淺析電力變壓器的過勵磁問題

為了提高電力變壓器鐵芯的導磁性能，減小磁滯損耗和渦流損耗，變壓器的鐵芯大多采用厚度為0.35mm、表面涂有絕緣漆的硅鋼片作為鐵芯導磁材料。由于在磁通密度及頻率相同的情況下，冷軋硅鋼片比熱軋硅鋼片的單位損耗低，故電力變壓器的設計采用冷軋晶粒取向硅鋼片。并且由于硅鋼片有磁飽和現象，如果變壓器選用磁通密度太高，空載電流和空載損耗就會很大，因此磁通密度要選在飽和點以下，一般為1.6～1.7T，再根據磁導率和鐵芯截面，確定了不飽和的每伏匝數。只有按這個參數設計制造的變壓器才不容易出現磁飽和現象，使電能通過磁路順利地傳遞給二次繞組，轉換成為改變電壓的能量輸出。  
根據變壓器的4.44公式U≈E1=4.44f×N1×Φm得知，當變壓器在電網電壓升高或頻率下降時，就會使U/f比值增大，都將造成變壓器工作時主磁通Φm的增加。而變壓器的鐵芯橫截面積一旦設計制成，就已經確定，可以認為是不變的。根據公式Φm=Bm×S，則磁通密度將會增加，當超過鐵芯的冷軋硅鋼片飽和點，磁通密度為1.9T或更高些進入飽和區時，稱為變壓器過勵磁。如當勵磁電壓為額定電壓的130%～140%時，過勵磁較嚴重，如果持續時間較長，硅鋼片單位損耗按指數上升，鐵芯溫度上升會使變壓器逐漸老化而損壞。  
2產生過勵磁現象的原因  
通常認為，接到電網上的電力變壓器產生過勵磁現象并不那么容易，因為電力變壓器的磁通密度，在初設計時選取1.6～1.7T，而制造變壓器鐵芯的冷軋硅鋼片，其飽和點磁通密度為1.9T以上，該值完避免變壓器額定電壓和額定頻率造成的偏差。但是，實際情況并非如此，下面介紹一下常見的幾種過勵磁現象在電力變壓器中到底是怎么出現的。  
（1）電力變壓器分接開關連接或調整不正確。當電力變壓器進行檢修，退出運行狀態時，分接開關放在小位置。檢修后沒有重新調整，然后就進行合閘，這時電網電壓將大于小分接電壓，這樣就很可能使電力變壓器發生過勵磁。  
（2）電力變壓器從空載到投入負載運行，在合閘的瞬間可能產生過勵磁。如果在電力變壓器鐵芯中有一定的剩磁通，且在外加電壓剛好過零時合閘，則此時過勵磁為嚴重，是不利的空載合閘時刻。  
（3）升壓變壓器從電網上切除電源時，也會發生過勵磁現象。當升壓變壓器在電網上正常運行時，電力系統的電壓比較穩定，產生過勵磁的可能性很小。但如果升壓變壓器要從電網上切斷時，其過勵磁就有可能發生。如果切斷時勵磁電壓很高，則U/f值增加，有可能達120%～135%以上，這樣，鐵芯磁通密度大大超過飽和點。  
（4）電力變壓器運行時額定電壓的頻率低于額定頻率。當電力系統的頻率低于額定頻率，而電感性負載的電壓不變時，電網頻率的降低會引起電力變壓器鐵芯中磁通的增加，因而就會產生過勵磁。  
（5）鐵芯結構方面的因素。目前電力變壓器的鐵芯大都采用冷軋硅鋼片，作為鐵芯材料。鐵芯結構采用全斜45°接縫的疊裝方式，接縫分兩處錯開，并有一定搭接的距離。雖然在搭接處的截面增加不少，但有效厚度卻變小了一些，所以接縫處的實際截面減少了，因此在接縫處會產生過勵磁，磁通密度會飽和。  
（6）系統因事故解列后，部分系統的甩負荷引起過電壓，也可能引起電力變壓器過勵磁。  
