基于預勵磁技術(shù)的船用變壓器勵磁涌流控制

孫銘明， 于 飛， 楊 鋒

（1.海軍91285部隊，遼寧大連 116041；2. 海軍工程大學電氣工程系，武漢 430033）

基于預勵磁技術(shù)的船用變壓器勵磁涌流控制

孫銘明1， 于 飛2， 楊 鋒2

（1.海軍91285部隊，遼寧大連 116041；2. 海軍工程大學電氣工程系，武漢 430033）

在采用中壓配電系統(tǒng)的船舶上，通常采用中壓/低壓變壓器實現(xiàn)對低壓負載的供電，該變壓器的容量相對于船舶電力系統(tǒng)來說很大，當變壓器投入運行的時候在變壓器原邊會產(chǎn)生非常大的浪涌電流，其幅值可達到變壓器額定電流的十倍以上，對船舶電力系統(tǒng)的安全運行以及變壓器本身造成危害。論文分析了變壓器勵磁涌流產(chǎn)生的機理和特性，認為涌流是由于變壓器空載投入時的飽和特性造成的，分析了采用預充磁技術(shù)的涌流抑制原理和方法，并經(jīng)過仿真和實驗對涌流抑制效果進行了驗證。

船用變壓器 預充磁 勵磁涌流 抑制方法

0 引言

大型艦船一般采用中壓發(fā)電系統(tǒng)，通過提高母線電壓、降低母線電流來提高系統(tǒng)的供電能力。但是船上大多數(shù)的電氣設(shè)備仍然是低壓設(shè)備，低壓系統(tǒng)與中壓系統(tǒng)之間采用中壓變壓器作為接口。因此變壓器在船舶電力系統(tǒng)中的地位非常重要，關(guān)系到電能傳輸?shù)馁|(zhì)量以及供電的可靠性。一般來說，變壓器在正常穩(wěn)態(tài)運行的時候，其定子電流中包含的勵磁電流部分并不大，通常不會超過電壓器額定電流的5%，對應于變壓器的空載電流。但是在變壓器在空載直接合閘的時候，變壓器中的磁通由于剩磁和供電電壓的影響會形成過飽和，由于勵磁電流和磁通之間的非線性關(guān)系，造成勵磁電流非常大，形成所謂的勵磁涌流，該涌流最大可能達到變壓器額定電流的幾十倍，甚至與短路電流的數(shù)量級相當［1，3］。如此大的沖擊電流將對船舶電力系統(tǒng)造成非常大的影響，首先過大的涌流會產(chǎn)生很大的電動力，導致變壓器繞組變形，破壞絕緣；其次引起電能質(zhì)量下降，造成電網(wǎng)諧波過大，電壓大幅跌落從而導致電機和敏感負載脫扣保護等；另外，過大的涌流會引起繼電保護系統(tǒng)的誤動作［4-5］。同時，由于艦船的電力系統(tǒng)容量有限，該沖擊電流將對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來很大影響。因此，本文將主要針對艦船大功率中壓變壓器，分析其空載合閘的勵磁涌流特性及其對艦船電力系統(tǒng)的影響，并提出合理有效的解決方案。

1 變壓器勵磁涌流產(chǎn)生的機理

1.1變壓器的數(shù)學模型

變壓器的數(shù)學模型一般采用電路等效模型。電路等效模型一般采用相繞組等效方法，有 T型等效電路、Γ型等效電路和簡化等效電路三種形式［5］，其中T型等效電路對變壓器的模型描述最為準確，其等效電路如1所示。

等效電路中 U1和 I1為變壓器原邊輸入電壓；U2和I2為折算到一次側(cè)的變壓器副邊輸出電壓和電流；r1和r2分別是變壓器原邊和副邊的繞組電阻；x1和x2分別是變壓器原邊和副邊的漏電感；rm和xm分別是變壓器的激磁電阻和激磁電抗，zL為等效負載阻抗。上面等效電路對應的各變量的穩(wěn)態(tài)關(guān)系為：

