2]。变压器保护装置的动作逻辑为正常运行时，变压器各相电流中的二次谐波含量不超过整定值，励磁涌流判据将闭锁差动保护；若变压器三相中任意一相的二次谐波含量超过整定值，保护装置将开放差动保护动作跳闸。

2 励磁涌流的产生

变压器空载合闸到电网或切除故障恢复正常电压时，可能出现很大的暂态电流，称为励磁涌流。励磁涌流是由于电力系统电压急剧变化产生的，归根到底是由于铁芯材料磁饱和（磁滞特性）而产生的剩磁造成的。若变压器投入前的剩磁方向与变压器投入时的系统电压产生的磁通方向相同，则总磁通量将大大超过变压器铁芯的饱和磁通量，从而产生很大的励磁涌流。

图2 励磁电流与磁通的关系

如图2所示，变压器空载合闸时，二次侧开路，设一次侧电压 u1为：

式（1）中，a 为系统电压的初始相位，U1为一次侧电压有效值，ωt 为电压相位变换角，ω 为角频率。

当 t ≥0 时，变压器一次侧电流 i1满足方程：

式（2）中，φ为与一次绕组交链的总磁通，包括主磁通和漏磁通，近似为主磁通；i1为变压器一次侧电流，R1为变压器一次侧等效电阻，N1为变压器一次侧线圈匝数。

在式（2）中，电阻电压 i1R1较小，在合闸瞬间可以忽略不计，但在计算瞬态电流的衰减时，必须计入 R1的影响，因为 R1是瞬态电流衰减的根本原因。忽略 R1时，式（2）变为：

解此方程得：

C 由初始条件决定，由磁链守恒可知，变压器空载合闸前后的磁链为 0，得：

则有：

由式（6）可以看出，磁通φ的瞬变过程与合闸时刻的电压初始相位有关。

以下讨论初始相位的 2 种极端情况。

（2）在 t = 0、α = π 时合闸，系统电压 u1为 0，此时

图3 t = 0、α = π 磁通曲线

3 变压器剩磁的产生及危害

3.1 变压器剩磁的产生

剩磁是铁芯材料在磁化过程中的磁滞损耗，铁芯材料在交变磁场作用下逐渐被磁化的过程中，磁畴会不断地转动，相互间不停摩擦而消耗能量，产生损耗。变压器产生剩磁主要有以下几个方面原因。

（1）变压器三相对称，而断路器在电流过零（某一相电流为零）时分断，造成非同期分闸，产生剩磁。

（2）变压器投运前，需要做一系列的直流试验（绕组直流电阻、绝缘电阻、泄漏电流、介损试验等），单向的直流电压使变压器绕组产生剩磁。

3.2 变压器剩磁的危害

如图4所示，正常运行时，变压器工作在A点，变压器铁芯磁通φ接近饱和；空载合闸时，变压器工作在B 点，此时的变压器铁芯磁通非常饱和，励磁电流超过额定电流的 3 倍；变压器剩磁时，可能工作在 C 点，此时的励磁电流将超过允许值，造成差动保护误动作。由于系统电压三相对称，变压器空载合闸时，必有一相工作在最不利状态下，若变压器有剩磁，励磁电流将会更大，达到额定电流的 6～8 倍，直接导致变压器保护的误动作。

图4 铁芯磁化曲线

4 变压器剩磁的消除方法

4.1 直流消磁法

直流消磁法，也可以称为反向冲击法，是目前普遍采用的一种消磁方法。变压器进行预防性试验后，分别在变压器高压绕组两端正、反向通入直流电流，直流电流的输入方向应当与测试绕组直流电阻时的电流方向相反，正、反向电流持续通入相同的时间，大约 5～10min，之后不断减小通入的直流电流 I，以减小铁芯的磁滞回线，从而达到消除剩磁的目的[3]，直流消磁法如图5所示，图5中 t 为通入直流电流持续时间。根据现场实际情况，选用不同的电流值依次进行正、反向冲击消磁，正、反向重复冲击 4～5 次基本可以消除剩磁，实现消磁的目的。自动消磁仪是目前常采用的消磁仪器，其采用的就是直流消磁原理。

图5 直流消磁法

4.2 交流消磁法

交流消磁法也是一种常用的消磁方法，变压器常规试验完成后，也可采用交流消磁法消除变压器的剩磁。使用该方法时要求合上变压器中性点接地刀闸，然后在变压器的低压侧加交流试验电压，逐渐升高交流试验电压至 50% 额定值，持续几分钟后缓慢降至 0，然后逐渐升高至 100% 额定电压，持续几分钟后缓慢降至 0，这样可以大幅降低铁芯磁通的幅值，消除剩磁，从而达到减小励磁电流的目的。交流试验电压持续时间一般为 4～6min。

4.3 改进直流电阻试验

变压器直流电阻试验时可以尽量降低加载的电流值，采用助磁法进行测量，将高、低压绕组串联，通入试验电流测量。由于变压器高压侧绕组的匝数多，可以用较小的电流使铁芯快速饱和，进而使绕组电感减小，缩短直流电阻的测试时间，实现快速测量直流电阻的目的，尽量减小变压器的铁芯剩磁。

4.4 控制变压器空投时相位角

变压器绕组铁芯在常规试验后由于铁磁材料被试验电压极化（磁畴有规则排列），在试验完成后，磁畴的排列不能恢复到原始状态（随机排列），导致变压器铁芯的剩磁，这种情况引起的剩磁是可以抑制甚至消除的。变压器铁芯极化后的剩磁极性及大小是可以通过选择外加试验电压合闸时的相位角进行控制的。因此，如果能掌握变压器试验完成后断电绕组铁芯中的剩磁极性，就可以通过控制变压器空投时的电源相位角使偏磁与剩磁极性相反，实现励磁涌流的抑制[4]。

通过对 110 kV 变压器采用直流消磁法消除变压器的剩磁后进行冲击合闸，5 次冲击均成功。

5 结束语

变压器差动保护作为变压器的主保护，在为变压器安全稳定运行提供支持的同时，也可能因为励磁涌流等原因导致误动作[5]。通常变电站会配置专门的继电保护装置作为变压器的主保护。当变压器进行空投时，绕组内会产生一个很大的暂态冲击电流，即励磁涌流。而剩磁的存在使得励磁涌流大幅增加，造成变压器保护误动作。本文针对一起 110 kV 主变电所变压器差动保护误动作的事故进行分析，提出了抑制变压器剩磁的具体措施，确保了电网和设备的安全。

[1]李贞，张明珠，倪传坤，等. 变压器励磁涌流的自适应二次谐波分相制动方案[J]. 电力系统自动化，2013，37（6）：121-124.

[2]王大立，段周朝. 变压器励磁涌流引起的保护误动分析[J]. 电力系统保护与控制，2010，38（10）：138-140，144.

[3]吴鹰飞，周兆英. 消除电磁夹紧机构的剩磁影响[J].电工技术，2002（9）：41-42.

[4]黄金，粱兆庭. 基于剩磁测量的选相关合技术[J]. 低压电器，2011（9）：10-13，16.

[5]张清明. 变压器差动保护误动原因分析及改进措施[J]. 上海电气技术，2011，4（2）：18-22.