（7）三相三柱式心式鐵芯結構，Y，yn0聯結組別的電力變壓器，由于負載不平衡，往往會引起中性點電壓的漂移，此時變壓器的鐵芯中也會產生過勵磁。  
另外，還有如鐵磁諧振過電壓以及長線路末端帶空載變壓器等，也可能產生較高的過電壓引起變壓器過勵磁。  
3過勵磁對變壓器的影響  
從以上分析的幾個方面來看，電力變壓器出現過勵磁的情況比較多，如果電力變壓器的鐵芯出現過勵磁，到底會對電力變壓器產生哪些影響呢？  
主要體現在以下五方面：  
（1）變壓器的空載電流的高次諧波增加。  
（2）變壓器的噪音明顯增大。  
（3）過勵磁時勵磁涌流會遠遠大于空載電流產生較強的機械力。  
（4）雜散磁通不經過主磁路，會引起變壓器結構件中的附加損耗。  
（5）變壓器的空載損耗增大，鐵芯的溫升會增加。由此看來，如果電力變壓器不具有承受過勵磁的能力，會影響變壓器的正常安全運行。因此在IEC76-1標準上對電力變壓器過勵磁能力有規定：在設計時要求考慮，電力變壓器在運行中要保證一定的過勵磁水平，具有一定的過勵磁能力。  
如果電力變壓器在設計的飽和磁通密度值以上運行時，就會有大量的雜散磁通，不經過主磁路，使繞組和夾件、油箱等金屬件的溫度達到120℃以上，使其相鄰的絕緣部件產生碳化，甚至燒壞。鐵芯過熱程度和變壓器的設計磁通密度關系很大，當變壓器的過勵磁超過設計磁通密度的120%時，運行時間不允許超過2分鐘。對于電力變壓器，損壞是累積的，如反復多次，并伴隨著局部過熱，絕緣部件壽命縮短，終會燒壞變壓器，然而偶爾1～2次過勵磁盡管較為嚴重，也不至于燒毀變壓器。  
如果變壓器運行電壓超過額定電壓的10%時，就會使變壓器鐵芯飽和，而因飽和產生的漏磁將使變壓器鐵損增大，造成鐵芯溫度升高；同時還會使漏磁通增強，使靠近鐵芯的繞組導線、油箱壁及其他金屬構件產生渦流損耗，使變壓器過熱，絕緣老化，影響變壓器壽命，嚴重時造成局部變形和損傷周圍的絕緣介質，嚴重時甚至燒毀變壓器。  
4變壓器避免過勵磁的方法  
為了使電力變壓器不出現過勵磁或縮短過勵磁時間，應采用以下三種方法來避免變壓器產生過勵磁：  
（1）電力變壓器運行中應裝設過勵磁保護裝置。如大型電力變壓器，額定工作磁通密度BN=1.7～1.8T，飽和工作磁通密度BS=1.9～2.0T，兩者相差不大。當U/f比值增加時，工作磁通密度B增加，使變壓器勵磁電流增加，特別是在鐵芯飽和之后，勵磁電流要急劇增大，造成變壓器過勵磁，所以大型電力變壓器應裝設過勵磁保護。應根據變壓器特性曲線，設置整定值，一旦發生過勵磁，使其發出預警信號而切除變壓器。  
（2）設計應根據變壓器運行特性來考慮。如果電力變壓器允許過勵磁超過設計磁通密度的105%而長期運行，則設計磁通密度應略微有降低，制造成本相應提高，因此設計磁通密度的選擇取決于變壓器的種類。電網中變電所內電力變壓器可以按5%的過勵磁來考慮即可，大部分廠家設計這類電力變壓器時磁通密度取1.8T的也較為普遍，但設計升壓變壓器要根據本身的特性來考慮，并對鐵芯進行溫升計算，以避免變壓器不必要的燒壞。  
（3）當如果電力變壓器產生過勵磁的原因是由于額定電壓的頻率低于額定頻率時，可以用甩開負載的方法來解決。如果當變壓器運行時頻率下降3%時可以甩掉負載20%。