油油套管变压器铁心剩磁检测与励磁涌流评估决策研究

朱旭亮 何金 胡振彬 王伟

摘 要：本文介绍了油油套管出线变压器铁心剩磁检测原理和接线方式，以一台110kV变压器为应用案例，评估了消磁前后变压器励磁涌流水平，验证了剩磁检测与消磁方法的有效性。

关键词：油油套管;变压器;剩磁;励磁涌流

中图分类号：TM406 文献标识码：A 文章编号：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

变压器在停电进行直流电阻等试验后，会在铁心中产生剩磁[1]。变压器空载合闸时，如果铁心中存在剩磁，会导致铁心快速饱和并产生励磁涌流，峰值可达到额定电流的6～8倍[2]，影响电力系统的正常运行。油油套管出线变压器由于高压侧采用了“油油套管-交联聚乙烯-GIS”的连接形式[3]，导致铁心剩磁检测与消磁试验难以正常开展。

本文针对油油套管出线变压器的特殊结构，提出了单相电源的剩磁检测方法和接线方式，通过评估消磁前后的励磁涌流水平，验证该方法的有效性。

1 剩磁检测原理

本文采用一种极性变化的直流电压源来测量变压器铁心的剩磁通[4]。检测过程中，变压器低压侧开路，高压侧施加正向和负向的直流电压，使铁心分别达到正、负饱和点，记录整个过程流过绕组的励磁电流和绕组两端的电压。绘制铁心磁通随磁化电流的变化曲线可得到铁心的部分饱和磁滞回线，根据得到的磁滞回线来计算铁心的剩磁水平。变压器铁心磁滞回线如图1所示。

图中，[Φs]为饱和磁通;[Φr]为剩余磁通;[is]为饱和电流。[Φ1]为a、b点磁通变化量;[Φ2]为c、d点磁通变化量。由磁滞回线的对称性可知，磁滞回线上的正、负饱和点的磁通数值应该相等，因此c点应为磁通零点。

饱和磁通为：

[Φs=Φ1+Φ22]                               （1）

剩余磁通量为：

[Φr=Φ1+Φ22-Φ1]                    （2）

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（创新驱动）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

]

图1 变压器铁心磁滞回线

剩磁系数为：

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

2 接线方式

若變压器高压绕组采用油油套管出线，则选择该侧出线上适宜的接地开关作为测试点。闭合该接地开关，拆除测试点的接地连接，从测试点施加电压并进行测量。同时，中压侧（如有）和低压侧开路。

由于在测试点处无法连接到变压器中性点，故将变压器作为三相星型无中性点变压器（Y型）进行试验。因变压器铁心结构分为三相三柱和三相五柱两种形式，故接线方式也有所不同。

2.1 三相三柱式

三相三柱式铁心结构变压器分两步进行剩磁检测和消磁。

第一步：施加单相消磁电源于B、C端，可实现B、C柱铁心剩磁检测与消磁。

第二步：施加单相消磁电源于A、B端，可实现A、B柱铁心剩磁检测与消磁。由于A、B柱上均有消磁绕组，已消磁的C柱磁通不会变化。这样A、B、C柱消磁完成，变压器被整体消磁。三相三柱式接线方式如图2所示。

2.2 三相五柱式

三相五柱式铁心结构变压器分两步进行剩磁检测和消磁。

第一步：如图3（a）所示，将变压器A相和中性点O的端部分别接地、等效为短路AO，则A柱铁心磁通等效开路，变压器等效为单相模型。施加单相消磁电源于BC端，即可实现B柱、C柱、旁轭1、旁轭2的剩磁检测与消磁。

第二步：如图3（b）所示，打开变压器A相端部接地，将变压器C相端部接地、等效为短路CO，则C柱铁心磁通等效开路，变压器等效为单相模型。施加单相消磁电源于AB端，即可实现B柱、A柱、旁轭1、旁轭2的剩磁检测与消磁。第一步中已完成消磁的C柱，此时CO短路，磁通保持不变，从而实现变压器整体消磁。

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（创新驱动）2019年第14期_103928＼Image＼][]KJN_6_$R%RE]S{GSW9E8.png>[单相消磁电源][单相消磁电源][A][B][C][C][B][A][A柱][B柱][C柱][C柱][B柱][A柱]

图2 三相三柱式接线方式

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（创新驱动）2019年第14期_103928＼Image＼92TMK2P236]OB{D）W@`%）%I.png>[单相消磁电源][单相消磁电源][B][C][C柱][B柱][B柱][C柱][A柱][A][B][C][0][等效]

（a） 第一步接线方式

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（创新驱动）2019年第14期_103928＼Image＼6G272EHAOTXT）（5[[IJB`]7.png>[单相消磁电源][单相消磁电源][A][B][C][0][A][B][B柱][A柱][等效][A柱][B柱][C柱]

