220 kV变压器剩磁检测及消磁技术分析

张 辉，张祥帅，雷若冰，钱 杰

(国网江苏省电力有限公司苏州供电分公司，江苏 苏州 215000)

0 引言

变压器是电力系统中连接不同电压等级电网的重要枢纽设备，对电力系统安全稳定运行起着至关重要的作用[1]。受合闸相角的随机性以及变压器内部剩磁的共同影响，变压器空载合闸时往往会产生励磁涌流，其幅值可以达到额定电流的6～8 倍[2-4]。励磁涌流可能使变压器差动保护误动作，造成送电失败。即使差动保护不误动，过大的励磁电流流过变压器线圈，也可能造成部件松动、绕组轻微变形等，形成隐患或缺陷。此外，励磁涌流中往往含有高次谐波，谐波会降低电网的电能质量，甚至造成电网中的电力电子等敏感元器件损坏[5-6]。

目前针对变压器励磁涌流的研究大体可以分为两方面，分别是励磁涌流识别以及励磁涌流抑制。励磁涌流识别，主要原理是利用励磁涌流表现出的不同于其他故障电流的特征，形成某种制动策略，当发生励磁涌流时，通过闭锁差动保护以保证变压器顺利合闸送电[8-9]。但是，成功识别励磁涌流并不能防止励磁涌流对变压器的损害以及其导致的电能质量的降低。励磁涌流抑制的方法主要有内插电阻法、合闸回路串电阻法、低压侧并联电容器法以及选相合闸技术等[10]，目前最适合现场使用的方法是选相合闸的方法，其本质是通过控制合闸电压相角，使得合闸偏磁与变压器剩磁刚好抵消，从而防止变压器铁心进入饱和状态而产生励磁涌流。

选相合闸技术需要根据变压器断电时的分闸相位角获知初始剩磁和极性，并以此初始剩磁作为选相合闸的依据。通常主变退出运行的主要原因是检修试验或者故障跳闸，两种情况下，试验人员都会对变压器进行加压试验，以判断变压器的电气性能或者绝缘状况能否满足继续运行的要求，这显然会改变变压器铁心的剩磁状态，使得根据分闸相位角计算得到的初始剩磁与投运前的主变实际剩磁差距较大，从而造成通过现有选相合闸技术抑制励磁涌流的效果大打折扣。

下面采用了一种改进的剩磁检测及消磁技术，对管辖范围内多台220 kV 变压器进行了现场消磁试验。

1 变压器铁心剩磁消除方法

电力变压器在运行过程中，其内部会产生稳态磁通。当变压器断电切除时，由于回路磁通守恒，稳态磁通不会立即消失，而会保留一个与最末时刻稳态磁通大小相等、极性相同的剩磁。目前电力行业对变压器铁心剩磁的消除方法主要有如下两种：直流消磁法和交流消磁法。

1.1 直流消磁法

该方法利用正负电压交替的直流电流源对变压器绕组施加幅值逐渐降低的电流，从而使剩余磁通逐步降低，反复多次后完成消磁，将变压器铁心剩磁降低至相当低的量值。但是此方法在消磁过程中无法测量铁心内的实际剩余磁通，不能定量评估消磁效果。

1.2 交流消磁法

该方法利用大容量交流电源对变压器低压侧加压，高压侧中性点接地，将电压由0 V 逐渐升高至1.1 倍额定电压，然后将电压缓慢降至0 V。通过逐渐减小交变磁场的幅值，使磁滞回线所围面积也逐渐变小，剩磁将随磁场强度一起最终接近于零。该方法消磁效果很好，但是对设备要求较高，现场无法提供大容量的交流电源。

2 改进的剩磁检测及消磁技术

下面采用了一台型号为LX3600 的变压器剩磁检测及定量消磁分析仪，对现场例行检修的220 kV 变压器进行消磁试验。其基本原理是依据磁通量计算公式Φ=∫udt，对变压器高压绕组施加励磁电流，并对测得的励磁电压曲线进行积分，从而计算出铁心内的磁通量变化值。

由于变压器励磁绕组存在直流电阻，等效电路中此电阻与励磁电感串联，而直流电阻并不参与励磁磁场的建立，所以在检测变压器铁心内当前磁通量时，应去除这部分直流电阻带来的误差。在对变压器消磁过程中，首先对励磁绕组施加电流i(t)，测得励磁绕组两端产生的电压u(t)，从而可以计算出励磁绕组的直流电阻RDC。分别对电压信号u(t)和电流信号i(t)进行高精度采样，结合上述分析，可将磁通量计算公式Ф=∫udt，修改为:

这样即可准确计算出变压器铁心中当前的磁通量，并且通过改变励磁电流方向进行多次测量，最终可以计算出铁心的最大饱和磁通量Фs、初始剩余磁通量Фr和最终剩余磁通量Фr2。并且由上述公式计算得到以下两个重要参数：

