变压器低频短路加热干燥法铁心饱和问题研究

张晓东，姜秉梁，曲 通，马云飞

(1.国网冀北电力有限公司技能培训中心，河北 保定 071003;2.沈阳中科瑞达科技有限公司，辽宁 沈阳 110000)

大型变压器现场安装过程中，防止受潮是最关键的环节。目前现场干燥处理的方法为滤油机热油循环法[1-3]，处理时间长、效率低，尤其在环境温度较低时，无法加热到工艺要求温度，从而难以达到理想的干燥效果。

变压器低频短路加热干燥法是在传统工频短路法的基础上发展起来的一种绝缘干燥方法，采用低频短路加热法进行变压器绝缘加热处理，可以明显减小所需电源容量，降低施压端所加电压，并无需专门无功补偿装置，克服了工频条件下短路加热存在的主要问题[4-7]。

施加在变压器绕组电源频率越低，电源功率因数越高，设备体积越小，试验越经济。但低频下变压器铁芯很容易饱和，当铁芯饱和时变压器铁芯将过热，导致硅钢片间绝缘损坏，甚至造成铁芯融化等严重故障[8]。因此低频短路方式下，研究影响变压器铁芯饱和的关键因素、厘清各因素与变压器铁芯饱和之间的关系，有利于变压器低频加热技术的进一步发展与完善。

文献[9-10]探讨了变压器加热功率一定时，电源频率f与绕组两端电压、视在功率的关系，并根据功率因数选取范围，确定了频率大致范围。文献[11-12]分析了短路法电流、电压与铁芯磁通关系，推导出了铁芯磁通-感应强度曲线(B-H曲线)可测的电流表示法，结合变压器空载试验数据，给出了一种确定低频加热铁芯饱和的临界频率计算方法。

本文深入分析低频加热工况下，施加在变压器高压绕组侧电压幅值与频率对变压器铁芯饱和产生的影响，同时提出防止变压器铁芯饱和的约束条件，并根据工程要求，提出了一种新的防止变压器铁芯饱和临界频率工程计算方法。试验结果验证文中所述方法有效、可行，为变压器低频加热控制技术的发展提供了新的思路。

1 变压器低频短路法加热原理

变压器低频短路法加热原理如图1所示。

变压器低频加热装置由低频加热电源和控制系统组成，其中低频加热电源采用交-直-交变流装置组成，输出0.01～5 Hz正弦波或方波低频电压；被试变压器二次侧短路，一次侧通入低频电流，利用变压器负载损耗产生的热量加热变压器绝缘，以达到绝缘干燥的目的；对大型电力变压器器身进行干燥时，可配合滤油机热油循环，可大幅缩短变压器绝缘干燥加热时间，提高工作效率。

图1 变压器低频短路法加热原理图

2 变压器铁芯饱和特性分析

2.1 铁芯饱和对变压器的影响

通常，为了提高铁磁材料的利用率，电力变压器的激磁电流i0和主磁通φ的特性曲线一般设计在额定频率和额定电流下磁化曲线进入饱和时的“膝点”附近，因此，额定工况时主磁通φm与饱和值非常接近，有

(1)

式中：E1为一次侧空载感应电压，V；U1N为一次侧额定电压，V；fN为额定频率，Hz；N1为一次绕组匝数。

由式(1)可知，若频率变化速度大于外施电压变化速度，则铁芯磁路进入饱和状态，变压器激磁电流急剧上升，变压器铁芯温度升高；若铁芯进入深度饱和，磁通达到最大值而不再变化，主磁通变化率趋于0，致使二次侧线圈不能感应电动势，二次侧感应电流亦将趋于0，致使低频加热时变压器铁芯发热不均匀。

为避免变压器低频加热时铁芯进入饱和状态，施加在变压器一次侧的电压与频率须同时变化，应满足式(2)约束条件，即

(2)

联立得

(3)

低频加热时，当变压器一次侧电压与频率的变化满足式(3)时，可保证变压器铁芯处于非饱和状态。

由图2可知，变压器铁芯饱和区域以φm为分界线，φm直线以上为饱和区；a、b分别为U11、U12电压下，为保证变压器运行在不饱和区域时不同磁通φ时的临界值。

图2 变压器铁芯饱和区域分布图

(1)当频率f一定时，为使变压器运行在不饱和区，则施加在变压器一次侧电压U1应满足如下表达式：

(4)

(2)当电压U1一定时，为使变压器运行在不饱和区，则施加在变压器一次侧电压频率f应满足如下表达式：

(5)

2.2 变压器铁芯饱和临界频率

又由变压器等效短路电路可知(如图3所示)，施加在变压器一次侧绕组端电压为

(6)

式中：Z为折算到一次侧的短路阻抗Ω；Rk为折算到一次侧的每相短路电阻，Ω；X为折算到一次侧的每相短路电抗Ω；Xk为额定工况下，折算到一次侧的每相短路电抗，Xk=2πfN。

图3 变压器(单相)短路等效电路图

将式(6)代入式(5)，当变压器一次侧输入电流I1为一定值时，则有

(7)

对式(7)进一步化解可得，当电流I1一定时，保证变压器铁芯处于不饱和区域的频率约束条件为

(8)

由式(8)可知，变压器铁芯饱和临界频率fσ表达式为

(9)

由式(9)可知，变压器铁芯饱和临界频率可由变压器的额定参数(U1N，fN，Rk，Xk)及给定电流I1直接算出。

3 试验验证

以型号SF9-8000/35电力变压器为例，其额定电压为：35 kV/6.3 kV，额定电流：132 A/423.28 A。短路阻抗：7.5%，单相直阻(75oC)：Rk=0.91Ω，额定工况下短路电抗Xk=19.8 Ω。

通常，变压器采用低频短路法加热干燥时，为了达到更好的加热效果且不损坏设备，通入变压器的一次侧电流尽可能接近额定电流I1N，则当电流I1=I1N时，保证变压器运行在不饱和区的频率临界值为

(10)

由式(10)可知：当一次侧电流设定为额定电流I1N时，只要保证施加在变压器一次侧的电压频率大于0.3 Hz，即可避免变压器运行进入到饱和区域，因此变压器临界频率为0.3 Hz。

当施加在变压器一次侧电流为额定电流I1N时，不同频率下的二次侧绕组电流仿真波形如图4、图5所示。

图4 f=0.3 Hz时的二次侧电流波形

图5 f=0.2 Hz时的二次侧电流波形

由仿真试验可知，当频率为0.3 Hz时，变压器处于不饱和状态，二次侧电流波形保持正弦波；当频率继续减小，变压器铁芯达到饱和，二次侧的电流波形开始发生畸变，频率越小，畸变越严重。

图6、图7为变压器低频加热实测波形。图6的工况说明：当频率一定时，施加在一次侧的电压幅值越大，越容易使变压器铁芯进入饱和状态；图7的工况说明：当电压一定时，频率由饱和临界频率开始降低，频率越小，饱和越严重。

图6 电压增加导致二次侧电流波形发生畸变

图7 频率降低导致二次侧电流波形发生畸变

4 结 论

文中深入分析了变压器低频加热时频率和电压变化对变压器铁芯饱和产生的影响，即当施加在高压侧的低频电流一定时，既可改变电压幅值进行调节，又可改变电压频率进行调节，只要遵循文中所述的约束调节，即可避免变压器低频加热时铁芯进入饱和状态。

同时，文中根据变压器额定参数提出的变压器铁芯饱和临界频率计算公式，通过仿真和实测试验验可行、有效，为工程人员实现变压器低频加热控制提供了重要的工程经验和理论支持。