變壓器預(yù)充磁仿真技術(shù)研究

顧雪晨

?

變壓器預(yù)充磁仿真技術(shù)研究

顧雪晨

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室，上海 200011）

為了有效降低變壓器在空載合閘瞬間產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流，本文通過對變壓器一次側(cè)串電阻、并聯(lián)變壓器兩種預(yù)充磁技術(shù)進(jìn)行了仿真分析。同時(shí)為了驗(yàn)證所得到的仿真結(jié)果是否可信，構(gòu)建了仿真試驗(yàn)平臺。最終證明了所得的仿真結(jié)果能夠較好的反應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)，也說明了變壓器在空載合閘時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流，不但與所選擇的預(yù)充磁變壓器容量有關(guān)，還與預(yù)充磁變壓器接入電網(wǎng)的合閘時(shí)間有關(guān)。

預(yù)充磁技術(shù) 仿真 勵(lì)磁涌流

0 引言

變壓器作為船舶電力系統(tǒng)中聯(lián)結(jié)中壓電網(wǎng)與低壓電網(wǎng)的系統(tǒng)，對電網(wǎng)的起著重大作用。 為了減小變壓器勵(lì)磁涌流帶給電網(wǎng)的影響，一般會采用預(yù)充磁技術(shù)。有文獻(xiàn)采用變壓器一次側(cè)串接電阻。先合閘電阻支路，延時(shí)后將電阻支路短路，將變壓器投入電網(wǎng)運(yùn)行。也有文獻(xiàn)提出采用選相分合閘技術(shù)，要求斷路器能分相合閘，通過檢測變壓器中某一相的剩磁來確定此相的合閘相角，繼而使此相繞組暫態(tài)為零，然后通過一定的延時(shí)合上另外兩相[2]。本文主要通過仿真技術(shù)分析電網(wǎng)串電阻、并聯(lián)變壓器兩種預(yù)充磁技術(shù)的預(yù)充磁效果。

1 電網(wǎng)串電阻

1.1 仿真模型的建立

本文以MATLAB仿真工具為平臺，研究串電阻預(yù)充磁方法的預(yù)充磁效果。并構(gòu)建實(shí)物仿真平臺進(jìn)行驗(yàn)證。其中電網(wǎng)電壓為380 V，推進(jìn)變壓器選用容量30 kVA、電壓比400 V/400V、阻抗電壓3.38%、連接級別為Dy11的變壓器。預(yù)充磁電阻選用90 Ω電阻進(jìn)行仿真研究和實(shí)物驗(yàn)證。推進(jìn)變壓器副邊連接整流橋、電容，其中電容值為470 μF。圖1為所研究串電阻系統(tǒng)的單線圖。本文主要從電阻串接電網(wǎng)中的時(shí)間短暫、充裕分別進(jìn)行考慮。

1.2預(yù)充磁電阻合閘時(shí)間充裕

4.1.3 區(qū)位優(yōu)勢發(fā)揮不充分 ITC官方網(wǎng)站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,日本、中國臺灣、中國香港、新加坡、馬來西亞、越南、泰國、韓國等周邊國家和地區(qū)2017年共計(jì)進(jìn)口甘薯7 364.9萬美元(不含甘薯淀粉和甘薯粉絲),占當(dāng)年世界甘薯進(jìn)口貿(mào)易總額的15%,是當(dāng)年中國甘薯出口總額的1.3倍以上(表4)．而當(dāng)年除中國香港、越南和中國澳門地區(qū)外,中國出口到這些周邊國家和地區(qū)的甘薯出口市場占有率均不高．周邊重要甘薯進(jìn)口市場日本、韓國、泰國、新加坡、馬來西亞等國家市場占有率均不超過10%．

以90 Ω預(yù)充磁電阻為例進(jìn)行仿真分析，設(shè)置斷路器1開關(guān)在0.02 s合閘，3 s后斷開斷路器1，合閘斷路器2。仿真類型選擇Discrete，=1e-5 s。仿真算法設(shè)為ode23tb。仿真時(shí)間3 s后，最終得：

