特高压变压器启励过程异常分析及对策

中电国际新能源发展有限公司 徐新达

中电华创技术研究有限公司 胡磊

近年来，我国特高压系统发展突飞猛进。以1000千伏淮沪特高压线路为南半环的华东特高压环网基本建成，某电厂机端直接升压至1000千伏的大容量变压器也已投运。本文以某电厂机组启动并网过程中发生的异常事件为例，来分析大容量特高压变压器剩磁的影响，并提出防范措施。

事件经过

某电厂5、6号机组为100万千瓦级超超临界单元机组，主变使用三相DFP-400000/1100变压器，机端电压从27千伏升至1000千伏，经特高压线路送出。升压站采用三角形接线方式，正常并网操作过程为DCS顺控合闸励磁、升压、启动准同期并网。某日，5号机组调停结束后启动，17时08分大机挂闸暖机，18时20分大机冲转，18时32分大机转速到3000转/分，具备启励并网条件。18时40分网调许可5号机调停结束后启动，18时42分29秒692毫秒5号机磁场开关合上，机端电压逐步建立，18时42分59秒497毫秒5号机通过并网。励磁开关合后汽机平台有低频嗡嗡声，励磁电压最高1080伏，励磁电流最大6426安，运行人员立即打闸汽机，程序逆功率动作，18时43分38秒851毫秒出口断路器断开。检查电气系统未发现异常，后采用手动缓加励磁方式，机组升压至额定，检查励磁系统，确认发电机组正常。分开磁场开关，执行顺控并网操作，5号机并网成功，各项指标参数正常。

原因分析

1.从现场录波图中分析发现，磁场开关合闸后开始升压，约4秒后机端电流开始异常增大，此时励磁电流、励磁电压也同时异常增大。约6秒后机端电流开始缓慢回落，电压逐步升至额定。期间机端电流最大达19800安，约为0.8倍额定电流，励磁电流和励磁电压超额定值。并且机端电流有明显的间断角，二次谐波比例高达70%，有明显的励磁涌流特征。

图1 发电机相电流与线电压录波图

2.查询检修记录发现，某日前因主变分接头调整对三相主变进行了直流电阻测试工作。分析认为，在测量直流电阻过程中如给线圈通入直流电流较大且未进行去磁操作时，变压器铁芯会存在比较严重的剩磁，而且这种剩磁不会自动消失。机组启励过程中，主变剩磁和发电机励磁叠加，导致铁芯励磁在与磁场方向一致的半波饱和，另一半波不饱和，动态地改变等效电路电感参数，引起绕组电压跃变，导致主变过激磁、变压器工作磁密不断升高直到饱和，铁损急剧增加，漏磁增强也会在铁芯表面和其他磁性材料中引起涡流损耗，发电机定子电流增加且波形畸变，发电机振动增加。而此原因引起的异常是不需特殊处理的，若未对一次设备造成损伤，再次升压后一般会恢复正常。

3.变压器稳态运行时，励磁电流只有其额定电流的0.35%～10%，但当变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复时，会产生很大的励磁涌流，其峰值可达额定电流的数十倍。

以典型的单相变压器为例分析励磁涌流的成因，设变压器外加电压为：

又由变压器空载时初级绕组的电压方程为：

因，上式可改写为：

因为电阻R1很小，可将L1近似为常数，求解微分方程得磁通Φ的表达式为：

其中β为初级绕组阻抗角，A为暂态磁通分量的幅值。

可以看出变压器初级绕组加上电源后在磁路中的总磁通有两个分量，即稳态分量和暂态分量。本例中，初始升压时（t=0）的边界条件为（Um（0）=0），阻抗角β可简化≈0，设磁路中原剩磁为Фr，则根据t=0前后磁通不能突变可列等式为：

磁通表达式可转换为：

图2 磁通和电压的关系

根据公式绘制磁通、电压关系图，如图2，其中暂态磁通逐步下降，稳态磁通随着电压的升高幅值逐步升高，叠加构成总磁通，当总磁通超过饱和磁通时进入涌流区间。

图3 变压器铁磁磁通

假定主变三相绕组高压侧剩磁方向相同，由于变压器为感性负载，电流滞后于电压90度，饱和电流应出现在电压波峰过后90度。根据图3磁化特性曲线，当总磁通进入涌流区间后，励磁电流将瞬间增大，将出现明显的机端电流，这充分说明这是一起由于主变存在剩磁而造成的升压过程异常事件。

预防措施

控制或消除铁芯剩磁，普遍认为需要严格控制变压器直流电阻测试时的电流和电压。但过小的试验电流长时间无法得到稳定数据，直接影响测试结果的准确性。所以为保证试验能得到稳定可靠的数据，直流电阻试验选取电流大小应与变压器容量相对应，试验完成后必须对变压器进行消磁，以消除剩磁影响。

剩磁是因为变压器铁芯在磁化过程磁滞损耗的结果。铁芯磁化过程就是在外加的磁势作用下，铁芯材料内的小磁极的有序排列，因此，可以根据剩磁形成的原理，采取消除剩磁的措施。可以在发变组零起升压过程中控制升压速度，增加手动增磁方式进行变压器消磁工作。但这种方式会占用机组启动时间，而且不容易人工控制。也可以在直流电阻测试完成后在绕组两端正反向通入直流电流，并逐渐减小，缩小铁芯的磁滞回环，可以达到消除剩磁的目的。目前已有采用此原理开发的专用消磁仪器，经电厂实践以后未再发生过励磁涌流现象，完美消除了高压试验后对变压器稳定运行的影响。

结语

本文结合一起发电厂特高压变压器启动过程中的异常事件，简要介绍了变压器直流电阻测试后产生剩磁的危害，并进一步结合特高压变压器结构特点对其进行深入分析和探讨，最后提出了变压器直流电阻测试后，必须重视变压器铁芯消磁工作的建议，希望能为同行们提供一点借鉴和参考。