1、1大型变压器剩磁产生、对重瓦斯保护的影响和剩磁的消除（1.中国神华国华电力分公司，北京 100025）摘 要：某厂一年年内在两台主变压器共发生 5 次因为剩磁造成主变压器充电不成功的事件，文中介绍了发生此类问题的原因和采取措施、以及消除剩磁的方法和注意事项。关键词：变压器；剩磁；重瓦斯。0 引言某厂共有主变压器两台，均为保定变压器厂 1992 年生产的 3210000 kVA 单相变压器，并于 19951996 年相继投入运行，变压器型号为：DFP-210000/500，变压器的冷却方式为：强迫油循环风冷，变压器的接线方式为：Y- 0/- 11 变压器的额定电流： 661.33/10500A，
2、变压器的空载损耗为：0.18，变压器的额定电压为：550/ 3/20kV。 系统运行方式：发变组以 3/2 接线方式（即三台断路器连接两个电气元件的连接方式）接入 500kV 系统，当发变组检修时，使用 5021-6 刀闸作为断开点，不影响系统在盘电的合环运行。出于考虑发电机组正常并解列时，不至于影响厂用电源的正常供电，在发电机变压器之间，加装了负荷开关实现发电机的并网与解列。当发变组由检修转运行时，先断开 5022 和 5021 开关，合上 5021-6 刀闸，然后操作合入 5021 开关，称为主变压器反充电。图 1 接线简图1 2#主变充电过程中掉闸经过、数据统计2 月 28 日，#2 主
3、变检修后的预防性试验结束，试验结果各项电气试验数据均符合试验规程的要求（试验报告略）23：17 合入 5021 开关给#2 主变充电后，5021 开关三相跳闸，2“#2 主变 B 相重瓦斯动作 ”信号发出，保护盘有“#2 主变 B 相重瓦斯动作”掉牌,#2 主变外观检查无异常。23：35 拉开 50216 刀闸后，检查三相瓦斯继电器内无气体，观察窗内油颜色正常，接线盒密封良好无受潮痕迹，二次回路绝缘电阻测试合格；变压器本体：三相本体状况良好，无渗漏油，油位、油温指示正常；冷却器检查：冷却器工作正常无渗漏油；油枕检查：主变本体油枕呼吸器管路畅通无结冰堵塞现象，油枕无渗漏油；变压器油色普分检查#2
4、 主变瓦斯继电器没有气体，对主变 A、B、C 三相油色谱检查均未见异常。3 月 1 日 2:00 再次进行#2 主变充电。合 5021 开关后，5021 开关三相跳闸“#2 主变 C相重瓦斯动作” 信号发出，保护盘有“#2 主变 C 相重瓦斯动作”掉牌, #2 主变瓦斯继电器油色谱分析未见异常、将 5021 开关与系统隔离后，带 5021 开关模拟充电传动 2#主变瓦斯回路正常。因为，怀疑变压器的保护没有躲开变压器充电时的励磁涌流，此次充电前，在变压器的电流回路加装了示波器，初步分析示波器结论：主变 C 相电流达到 4270A 左右，持续了 55ms 左右，重瓦斯继电器动作于保护掉闸。经过示波
5、器的数据分析，基本肯定了重瓦斯保护动作的正确性，结合二次回路检查结果，可以得出：重瓦斯保护二次回路正常。#2 主变经过两次掉闸后，比较了两次充电后变压器油色谱分析，各项指标没有发生变化，经过了相关技术部门、保变专家研究，初步怀疑引起变压器跳闸的真正原因为：主变压器直流电阻试验时，选择电流值稍大，且试验后环境温度较低，不利于变压器剩磁的自衰减，导致主变压器存在剩磁较强，空载充电时因为剩磁的原因导致激磁涌流过大，产生了较大的电动力，引起主变线圈、器身振动形成油流涌动，致使变压器油液面波动大，导致重瓦斯保护动作。且此类现象在电力系统中有过此类现象，“变压器剩磁引起了重瓦斯保护动作”根据电力系统中相似