（b） 第二步接线方式

图3 三相五柱式接线方式

3 励磁涌流评估

对于单相分体式变压器，当铁心磁通[Φt]=0时，励磁电流[it]≈0。当铁心磁通饱和时，励磁电流迅速增大。假设变压器铁心饱和时的电感为L，励磁涌流幅值如下。

当[Φt>Φs]时：

[it]=[-Φmcoswt+α-cosα+Φr-ΦsL]     （4）

当[Φt<-Φs]时：

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

由式（4）和式（5）可以看出，变压器励磁电流幅值可以进一步分解为周期性分量和非周期性分量。这是因为变压器处于饱和状态时，铁心中存在剩磁，而磁通是不能突变的，因此出现了非周期性的暂态分量。由于电压是正弦交变的，因而出现了周期性的暂态分量。

三相变压器空载合闸时，三相绕组都会产生励磁涌流。但三相变压器空载合闸时，由于三相的接入初始相位角不同，每相产生的励磁涌流严重程度也不同，且变压器绕组连接方式及磁路结构也不同，因此，对线电流中励磁涌流的大小和波形有较大影响。

以最常见的Y/△接线的变压器为例，当三相变压器Y侧空载合闸时，由于饱和相的励磁电流流过非饱和相，非饱和相的二次△侧必然会感应出电流，从而抵消该电流，该电流是△侧的环流[iD]。根据磁势平衡原理，电流[iD]对非饱和相铁心柱起去磁作用，对产生励磁涌流的饱和相却起助磁作用，称为“助增效应”。环流会影响Y侧涌流，使其出现不一样的波形特征，如式（6）所示：

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

由式（6）可知，变压器Y侧的三相励磁涌流[iA]、[iB]、[iC]是由各自的铁心磁化电流[imA]、[imB]、[imC]和环流[iD]构成，三相涌流相互影響。

4 应用案例

某110kV变电站2号主变压器型号为SZ10-50000/110，联结组别YNd11，高压侧为油油套管出线方式。停电检修完成低压侧直流电阻、绕组介质损耗和绕组变形（频响法和低电压阻抗法）试验项目之后，进行了铁心剩磁检测与消磁试验，以验证停电检修的油油套管变压器在例行和诊断性试验之后的剩磁水平，试验结果如表1所示。

表1 剩磁检测与消磁试验结果

[检测阶段 检测项目 检测数值/% 剩磁检测 初始剩磁系数 AB 36.9 BC 5.1 铁心消磁 消磁后剩磁系数 AB 0.5 BC 0.7 ]

在变压器空载合闸相位角为0°、铁心剩磁方向为正向的假定情况下，计算了2号主变消磁前后高压A相绕组励磁涌流幅值和波形，如图4所示。从图4可以看出，在此假定情况下，经过铁心消磁后的空载合闸励磁涌流幅值下降了约30%。

5 结论

①通过现场测试发现，变压器在交接试验或停电例行及诊断性试验之后，铁心会存在较高的剩磁水平，经消磁后剩磁水平显著降低，相应的励磁涌流幅值也减小到可接受的水平，可有效避免继电保护误动作及励磁涌流对变压器的冲击损坏。

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（创新驱动）2019年第14期_103928＼Image＼[D81S978KQ%3JJZPDP_0JYX.png>[高压绕组电流（A）][3 000

2 000

1 000

0

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

图4 消磁前后A相励磁涌流波形

②在相同合闸相位角的情况下，变压器空载合闸励磁涌流随铁心剩磁水平的增加而增大。在铁心零剩磁的情况下，合闸相位角在0°或180°时励磁涌流幅值达到最大，其值一般不会影响变压器正常投运和运行。

③直流电阻是影响变压器铁心剩磁水平的一个重要因素。由于高电压、大容量变压器的直流电阻测试电流大、时间长，因此，其剩磁水平一般高于低电压小容量的变压器。此外，由于油油套管变压器在例行试验中仅对低压侧进行直流电阻测试，因此，其剩磁水平一般低于常规套管变压器。

由此，建议对110kV及以上变压器在停电试验后、投运之前均开展铁心消磁工作。对于常规套管变压器，消磁电压应加在高压套管端部;对于油油套管变压器，应在组合电器接地刀闸的接地连接处施加消磁电压。

参考文献：

[1]戈文祺，汪友华，陈学广.电力变压器铁心剩磁的测量与削弱方法[J].电工技术学报，2015（16）：10-16.

[2]李广瑞.大型变压器因实验产生剩磁的影响及消除剩磁的方法[J].神华科技，2014（6）：63-66.

[3]王楠，房志廉，曹建瑞，等.油油套管出线变压器不拆头现场试验分析[J].变压器，2016（4）：57-64.

[4]刘涛，刘鑫，梁仕斌，等.基于极性变化直流电压源的铁磁元件铁心剩磁通测量方法[J].电工技术学报，2017（13）：137-144.