消磁技术在核电厂大型电力变压器的分析与应用

消磁技术在核电厂大型电力变压器的分析与应用

刘延超1，刘家壁1，马红星1，李岩2

（1.福建福清核电有限公司 福建省 福州市，2.华北电力大学（保定） 河北省 保定市）

摘要：大型电力变压器在空载合闸时，由于剩磁的影响，可能使变压器铁芯过度饱和，将在一次侧绕组产生过大的励磁涌流，损害电力设备。本论文分析了核电厂大型电力变压器铁芯剩磁产生的原因和铁芯剩磁的危害，并将直流消磁技术和伏秒消磁技术的消磁原理进行对比，经现场验证伏秒消磁技术优于传统的直流消磁技术。

关键字：变压器；剩磁；励磁涌流；伏秒消磁

1. 概述

随着电力系统的发展，变压器电压等级越来越高，容量越来越大，铁芯剩磁的问题也越严重。核电厂的大型电力变压器铁芯也普遍存在剩磁问题，其中主变压器（简称主变）剩磁对励磁涌流影响最为严重。

某核电厂主变电压等级500kV，容量1230MVA（单相410MVA），高压侧额定电流1340A，结构为三台单相变压器组合式，其在高压侧空载合闸时，铁芯的剩磁与合闸偏磁叠加可能使变压器铁芯的磁通密度过度饱和，并产生数倍于额定电流的励磁电流（称为励磁涌流），不仅可能出现差动保护误动作导致变压器跳闸现象，也可能因电流过大损坏大型电力变压器[1]。为降低大型电力变压器空载合闸过程的励磁涌流，需降低变压器合闸前的铁芯剩磁。

本论文分析了大型电力变压器铁芯剩磁产生的原因、危害以及直流消磁和伏秒消磁方法的原理，并在某核电厂的备用主变和运行主变停役检修中进行两种不同消磁技术的优劣对比。

2. 大型电力变压器铁芯剩磁产生的原因

大型电力变压器铁芯剩磁产生的主要原因为磁滞现象， 即被极化了的铁磁材料在外加磁场撤除后，磁畴的排列并不可能完全恢复到初始状态，对外显示磁性，这种磁感应强度B滞后磁场强度H变化的现象称为磁滞[2]。在外加磁场H为0时的磁感应强度为剩余磁感应强度，记为Br，本论文简称为剩磁。

根据电力变压器绕组流过电流是否有方向性将变压器铁芯的外加磁场分为两种形式，一种为外加交流磁场，另一种为外加直流磁场。外加交流磁场主要是在变压器正常运行时，变压器绕组流过交流电流，在变压器铁芯产生交变磁场；外加直流磁场主要是在变压器执行变压器绕组直流电阻试验时，变压器绕组流过直流电流，在变压器铁芯产生直流磁场。当外加交流磁场或外加直流磁场撤除后，由于磁滞现象，变压器铁芯将存在剩磁。

相应的，核电厂大型电力变压器铁芯产生剩磁的方式主要有两种：1、大型电力变压器正常或故障停运（外加交流磁场撤除）；2、大型电力变压器安装或检修期间执行直流电阻试验后[3]（外加直流磁场撤除）。

3. 大型电力变压器铁芯剩磁对励磁涌流的影响

变压器铁芯存在剩磁进行空载合闸将加深铁芯的磁饱和，产生较大的励磁涌流，损坏大型电力变压器。

3.1空载合闸的励磁涌流

在合闸的初始阶段，铁芯未饱和，电流较小，电阻压降也较小，可以忽略不计一次线圈内阻压降，得出如下公式：

               (3.1)

在区间[0.005s，0.015s]的某个时间，总磁通达到最大值，此时近似地可以认为漏磁通为总磁通和铁芯饱和磁通之差，由式3.1解得漏磁通的最大值为：

      (3.2)

式中，Φs为铁芯材料所决定的饱和磁通。

式3.2整理得：

   (3.3)

3.2三相联动空载合闸的励磁涌流

某核电厂主变结构为组合式变压器，假设三相变压器空载合闸到电网的合闸初相角分别为α、α+120°和α+240° ,令：

  (3.4)

