基于频响法的电力变压器剩磁检测技术研究

(1.国网四川省电力公司，四川 成都 610041；2.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610041；3.武汉大学电气与自动化学院，湖北 武汉 430072；4.重庆大学电气工程学院，重庆 400044)

0 引 言

随着中国电力系统特高压交直流互联大电网的迅速发展，大容量励磁电力设备的应用日益增多，高幅值的励磁涌流对电气设备保护运行的可靠性和快速性提出了较高的要求[1-2]。在电力变压器进行电压比、直流电阻测量及空载试验等操作后，由于变压器铁芯磁畴磁滞特性，使铁芯上存在大量的剩磁。当合闸变压器充电时，铁芯中的剩磁与合闸初始磁通叠加使电力变压器铁芯迅速饱和，导致电力变压器励磁电流产生大量的谐波，造成波形畸变严重[3]。变压器铁芯剩磁极有可能造成变压器励磁涌流，励磁涌流的幅值可达变压器额定运行电流的几倍甚至几十倍，导致变压器差动保护误动作和长时间的谐波电压，使变电站设备的稳定运行面临严峻的考验[4]。

幅值较高的励磁涌流，在铁芯、绕组和金属结构件中增加有功损耗，使铁芯、绕组和金属结构件温度升高，同时铁芯的高度饱和使漏磁增加，引起变压器局部过热，造成绝缘纸老化，从而降低绝缘纸的绝缘性能，给变压器带来潜在性缺陷，数次积累可造成变压器的永久性损害。励磁涌流中的谐波会导致电力变压器内的杂散损耗增加，引起发电机和电容滤波器组中继电器不正确跳闸。此外，大量谐波对电网电能质量造成严重的污染。剩磁会诱发低电压和过电压，在长距离弱联系电网中，剩磁会造成局部电压过低，还可能使系统谐波震荡，在系统远端造成电压过高，严重威胁电网设备的安全稳定运行。剩磁还会诱发变压器的差动保护、轻重瓦斯保护等误动作，造成变压器的投运失败[5-6]。

综上所述，电力变压器剩磁在一定条件下严重影响电网安全稳定运行，为解决电力变压器剩磁的影响，需要掌握电力变压器剩磁的产生机理，研究剩磁检测方法，掌握电力变压器剩磁的实时状态，从而制定消除剩磁对电网影响相关措施。

1 变压器剩磁的检测方法

国内外学者针对铁磁原件的剩磁检测、剩磁测量及去磁方法开展了相应的研究。武汉大学陈文臣[7]等利用励磁涌流含有很大的非周期分量、含有大量的偶次谐波且以二次谐波为主这一特点，对励磁电流进行FFT分解，得到其各次谐波含量的分布图，通过二次谐波的含量来判断是否含有剩磁。刘勇等[8]在变压器的中性点及高压侧施加正负极性的直流电压，通过对加压时间及电流波形的比较，来判断变压器是否含有剩磁。河北电科院张建军等[9]通过施加电压，获得变压器的上升及下降电流曲线，基于最小二乘法判断是否含有剩磁。

关于铁芯剩磁的测量，实际工程中，铁芯剩磁的测量技术在国内外目前还没有较为明确且成熟的方法，铁芯剩磁的测量方法主要有[10-14]：

1)经验估磁法：一般认为变压器在实验或运行结束后铁芯中剩磁范围为20%～80%饱和磁通值。在1984 年国际大电网会议(international council on large electric systems) 的调查中，500台电力变压器中仅一台变压器的最大剩磁值超过这一范围。

2)基于铁芯磁化模型的剩磁计算方法：结合变压器铁芯磁滞回线数学模型，考虑磁化过程中的磁滞效应，推导了铁芯剩磁的计算公式。

3)电压积分法：基于电磁感应定律，通过记录变压器分闸时线圈中电压波形，对电压积分求取铁芯磁通。

4)基于励磁涌流的剩磁测量方法：通过测量变压器铁芯中剩磁存在时励磁电流瞬时的变化(即励磁涌流)，对比不同剩磁值时励磁涌流的差异，从而来判断剩磁的方向和大小。

5)基于变压器漏磁的剩磁测量方法：利用磁通门传感器测量变压器漏磁，通过建立变压器漏磁和铁芯剩磁的传递函数，测量变压器铁芯剩磁。

变压器产生剩磁时，需采用一定的方法消除剩磁，以避免剩磁对设备带来不利影响。关于变压器铁芯的去磁方法，目前主要有交流去磁法和直流去磁法。

1)交流去磁法：通常在变压器低压侧加压，高压侧空载，高低压中性点均接地，轮流在低压侧三相加压，低压侧的非加压相空载，电压升高至额定电压的1.1倍，按每10 s 0.1倍额定电压的速度逐渐将电压降低为0。

2)直流去磁法：对变压器绕组施加直流电流并不断变换极性。直流消磁法分为等幅变频法、等频降幅法两种。等幅变频法是指采用恒定幅值电压的恒压源，逐渐提高正负交替频率来实现变压器剩磁的消除；等频降幅法是指采用同一个正负电压交替频率，逐渐将电压幅值降低来实现变压器剩磁的消除。针对变压器三相剩磁的消除，直流消磁法因为可以把初始磁通调整到三相都达到较高的饱和点，三相剩磁的消磁只需要在变压器中间相施加直流交替电压，就可以完成变压器三相剩磁的同时消除[15]。

