船用變壓器勵磁涌流預(yù)充磁技術(shù)分析

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摘要：隨著我國船舶事業(yè)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)在船舶當(dāng)中的應(yīng)用力度逐漸加大，在此過程中，船用變壓器的勵磁涌流問題越發(fā)嚴(yán)重。在此情況之下，本文圍繞該問題展開探討，簡要介紹了串接變壓器預(yù)充磁原理，并對串接變壓器預(yù)充磁進(jìn)行仿真分析，最后通過物理實驗對該技術(shù)進(jìn)行驗證。

關(guān)鍵詞：變壓器；勵磁涌流；預(yù)充磁技術(shù)

引言

在船舶事業(yè)進(jìn)步和發(fā)展的過程中，大容量變壓器的應(yīng)用逐漸增加，隨之而來的就是勵磁涌流問題的加強，雖然勵磁涌流問題并不是近年來才出現(xiàn)的，但是隨著船用變壓器的容量不斷增加，勵磁涌流問題對變壓器的穩(wěn)定性和使用壽命的影響逐漸加大，經(jīng)常出現(xiàn)跳閘或者保護誤動等情況，降低了變壓器的可靠性。

1串接變壓器預(yù)充磁原理

實際上勵磁涌流問題在船用變壓器當(dāng)中存在已久，科研技術(shù)人員在對此類問題進(jìn)行解決的時候，其主要思路是躲避勵磁涌流，但是現(xiàn)代電力系統(tǒng)運行思路當(dāng)中，面對勵磁涌流問題則采用的是抑制策略，因為躲避勵磁涌流并不能夠解決這一問題，而是默認(rèn)和允許了它的存在，因此抑制才是解決問題的有效手段。當(dāng)前對于勵磁涌流問題最主要應(yīng)用的就是預(yù)充磁技術(shù)，其中串接變壓器方法是當(dāng)前針對勵磁涌流問題的最主要方式[1]。串接小容量變壓器預(yù)充磁結(jié)構(gòu)如圖1所示。預(yù)充磁技術(shù)在串接變壓器中的應(yīng)用為將小容量預(yù)充磁變壓器串聯(lián)到主變壓器線路上，以此達(dá)到抑制涌流的目的。該技術(shù)應(yīng)用的原理為通過串聯(lián)一個預(yù)充磁變壓器，能夠在系統(tǒng)運行的過程中，主變壓器合閘前進(jìn)行預(yù)充磁變壓器線性合閘，通過這一方式能夠為主變壓器提供穩(wěn)定的磁通狀態(tài)，避免主變壓器合閘后出現(xiàn)過大的勵磁涌流，以此發(fā)揮其抑制作用。預(yù)充磁技術(shù)包括多種不同應(yīng)用方案，如高壓側(cè)取電、低壓側(cè)取電等等[2]。在實際通過串接預(yù)充磁變壓器抑制勵磁涌流的過程中，如果能夠合理選擇合閘時間，則能夠?qū)⒃诤祥l主變壓器的過程中，所產(chǎn)生的勵磁涌流控制在較小的范圍內(nèi)，進(jìn)一步提高技術(shù)的抑制效果。根據(jù)與其他預(yù)充磁技術(shù)方案相比，從可操作性以及方案效果等方面進(jìn)行分析，串接預(yù)充磁變壓器是當(dāng)前較為實用的抑制勵磁涌流的方法。