6、故障的经验判断：第三次合闸时，有充电成功的可能性，但是 A 相重瓦斯保护动作的可能性更大，而且因为每次充电都是一个剩磁去除的过程，因此2#主变的第四次充电将因为剩磁的去除，变压器将充电成功。因为经验的欠缺和出于对剩磁去除的感官认识不足， #2 主变于 3 月 2 日 1：00 进行了第三次充电，#2 主变充电结果正如分析预料的一样：#2 主变 A 相重瓦斯动作，示波器波形电流峰值大约为 A 相4250A、B 相 262A、C 相 125A；持续了 65ms 左右，重瓦斯保护动作掉闸。（因第三次示波器图形雷同与第二次，此处省略）3 月 2 日 17：39 进行了 2#主变的第四次充电工作，2#主
7、变 A 相重瓦斯保护再次动作主变掉闸，录制的波形电流最大值大约为 A 相正半波 3187A、B 相负半波 3125A、C 相未采集到，波形持续了近 90ms 重瓦斯保护动作掉闸。2 #2 主变剩磁产生原因以及对重瓦斯保护的影响从表面上来看，很难将变压器剩磁与变压器重瓦斯保护联系到一起，因此应该从变压器的重瓦斯保护以及剩磁产生原因来认识两者之间的关系。2.1 重瓦斯保护的动作机理3当变压器内部出现匝间短路、绝缘损坏等故障时，短路电流产生的电弧将使绝缘材料和变压器油受热分解，产生出大量可燃性气体，并且短路电流产生较大的电动力，促使伴随着气体的油流向油枕方向流动，当流速超过气体继电器的整定值时，皮托
8、瓦斯继电器接点 KSG1-KSG3 闭合后，经信号继电器 KH9-KH11 线圈、切换片 SX4-SX6 到保护出口 05通道，保护动作于发变组跳闸；同时信号继电器动作，其接点闭合发出“重瓦斯保护动作”信号。这是重瓦斯保护动作的全过程，如图 2 所示(只画了一相保护，其它两相与此相同) ：2.2 变压器的预防性试验与剩磁的产生（1）在变压器检修后投运前，需要进行的预防性试验有：绕组绝缘电阻、吸收比、绕组直流电阻、绕组的 tg、铁芯绝缘电阻、绕组泄漏电流、绝缘油击穿电压、绝缘油介损等，电力变压器在做直流试验后都会产生剩磁，剩磁的多少取决于变压器绕组通过的直流电流强度和时间。剩磁是铁磁材料的磁滞损
9、耗表现，磁滞损耗是铁磁材料将电能吸收后转化为磁能的结果，在交流回路中表现为铁损的一部分（与涡流损耗共同组成变压器的铁损）。也就是说，磁滞损耗是能量的转换的结果，因此，与输入的功率和时间有关，也就是说在变压器绕组上输入的电功率越大，时间越长，剩磁量就越大，反之亦相反是导致变压器产生剩磁的根本原因。SF2 SF2KSG1KH9 SX4VD1-4KH9 KL6R3R205 通道图 2 重瓦斯保护动作示意图（2）测量变压器直流电阻的目的：检查绕组焊接质量、检查分接开关各个位置接触是否正常、检查绕组或是引出线有无折断处、检查并联支路的正确性，是否存在有几个并联导线绕成的绕组发生一处或是几处断线情况、检查
10、层或匝间有无短路现象。因此变压器的直流电阻的测量工作是不能遗漏的。（3）传统的直流电阻测量方法，无论使用电桥法还是采用压降法，因为电源提供电流4数值小的问题，效率低下、耗费工时的缺点，即使维持电流在 0.3A 时，进行一台 240MVA变压器仍需要 3 个小时的时间。因此出现了变压器直流电阻的快速测量方法。 （增大电阻的电路突变法）（4）增大电阻的电路突变法：(如图 3)图 3图 4AN 闭合时： AN 断开时：(1)RxtLuie()“1RxtLuie测量时将 AN 闭合，附加电阻 R 短路，使全部电压加在了被试绕组上，强迫它有较大的电流上升速度，直至达到预定电流 I（I U/R+Rx）值时