3 消磁仪现场应用情况

3.1 消磁效果验证

2020-04-28，220 kV 庙港变1 号主变小修预试。第一天停电时间较晚，主变只拆头未试验。第二天主变全部试验工作结束后，用变压器剩磁检测及定量消磁分析仪进行了第一次消磁，为验证消磁效果，进行了第二次消磁。

从试验结果看，第一次消磁初始剩磁率达到65.380 %，消磁后最终剩磁率降为0.512 %；第二次消磁，剩磁率由初始的0.531 %最终降至0.140 %，两次试验数据表明，通过多次消磁，变压器剩磁检测及定量消磁分析仪可以将变压器剩磁率降至很低的量值。

3.2 接地消磁与仪器消磁对比

2020-06-12，220 kV 向阳变2 号主变漏油处理后试验。第一天主变缺陷处理结束后进行变比、直阻、绝缘试验，试验结束将主变三侧绕组短路接地，通过接地释放残余电荷。自6 月12 日下午5时至6 月14 日下午1 时共44 h 后，用变压器剩磁检测及定量消磁分析仪进行检测及消磁。经检测接地44 h 后，变压器剩磁率依然达到27.8 %，可见接地消磁效果并不理想。而使用该仪器消磁后，当前剩磁率为0.787 %。

2020-06-12，220 kV 郭巷变扩建3 号主变局放试验，主变完成局放试验后恢复引线搭接，并通过接地刀闸接地，以释放残余电荷。2020-06-23，再次对该主变三侧引线拆除，进行消磁、频响试验，初始剩磁率3.589 %，消磁后当前剩磁率0.742 %。

参照之前主变试验后消磁结果，可以预估郭巷变3 号主变交接试验后剩磁率为60 %左右，经过三侧绕组短路接地，进行放电共计250 h，剩磁检测结果为3.589 %。此次由于接地放电时间较长，剩磁率明显降低。

上述两台主变接地放电时间与剩磁率对比结果见表1，可以看到通过将绕组短路接地可以降低铁心剩磁，但是所需时间较长，由于现场停电时间较短，无法通过长时间接地来完成消磁。

表1 接地放电时间与剩磁率对比

3.3 电气试验前后剩磁情况对比

2020-05-17，东渚变1 号主变小修预试。第一天主变停电时间晚，主变只拆引线接头未试验。第二天先用变压器剩磁检测及定量消磁分析仪进行消磁，以检测主变停运后初始剩磁率；全部试验工作结束后，使用变压器剩磁检测及定量消磁分析仪进行第二次消磁，以检测主变试验后剩磁率。

对比两次消磁结果可以看到，该主变由运行转停电状态有一定量的初始剩磁率(20.51 %)，全部试验工作结束后，剩磁率出现了明显的增长(63.44 %)。通过使用变压器剩磁检测及定量消磁分析仪进行消磁，最终剩磁率均达到1 %以下(分别为0.681 %，0.689 %)，剩磁降至极低量值。

3.4 主变消磁与不消磁送电高压励磁电流对比分析

通常主变合闸瞬间，高压侧电流会急剧升高，之后逐渐降低，并且恢复稳定。基于上述特征，下面以主变合闸最大电流与半小时后的稳定电流之比K，作为反映合闸后励磁电流大小的参数，K值越大则励磁电流越大，反之则越小。为了验证消磁对励磁电流的降低效果，调取了部分配合停电的主变和停电例行试验的主变送电时的高压侧电流数据，如表2 所示。主变1 ～3 为停电例行试验的主变，均进行了常规例行试验，并且送电前采用上述消磁仪进行消磁。主变4～6 为配合停电的主变，其本身不进行试验工作，因此配合结束后，不消磁直接送电。从表2 数据可以看出，消磁后送电的主变1～3 的K值平均为1.05，不消磁直接送电的主变4～6 的K值平均为1.52，前者与后者相比降低了30.87 %，说明消磁后，主变送电时高压励磁电流降低效果可以达到30.87 %。

表2 主变消磁与不消磁送电高压励磁电流对比

4 结论

(1) 通过将绕组短路接地可以降低铁心剩磁，但是所需等待时间较长，无法满足现场送电时间的要求。

(2) 变压器停电后具有一定的初始剩磁率，进行电气试验后剩磁率则会进一步增大，说明选相合闸以停电分闸时的波形数据计算得到的剩磁率与变压器试验后实际剩磁差别较大，变压器电气试验后合闸送电以选相合闸系统计算的剩磁为依据是不合理的。

(3) 通过采用变压器剩磁检测及定量消磁分析仪的多次消磁，可使送电前变压器的实际剩磁率降至极低量值(1 %以下)，送电时高压励磁电流也有明显降低；再结合现有的选相合闸技术，则可以有效降低主变空载合闸励磁涌流的发生率，提高主变送电成功率，具有现实应用价值，可供电力系统相关人员参考。