应用交流消磁方法提高变压器空载试验的准确性

阚长远，周丽滨，王慧峰，杜福贵

(佳木斯电业局，黑龙江佳木斯154002)

0 引言

在系统或用户的变压器交接、大修及故障后试验中，应用低压单相空载试验测试变压器空载损耗，是判断变压器铁芯故障的有效手段。但有时试验值不符合设计规律，或者误差过大，对变压器的铁心损耗测试不够准确，有时甚至误导试验人员造成误判断，影响变压器的正常投运，甚至还会对电力系统的安全生产和经济效益构成严重损害。所以，为了避免这些现象的出现，高压试验人员对其进行了具体分析研究，并用多种方法进行比对试验，而采用简易消磁技术，可提高低压空载损耗数值的精确性和提高对变压器安全状况判断的精度。

1 变压器低压单相空载法试验方法

试验人员在主变大修、交接试验过程中，常采用低压单项空载试验测量铁心空载损耗值以及各测量值之间的关系，从而考察铁心是否存在缺陷。

低压单相空载法试验原理(以Ynd11接线为例)如下图1所示。

图1 低压单相空载法试验原理图

接通电源，通过调压器、电流表、电压表、功率表等仪表，测试固定低电压下的空载电流Iab、Ibc、Ica和空载损耗值Pab、Pbc、Pca。

试验过程如下:

ab加电，短路bc;记录Iab、Pab。

bc加电，短路ca;记录Ibc、Pbc。

ca加电，短路ab;记录Ica、Pca。

式中k值通常在1.3～1.5之间，这只与铁心设计尺寸有关的量;LM0为铁心柱中心线距离;H为窗高;S1为铁心柱截面积;S2为铁轭截面。

当k值与设计值或规程规定值之间有很大差别时，可判断该变压器铁心存在缺陷。

2 剩磁的产生以及对空载试验数据的影响

电流很大的直流试验项目，变压器短路故障各种突然分合闸的操作时产生的各种直流分量，都会使变压器铁心产生剩磁。剩磁是由制造铁心的铁磁材料的磁化特性决定的。即“被磁化了的铁心在外磁场撤出后，磁畴地排列不会回到原始状态，会对外显示出一定的磁性，这种现象也叫“磁滞”现象。”磁滞回线如图2所示。

图2 磁滞回线及剩磁

如图2所示，设铁磁性材料已沿起始磁化曲线磁化到饱和，磁化开始饱和时的磁感应强度值用Bs表示。如果在达到饱和状态之后使H减小，这时B值也要减小，但不沿原来的曲线下降，而是沿着上一条曲线段下降，即由A点延上曲线经-Hc到C点。对应的B值比原先的值大，说明铁磁质磁化过程是不可逆的过程。当H=0时，B不为零，而是B=±Br，Br称为剩余磁感应强度，简称“剩磁”。

根据空载损耗的分类，其损耗主要是指铁心损耗，包括涡流损耗和磁滞损耗以及在数值上可以忽略的附加损耗。

式中，k为涡流损耗系数，取决于材料的电阻率;f为电源频率;d为硅钢片厚度;Bm为最大磁通量;V为铁心体积。

式中，∮HdB是变量，表示磁滞回线的面积。

对于合格的变压器，剩磁是影响空载电流大小并使空载损耗值出现偏差的主要原因，分析如下。

a.从能量守恒上看，剩磁所产生的磁场能，在多次的交流通电过程中，必然随着剩磁的弱化而减少，减少的磁场能转化为改变磁畴方向克服摩擦力所做的功，其能量来源为空载试验电流，同等试验电压下，必然导致空载损耗增大。

b.从磁滞回线上看，当铁心存在剩磁时，设空载损耗的增量为△Ph，即额外的磁滞损耗，在磁滞回线上表现为磁滞回线面积的增加。

对于合格的变压器，设△Ph1、△Ph2、△Ph3为有剩磁时的附加损耗(分别对应Pab、Pbc、Pca)，从能量守恒上看，都是由克服磁场能做功引起的，只与剩磁的大小有关。而剩磁的大小是由铁心规格(大小)、剩磁强度(剩磁Br与饱和磁通Bm的比)决定的，再加上空载电流本身也有去磁有作用。所以，对于不同规格的变压器，试验结果虽有着很大的不确定性，但是完全可以定性分析其影响程度。

