雙電源切換裝置負(fù)載變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理分析

李玉生，何 宇

雙電源切換裝置負(fù)載變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理分析

李玉生1，何 宇2

（1. 海裝廣州局，廣州 510320；2. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

負(fù)載變壓器會(huì)在雙電源切換裝置動(dòng)作后產(chǎn)生嚴(yán)重的勵(lì)磁涌流現(xiàn)象。本文分析了雙電源切換裝置切換流程及負(fù)載變壓器磁通在電源切換各階段的變化過(guò)程，得出切換過(guò)程中產(chǎn)生的磁通直流分量是引起勵(lì)磁涌流現(xiàn)象發(fā)生的結(jié)論。

雙電源切換裝置 負(fù)載變壓器 勵(lì)磁涌流 磁通直流分量

0 引言

當(dāng)雙電源切換裝置應(yīng)用到電力系統(tǒng)中高壓等級(jí)時(shí)，雙電源切換裝置的負(fù)載側(cè)一般設(shè)置有變壓器。而負(fù)載側(cè)變壓器在雙電源切換裝置切換的過(guò)程中，由于磁通飽和，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的勵(lì)磁涌流現(xiàn)象[1, 2]。

雙電源切換裝置負(fù)載變壓器中產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流，可能引發(fā)變壓器的保護(hù)裝置誤動(dòng)作，使雙電源切換裝置投入備用電源失敗。勵(lì)磁涌流的電流值較大，可能造成變壓器及雙電源切換裝置中的開關(guān)本體產(chǎn)生過(guò)大的電動(dòng)力而損壞。勵(lì)磁涌流含有直流分量可能造成電流互感器等測(cè)量裝置的磁路被過(guò)度磁化而影響測(cè)量精度，進(jìn)而可能引起繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作。勵(lì)磁涌流含有大量諧波注入電網(wǎng)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成影響[3, 4]。

針對(duì)上述現(xiàn)象，本文對(duì)雙電源切換裝置的負(fù)載側(cè)變壓器在切換過(guò)程中的勵(lì)磁涌流產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行了分析。

1 勵(lì)磁涌流現(xiàn)象

鐵磁材料的磁飽和現(xiàn)象能夠由磁疇(Magnetic Domain)理論解釋。鐵磁材料可以看成由很多個(gè)小磁鐵，即磁疇組成。平時(shí)各個(gè)磁疇的磁矩方向排列是混亂的，各個(gè)方向的磁矩都被互相抵消。因此總體看來(lái)，整個(gè)鐵磁材料的總磁矩為0。當(dāng)施加一個(gè)外部磁場(chǎng)時(shí)，鐵磁材料內(nèi)部的部分磁疇的磁矩方向轉(zhuǎn)為與外磁場(chǎng)一致，此時(shí)整個(gè)鐵磁材料產(chǎn)生一個(gè)與外磁場(chǎng)方向一致的宏觀磁場(chǎng)。而當(dāng)外部磁場(chǎng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，整個(gè)鐵磁材料中所有磁疇的磁矩方向轉(zhuǎn)為與外磁場(chǎng)一致，此時(shí)鐵磁材料進(jìn)入磁飽和狀態(tài)。

變壓器鐵心元件磁通電流原理圖如圖1所示，由于變壓器中含有鐵心元件，而鐵磁元件存在磁飽和現(xiàn)象，隨之產(chǎn)生變壓器的磁飽和現(xiàn)象。在電流增大的過(guò)程中，形成的磁鏈增大，磁通到達(dá)保護(hù)區(qū)，從而電感值會(huì)出現(xiàn)非線性現(xiàn)象，導(dǎo)致勵(lì)磁涌流現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生是變壓器中磁通進(jìn)入磁飽和區(qū)域?qū)е隆?/p>

圖2 鐵心磁化曲線

圖3 兩段式鐵心磁化曲線

鐵心磁化曲線如圖2所示，可以看出隨著電流的增加，鐵心逐漸從不飽和狀態(tài)進(jìn)入飽和狀態(tài)，把從不飽和狀態(tài)進(jìn)入飽和狀態(tài)的拐點(diǎn)稱為“膝點(diǎn)”。變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，一般把額定磁通密度選擇在磁化曲線的膝點(diǎn)，變壓器在額定電壓下運(yùn)行時(shí)，處于比較飽和的狀態(tài)。為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，一般把磁通未達(dá)到“膝點(diǎn)”時(shí)的磁化曲線近似認(rèn)為是直線，即形成的磁鏈與電流值成正比。研究變壓器磁飽和現(xiàn)象時(shí)，常采用兩段式的鐵心磁化曲線模型[5]，即鐵心磁化曲線由“膝點(diǎn)”分割成兩段斜率不相同的直線，如圖3所示。

