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【摘 要】基于某公司某110kV变电站主变压器高压试验结束后，用主变高压侧102断路器对主变空充失败的案例，分析大容量变压器因直流电阻试验导致变压器铁芯内剩磁产生的原因、特点及危害，重点探讨现有的变压器铁芯消磁技术和消磁方法，并在现有的技术理论基础上提出一种基于变压器励磁测量的消磁技术。
【关键词】变压器;跳闸;铁芯剩磁;消磁
某110kV变电站110kV2号主变在预试定检工作结束投运过程中，在主变高压侧102断路器对2号主变进行充电时，发生110kV2号主变差动保护动作跳闸，经分析当主变空载合闸时，主变高压侧出现幅值很大的励磁涌流，因保护未躲过励磁涌流而动作跳闸。
一、跳闸概况
该变电站110kV2号主变型号为：SFZ11-40000/110。充电方式：通过110kVⅡ母线上的102断路器对110kV2号主变进行充电，2号主变投入差动保护、三侧复压过流保护及瓦斯保护，充电时主变差动保护、三侧复压过流保护动作，跳开102断路器。通过跳闸录波文件分析，故障电流为类似正弦波，故障电流呈现出尖顶波，电流较正常状态下波形偏向时间轴一侧，故障电流有明显的间断角，可判断为励磁涌流。
二、跳闸原因分析
根据《1000kV交流电气设备预防性试验规程》（GB/Z 24846-2009）要求，直流电阻试验为主变的例行试验项目，由于铁磁材料的磁滞特性，直流电阻试验将在主变压器铁芯中产生剩磁，且主变压器磁阻较小，尤其是三相五柱式变压器，在直流电阻试验时所加的试验电流较大、时间较长，容易导致主变铁芯剩磁较大，而主变剩磁过大会加速铁芯饱和，导致主变充电时合闸励磁涌流过大，引起110kV2号主变差动保护误动作跳闸。
三、变压器剩磁产生原理及特点
变压器铁芯是由低损耗硅钢片叠装制成，工频电流产生的磁场将铁芯磁化到饱和状态后，再逐渐减小到零时，铁芯内所保留的磁感应强度称为剩磁。在进行变压器直流电阻试验时，在绕组上通过含有直流分量的电流产生与直流分量成正比的磁势，铁芯材料中的小磁极在此磁势作用下形成有序排列，是一种电能转化为磁能的磁滞损耗。
如图2所示，变压器铁芯在线圈未通直流电时，磁场强度H为零，磁感应强度B也为零，即H=B=0。当直流电源通入线圈后，铁芯开始励磁，B随着H的增大而增大。当H=Hs时，B趋于饱和，形成励磁曲线0abc，记此时的磁感应强度为Bs。断开直流电源，铁芯励磁电流消失，B随着H的减小而减小，但是B偏离原来的磁化曲线，其变化落后于H。当H减小至零时，H并不为零，而等于剩余磁感应强度Br。为使B=0，需要另加一个反向磁场-Hcm，称为矫顽力。反向磁场增大到-Hs时，铁芯的磁感应强度B沿反方向趋于饱和-B s，反向磁场减小并再反向时，按相似的规律得到另一支偏离反向的磁化曲线fegbc，于是封闭曲线cbdef-fegbc称为铁芯的磁滞回线。上述可知，变压器直流电阻试验中未缩短时间和提高测量精度，通常采用较大电流测试方法，从而导致变压器的剩磁量增大。
四、变压器剩磁危害
变压器直流电阻试验后，铁芯中有较多剩磁，通过直流电阻试验仪器上的消磁功能不能有效实现铁芯消磁，其危害主要变现在以下方面：容易造成变压器空充时励磁涌流過大导致继保装置误动，使变压器的投运不成功;若是励磁涌流数值很大，容易造成变压器及断路器损坏;励磁涌流中大量的直流分量使 TA 磁路过度磁化，而对测量精度和继保的正确动作率造成巨大影响;励磁涌流中谐波分量是电网主要谐波污染源之一。
五、常用变压器特性消磁技术
根据上述变压器铁芯剩磁形成的原理，消除或者削弱剩磁，只需要将铁芯材料中的小磁极所形成有序排列打乱恢复到原来的紊乱状态，目前主要的消磁方法有以下几种：
1.直流消磁法：又称反向反复冲击法。在变压器高压绕组两端正向，反向分别通入直流电流，并不断减小直流电流幅值，以实现缩小变压器铁芯的磁滞回环，达到消磁目的，一般情况下冲击4～6次可以达到消磁的效果。通常选用5A、2A、1A电流值，依次进行反向反复冲击消磁，每次冲击时间5至10分钟，该方法存在耗时长、操作复杂、消磁不彻底等问题。
2.交流消磁法：又称交流零起升压消磁法。在变压器低压侧ab，bc，ca之间同时施加可调的交流电压，高压侧中性点接地，这种方法的接线类似于变压器的空载试验，通过调压器将电压升至低压侧额定电压的30%，保持5min钟后，将电压缓慢平稳降至零，重复上述操作3～5次，可以达到降低励磁涌流的目的。该方法由于需要使用调压器，设备容量比较大，现场操作不方便。