下面对变压器开展去磁试验，基于绕组的频率响应研究其剩磁检测方法。

2 试验变压器去磁试验

利用直流去磁法，在变压器断口施加直流电流，对110 kV试验变压器进行去磁试验。

试验对象为110 kV油浸式试验变压器，原边额定电压为200 V，副边额定电压为110 kV。去磁试验前，对变压器施加工频电压，以此来产生剩磁，确保变压器含有剩磁。

去磁设备为TD-6910变压器消磁及验证装置，可采用手动去磁及自动去磁两种模式，消磁电流可设置为1 A、5 A、10 A的直流电流。去磁装置可接在变压器高压侧或低压侧，在消磁过程中，直流电流正负极性交替变化，电流幅值等时间间隔衰减直至电流为0，消磁完成。在消磁前后，可对变压器施加220 V工频电压，利用罗氏线圈测得其在消磁前后的空载电流，通过比较空载电流的大小，即可判断变压器是否完成消磁。

试验对象的高压绕组经测试电阻达250 kΩ，若将测试电流施加在其高压端，由于其阻抗过大使测试电流不能正常施加而无法完成去磁试验。低压绕组电阻测试值为0.1 Ω。因此，将去磁电流从低压端输入，选取电流为10 A，试验布置见图1。

图1 试验布置

去磁试验后，从试验结果报表可以发现在去磁过程中，去磁电流从10 A开始逐渐减小，直至减小至0完成去磁，在去磁前后，空载电流明显减小。

3 剩磁对变压器频率响应特性的影响分析

首先利用直流发生器对5 kV双绕组干式变压器进行充磁，然后对充磁变压器进行扫频试验，并对有剩磁及没有剩磁状态下的幅频特性进行比较。

3.1 试验方法

试验对象为DG-10双绕组干式变压器，原边额定电压为220 V，副边额定电压为5 kV，额定容量为10 kVA。

直流发生器为MS-115D，最大输出电压为30 V，最大输出电流为5 A。利用直流发生器输出不同幅值的直流电流至变压器，直流电流的幅值逐渐增加使变压器产生不同的剩磁量，每个幅值的电流施加时间为30 s。直流发生器的最大输出电流为5 A。为了在电流逐渐增大的过程中，使变压器产生足够的剩磁并达到饱和，考虑变压器原边及副边的变比，将直流电流从变压器的副边输入，当副边电流较小时，也能在原边产生一个很大的励磁电流。

在变压器无剩磁状态及不同幅值的直流电流输入后，均对变压器进行扫频试验。扫频设备为HR-2000数字频响分析仪。该设备产生一个幅值为3.5 V的扫频信号从变压器的高压侧输入，在变压器的低压侧对输出信号进行采集。输入及输出信号通过采集设备由数字频响仪利用数据传输线传至电脑端，即可得到变压器的幅频响应特性曲线，试验的扫频范围为10 Hz～10 MHz。扫频试验接线示意图见图2。

图2 扫频试验接线

3.2 试验结果分析

扫频试验结果见图3，图中除明确指出“无剩磁”的曲线为不含剩磁状态下变压器的幅频响应特性曲线外，其他均为变压器含有剩磁的曲线。利用直流发生器产生剩磁时，助磁电流不同，则在变压器上产生的剩磁含量不同，相应的扫频曲线也会存在一定的差异。通过对图3观察可知，随着扫频频率变化，变压的输出幅值发生了变化，在扫频范围内上下波动，最大幅值的绝对值约为52 dB，最小幅值的绝对值约为2 dB。进一步可以发现，当扫频频率为10 Hz～1000 kHz时，变压器是否含有剩磁以及剩磁含量是否不同，均未对幅频响应特性产生影响，几种工况下在这一频率范围内的幅频响应曲线重合。

而当频率大于1000 kHz时，可以发现，各工况下的幅频响应曲线开始出现了偏移，并在一定的频率范围内呈现出一定的规律性。图4为1000～2000 kHz各工况下的幅频响应曲线。曲线1为变压器不含剩磁的幅频响应特性曲线，曲线2—曲线5为变压器不同剩磁含量的幅频响应特性。观察可知，在这一频率范围内，若变压器存在剩磁，则输出的幅值会发生变化，且随着剩磁含量的增加，输出幅值的绝对值逐渐减小。当扫频范围为4000～4200 kHz时，在这一频率范围内，随着剩磁含量的增加，输出幅值的极值逐渐增大，见图5。

图3 扫频试验结果

图4 1000～2000 kHz实验结果

当频率较高时，变压器绕组的高低压端可视为分布电容、电感、电阻构成的线性无源双端口网络，这个双端口网络的传递函数与网络内部状态密切相关。当剩磁存在于变压器铁芯时，高频电压在变压器分布电感参数上积分磁通起点不一样，所以剩磁会影响变压器励磁电感的测量值。当变压器不含剩磁时，回路电压方程为

图5 3700～4500 kHz实验结果

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

当变压器含剩磁时：

(6)

(7)

(8)

(9)

综上所述，由于剩磁的存在，测量到的励磁电流有效值发生变化，进而导致励磁电感测量值变化；剩磁越大，测量值的误差越大。

4 结 语

通过试验发现，由于剩磁影响了变压器的电感分布而改变了其传递函数，因此基于变压绕组的频率响应，通过对一定扫频范围的频率响应进行对比，能准确地判断出变压器是否含有剩磁及剩磁含量的大小。进一步的研究可以通过大量试验，建立变压器剩磁含量与一定频率范围内幅频响应的准确关系。