同时，可以根据k值的大小估计剩磁对空载数据的影响程度，k值越接近1，表明剩磁所产生的附加损耗越大;越接近设计值，剩磁越少，空载数据越准确。

试验结果的有效性有如下两种极端情况:

a.铁心规格小，被磁化程度弱。此时消磁量少，额外损耗也小，空载试验电流去磁明显，甚至可以完全去磁，剩磁对空载损耗影响不大，对试验结果影响很小，空载值能够反应铁心真实情况。

b.铁心规格大，被磁化程度强。此时消磁量大，额外损耗也大，但由于剩磁过大，空载试验电流去磁作用不显著，但受△Ph1、△Ph2、△Ph3的影响仍很大，空载值不能反映铁心真实情况。

3 变压器交流消磁原理与应用

3.1 变压器铁心消磁原理

高压试验中，铁心消磁技术是指:利用相关设备，消除铁心中的剩磁，使铁心磁畴重新恢复到杂乱无章的状态，改善磁通路径，进而提高变压器试验的准确性。

消磁过程如图3所示。

图3 消磁过程图解

在图3中，由于特定原因，使铁心中的剩磁为图中的A点，那么可以根据不同外施交流电压下的特定磁滞回线组，确定该点所在的磁滞回线的全部回线。即图中最外围面积最大的磁滞回线包围的整个部分。如果此时做低压单相空载试验，就会因为有较大的剩磁产生附加损耗。在回线上表现为，试验电流值起初较大，但此时由于试验电流有一定的消磁作用，试验电流将随着剩磁的减少而不断减小，附加损耗也不断减小。通过长时间的反复作用，随着磁滞回线面积的不断减小(如图3中O1坐标系下的变化过程)，最后完全消除剩磁，形成没有剩磁影响时稳定的磁滞回线h2，即图3中最小的磁滞回线。可见，磁滞回线组中的两条线段OHc＞O2hc2(O为磁滞回线坐标原点，Hc为磁感应强度B反向降低至零时的H值;O2，hc2为在O2坐标下即全部消除剩磁后的对应值)，回线面积SO＞SO2(SO，SO2为图中最大磁滞回线面积和最小磁滞回线面积)。图3中，由A点变化到D点的过程，如果将O，O2两个坐标轴重合，回线初始面积SO与最终面积SO2的差值，就是消磁时转化的铁心磁场能。当然，整个消磁过程需要相当长的时间，因此必须采取更加有效的方法，快速完成上述消磁过程。

3.2 消磁技术的现场应用

2007年10月25日，在桦南风电110 kV主变压器交接过程中，由于单相低压空载试验中k值只有1.083，判断铁心可能存在局部缺陷。在现场首次应用了该项技术，具体实施过程如下。

应用大功率发电机，经过三相调压器，向变压器同时通入三相380V交流电(条件允许可以增加电压等级和容量)，这样可以使铁心中的剩磁更加对称，三相同时消磁也可以减少消磁的时间。高压中性点接地，是为了保证激磁过程的对称性。

现场消磁方法原理图如图4所示。

图4 现场消磁方法原理图

试验中，分三次进行了近3小时的消磁，中间穿插空载电流试验，消磁前后数据对比见表1。

表1 消磁前后数据对比

从图5中可以看出，k值的偏差在若干次消磁后，发生了明显变化，偏差最后稳定在4.0%左右，这表明此时消磁取得了非常显著的效果，铁心中近于没有剩磁了。经讨论该变压器k值为1.315时基本符合设计规律，虽然距设计值还有差距;但是，偏差范围达到了规程要求，该变压器可以投运。这就在本质上解决了剩磁问题，提高了试验质量，保证了合格变压器的正常投运和生产。在2010年大青背风电主变试验过程中也应用了该项技术，效果良好。

图5 试验偏差柱状分析图

3.3 消磁技术的完善与改进

上述消磁方法有不足之处，即无法判断剩磁是否彻底消除。因此，需要一种检测的手段，判断铁心中是否还有剩磁。可借助示波器等设备对铁心中磁场情况进行监测。

根据剩磁与空载电流的关系可以得知:方向与剩磁方向相同时，空载电流克服较小的磁转距做功，空载电流也较小;当空载电流的方向与剩磁方向相反时，空载电流须克服更大的磁转距做功，因此空载电流较大。

所以，在相同的激磁电压下，可以通过电流互感器采集电流信号，并在示波器上观察一个电流信号周期内，电流的波峰波谷是否相等，波形上下是否对称。如果电流的波峰波谷不相等不对称，则说明还有剩磁存在;如果波形上下对称，就可以判断铁心中以无剩磁。

4 结束语

通过上述分析和实践验证，采用这种简单易行的消磁技术，可以极大地提高单相低压空载试验的准确性和提升高压试验的质量;同时，对其他试验项目也有着很好的辅助作用，对状态检修和电力系统的安全稳定运行有着非常重要的意义。

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