11、断开按钮 AN，则电流由图 4 的曲线 1 立即稳定在曲线 2 上，在断开 AN 的瞬间，i I U/R+Rx 的突变状态最为理想，则充电时间由 缩短到 ，因为仪表等因素的影响，变压器磁滞回环的作用，电流下降时要“tt比电流上升时的电感要小的多，故在测试时应在充电电流略大于稳定电流时进行电路突变，但仍能够达到快速测量的目的。目前，快速测量的装置已经有很多种可以选择，基本原理（如图 5）：将 AN 闭合，待充电电流达到测量电流预定值时（预定值可按照 U/R1,U/ R1+ R2, U/ R1+ R2+ R3）的 0.91.1 计算即可；将 AN 断开后即可操作电桥进行测量。因此，在目前直流电阻测
12、试对电流源的选择有了更宽的范围。图 5（5）2#主变此次检修后使用的是 HD-5585A 变压器直阻测试仪，加的是电流源。该电流源分为 100mA、3A、20A、40A 等档位，本次试验选择了 20A 的档位。持续时间为 5 分5钟。（按照理论值应选择 5A 以下）变压器试验电流将在变压器高压侧（sy，sy）产生如图 6（原理图）所示的磁极（S1-N1），当试验结束后，变压器的磁性即是以此磁极形式存在。+sysy_sydycdycN1 N2S1 S2图 62.3、变压器励磁涌流与变压器剩磁的关系：（1）将变压器看作一个强感性负载，即看作一个非线性电感，当合闸时，变压器上的电压在变压器内部也产生
13、一个磁通，当变压器有剩磁时，合闸后所产生的磁通如果和剩磁极性相同，则变压器内部的总磁通就会随着电压的升高而增加，从而励磁涌流也会随之增加，如果合闸后所产生的磁通和剩磁极性相反，则变压器内部的总磁通就会随着电压的升高而减小，从而削弱了励磁涌流（此时正如上文所说的，充电也是对剩磁去除的过程）（2）励磁涌流与铁芯饱和程度关系：变压器绕组中的励磁电流和磁通的关系由磁化特性所决定，铁芯越饱和，产生一定的磁通所需的励磁电流就愈大。由于在最不利的合闸瞬间，铁芯中磁通密度最大值可达 2m，这时铁芯的饱和情况将非常严重，因而励磁电流的数值大增，励磁涌流比变压器的空载电流大 100 倍左右，在不考虑绕组电阻的情况
14、下，电流的峰值出现在合闸后半周的瞬间。但是，由于绕组具有电阻，这个电流是要随时间衰减的。对于容量小的变压器衰减得快，约几个周波即达到稳定，大型变压器衰减得慢，全部衰减持续时间可达几十秒。（3）励磁涌流的大小与合闸瞬间电压的关系（理论推导与计算不在赘述）：在交流电路中，磁通 总是落后电压 U90相位角。如果在合闸瞬间，电压正好达到最大值时，则磁通的瞬间值正好为零，即在铁芯里一开始就建立了稳态磁通，变压器不会产生励磁涌流；当合闸瞬间电压为零值时，它在铁芯中所建立的磁通为最大值(m)。可是，由于铁芯中的磁通不能突变，既然合闸前铁芯中没有磁通，这一瞬间仍要保持磁通为零。因此，在铁芯中就出现一个非周期分
15、量的磁通 fz，其幅值为 m。这时，铁芯里的总磁通 应看成两个磁通相加而成。铁芯中磁通开始为零，到 0.5T 时，两个磁通相加达最大值， 波形的最大值是 1波形幅值的两倍。因此，在电压瞬时值为零时合闸情况励磁涌流最严重。6（4）变压器在正常运行时，磁路设计已接近饱和，工作在图 6 的 A 点，在最不利的空载合闸角时，工作在 B 点，磁路已 非常饱和，激磁电流可达额定电流的 6 倍左右，这一数值是可以接受的，在设计中已给予了考虑，一般不会有什么问题。如果发生剩磁影响，变压器的磁路可能工作在 C 点（这取决于剩磁的大小） ，变压器的激磁电流将大于允许的最大值，保护将动作切除变压器。因变压器三相互差
16、 1200，变压器的铁芯剩磁达足以影响变压器正常工作时，变压器空载合闸瞬间，主变三相电压的幅值无法控制，合闸瞬间电压为零的一相励磁涌流最大，对变压器产生的冲击越严重，。对于三相变压器可能只是瓦斯保护动作或过电流保护动作，对于由三台单相变压器组成的三相变压器组，剩磁影响出现的结果就是涌流大的一相瓦斯保护或过电流保护动作。2#主变发生了 A、B、C 三相重瓦斯保护无序动作于跳闸的现象。也说明了这一点。2.4、由上述可以不难得出结论：（1）由于在#2 主变检修后的直流电阻试验中，使用了 20A 的直流电流，在导致#2 主变压器铁芯上有直流剩磁，在操作高压侧 5021 合闸时，合闸角大的相与直流剩磁叠