      (3.5)

由式3.3-3.5得：

        (3.6)

一般变压器设计采用磁通密度Bm在1.5-1.7T范围内，而晶粒取向磁性钢片的饱和磁通密度Bs是2.03T[4]，故：

        (3.7)

3.3剩磁对励磁涌流的影响

投运后的变压器稳态磁通密度和饱和磁通密度近似认为常量，故从式3.6分析，组合式变压器三相联动空载合闸时，三相最大励磁电流中的最小值与剩磁的大小和剩磁方向有关。由于系数A（）中漏磁导率数值特别小，导致系数A的数值非常大，即磁通密度的微量变化将造成励磁电流突增。同时，由式3.7可知，当不考虑剩磁时，式3.6各磁通密度代数和为0.769-1.142T，即铁芯已经过饱和。如果剩磁与偏磁是同方向，铁芯饱和程度将更大，可能产生数倍于额定电流的励磁涌流。

但是，三相变压器的三相偏磁方向不完全相同，而且变压器铁芯的剩磁方向不仅与变压器停役时的相角有关，也与直流电阻测试加压方向有关，同时偏磁的方向与变压器复役时的相角有关，使得控制剩磁与偏磁的方向相反的难度非常大。所以，对于组合式三相联动空载合闸，为减小三相变压器中最大励磁涌流，需要减小变压器铁芯剩磁的大小。

通过以上分析，在核电厂主变上，为降低励磁涌流过大损坏电力变压器的风险，需要减小主变空载合闸前铁芯剩磁的大小。

4. 消磁技术的分析

4.1直流消磁技术

目前最常用的消磁技术是直流交变衰减消磁技术，本文简称直流消磁技术，此技术是利用直流电源在变压器绕组加直流电流，电流的方向周期性变化，电流的大小逐步降低。因为电流的绝对值依次降低，在变压器铁芯上产生的最大磁通密度也逐步降低，剩磁也逐步降低，最后电流降至最小值（一般为0.5A以下）并对变压器铁芯进行最后的消磁，见图5.1。当外加电流撤除（即外加磁场撤除），此时的磁通密度为消磁后的剩磁，消磁完成。

图5.1 直流交变衰减消磁的磁滞曲线图

优点：

1）可以逐步减小变压器铁芯剩磁的大小，在理想情况下，消磁最后电流无限接近0时，变压器铁芯剩磁的大小也近似为0。

2）在国内各变电站和电厂已广泛的应用，有较为成熟的试验经验。

缺点：

1）消磁过程无法获取剩磁的确切信息，不能根据剩磁的大小进行针对性消磁。同时，消磁完成后也没有对铁芯内剩磁进行有效判断，不能保证铁芯内剩磁有效减少。

2）消磁时间长，由于无法对剩磁进行有效判断，因此每次电流幅值的衰减不可太大，从而导致耗时较长。

3）消磁的效果取决于最后一次通流电流的幅值。同时，为保证消磁效果，最后的电流幅值需要非常小，测试仪器需要较高的精度和抗干扰性能。

4.2伏秒消磁技术

伏秒退磁技术是通过施加电压的方式来注入电流，直至达到规定的电流值，并且使铁芯饱和，计算出剩磁占比进行消磁。

假设变压器铁芯截面积为S，忽略绕组的漏抗和电阻，则绕组两端的电压和磁通密度的关系式为：

                (4.1)

求解磁通密度的表达式为：

            (4.2)

其中B(0)为剩磁，消磁过程中仪器输出电压是恒定的直流电压，因此上式可以整理为：

               (4.3)

使用伏秒消磁技术时，首先施加电压，使测试电流达到正向最大电流（通常为直流电阻测试电流），铁芯磁通密度达到饱和值时，满足如下方程：

                (4.4)

U∙t1等于剩磁Br至饱和磁通密度Bs所需的伏秒值，随后改变电流的方向，至负向最大电流，则满足如下方程：

             (4.5)

