浅析电力变压器的过励磁问题

为了提高电力变压器铁芯的导磁性能，减小磁滞损耗和涡流损耗，变压器的铁芯大多采用厚度为0.35mm、表面涂有绝缘漆的硅钢片作为铁芯导磁材料。由于在磁通密度及频率相同的情况下，冷轧硅钢片比热轧硅钢片的单位损耗低，故电力变压器的设计采用冷轧晶粒取向硅钢片。并且由于硅钢片有磁饱和现象，如果变压器选用磁通密度太高，空载电流和空载损耗就会很大，因此磁通密度要选在饱和点以下，一般为1.6～1.7T，再根据磁导率和铁芯截面，确定了不饱和的每伏匝数。只有按这个参数设计制造的变压器才不容易出现磁饱和现象，使电能通过磁路顺利地传递给二次绕组，转换成为改变电压的能量输出。  
根据变压器的4.44公式U≈E1=4.44f×N1×Φm得知，当变压器在电网电压升高或频率下降时，就会使U/f比值增大，都将造成变压器工作时主磁通Φm的增加。而变压器的铁芯横截面积一旦设计制成，就已经确定，可以认为是不变的。根据公式Φm=Bm×S，则磁通密度将会增加，当超过铁芯的冷轧硅钢片饱和点，磁通密度为1.9T或更高些进入饱和区时，称为变压器过励磁。如当励磁电压为额定电压的130%～140%时，过励磁较严重，如果持续时间较长，硅钢片单位损耗按指数上升，铁芯温度上升会使变压器逐渐老化而损坏。  
2产生过励磁现象的原因  
通常认为，接到电网上的电力变压器产生过励磁现象并不那么容易，因为电力变压器的磁通密度，在初设计时选取1.6～1.7T，而制造变压器铁芯的冷轧硅钢片，其饱和点磁通密度为1.9T以上，该值完避免变压器额定电压和额定频率造成的偏差。但是，实际情况并非如此，下面介绍一下常见的几种过励磁现象在电力变压器中到底是怎么出现的。  
（1）电力变压器分接开关连接或调整不正确。当电力变压器进行检修，退出运行状态时，分接开关放在小位置。检修后没有重新调整，然后就进行合闸，这时电网电压将大于小分接电压，这样就很可能使电力变压器发生过励磁。  
（2）电力变压器从空载到投入负载运行，在合闸的瞬间可能产生过励磁。如果在电力变压器铁芯中有一定的剩磁通，且在外加电压刚好过零时合闸，则此时过励磁为严重，是不利的空载合闸时刻。  
（3）升压变压器从电网上切除电源时，也会发生过励磁现象。当升压变压器在电网上正常运行时，电力系统的电压比较稳定，产生过励磁的可能性很小。但如果升压变压器要从电网上切断时，其过励磁就有可能发生。如果切断时励磁电压很高，则U/f值增加，有可能达120%～135%以上，这样，铁芯磁通密度大大超过饱和点。  
（4）电力变压器运行时额定电压的频率低于额定频率。当电力系统的频率低于额定频率，而电感性负载的电压不变时，电网频率的降低会引起电力变压器铁芯中磁通的增加，因而就会产生过励磁。  
（5）铁芯结构方面的因素。目前电力变压器的铁芯大都采用冷轧硅钢片，作为铁芯材料。铁芯结构采用全斜45°接缝的叠装方式，接缝分两处错开，并有一定搭接的距离。虽然在搭接处的截面增加不少，但有效厚度却变小了一些，所以接缝处的实际截面减少了，因此在接缝处会产生过励磁，磁通密度会饱和。  
（6）系统因事故解列后，部分系统的甩负荷引起过电压，也可能引起电力变压器过励磁。  
（7）三相三柱式心式铁芯结构，Y，yn0联结组别的电力变压器，由于负载不平衡，往往会引起中性点电压的漂移，此时变压器的铁芯中也会产生过励磁。  
另外，还有如铁磁谐振过电压以及长线路末端带空载变压器等，也可能产生较高的过电压引起变压器过励磁。  
3过励磁对变压器的影响  
从以上分析的几个方面来看，电力变压器出现过励磁的情况比较多，如果电力变压器的铁芯出现过励磁，到底会对电力变压器产生哪些影响呢？  
主要体现在以下五方面：  
（1）变压器的空载电流的高次谐波增加。  
（2）变压器的噪音明显增大。  
（3）过励磁时励磁涌流会远远大于空载电流产生较强的机械力。  
（4）杂散磁通不经过主磁路，会引起变压器结构件中的附加损耗。  
（5）变压器的空载损耗增大，铁芯的温升会增加。由此看来，如果电力变压器不具有承受过励磁的能力，会影响变压器的正常安全运行。因此在IEC76-1标准上对电力变压器过励磁能力有规定：在设计时要求考虑，电力变压器在运行中要保证一定的过励磁水平，具有一定的过励磁能力。  
如果电力变压器在设计的饱和磁通密度值以上运行时，就会有大量的杂散磁通，不经过主磁路，使绕组和夹件、油箱等金属件的温度达到120℃以上，使其相邻的绝缘部件产生碳化，甚至烧坏。铁芯过热程度和变压器的设计磁通密度关系很大，当变压器的过励磁超过设计磁通密度的120%时，运行时间不允许超过2分钟。对于电力变压器，损坏是累积的，如反复多次，并伴随着局部过热，绝缘部件寿命缩短，终会烧坏变压器，然而偶尔1～2次过励磁尽管较为严重，也不至于烧毁变压器。  
如果变压器运行电压超过额定电压的10%时，就会使变压器铁芯饱和，而因饱和产生的漏磁将使变压器铁损增大，造成铁芯温度升高；同时还会使漏磁通增强，使靠近铁芯的绕组导线、油箱壁及其他金属构件产生涡流损耗，使变压器过热，绝缘老化，影响变压器寿命，严重时造成局部变形和损伤周围的绝缘介质，严重时甚至烧毁变压器。  
4变压器避免过励磁的方法  
为了使电力变压器不出现过励磁或缩短过励磁时间，应采用以下三种方法来避免变压器产生过励磁：  
（1）电力变压器运行中应装设过励磁保护装置。如大型电力变压器，额定工作磁通密度BN=1.7～1.8T，饱和工作磁通密度BS=1.9～2.0T，两者相差不大。当U/f比值增加时，工作磁通密度B增加，使变压器励磁电流增加，特别是在铁芯饱和之后，励磁电流要急剧增大，造成变压器过励磁，所以大型电力变压器应装设过励磁保护。应根据变压器特性曲线，设置整定值，一旦发生过励磁，使其发出预警信号而切除变压器。  
（2）设计应根据变压器运行特性来考虑。如果电力变压器允许过励磁超过设计磁通密度的105%而长期运行，则设计磁通密度应略微有降低，制造成本相应提高，因此设计磁通密度的选择取决于变压器的种类。电网中变电所内电力变压器可以按5%的过励磁来考虑即可，大部分厂家设计这类电力变压器时磁通密度取1.8T的也较为普遍，但设计升压变压器要根据本身的特性来考虑，并对铁芯进行温升计算，以避免变压器不必要的烧坏。  
（3）当如果电力变压器产生过励磁的原因是由于额定电压的频率低于额定频率时，可以用甩开负载的方法来解决。如果当变压器运行时频率下降3%时可以甩掉负载20%。