上述消磁方法为现行主流变压器消磁技术，但是存在消磁时间长，操作复杂，设备容量大，现场实施困难，试验效率低下等问题。
六、基于变压器剩磁测量的消磁技术
变压器消磁设备应该实现两部分功能：1.可对变压器铁芯剩磁量进行实时监测，通过感测元件、调压器及相关输入、输出回路，实时监测变压器剩磁量;2.直流消磁功能，实时分析感测元件所接受到剩磁量，由PLC程序控制，在变压器高压侧施加方向直流脉冲电流，逐步缩小铁芯磁滞回环，实现消磁目的。具体原理如下：
1.建立变压器高压侧剩磁量与可检测电流的关系。为建立变压器剩磁量与测量回路的关系，在变压器低压侧加入工频220v交流电压，构成监测回路，通过霍尔效应传感器分析变压器铁芯剩磁量与绕组电流数值的关系。图3为简化的单相变压器剩磁验证等效电路。
2.如图4所示，在基于单相变压器铁芯剩磁等效电路的基础上，通过在主变低压装设霍尔效应传感器，并配套相应的感测元件，对变压器剩磁实现实时监测和分析。由PLC程序控制，在变压器剩磁不满足技术规范要求时，通过调压器对主变压器高压侧施加方向衰减直流电流脉冲，感测元件在每个直流电流脉冲结束后，继续监测分析变压器剩磁量，如果剩磁量不满足要求，程序继续驱动消磁回路工作，在重复上述过程直至感测元件测量到的变压器剩磁满足技术规范要求，则消磁结束。
七、结论
本文通过一起110kV主变励磁涌流跳闸事件，分析变压器铁芯剩磁产生的原因及特点，根据现有变压器铁芯消磁技术，提出一种通过基于变压器剩磁测量的消磁技术，该技术作为变压器消磁的一种新方法与现有变压器消磁技术相比，具有监测时间短、检测成本低、消磁时间短、流程简单、能够实时监测等优势。
参考文献：
[1]戈文祺.电力变压器铁芯剩磁的仿真、测量与削弱 [D].河北工业大学，2014.
[2]陈泓达.宣汉某变电站主变跳闸引出的变压器剩磁问题分[J].价值工程，2011
[3]何梦，徐楠，李海南，仲桦，简博恒.变压器消磁及剩磁验证装置的研制 [A].电力与能源，2018
[4]陈文臣，刘帆，陈颢.电力变压器铁心剩磁检测方法研究[J].四川电力技术.2009
[5]刘柯，廖振.基于变压器励磁阻抗车辆的铁芯消磁技术研究[B].电气开关.2013
（作者单位：云南电网有限责任公司德宏供电局）
【关键词】变压器;跳闸;铁芯剩磁;消磁
某110kV变电站110kV2号主变在预试定检工作结束投运过程中，在主变高压侧102断路器对2号主变进行充电时，发生110kV2号主变差动保护动作跳闸，经分析当主变空载合闸时，主变高压侧出现幅值很大的励磁涌流，因保护未躲过励磁涌流而动作跳闸。
一、跳闸概况
该变电站110kV2号主变型号为：SFZ11-40000/110。充电方式：通过110kVⅡ母线上的102断路器对110kV2号主变进行充电，2号主变投入差动保护、三侧复压过流保护及瓦斯保护，充电时主变差动保护、三侧复压过流保护动作，跳开102断路器。通过跳闸录波文件分析，故障电流为类似正弦波，故障电流呈现出尖顶波，电流较正常状态下波形偏向时间轴一侧，故障电流有明显的间断角，可判断为励磁涌流。
二、跳闸原因分析
根据《1000kV交流电气设备预防性试验规程》（GB/Z 24846-2009）要求，直流电阻试验为主变的例行试验项目，由于铁磁材料的磁滞特性，直流电阻试验将在主变压器铁芯中产生剩磁，且主变压器磁阻较小，尤其是三相五柱式变压器，在直流电阻试验时所加的试验电流较大、时间较长，容易导致主变铁芯剩磁较大，而主变剩磁过大会加速铁芯饱和，导致主变充电时合闸励磁涌流过大，引起110kV2号主变差动保护误动作跳闸。
三、变压器剩磁产生原理及特点
变压器铁芯是由低损耗硅钢片叠装制成，工频电流产生的磁场将铁芯磁化到饱和状态后，再逐渐减小到零时，铁芯内所保留的磁感应强度称为剩磁。在进行变压器直流电阻试验时，在绕组上通过含有直流分量的电流产生与直流分量成正比的磁势，铁芯材料中的小磁极在此磁势作用下形成有序排列，是一种电能转化为磁能的磁滞损耗。
