消磁线圈在超特高压变压器中的研究策略分析

摘 要：在超特高压、大容量变压器中，铁心的重量最大可达200吨左右，这将给变压器带来较大的空载损耗，同时较大的铁心体积将会使变压器噪声大幅增加，另外因为大容量所相应产生的附加损耗也将较大。变压器损耗的大小是影响变压器运行经济性指标的重要因素，而降低变压器的噪声是变压器发展的趋势。因此，随着现代变压器的发展，降低损耗与噪声是各个变压器厂研究的主要方向，这点对于超特高压、大容量变压器来讲尤为重要。本文对消磁线圈原理进行了阐述并结合实例介绍消磁线圈的作用。
　　关键词：消磁线圈；穿窗电流；附加磁通
　　1 引言
　　在变压器的结构设计过程中，必须要求绕组的首、末端均布置在铁心的同一侧。如果不在同一侧则首、末端通过用电负载后会在变压器外部闭合，因其穿过铁心窗口在铁轭外侧闭合，俗称穿窗电流，其大小与绕组的线端电流相等。该穿窗电流会在变压器的铁轭回路中建立一附加磁通。根据安培环路定律，该附加磁通与穿窗电流的安匝成正比，因为穿过铁心窗口的是一匝线，所以穿窗电流的大小与绕组的线端电流相等。而穿窗电流产生的附加磁通与主磁通在铁心中叠加会造成铁轭的磁通过度饱和，从而导致空载损耗增加，铁心因振动所产生噪声也会大幅增加；同时，因为铁轭的磁通饱和，使线圈组漏磁通无法进入铁轭，线圈组漏磁通只能在油箱、夹件等结构件中形成闭合回路，导致变压器的附加损耗大幅增加，并可能产生局部过热。在220kV及以下等级的变压器结构设计中往往能够避免穿窗电流的出现，但是在超特高压变压器中，由于油箱内部的空间较小，同时为了使引线走线更加的方便，往往需要绕组的首末端不在同一侧出线，这就必然会出现产生穿窗电流的问题。而消磁线圈的主要作用则是能够抵消穿窗电流产生的附加磁通对主磁通的影响，对降低空、负载损耗和噪声有着重要意义。
　　2 消磁线圈的原理简述
　　图1是变压器产品中常用的冷轧导向硅钢片的磁化曲线，从图中的曲线可以看出，当硅钢片的磁通饱和前，硅钢片的单位损耗与磁通密度基本成正比的关系，而且磁化曲线的斜率相对较小；但是当硅钢片的磁通饱和后，磁化曲线的斜率变大，意味着硅钢片的单位损耗急剧增加，这说明硅钢片的磁密饱和后，硅钢片的损耗随磁密增加而增加的较快。因此，在变压器设计时，一般不允许硅钢片运行在饱和区域，因为这会造成变压器空载损耗较大，铁心的温升较高，影响变压器的运行寿命。
　　如果变压器绕组的首、末端布置在铁心的两侧，在负载条件下，穿窗电流必然会在铁心的铁轭中感应出一附加磁通，该磁通的大小与绕组的线端电流成正比。而穿窗电流产生的附加磁通会造成铁轭内的磁通饱和，导致变压器空载损耗、负载损耗、噪声均增加，并可能引起局部过热。
　　为了抵消穿窗电流带来的影响，我们可以在铁轭上设计一组或多组消磁线圈组，使消磁线圈产生的磁通能够平衡掉穿窗电流产生的磁通；消磁线圈使主磁通可以通过，但附加磁通会被消磁线圈产生的反向磁通所抵消掉，从而消除穿窗电流所带来的影响。此时，铁心中会产生由绕组产生的主磁通、由穿窗电流产生的附加磁通和由消磁线圈产生的感应磁通，感应磁通与附加磁通在铁心中方向一直相反，能够有效达到了抑制穿窗电流产生的附加磁通的目的。
　　3 消磁线圈的应用实例
　　为了更加清晰的说明该问题，以我公司2005年生产的1台500kV超高压自耦电力变压器为例，该变压器在2012年进行了返厂大修，大修时在旁柱增加了消磁线圈。该变压器的结构特点为：该变压器为单相三柱铁心、单柱套线圈结构，其结构及出头布置如图2所示，变压器的高压首头和中性点布置在高压侧，而中压出头在低压侧。因此在中压绕组参与运行时将会有半匝线穿过铁心窗口，穿窗电流等于中压线圈的电流，最大达1157.0A，而且穿窗电流形成的安匝不能参与运行线圈的安匝平衡，势必在铁轭中励磁产生一附加磁通，造成旁轭及上下轭局部磁通饱和，从而造成整个变压器的损耗和噪声增加。
　　解决该问题的方案一是将同一个线圈的出头都设计在同一侧，或将在不同侧的出头由窗内引回至同一侧，如图3所示。
　　此方案理论上可以完全消除中压穿窗电流及由此带来的损耗和噪音问题。但由于中压线圈首端出头和高压线圈末端出头都为220kV等级，穿窗引至高压侧的难度非常大，因此，我们决定采用在铁轭上增加消磁线圈的方法来抵消穿窗电流产生的附加磁通。
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　　在返修过程中，我们在两个旁柱上各绕了1组消磁线圈，示意图如图4。
　　根据变压器的参数来选取合适的导线绕制消磁线圈。
　　返修后的试验结果表明：该方案有效地解决了损耗和噪音问题。返修后的变压器负载损耗降低了约100kW，降低了约30%；空载损耗降低了约15kW，降低了约15%；变压器噪声也有了较大的改善，大约降低了10dB左右。
　　在我公司近几年的500kV自耦变压器的设计中，为了提高产品的抗短路能力及控制极限分接阻抗偏差等原因，大多数500kV单相自耦变压器采用了旁柱调压的结构，其主柱的出头布置根据用户的要求不同而有各种方式，往往会出现高压线圈或中压线圈穿窗电流的问题，但旁柱调压结构中，旁柱上都有一个与主柱低压或中压线圈并联的励磁绕组，形成了一个平衡电流的流通通路，因而消除了铁心的附加磁通，不会引起损耗和噪音的增加，这一点通过我公司近几年的500kV自耦变压器产品的试验数据已经证明。
　　4 结论
　　根据我公司500kV单相自耦变压器产品出现的问题及消磁线圈在特高压自耦变产品中的应用成果，我们对变压器因出头布置而产生的损耗和噪音问题有了一定的认识。目前得出的主要结论为：
　　（1）半匝线穿窗电流问题一般在采用单柱套线圈结构时容易发生，且线圈电流越大，电流穿窗的影响越严重。
　　（2）对多柱套线圈的结构，且在各柱间有连成环行回路的线圈，也就是有平衡电流回路时，电流穿窗问题的影响较小。
　　（3）在今后的大容量产品设计中，原则上规定尽可能使同一个线圈的出头在铁心同一侧。特别要注意大电流线圈的出头布置。
　　（4）三相一体的变压器如果三相线圈组的线圈出头位置均一致，即便存在穿窗电流的问题，但穿窗电流引起的磁通因为相位角的因素可以在铁轭中相互抵消，因此三相变压器的线圈首尾端出头可以不在一侧，但三相必须在同一侧。
　　（5）如果受结构限制，同一线圈出头不能在一侧引出，可以采取以下两个措施：1）将一侧出头用引线从铁心窗内连接至另一侧后，再与套管或开关连接；2）在铁轭上增加消磁线圈，构成平衡电流回路，以抵消铁轭中的附加磁通。
　　作者简介：张晓阳（1974-8），男，山东济南人，本科，主要从事：超高压电力变压器的设计与研发工作。