上面?zhèn)€各參數(shù)中，rm和xm當考慮到變壓器飽和時的非線性時并不是常量，對勵磁涌流的影響非常大。

1.2變壓器勵磁涌流產(chǎn)生的機理

變壓器涌流是指變壓器充磁期間在變壓器激磁端產(chǎn)生的高幅值較長時間的暫態(tài)電流。變壓器鐵芯是由磁性材料構(gòu)成，具有非線性磁化特性，如飽和、磁滯等。由于成本和尺寸限制，電力變壓器一般都設(shè)計成最大額定磁通在磁化曲線的飽和點附近。當變壓器斷電的時候，變壓器鐵芯中會保留一部分靜態(tài)磁通，即剩磁。剩磁在變壓器再一次充磁的時候充當初始磁通，在剩磁的基礎(chǔ)之上，變壓器開始建立下一次的充磁過程。在接下來的充磁過程中，變壓器的感應磁通可能會超過額定磁通很多，造成變壓器的過飽和，從而造成勵磁涌流［6，7］。

變壓器的飽和特性曲線如圖2所示?？梢?，當變壓器不飽和時，勵磁磁通 φ與勵磁電流 iμ基本成線性變化，而且勵磁電流很小，當變壓器飽和后（φ＞φs），曲線的斜率迅速減小，而勵磁電流迅速增大。

變壓器的電壓微分方程如下：

求解上式，得到磁通的表達式為：

變壓器在設(shè)計制造時，為了提高它的利用率，其工作點一般選擇在飽和點附近以下，其對應的額定工作磁通標幺值為 Фm=1，因此在正常工作時是不會飽和的，勵磁電流和磁通之間基本上表現(xiàn)為線性關(guān)系。變壓器的飽和磁通一般不超過 1.3pu。但是變壓器在空載直接合閘的時候，剩磁和初始磁通的相互作用，就會導致磁通大于1pu，引起飽和。

設(shè) θ=ωt+a，則在-θ1≤θ≤2π -θ1時，變壓器進入飽和，當θ=π時飽和最嚴重。設(shè)變壓器進入和退出飽和的時刻分別為t1和t2，則根據(jù)上圖有如下關(guān)系存在：

激磁電流與磁通的關(guān)系只相差一個激磁電感Lm，因此激磁電流的表達式可以表示如下：

2 變壓器空載投入的勵磁涌流特性

船用中壓變壓器與電網(wǎng)的連接方式如圖4所示，圖中T1為中壓變壓器，用于把6600V的電壓變換為400V，給低壓電氣設(shè)備供電。Q1是高壓側(cè)開關(guān)，Q2是低壓側(cè)負載開關(guān)。

現(xiàn)在我們來分析Q2斷開、Q1直接合閘時的變壓器原邊電流情況。采用MATLAB/Simulink軟件建立了與圖2一致的仿真模型，模型中采用的變壓器參數(shù)如表1所示。

在一個電源基波周期中，選取5個不同的時刻對Q2進行合閘，分析不同時刻合閘時的勵磁涌流特性，得到的三相電流幅值如表2所示，勵磁涌流波形如圖5所示。

從仿真結(jié)果可見，由于變壓器飽和特性的影響，變壓器控制直接合閘時會產(chǎn)生很大的勵磁涌流，盡管每一相勵磁涌流的大小受開關(guān)閉合時刻的影響，但是至少有兩相的電流非常大，仿真得到的最大電流為446.9A，達到額定電流的14倍。同時勵磁涌流并不是正弦波，而是包含了很大的諧波分量和直流分量。