2預(yù)充磁仿真分析

本文以220kVA的船用變壓器為例，對串聯(lián)預(yù)充磁變壓器展開仿真分析，該變壓器為三相三繞組，該預(yù)充磁仿真系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。該模型輸出電壓為400V，頻率50Hz。本次分析主要針對的是變壓器剩磁較為嚴(yán)重的情況，因此，設(shè)置A、B、C三相的剩磁分別為0.7、-0.7、0.7。在不對整個系統(tǒng)采取任何保護措施的情況下，命令主變壓器于4.2125秒時空載合閘，此時A相的勵磁涌流，呈現(xiàn)出幅值較大的、間斷尖狀波，隨著時間的流逝，勵磁涌流的強度逐漸衰減[3]。對于三相三繞組的變壓器而言，無論在什么時刻進(jìn)行變壓器合閘動作都會出現(xiàn)至少兩相勵磁涌流幅值過大的情況，而且其中一相始終保持周期性。經(jīng)過分析可知，當(dāng)在4.200秒到4.203秒之間進(jìn)行合閘操作時，其所產(chǎn)生的勵磁涌流幅值相對較小，此外無論任何時刻進(jìn)行合閘，都會有至少兩相的勵磁涌流較大，嚴(yán)重情況下，甚至可能會引起保護誤動。對此，當(dāng)采用串接小容量預(yù)充磁變壓器策略時，發(fā)現(xiàn)主變壓器的勵磁繞組能夠在小容量變壓器的作用下維持在穩(wěn)定的磁通狀態(tài)下，在此情況下即便對主變壓器進(jìn)行合閘操作，也不會造成較大的磁通量變化，能夠有效抑制勵磁涌流。除此之外，由于勵磁涌流幅值會受到合閘時間的影響，因此為進(jìn)一步研究不同合閘時間對勵磁涌流的影響，將QF1設(shè)置為在1.2秒和4.22秒之間每0.001秒執(zhí)行一次預(yù)充磁合閘操作[4]。在經(jīng)過20次合閘操作后，得到了在此期間的勵磁涌流幅值變化曲線，經(jīng)過對曲線的分析發(fā)現(xiàn)，此期間任意時段的空載合閘都不會對勵磁涌流造成過大的影響，即便在4.291秒的時候出現(xiàn)過短暫的電流值高于額定值的情況，由于該異?，F(xiàn)象所持續(xù)的時間較為短暫，因此其產(chǎn)生的勵磁涌流也是能夠接受的[5]。

3預(yù)充磁動模系統(tǒng)物理驗證

在進(jìn)行動模系統(tǒng)物理試驗驗證的過程中，本文依然以三相繞組變壓器為例進(jìn)行討論和試驗分析，相關(guān)參數(shù)和變壓器結(jié)構(gòu)也與仿真模型相同，使用4000V配電板為主變壓器和小容量變壓器供電。預(yù)充磁回路單線圖如圖3所示。其中，TP是主推進(jìn)變壓器，TN是預(yù)充磁變壓器。在預(yù)充磁単線回路當(dāng)中，發(fā)出合閘命令之后，需要經(jīng)過一段時間的延遲，延遲時間約為1到2秒，然后S2進(jìn)行合閘，在S2合閘之后，再經(jīng)過1到2秒的延遲之后，S3合閘，在兩個開關(guān)都合閘完畢之后TN為TP預(yù)充磁，在預(yù)充磁操作結(jié)束之后，經(jīng)過1到2秒的延遲，S1合閘，此時主變壓器通電，同時S2、S3兩個開關(guān)立即斷開，斷開TN和TP之間的連接[6]。在試驗的過程中，若主變壓器未經(jīng)過預(yù)充磁操作，在空載的情況下進(jìn)行合閘操作，就會使得A、B、C三相出現(xiàn)勵磁涌流現(xiàn)象，經(jīng)試驗，得到三相勵磁涌流幅值動態(tài)曲線，通過對曲線的分析和觀察不難發(fā)現(xiàn)，其中C相所產(chǎn)生的勵磁涌流幅值較大，高達(dá)370A，而主變壓器的額定電流為3715.5A。通過多次試驗操作，記錄每一次預(yù)充磁前后勵磁涌流數(shù)據(jù)，并從眾多數(shù)據(jù)中隨機選取出三次試驗結(jié)果進(jìn)行討論，三次試驗結(jié)果如表1所示。通過對試驗實際結(jié)果的分析和觀察，不難發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過預(yù)充磁之后的合閘操作，主變壓器的勵磁涌流得到了明顯的控制，下降幅度較大，因此串接小容量預(yù)充磁變壓器策略用于抑制船用變壓器勵磁涌流問題方面不僅有著極強的可操作性，而且實用性較強，對于抑制勵磁涌流有著顯著的作用和效果。串接小容量變壓器，通過其為主變壓器進(jìn)行預(yù)充磁之后再進(jìn)行合閘操作，能夠為主變壓器提供穩(wěn)定的磁通狀態(tài)，顯著降低勵磁涌流幅值，無論從原理分析、仿真分析還是物理驗證等方面，都證實了預(yù)充磁技術(shù)的有效性[7]。

4結(jié)束語

綜上所述，針對船舶電力系統(tǒng)的特殊性，對于勵磁涌流問題主要采用抑制措施，將小容量變壓器進(jìn)行串接是當(dāng)前抑制勵磁涌流問題的最主要措施和方法，本文通過對該方法的原理、仿真分析以及實驗驗證，進(jìn)一步證明了串接變壓器的有效性。相信隨著我國對勵磁涌流及預(yù)充磁技術(shù)的深入研究，船用變壓器的穩(wěn)定性將會得到進(jìn)一步提升。

參考文獻(xiàn)：

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作者：汪錦飄 孫厚偉 單位：江南造船（集團）有限責(zé)任公司