2 系統(tǒng)切換原則和切換階段

圖4 帶負(fù)載變壓器的雙電源切換裝置拓?fù)鋱D

本文研究的雙電源切換裝置拓?fù)鋱D如圖4所示，可以看到雙電源切換裝置常用側(cè)和備用側(cè)分別連接了兩路獨(dú)立的10 kV的電網(wǎng)電源，分別經(jīng)過(guò)常用電源晶閘管和備用電源晶閘管，通過(guò)負(fù)載變壓器后，對(duì)敏感負(fù)載進(jìn)行供電。

雙電源切換裝置切換過(guò)程中，磁通的變化情況如圖4所示。為了分析在切換過(guò)程中的負(fù)載變壓器的磁通暫態(tài)變化過(guò)程，必須分析雙電源切換裝置切換暫態(tài)過(guò)程。

首先明確雙電源切換裝置的切換原則，目前切換原則有以下兩種:

1）先斷后合。即先斷開常用電源，等待常用電源與負(fù)載完全斷開后，再合上備用電源，從而保證常用電源和備用電源之間在切換過(guò)程中無(wú)相互并聯(lián)現(xiàn)象。此種切換策略能夠避免兩個(gè)電源之間的并聯(lián)運(yùn)行，防止環(huán)流的產(chǎn)生，且能夠保證常用電源電源側(cè)故障不擴(kuò)大到備用電源側(cè)。

2）先合后斷。即斷開常用電源前，已經(jīng)合上備用電源，常用電源在備用電源對(duì)負(fù)載供電后才斷開與負(fù)載之間的連接。在切換過(guò)程中，常用電源與備用電源之間有短時(shí)并聯(lián)現(xiàn)象。此切換原則下，負(fù)載的斷電時(shí)間更短。但是兩側(cè)電源并聯(lián)的時(shí)間段內(nèi)，電源之間會(huì)有環(huán)流產(chǎn)生。這種切換策略一般運(yùn)用于兩側(cè)電源同壓同頻同相的情況下。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備，第6-1部分：多功能電氣轉(zhuǎn)換開關(guān)電氣（GB/T 14048.11-2008）的規(guī)定，雙電源切換裝置采取先斷后合的切換原則。為了防止兩側(cè)電源并聯(lián)現(xiàn)象產(chǎn)生，在本文中，雙電源切換裝置采用“先斷后合”的切換原則。在雙電源切換裝置先斷后合的切換原則下，對(duì)負(fù)載側(cè)變壓器的磁通變化情況進(jìn)行分析。

采用“先斷后合”的策略，可以設(shè)計(jì)出如下的切換過(guò)程，切換過(guò)程大致分為以下五個(gè)階段：

1）常用電源供電階段。常用電源正常，常用電源側(cè)三相晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，備用電源側(cè)三相晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)。負(fù)載由常用電源供電。

2）故障檢測(cè)階段。當(dāng)常用電源發(fā)生故障時(shí)，雙電源切換裝置需要一定時(shí)間才能檢測(cè)到故障發(fā)生。檢測(cè)到常用電源故障時(shí)，雙電源切換裝置中斷常用電源側(cè)三相晶閘管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。故障檢測(cè)階段中，負(fù)載和常用電源保持連接，負(fù)載側(cè)電壓電流等于常用電源電壓電流，也產(chǎn)生電壓跌落現(xiàn)象。

3）常用電源斷開階段。檢測(cè)到常用電源發(fā)生故障后，控制器立即中斷常用電源側(cè)三相晶閘管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在常用電源側(cè)晶閘管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)中斷后，各相電流均會(huì)在第一個(gè)電流過(guò)零點(diǎn)變?yōu)榱?。三相電流?huì)在不同的時(shí)間點(diǎn)變?yōu)榱恪?/p>

4）零位階段。為防止兩路電源在切換過(guò)程中產(chǎn)生并聯(lián)現(xiàn)象，雙電源切換裝置在合上備用電源前，須檢測(cè)到常用電源完全斷開的信號(hào)。常用電源完全斷開后，有一段檢測(cè)開關(guān)量的時(shí)間。零位階段中，負(fù)載與常用電源完全斷開，且還未與備用電源連接，所以此階段負(fù)載與兩路電源全部斷開。

5）備用電源供電階段。在雙電源切換裝置控制器檢測(cè)到常用電源完全斷開后，立即發(fā)出備用電源側(cè)晶閘管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。備用電源側(cè)三相晶閘管導(dǎo)通，由備用電源對(duì)負(fù)載供電。