17、加，产生较大的冲击电流，使铁芯、绕组振动，从而导致变压器内油流涌动，致使重瓦斯保护动作。而且由于盘电的主变为三相式变压器组，因此，系统内兄弟单位的两次以后充电能够去除剩磁、并充电成功的现象没有出现。 （2）#2 主变充电阶段变压器油色谱分析结果（总烃 A 相上升到 122 微升/升、B 相上升到 62.5 微升/升、C 相上升到 111.7 微升/升） 。表 1 2005 年 3 月份色谱分析结果名称取样日期 氢l /L甲烷l /L乙烯l /L乙烷l /L乙炔l /L一氧化碳l /L二氧化碳l /L总烃l /L3.1 3.6 4.9 1.5 1.4 0 312 968.7 7.83.2 26.
18、1 18.9 1.5 28.5 0 206.7 923.7 48.93.2 19:00 8.5 100 8 14 0 2037.5 6400 1223.3 22:00 6.4 42.0 3.4 5.4 0 1032.8 3426.2 50.83.4 11:00 4.43 11.0 1.84 2.5 0 612 1744 15.34#2主变A相3.5 14:00 4.6 11.5 2.2 2.5 0 616.3 1983.5 16.2 带电一天3.1 3.4 4.9 1.7 2.2 0 424 1267.9 8.83.2 1:00 3.3 4.9 1.6 2.1 0 420 1260.9 8.6
19、3.2 22:00 8.33 56.6 1.2 4.7 0 1237.0 4075.5 62.53.3 22:00 7.2 28.2 4.0 5.4 0 1148.0 3828.0 37.63.4 10:40 2.8 5.9 1.4 2.1 0 490.2 1414.7 9.4#2主变B相3.5 14:00 4.4 10.4 2.5 3.5 0 665.9 2101.3 16.4 带电一天3.1 3.6 3 0 2.7 0 560 1878 5.73.2 1:00 3.4 3 0 2.6 0 555 1872 5.63.2 22:00 19.2 99.9 2.9 8.9 0 2283.7 69
20、74.4 111.73.3 22:00 5.9 40.3 1.3 4.6 0 777.7 3310 46.23.4 10:50 4.7 17.7 0.7 2.6 0 561.3 1709.7 21.0#2主变C相3.5 14:00 6.3 6.2 1.0 2.6 0 561.6 1866.2 9.8 带电一天7通过对#2 主变的色谱分析，可以得出结论：由于变压器几次承受大电流的冲击，从变压器在第二次充电后，油的产汽速率和色谱特征来看，2#主变固体绝缘存在低温过热现象，虽然，色谱分析各项指标正常，也应对 2#主变三相进行全面的电气试验，内容为绝缘电阻（吸收比） 、直流泄漏、绕组介损、铁心绝缘、油
21、耐压（介损） 、套管绝缘和局部放电、绕组变形。 （后经电气试验合格，试验报告省略）图 8（3）变压器绕组变形测试系统只能检测出变压器内部绕组可能发生的扭曲、鼓包、移位等变形现象以及绕组匝间、相间可能发生的接触性短路故障，对于变压器绕组、铁芯的松动是不能检测的。几次充电励磁涌流约为 6-7 倍的额定电流，应属正常范围，纵观盘电#2 主变自 1996 年投入运行以来，充电应在 2530 次之间，因此不排除变压器可能存在铁芯、绕组的松动的可能性。造成变压器的充电过程中，由于励磁涌流的存在，将使变压器绕组、铁芯产生剧烈振动，造成变压器内部油压瞬间波动幅度较大，从而造成油流涌动，冲击到瓦斯继电器，导致重