U∙𝑡2等于正向饱和磁通密度𝐵𝑠至负向饱和磁通密度−𝐵𝑠所需的伏秒值。一个测试周期完成后，就可计算出剩磁与该周期最大磁通密度的比值，由4.4和4.5两式联立可得：

                   (4.6)

当剩磁情况得到量化以后，可以通过仪器控制施加至绕组的伏秒值完成消磁，见图6.1。

图6.1伏秒消磁的磁滞曲线图

优点：

1）消磁过程量化剩磁大小，可以通过显示屏直观显示消磁前后剩磁的大小，以此来判断消磁效果。

2）消磁时间短，在量化变压器铁芯剩磁后，通过控制仪器施加至绕组的伏秒值，缩短变压器消磁试验时间。

3）消磁效果好，在量化剩磁后，通过控制仪器施加至绕组的伏秒值，无需依赖施加至绕组的最小电流，从而达到比直流消磁技术更好的消磁效果。

缺点：

1）在国内应用较少，普遍各变电所和电厂采用直流消磁技术，现场试验经验少。

2）不能单独测量剩磁，只能在消磁后读出消磁前后的剩磁。

5. 现场验证

在某核电厂主变备用相进行不同消磁技术验证，结果见表5.1。

表5.1 主变备用相消磁后空载电流对比

注1：主变备用相型号：DFP-410000/500；单相；联结组标号：Ii0（YNd11）。

在某核电厂停运主变B相进行消磁对比试验，结果见表5.2。

表5.2 主变消磁后空载电流对比

注1：低电压空载电流测量方法：在变压器低压侧（二次侧）加工频220V的交流电压，测量流过低压绕组的空载电流，空载电流越小，变压器铁芯内的剩磁越小[5]。

注2：主变B相型号：DFP-410000/500；单相；联结组标号：Ii0（YNd11）。

从表5.1和表5.2分析，使用BZX3397D消磁仪对某核电厂大型电力变压器进行消磁，通过BZX3397D消磁仪的低电压空载电流测量方法[注1]测量消磁效果，消磁后的空载电流为0.285-0.494A；使用TRAX280综合分析仪进行消磁，消磁后的空载电流为0.164-0.186A。总体上，采用伏秒消磁技术进行消磁的空载电流比直流消磁技术少了0.1A左右，消磁效果较好。同时TRAX280综合分析仪在消磁后能读出变压器铁芯消磁前后的剩磁，结果显示使用直流消磁的仪器消磁后的剩磁占比（剩磁占比公式见式4.6）为57.02%-94.96%，而使用伏秒消磁的仪器消磁后的剩磁占比小于1%，从此也可以得出伏秒消磁技术的消磁效果优于直流消磁技术。进一步的，试验过程也发现伏秒消磁技术的消磁时间明显短于传统直流消磁技术，伏秒消磁技术的仪器消磁时间为30s左右，而传统直流消磁技术需要10-15min，采用伏秒消磁技术的仪器进行变压器消磁试验能够显著节约检修试验工期。

综上，伏秒消磁技术显著优于直流消磁技术的消磁效果。

6. 结论

核电厂大型电力变压器在空载合闸前，对铁芯剩磁进行有效的彻底消除，抑制励磁涌流的效果将越好，显著降低励磁涌流过大损坏电力变压器的风险。通过理论和实践，对比消磁的效果、剩磁的量化和消磁的时间，得出伏秒消磁技术的消磁效果显著优于直流消磁技术。推荐后续核电厂、火电厂等大型电力变压器的消磁试验采用伏秒消磁技术。

参考文献

[1]高永利，大型电力变压器铁心剩磁退磁方法的研究，北京：华北电力大学，2017：1-51

[2]辜承林，电机学，武汉：华中科技大学出版社，2010：161-163

[3]李建明，高压电气设备试验方法，北京：中国电力出版社，2001：124-136

[4]谢毓城，电力变压器手册，北京：机械工业出版社，2003：239-241

[5]何梦，变压器消磁及剩磁验证装置的研制，电力与能源，2018,39（3）：310-314

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