如图2所示，变压器铁芯在线圈未通直流电时，磁场强度H为零，磁感应强度B也为零，即H=B=0。当直流电源通入线圈后，铁芯开始励磁，B随着H的增大而增大。当H=Hs时，B趋于饱和，形成励磁曲线0abc，记此时的磁感应强度为Bs。断开直流电源，铁芯励磁电流消失，B随着H的减小而减小，但是B偏离原来的磁化曲线，其变化落后于H。当H减小至零时，H并不为零，而等于剩余磁感应强度Br。为使B=0，需要另加一个反向磁场-Hcm，称为矫顽力。反向磁场增大到-Hs时，铁芯的磁感应强度B沿反方向趋于饱和-B s，反向磁场减小并再反向时，按相似的规律得到另一支偏离反向的磁化曲线fegbc，于是封闭曲线cbdef-fegbc称为铁芯的磁滞回线。上述可知，变压器直流电阻试验中未缩短时间和提高测量精度，通常采用较大电流测试方法，从而导致变压器的剩磁量增大。
四、变压器剩磁危害
变压器直流电阻试验后，铁芯中有较多剩磁，通过直流电阻试验仪器上的消磁功能不能有效实现铁芯消磁，其危害主要变现在以下方面：容易造成变压器空充时励磁涌流過大导致继保装置误动，使变压器的投运不成功;若是励磁涌流数值很大，容易造成变压器及断路器损坏;励磁涌流中大量的直流分量使 TA 磁路过度磁化，而对测量精度和继保的正确动作率造成巨大影响;励磁涌流中谐波分量是电网主要谐波污染源之一。
五、常用变压器特性消磁技术
根据上述变压器铁芯剩磁形成的原理，消除或者削弱剩磁，只需要将铁芯材料中的小磁极所形成有序排列打乱恢复到原来的紊乱状态，目前主要的消磁方法有以下几种：
1.直流消磁法：又称反向反复冲击法。在变压器高压绕组两端正向，反向分别通入直流电流，并不断减小直流电流幅值，以实现缩小变压器铁芯的磁滞回环，达到消磁目的，一般情况下冲击4～6次可以达到消磁的效果。通常选用5A、2A、1A电流值，依次进行反向反复冲击消磁，每次冲击时间5至10分钟，该方法存在耗时长、操作复杂、消磁不彻底等问题。
2.交流消磁法：又称交流零起升压消磁法。在变压器低压侧ab，bc，ca之间同时施加可调的交流电压，高压侧中性点接地，这种方法的接线类似于变压器的空载试验，通过调压器将电压升至低压侧额定电压的30%，保持5min钟后，将电压缓慢平稳降至零，重复上述操作3～5次，可以达到降低励磁涌流的目的。该方法由于需要使用调压器，设备容量比较大，现场操作不方便。
上述消磁方法为现行主流变压器消磁技术，但是存在消磁时间长，操作复杂，设备容量大，现场实施困难，试验效率低下等问题。
六、基于变压器剩磁测量的消磁技术
变压器消磁设备应该实现两部分功能：1.可对变压器铁芯剩磁量进行实时监测，通过感测元件、调压器及相关输入、输出回路，实时监测变压器剩磁量;2.直流消磁功能，实时分析感测元件所接受到剩磁量，由PLC程序控制，在变压器高压侧施加方向直流脉冲电流，逐步缩小铁芯磁滞回环，实现消磁目的。具体原理如下：
1.建立变压器高压侧剩磁量与可检测电流的关系。为建立变压器剩磁量与测量回路的关系，在变压器低压侧加入工频220v交流电压，构成监测回路，通过霍尔效应传感器分析变压器铁芯剩磁量与绕组电流数值的关系。图3为简化的单相变压器剩磁验证等效电路。
2.如图4所示，在基于单相变压器铁芯剩磁等效电路的基础上，通过在主变低压装设霍尔效应传感器，并配套相应的感测元件，对变压器剩磁实现实时监测和分析。由PLC程序控制，在变压器剩磁不满足技术规范要求时，通过调压器对主变压器高压侧施加方向衰减直流电流脉冲，感测元件在每个直流电流脉冲结束后，继续监测分析变压器剩磁量，如果剩磁量不满足要求，程序继续驱动消磁回路工作，在重复上述过程直至感测元件测量到的变压器剩磁满足技术规范要求，则消磁结束。
七、结论
本文通过一起110kV主变励磁涌流跳闸事件，分析变压器铁芯剩磁产生的原因及特点，根据现有变压器铁芯消磁技术，提出一种通过基于变压器剩磁测量的消磁技术，该技术作为变压器消磁的一种新方法与现有变压器消磁技术相比，具有监测时间短、检测成本低、消磁时间短、流程简单、能够实时监测等优势。
参考文献：
[1]戈文祺.电力变压器铁芯剩磁的仿真、测量与削弱 [D].河北工业大学，2014.
[2]陈泓达.宣汉某变电站主变跳闸引出的变压器剩磁问题分[J].价值工程，2011
[3]何梦，徐楠，李海南，仲桦，简博恒.变压器消磁及剩磁验证装置的研制 [A].电力与能源，2018
[4]陈文臣，刘帆，陈颢.电力变压器铁心剩磁检测方法研究[J].四川电力技术.2009
[5]刘柯，廖振.基于变压器励磁阻抗车辆的铁芯消磁技术研究[B].电气开关.2013
（作者单位：云南电网有限责任公司德宏供电局）