3 基于預充磁技術(shù)的變壓器勵磁涌流控制方法

雖然在陸用電力系統(tǒng)中已經(jīng)提出了多種變壓器勵磁涌流抑制方法［8，10］，但是考慮到船舶電力系統(tǒng)的特殊性卻不一定適用。

與陸用電力系統(tǒng)的三線四線制不同的是，船用電力系統(tǒng)通常都采用三相三線的形式，因此在陸用變壓器中采用的中性點串接電阻［11］來限制變壓器勵磁涌流的方法在船用變壓器中無法采用。同樣，為了適合三相三線電能傳輸系統(tǒng)，線路中配置的斷路器也都采用三相聯(lián)動的形式，無法實現(xiàn)分相操作，因此應用基于斷路器選相合閘的涌流抑制方案也不能采用。在主電路中串聯(lián)限流電阻的方案，只能適當減小勵磁涌流的大小，而不能消除涌流，同時增加的輔助設(shè)備降低了系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性。如果要通過變壓器結(jié)構(gòu)來抑制涌流，則會增大變壓器體積，降低變壓器效率，由于船舶特別是戰(zhàn)斗艦艇空間十分有限，因此該方案也不適合。為此，針對本文所研究的船舶電力系統(tǒng)，提出了采用小容量并聯(lián)變壓器預充磁方案，其基本原理如圖7所示。

圖7中，主變壓器是船舶大功率日用中壓變壓器，充磁變壓器通過接觸器Q2和Q3與主變壓器并聯(lián)。在工作的時候，首先依次合上斷路器Q2和Q3，給主變壓器充磁經(jīng)過3秒延時后，合上Q1，給主變壓器供電，再經(jīng)過1秒后，斷開Q2和Q3，主變壓器正常供電。

采用預充磁變壓器抑制變壓器控制合閘涌流的基本思想是：在主變壓器合閘前，通過預充磁變壓器給主變壓器進行供電充磁，在主變壓器中形成穩(wěn)定的額定磁場，這樣在主變壓器投入供電的時候已經(jīng)進入穩(wěn)態(tài)，就不會造成飽和，產(chǎn)生勵磁涌流。

采用預充磁技術(shù)之后，變壓器的原邊電流如圖8所示，可見峰值電流的幅值大大降低，相電流最大值不超過0.5A，而且在不同的時刻合閘，都不會產(chǎn)生電流沖擊。

4 結(jié)論

大功率船用變壓器在空載合閘的時候會在原邊產(chǎn)生非常大的勵磁涌流，對船舶電力系統(tǒng)的安全運行和變壓器本身安全造成危害。當三相變壓器投入運行的時候，在任意時刻合閘，至少有兩相電流非常大，因此靠選擇開關(guān)時刻來限制合閘電流的方法是不可行的。此外，勵磁涌流中包含非常大的奇次諧波和直流分量。由于船用變壓器采用三相三線系統(tǒng)，變壓器本身不存在中性點，因此采用中性點電阻抑制浪涌電流的方法也不適用，本文采用了預充磁技術(shù)來限制變壓器勵磁涌流，即在主變壓器投入之間，通過一個小容量變壓器來為主變壓器充磁，在主變壓器鐵心中建立穩(wěn)定的磁場之后在接入主變壓器，這樣就不會產(chǎn)生勵磁涌流了，仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。

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Magnetizing Inrush Current Control of Ship Transformer Using Pre-exciting Technology

Sun Mingming1， Yu Fei2，Yang Feng2
（1.Army Unit 91388，Dalian 116041，Liaoning，China； 2.College of Electrical Engineering and Science， Naval University of Engineering，Wuhan 430033， China）

In the ship with medium voltage in the electric power system， low voltag loads are fed by a large power transformer . When switching on， the primary side of transformer will produce very high current， which would endanger the safe operation of power for ships. The mechanism and characteristics of magnetizing inrush current are analyzed when the transformer switches with no load. We think that the reason caused magnetizing inrush current is transformers saturation. Pre-excitation is presented through a small volume transformer magnetizing method of suppressing the inrush current of transformer，and the effect of suppressing the inrush current of transformer is validated by simulation and experiments.

shipboard transformer； pre-excitation； magnetizing inrush current， suppression

TM421

A

1003-4862（2016）07-0061-05

2016-02-15

孫銘明（1975-），男，工程師。研究方向：船舶電力工程。