22、瓦斯保护误动作的可能性。3、铁芯剩磁消除方法的建议控制或消除铁芯剩磁，最根本的方法是严格控制变压器直流电阻测试时的电流。当变压器发生剩磁影响时，消除剩磁就成为一项必需的工作。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的排列；磁滞损耗是一种能量的损耗。因此，可以根据剩磁形成的机理，采取消除剩磁的措施。（1）是在变压器高压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，达到消除剩磁的目的，这在理论上是可以的，但控制起来比较困难的。（2）是提高铁芯的环境温度，加速铁芯材料的分子热运动，使有序排列的磁极重新紊乱，达到消磁的目的
23、，但同样存在一个控制手段的问题（加热油温不得超过 85）（3）发变组零起升压方式消磁。如盘电#2、#1 主变采用的方法。（4）是降低电压等级的外加交流消磁。即用一个低于变压器额定电压的交流电源给变 ABCi01 i03i02I8发 变 组 及 发 电 机 空 载 试 验0200400600800100012002kV 4kV 6kV 8kV 10kV 12kV 14kV 16kV 18kV发 电 机 端 压发电机励磁电流F-B组 励 磁 电 流 上升 （ A）F-B励 磁 电 流 下 降(A)F空 载 励 磁 电 流 上升F空 载 励 磁 电 流 下降压器空载充电，这种方式适合于普通的变电所变
24、压器。一是发生了第一种方法的后一种情况时，但又不具备第二种条件，只好采取降低电压等级，以降低磁通 m 的峰值，减少激磁电流，避免几次电流过大，使变压器的保护动作。通过一段时间也能够消除剩磁。4. #2 主变去除剩磁的过程：4.1、主变压器除剩磁方法采取了发电机对主变压器进行零起升压去除剩磁的手段，具体方法如下：（1）拉开 5021-6 刀闸（见图 1）；（2）二次回路采取措施，甩开出口刀闸禁止机组启动的回路；（3）发电机维持 3000r/min，发变组零起升压分别到 50、75、100Ue，每个过程各缓慢升降两次、每次调节以 2.5%Ue 为升降阶跃、在每个阶跃点稳定 10 分钟。2#发变组的
25、退磁试验共进行了 4 小时 15 分钟，并于 3 月 5 日 00：30 结束后， #2 主变由 5021 开关充电成功。4.2、变压器零起升压基本原理变压器零起升压基本原理如图 8 所示（原理图） ，发变组零起升压在原理图相当于在变压器低压侧施加了（dyc）的电源，使得变压器铁芯内产生了与原有剩磁（S1-N1）方向相反的磁极（S2-N2）,起到了对剩磁的去除作用。4.3、去磁过程中的数据统计：如图 9（仅列举#2 发变组空载去磁曲线对比，并将去磁曲线与发电机空载试验曲线对比） ；图 9通过以上曲线可以看出：发变组的空载曲线相对于发电机的空载曲线，在上升与回调曲线的比较上，相差幅值较大。在与#
26、1 发变组去磁过程中的发变组空载特性曲线相比，更9是有较明显的差别（#1 发变组空载曲线如图 10）,两台机组的空载曲线产生区别的原因在于：#1 机组的去磁工作只进行了 1 小时 20 分钟（阶跃点较大且各个停留时间较短短） ，两台机组在去磁时间上相差了近 3 个三个小时。值得提出的是：#1 发变组在去磁试验结束后，进行充电时#1 变压器的轻瓦斯保护信号发出。因此，笔者认为两台变压器在去磁效果上存在差异，而且变压器的去磁效果的差异与在每个阶跃点的稳定时间有着不可或缺的联系。1#发 变 组 空 载 试 验 曲 线010020030040050060070080090010002kV 4kV 6k
