雙電源切換裝置負載變壓器勵磁涌流產生機理分析

李玉生，何 宇

雙電源切換裝置負載變壓器勵磁涌流產生機理分析

李玉生1，何 宇2

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

負載變壓器會在雙電源切換裝置動作后產生嚴重的勵磁涌流現象。本文分析了雙電源切換裝置切換流程及負載變壓器磁通在電源切換各階段的變化過程，得出切換過程中產生的磁通直流分量是引起勵磁涌流現象發生的結論。

雙電源切換裝置 負載變壓器 勵磁涌流 磁通直流分量

0 引言

當雙電源切換裝置應用到電力系統中高壓等級時，雙電源切換裝置的負載側一般設置有變壓器。而負載側變壓器在雙電源切換裝置切換的過程中，由于磁通飽和，會產生嚴重的勵磁涌流現象[1, 2]。

雙電源切換裝置負載變壓器中產生的勵磁涌流，可能引發變壓器的保護裝置誤動作，使雙電源切換裝置投入備用電源失敗。勵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本體產生過大的電動力而損壞。勵磁涌流含有直流分量可能造成電流互感器等測量裝置的磁路被過度磁化而影響測量精度，進而可能引起繼電保護裝置誤動作。勵磁涌流含有大量諧波注入電網，會對電網電能質量造成影響[3, 4]。

針對上述現象，本文對雙電源切換裝置的負載側變壓器在切換過程中的勵磁涌流產生過程進行了分析。

1 勵磁涌流現象

鐵磁材料的磁飽和現象能夠由磁疇(Magnetic Domain)理論解釋。鐵磁材料可以看成由很多個小磁鐵，即磁疇組成。平時各個磁疇的磁矩方向排列是混亂的，各個方向的磁矩都被互相抵消。因此總體看來，整個鐵磁材料的總磁矩為0。當施加一個外部磁場時，鐵磁材料內部的部分磁疇的磁矩方向轉為與外磁場一致，此時整個鐵磁材料產生一個與外磁場方向一致的宏觀磁場。而當外部磁場達到一定強度時，整個鐵磁材料中所有磁疇的磁矩方向轉為與外磁場一致，此時鐵磁材料進入磁飽和狀態。

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象，隨之產生變壓器的磁飽和現象。在電流增大的過程中，形成的磁鏈增大，磁通到達保護區，從而電感值會出現非線性現象，導致勵磁涌流現象的產生。因此勵磁涌流的產生是變壓器中磁通進入磁飽和區域導致。

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進入飽和狀態，把從不飽和狀態進入飽和狀態的拐點稱為“膝點”。變壓器設計時，一般把額定磁通密度選擇在磁化曲線的膝點，變壓器在額定電壓下運行時，處于比較飽和的狀態。為了簡化分析過程，一般把磁通未達到“膝點”時的磁化曲線近似認為是直線，即形成的磁鏈與電流值成正比。研究變壓器磁飽和現象時，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”分割成兩段斜率不相同的直線，如圖3所示。

2 系統切換原則和切換階段

圖4 帶負載變壓器的雙電源切換裝置拓撲圖

本文研究的雙電源切換裝置拓撲圖如圖4所示，可以看到雙電源切換裝置常用側和備用側分別連接了兩路獨立的10 kV的電網電源，分別經過常用電源晶閘管和備用電源晶閘管，通過負載變壓器后，對敏感負載進行供電。

雙電源切換裝置切換過程中，磁通的變化情況如圖4所示。為了分析在切換過程中的負載變壓器的磁通暫態變化過程，必須分析雙電源切換裝置切換暫態過程。

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程中無相互并聯現象。此種切換策略能夠避免兩個電源之間的并聯運行，防止環流的產生，且能夠保證常用電源電源側故障不擴大到備用電源側。

2）先合后斷。即斷開常用電源前，已經合上備用電源，常用電源在備用電源對負載供電后才斷開與負載之間的連接。在切換過程中，常用電源與備用電源之間有短時并聯現象。此切換原則下，負載的斷電時間更短。但是兩側電源并聯的時間段內，電源之間會有環流產生。這種切換策略一般運用于兩側電源同壓同頻同相的情況下。