斷路器1前端電流仿真波形見圖2。所構(gòu)建的實(shí)際系統(tǒng)斷路器1前端電流波形如圖3所示。

由圖2、圖3可知：實(shí)際系統(tǒng)：預(yù)充磁電阻在斷路器1合閘瞬間產(chǎn)生的沖擊電流為3.1 A，斷路器2合閘瞬間所得的二次沖擊電流為12.3A。

仿真系統(tǒng)：預(yù)充磁電阻在斷路器1合閘瞬間產(chǎn)生的沖擊電流為3.4 A，斷路器2合閘瞬間所得的二次沖擊電流為12.3 A。

根據(jù)上述所得結(jié)果，可得所建立的90 Ω預(yù)充磁電阻仿真模型基本能夠較為準(zhǔn)確的反應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)特性。

1.3 預(yù)充磁合閘時(shí)間短暫

為更好的驗(yàn)證預(yù)充磁電阻在接入電網(wǎng)中斷路器1、斷路器2兩次合閘時(shí)所產(chǎn)生的沖擊電流大小是否與斷路器1合閘時(shí)間長短有關(guān)，本研究對預(yù)充磁電阻系統(tǒng)中的斷路器1合閘時(shí)間長短進(jìn)行仿真研究。設(shè)斷路器1在=0.02 s合閘，=0.5s斷開，并合閘斷路器2，經(jīng)過2s仿真時(shí)間結(jié)束。最終得斷路器1前端電流波形圖如圖4所示。

實(shí)際系統(tǒng)90 Ω預(yù)充磁電阻進(jìn)行相應(yīng)的斷路器1合閘時(shí)間短暫試驗(yàn)，得：合閘時(shí)間短暫的預(yù)充磁電阻系統(tǒng)斷路器1前端電流波形圖如圖5所示。

由圖4、圖5所示可知，仿真系統(tǒng)：斷路器1合閘瞬間，電網(wǎng)中產(chǎn)生的沖擊電流為3.35 A。斷路器2合閘瞬間，電網(wǎng)中產(chǎn)生的沖擊電流為16 A。

實(shí)際系統(tǒng)：斷路器1合閘瞬間，電網(wǎng)中產(chǎn)生的沖擊電流為3.25 A。斷路器2合閘瞬間，電網(wǎng)中產(chǎn)生的沖擊電流為17.1 A。

對于所構(gòu)建的系統(tǒng)，未加入電阻時(shí)，變壓器在合閘瞬間產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流是很大的。設(shè)變壓器0.02 s合閘，經(jīng)過2 s仿真，得變壓器一次側(cè)在合閘瞬間的電流波形圖如圖6所示。由圖中可以看出，變壓器一次側(cè)在合閘瞬間，電網(wǎng)所產(chǎn)生的預(yù)充磁電流值約為31 A。而變壓器一次側(cè)串電阻后，合閘時(shí)間充裕情況下的二次沖擊電流為12.3 A，合閘時(shí)間短暫情況的二次沖擊電流為17.1 A，降低了變壓器合閘瞬間產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流。

2 電網(wǎng)并聯(lián)變壓器

以上述推進(jìn)變壓器為例，進(jìn)行不同容量等級的預(yù)充磁變壓器研究。電網(wǎng)電壓380 V，推進(jìn)變壓器容量為30 kVA、電壓比400 V/400 V、阻抗電壓3.38%、連接級別Dy11。所選預(yù)充磁變壓器容量分別為40 VA、400 VA，電壓比為380 V/400 V，阻抗電壓4%。

2.1 40VA預(yù)充磁變壓器

圖7為所研究的系統(tǒng)單線圖。依據(jù)此并結(jié)合MATLAB仿真平臺建立相應(yīng)的預(yù)充磁變壓器仿真模型。仿真過程中，斷路器1合閘0.5 s后斷開，斷路器2合閘。仿真1s后，得到推進(jìn)變壓器的原邊電流如圖8所示。其中斷路器1合閘瞬間產(chǎn)生的沖擊電流為3.58 A，斷路器2合閘瞬間產(chǎn)生的沖擊電流為22 A。