27、V 8kV 10kV 12kV 14kV 16kV 18kV发 电 机 端 压发电机励磁电流 F-B组 励 磁 电 流上 升 （ A）F-B励 磁 电 流 下降 (A)图 104.4、去磁过程中的关注点在试验中关注了发电机励磁电流、励磁电压、发电机端压、机端零序电压，考虑到发变组的空载电流较小（0.18%105001.7=32.7A，CT 变比 24000/5）在监视表记上很难发现，因此在发电机的 CT 二次回路上加装了电流表进行了观察，虽然，加装的表记显示只能在1mA 左右摆动，可依旧能够起到监视趋势的作用。此外，在试验过程中，应对发电机的端部温度进行监视。5、结论：（1）在使用负荷开关与系
28、统并列的发变组接线方式中，变压器的反充电掉闸，将会给变压器的固体绝缘带来低温过热的现象，并伴随油色谱急剧变化，这种损害也是不可恢复的，尤其是单相变压器组，不能采取高压侧充电消除剩磁的方法。（2）使用发变组出口高压侧开关并列的接线方式，因为采取了发电机升压后并网的方式，在发电机升压过程中，已经是对变压器进行去磁和对磁势的抵消作用，不存在剩磁问题。（3）发变组的零起升压不但会给企业带来经济损失，也会给机炉的启动和空载运行带开隐患。从盘电历年来主变试验、充电来看，直流电阻试验由原来的 20A 调整为 3A，时间也由原来的 5 分钟延长至 10 分钟，可是，依旧在#1 主变发生了剩磁导致掉闸的问题（如
29、图 3） ，所以应严格控制变压器直流电阻测量时，恒流源电流值的选择，尽量选择小电10流，以减少剩磁。（4）至今主变高压侧充电进行了 25-30 次，在投产近 10 年时发生此类现象，不能排除铁芯、绕组松动的可能性，因此，应按照国标规定的使用期限，合理安排对主变压器的铁芯、绕组检查、检修，还是很有比要的。（5）避免此类事件发生的补救手段：可以在充电前将变压器的重瓦斯保护改投信号位置、或是在重瓦斯掉闸回路加装延时继电器（如图 2） ，但是，具体延时时间难以选择，目前选择 100ms 以下继电器很难选择 ,但这种补救手段，不仅仅在盘电在电力系统中都是违背了“常规”，是需要技术权威给予安全性、可行性评
30、估的。（6）对于剩磁的判断目前只能停留在摸索阶段：（a）检查变压器试验加载的直流电流和试验时的油温与以往试验时比较是否有明显的变化，如果有且是电流增加，油温降低，或者是有一项具备，那就是可能的，然后对电流的波形和峰值的变化进行定量或定性分析。（b）如果变压器出现了剩磁影响，那么变压器在额定电压的工况下，磁回路必然工作在磁化曲线的饱和区，这就意味着空载激磁电流随电压的变化曲线是非线性的，即电源电压的波形是正弦波，而激磁电流波形是非正弦的尖顶波（有偶次谐波分量） 。明确了这一点，我们就可以通过示波器监视激磁电流的波形来判断剩磁消除的效果了。这里要强调的是监视示波器的电流波形，而不是电流的幅值，电流
31、幅值只能作为参考。因为变压器空载激磁电流很小，且 CT 变比较大，这时 CT 的误差较大，不能真实地反映一次侧电流。示波器则不同，它监视的是电流的波形。CT 虽然在较小的一次电流下，误差较大，但由于 CT 的铁芯不是闭合的，留有一定的空气间隙，基本可以保证一次电流与二次电流的线性关系。只要变压器的三相电流波形均为稳定的正弦波，我们可以判断剩磁已消除。如果 CT 二次侧电流过小，示波器直接监视有困难，可以考虑对电流波形的放大处理，即选择一个阻值合适可变电阻，接入 CT 回路，通过监视电阻两端的电压波形来实现。（7）在发变组零起升压去磁的效果观察上，比较升压和降压过程中的机组励磁电流变化情况，能够通过比较变化趋势作为初步评估依据的。