但如負(fù)載側(cè)存在變壓器等元器件，備用電源三相晶閘管同時(shí)導(dǎo)通則會(huì)導(dǎo)致負(fù)載側(cè)變壓器中產(chǎn)生明顯的磁通直流分量，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的勵(lì)磁涌流現(xiàn)象。如要限制備用電源側(cè)變壓器產(chǎn)生的暫態(tài)電流，則備用電源各相需要根據(jù)磁通的情況分別在不同的時(shí)間點(diǎn)導(dǎo)通。

圖5是基于上述階段得出的切換控制流程圖。

3 磁通直流分量產(chǎn)生過(guò)程

磁通直流分量是勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原因，在切換過(guò)程中，磁通直流分量的產(chǎn)生和變化過(guò)程將在此節(jié)進(jìn)行分析。對(duì)變壓器中的磁通進(jìn)行的分析都是基于在電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的DELTA/Y型心式變壓器進(jìn)行。DELTA/Y型心式變壓器的初級(jí)線圈的接線方式在圖6中描述。由圖6可知，各個(gè)鐵心柱的磁通都是由各個(gè)線電壓產(chǎn)生的。

圖5 切換過(guò)程流程圖

圖6 三相心式變壓器的接線方式示意圖

各個(gè)磁通可以由線電壓積分得到，如式（1）所示：

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，負(fù)載側(cè)變壓器的三相電壓對(duì)稱，三相電壓瞬時(shí)值之和為零。如式（2）所示：

由于磁通是電壓的積分計(jì)算而來(lái)，所以相應(yīng)的，負(fù)載側(cè)三相變壓器中三個(gè)鐵心柱中的磁通瞬時(shí)值之和也為零，如式（3）所示：

圖4中是負(fù)載側(cè)線電壓和其所對(duì)應(yīng)的變壓器中的鐵心柱磁通在切換過(guò)程中的暫態(tài)過(guò)程。其中，①為常用電源供電階段，②為故障檢測(cè)階段，③為常用電源斷開階段，④為零位階段，⑤為備用電源供電階段。

切換后的磁通值可以由式（4）計(jì)算得出：

首先常用電源正常，常用電源對(duì)負(fù)載供電，負(fù)載側(cè)線電壓等于常用電源線電壓，是標(biāo)準(zhǔn)的三相正弦波，對(duì)應(yīng)的鐵心柱中的磁通是其積分值，所以磁通波形是一個(gè)滯后線電壓波形90°的標(biāo)準(zhǔn)正弦波。

圖5 切換過(guò)程中的電壓和磁鏈暫態(tài)過(guò)程

圖5中常用電源電壓值跌落到0.5 p.u.，可以看出電壓波形在故障時(shí)刻發(fā)生突變，前后不連續(xù)，而由于磁通有連續(xù)性，因此磁通波形在故障前后是連續(xù)的。由圖5可知，常用電源完全斷開到備用電源接通前，處于零位階段，在零位階段時(shí)，負(fù)載側(cè)線電壓為0，相應(yīng)的此階段中磁通維持不變。如式（5）所示。

式（6）可以寫成如下形式：

而切換后的磁通可以被表達(dá)為周期分量（即備用電源所產(chǎn)生的磁通量）與切換過(guò)程中產(chǎn)生的直流分量之和，如式（8）所示。

4 結(jié)論

由上述分析可知，切換后的磁鏈直流分量是勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的主要原因，磁通直流分量等于負(fù)載變壓器剩磁與備用電源合閘瞬間準(zhǔn)磁通兩者之差，磁通直流分量的大小是由故障檢測(cè)時(shí)間、故障類型、兩路電源的幅值相位差、常用電源斷開時(shí)間和備用電源合閘時(shí)間等多種因素所確定的。為減小勵(lì)磁涌流，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)變壓器剩磁值與備用電源合閘準(zhǔn)磁通值，通過(guò)控制備用電源合閘時(shí)間等方式來(lái)減小負(fù)載變壓器磁通直流分量。

5 總結(jié)

本文針對(duì)帶有負(fù)載變壓器的雙電源切換裝置，分析了系統(tǒng)切換的原則，將裝置切換的過(guò)程分為五個(gè)階段。分析了雙電源切換裝置切換過(guò)程中負(fù)載變壓器磁通的變化，分析了磁通直流分量產(chǎn)生過(guò)程，分析了勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原因。

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Mechanism analysis of inrush current in load transformer of dual power transfer equipment

Li Yusheng1, He Yu2

(1. Navy Equipment Bureau at Guangzhou, Guangzhou 510320, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

TM732

A

1003-4862（2022）06-0005-04

2021-12-28

李玉生(1977-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)。E-mail: 280330371@qq.com