為更好的驗(yàn)證所建立的40 VA預(yù)充磁變壓器仿真模型是否正確，建立相應(yīng)的實(shí)際系統(tǒng)。經(jīng)過試驗(yàn)，最終得：實(shí)際系統(tǒng)的推進(jìn)變壓器原邊電流曲線如圖9所示。其中斷路器1合閘瞬間推進(jìn)變壓器原邊所產(chǎn)生的沖擊電流為2 A，斷路器2合閘瞬間所產(chǎn)生的沖擊電流為20.9 A。

由以上結(jié)果可知：所建立的40 VA預(yù)充磁變壓器仿真模型與實(shí)際系統(tǒng)的推進(jìn)變壓器原邊電流大小基本一致，能夠較好地反映實(shí)際系統(tǒng)的特性。

2.2 400VA預(yù)充磁變壓器

以400 VA預(yù)充磁變壓器為例，進(jìn)行不同容量等級的預(yù)充磁變壓器方案研究。斷路器1合閘時(shí)間設(shè)為1s，經(jīng)過2 s仿真時(shí)間，最終得：推進(jìn)變壓器原邊電流在斷路器1合閘瞬間產(chǎn)生的沖擊電流峰值約為22.9 A。1 s后斷路器1斷開，斷路器2合閘瞬間產(chǎn)生的沖擊電流峰值約為6.9 A。圖10為所得的推進(jìn)變壓器原邊電流仿真波形圖。

為驗(yàn)證所建立的400 VA預(yù)充磁變壓器仿真模型是否正確，建立相應(yīng)的實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行對比分析。經(jīng)過試驗(yàn)，最終得實(shí)際系統(tǒng)的斷路器1在合閘瞬間推進(jìn)變壓器原邊產(chǎn)生的沖擊電流約為22.3 A，斷路器2合閘瞬間產(chǎn)生的沖擊電流約為1.4 A。其中圖11為推進(jìn)變壓器原邊電流的實(shí)際波形圖。

由以上仿真結(jié)果可知：所建立的400 VA預(yù)充磁變壓器仿真模型，在斷路器1合閘瞬間推進(jìn)變壓器產(chǎn)生的沖擊電流基本一致。斷路器2合閘時(shí)仿真所得的沖擊電流較大。可知：40 VA預(yù)充磁變壓器在斷路器二次合閘瞬間產(chǎn)生的沖擊電流較大。400 VA預(yù)充磁變壓器則正好相反，在斷路器一次合閘瞬間產(chǎn)生的沖擊電流較大。

3 結(jié)論

本文分別對電網(wǎng)串接電阻、并聯(lián)變壓器兩種預(yù)充磁技術(shù)進(jìn)行仿真研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了這兩種預(yù)充磁方法可以較好的降低變壓器在空載合閘時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流。同時(shí)為驗(yàn)證所研究的仿真系統(tǒng)是否能較好的反映實(shí)際系統(tǒng)，構(gòu)建了相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證平臺，所得試驗(yàn)結(jié)果也較好地證明了所建立仿真模型的準(zhǔn)確性。變壓器在空載合閘時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流，不但與所選擇的預(yù)充磁變壓器容量有關(guān)，還與預(yù)充磁變壓器接入電網(wǎng)的合閘時(shí)間有關(guān)。

[1] 邰能靈,王鵬等. 大型船舶電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[M]. 科學(xué)出版社, 2012.

[2] Runke J H，F(xiàn)rohlich K J. Elimination of transformer inrush currents by controlled switching–part I: Theoretical considerations. IEEE Transactions on Power Delivery, 2001,16(2):276-280.

Research on the Simulation of Pre-magnetization of transformer

Gu Xuechen

(Naval Representatives Office in shipbuilding of Ship design research in shanghai, shanghai 200011, China)

TM422

A

1003-4862（2015）01-0005-04

2014-03-28

顧雪晨（1981-），男。研究方向：電力系統(tǒng)。