船用變壓器勵磁涌流及預充磁技術分析

汪錦飄 孫厚偉

摘要：隨著我國船舶事業的不斷發展，電力系統在船舶當中的應用力度逐漸加大，在此過程中，船用變壓器的勵磁涌流問題越發嚴重。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充磁原理，并對串接變壓器預充磁進行仿真分析，最后通過物理實驗對該技術進行驗證。

Abstract： With the continuous development of ship industry in China， the application of power system in ships is gradually increasing. In this process， the inrush current problem of marine transformers is becoming more and more serious. In this case， this paper discusses the problem， briefly introduces the principle of pre-magnetization of series transformer， simulates and analyzes the pre-magnetization of series transformer， and finally verifies the technology by physical experiment.

關鍵詞：變壓器;勵磁涌流;預充磁技術

Key words： transformer;inrush current;pre-charge technology

中圖分類號：U661.39? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0084-02

0? 引言

在船舶事業進步和發展的過程中，大容量變壓器的應用逐漸增加，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定性和使用壽命的影響逐漸加大，經常出現跳閘或者保護誤動等情況，降低了變壓器的可靠性。

1? 串接變壓器預充磁原理

實際上勵磁涌流問題在船用變壓器當中存在已久，科研技術人員在對此類問題進行解決的時候，其主要思路是躲避勵磁涌流，但是現代電力系統運行思路當中，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，而是默認和允許了它的存在，因此抑制才是解決問題的有效手段。當前對于勵磁涌流問題最主要應用的就是預充磁技術，其中串接變壓器方法是當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充磁結構如圖1所示。

預充磁技術在串接變壓器中的應用為將小容量預充磁變壓器串聯到主變壓器線路上，以此達到抑制涌流的目的。該技術應用的原理為通過串聯一個預充磁變壓器，能夠在系統運行的過程中，主變壓器合閘前進行預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定的磁通狀態，避免主變壓器合閘后出現過大的勵磁涌流，以此發揮其抑制作用。預充磁技術包括多種不同應用方案，如高壓側取電、低壓側取電等等[2]。在實際通過串接預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，則能夠將在合閘主變壓器的過程中，所產生的勵磁涌流控制在較小的范圍內，進一步提高技術的抑制效果。根據與其他預充磁技術方案相比，從可操作性以及方案效果等方面進行分析，串接預充磁變壓器是當前較為實用的抑制勵磁涌流的方法。

2? 預充磁仿真分析

本文以220kVA的船用變壓器為例，對串聯預充磁變壓器展開仿真分析，該變壓器為三相三繞組，該預充磁仿真系統模型結構如圖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重的情況，因此，設置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，無論在什么時刻進行變壓器合閘動作都會出現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。經過分析可知，當在4.200秒到4.203秒之間進行合閘操作時，其所產生的勵磁涌流幅值相對較小，此外無論任何時刻進行合閘，都會有至少兩相的勵磁涌流較大，嚴重情況下，甚至可能會引起保護誤動。

對此，當采用串接小容量預充磁變壓器策略時，發現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定的磁通狀態下，在此情況下即便對主變壓器進行合閘操作，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，因此為進一步研究不同合閘時間對勵磁涌流的影響，將QF1設置為在1.2秒和4.22秒之間每0.001秒執行一次預充磁合閘操作[4]。在經過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，經過對曲線的分析發現，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秒的時候出現過短暫的電流值高于額定值的情況，由于該異常現象所持續的時間較為短暫，因此其產生的勵磁涌流也是能夠接受的[5]。

3? 預充磁動模系統物理驗證

在進行動模系統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行討論和試驗分析，相關參數和變壓器結構也與仿真模型相同，使用4000V配電板為主變壓器和小容量變壓器供電。預充磁回路單線圖如圖3所示。其中，TP是主推進變壓器，TN是預充磁變壓器。在預充磁単線回路當中，發出合閘命令之后，需要經過一段時間的延遲，延遲時間約為1到2秒，然后S2進行合閘，在S2合閘之后，再經過1到2秒的延遲之后，S3合閘，在兩個開關都合閘完畢之后TN為TP預充磁，在預充磁操作結束之后，經過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，若主變壓器未經過預充磁操作，在空載的情況下進行合閘操作，就會使得A、B、C三相出現勵磁涌流現象，經試驗，得到三相勵磁涌流幅值動態曲線，通過對曲線的分析和觀察不難發現，其中C相所產生的勵磁涌流幅值較大，高達370A，而主變壓器的額定電流為3715.5A。通過多次試驗操作，記錄每一次預充磁前后勵磁涌流數據，并從眾多數據中隨機選取出三次試驗結果進行討論，三次試驗結果如表1所示。通過對試驗實際結果的分析和觀察，不難發現在經過預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行預充磁之后再進行合閘操作，能夠為主變壓器提供穩定的磁通狀態，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，都證實了預充磁技術的有效性[7]。

4? 結束語

綜上所述，針對船舶電力系統的特殊性，對于勵磁涌流問題主要采用抑制措施，將小容量變壓器進行串接是當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充磁技術的深入研究，船用變壓器的穩定性將會得到進一步提升。

參考文獻：

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[3]陳志勇.一起勵磁涌流引起主變方向過流保護誤動的分析及對策[J].上海大中型電機，2020，148（03）：14-17.

[4]劉靖.對基于剩磁預測的變壓器勵磁涌流分析[J].科學與信息化，2020（007）：77-78.

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[6]趙凱，楊玉嬌，危成亮.船舶高壓電力系統設計的幾個關鍵技術問題[J].廣東造船，2020，173（04）：44，48-50.

[7]王偉，魏菊芳，方瓊，等.變壓器3種勵磁涌流抑制措施效果比較[J].高壓電器，2020，56（02）：101-107.