根據國家標準：低壓開關設備和控制設備，第6-1部分：多功能電氣轉換開關電氣（GB/T 14048.11-2008）的規定，雙電源切換裝置采取先斷后合的切換原則。為了防止兩側電源并聯現象產生，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，對負載側變壓器的磁通變化情況進行分析。

采用“先斷后合”的策略，可以設計出如下的切換過程，切換過程大致分為以下五個階段：

1）常用電源供電階段。常用電源正常，常用電源側三相晶閘管處于導通狀態，備用電源側三相晶閘管處于關斷狀態。負載由常用電源供電。

2）故障檢測階段。當常用電源發生故障時，雙電源切換裝置需要一定時間才能檢測到故障發生。檢測到常用電源故障時，雙電源切換裝置中斷常用電源側三相晶閘管的驅動信號。故障檢測階段中，負載和常用電源保持連接，負載側電壓電流等于常用電源電壓電流，也產生電壓跌落現象。

3）常用電源斷開階段。檢測到常用電源發生故障后，控制器立即中斷常用電源側三相晶閘管的驅動信號。在常用電源側晶閘管的驅動信號中斷后，各相電流均會在第一個電流過零點變為零。三相電流會在不同的時間點變為零。

4）零位階段。為防止兩路電源在切換過程中產生并聯現象，雙電源切換裝置在合上備用電源前，須檢測到常用電源完全斷開的信號。常用電源完全斷開后，有一段檢測開關量的時間。零位階段中，負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到常用電源完全斷開后，立即發出備用電源側晶閘管驅動信號。備用電源側三相晶閘管導通，由備用電源對負載供電。

但如負載側存在變壓器等元器件，備用電源三相晶閘管同時導通則會導致負載側變壓器中產生明顯的磁通直流分量，從而導致嚴重的勵磁涌流現象。如要限制備用電源側變壓器產生的暫態電流，則備用電源各相需要根據磁通的情況分別在不同的時間點導通。

圖5是基于上述階段得出的切換控制流程圖。

3 磁通直流分量產生過程

磁通直流分量是勵磁涌流產生的原因，在切換過程中，磁通直流分量的產生和變化過程將在此節進行分析。對變壓器中的磁通進行的分析都是基于在電網中廣泛應用的DELTA/Y型心式變壓器進行。DELTA/Y型心式變壓器的初級線圈的接線方式在圖6中描述。由圖6可知，各個鐵心柱的磁通都是由各個線電壓產生的。

圖5 切換過程流程圖

圖6 三相心式變壓器的接線方式示意圖

各個磁通可以由線電壓積分得到，如式（1）所示：

在穩態運行時，負載側變壓器的三相電壓對稱，三相電壓瞬時值之和為零。如式（2）所示：

由于磁通是電壓的積分計算而來，所以相應的，負載側三相變壓器中三個鐵心柱中的磁通瞬時值之和也為零，如式（3）所示：

圖4中是負載側線電壓和其所對應的變壓器中的鐵心柱磁通在切換過程中的暫態過程。其中，①為常用電源供電階段，②為故障檢測階段，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）計算得出：

首先常用電源正常，常用電源對負載供電，負載側線電壓等于常用電源線電壓，是標準的三相正弦波，對應的鐵心柱中的磁通是其積分值，所以磁通波形是一個滯后線電壓波形90°的標準正弦波。

圖5 切換過程中的電壓和磁鏈暫態過程

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刻發生突變，前后不連續，而由于磁通有連續性，因此磁通波形在故障前后是連續的。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，負載側線電壓為0，相應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為周期分量（即備用電源所產生的磁通量）與切換過程中產生的直流分量之和，如式（8）所示。

4 結論

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

5 總結

本文針對帶有負載變壓器的雙電源切換裝置，分析了系統切換的原則，將裝置切換的過程分為五個階段。分析了雙電源切換裝置切換過程中負載變壓器磁通的變化，分析了磁通直流分量產生過程，分析了勵磁涌流產生的原因。

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[5] 劉永松. 變壓器合閘勵磁涌流[J]. 電氣開關, 2002, (2): 34-35.

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，高級工程師。研究方向：船舶電力系統。E-mail: 280330371@qq.com