船用變壓器勵(lì)磁涌流預(yù)充磁技術(shù)分析

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摘要：隨著我國(guó)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(guò)程中，船用變壓器的勵(lì)磁涌流問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重。在此情況之下，本文圍繞該問(wèn)題展開(kāi)探討，簡(jiǎn)要介紹了串接變壓器預(yù)充磁原理，并對(duì)串接變壓器預(yù)充磁進(jìn)行仿真分析，最后通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：變壓器；勵(lì)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(guò)程中，大容量變壓器的應(yīng)用逐漸增加，隨之而來(lái)的就是勵(lì)磁涌流問(wèn)題的加強(qiáng)，雖然勵(lì)磁涌流問(wèn)題并不是近年來(lái)才出現(xiàn)的，但是隨著船用變壓器的容量不斷增加，勵(lì)磁涌流問(wèn)題對(duì)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(hù)誤動(dòng)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(shí)際上勵(lì)磁涌流問(wèn)題在船用變壓器當(dāng)中存在已久，科研技術(shù)人員在對(duì)此類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行解決的時(shí)候，其主要思路是躲避勵(lì)磁涌流，但是現(xiàn)代電力系統(tǒng)運(yùn)行思路當(dāng)中，面對(duì)勵(lì)磁涌流問(wèn)題則采用的是抑制策略，因?yàn)槎惚軇?lì)磁涌流并不能夠解決這一問(wèn)題，而是默認(rèn)和允許了它的存在，因此抑制才是解決問(wèn)題的有效手段。當(dāng)前對(duì)于勵(lì)磁涌流問(wèn)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(duì)勵(lì)磁涌流問(wèn)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(xiàn)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(guò)串聯(lián)一個(gè)預(yù)充磁變壓器，能夠在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，主變壓器合閘前進(jìn)行預(yù)充磁變壓器線(xiàn)性合閘，通過(guò)這一方式能夠?yàn)橹髯儔浩魈峁┓€(wěn)定的磁通狀態(tài)，避免主變壓器合閘后出現(xiàn)過(guò)大的勵(lì)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(shí)際通過(guò)串接預(yù)充磁變壓器抑制勵(lì)磁涌流的過(guò)程中，如果能夠合理選擇合閘時(shí)間，則能夠?qū)⒃诤祥l主變壓器的過(guò)程中，所產(chǎn)生的勵(lì)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(shí)用的抑制勵(lì)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(duì)串聯(lián)預(yù)充磁變壓器展開(kāi)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(duì)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)采取任何保護(hù)措施的情況下，命令主變壓器于4.2125秒時(shí)空載合閘，此時(shí)A相的勵(lì)磁涌流，呈現(xiàn)出幅值較大的、間斷尖狀波，隨著時(shí)間的流逝，勵(lì)磁涌流的強(qiáng)度逐漸衰減[3]。對(duì)于三相三繞組的變壓器而言，無(wú)論在什么時(shí)刻進(jìn)行變壓器合閘動(dòng)作都會(huì)出現(xiàn)至少兩相勵(lì)磁涌流幅值過(guò)大的情況，而且其中一相始終保持周期性。經(jīng)過(guò)分析可知，當(dāng)在4.200秒到4.203秒之間進(jìn)行合閘操作時(shí)，其所產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流幅值相對(duì)較小，此外無(wú)論任何時(shí)刻進(jìn)行合閘，都會(huì)有至少兩相的勵(lì)磁涌流較大，嚴(yán)重情況下，甚至可能會(huì)引起保護(hù)誤動(dòng)。對(duì)此，當(dāng)采用串接小容量預(yù)充磁變壓器策略時(shí)，發(fā)現(xiàn)主變壓器的勵(lì)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(duì)主變壓器進(jìn)行合閘操作，也不會(huì)造成較大的磁通量變化，能夠有效抑制勵(lì)磁涌流。除此之外，由于勵(lì)磁涌流幅值會(huì)受到合閘時(shí)間的影響，因此為進(jìn)一步研究不同合閘時(shí)間對(duì)勵(lì)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(guò)20次合閘操作后，得到了在此期間的勵(lì)磁涌流幅值變化曲線(xiàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)曲線(xiàn)的分析發(fā)現(xiàn)，此期間任意時(shí)段的空載合閘都不會(huì)對(duì)勵(lì)磁涌流造成過(guò)大的影響，即便在4.291秒的時(shí)候出現(xiàn)過(guò)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(shí)間較為短暫，因此其產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流也是能夠接受的[5]。

3預(yù)充磁動(dòng)模系統(tǒng)物理驗(yàn)證

在進(jìn)行動(dòng)模系統(tǒng)物理試驗(yàn)驗(yàn)證的過(guò)程中，本文依然以三相繞組變壓器為例進(jìn)行討論和試驗(yàn)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(xiàn)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(xiàn)回路當(dāng)中，發(fā)出合閘命令之后，需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延遲，延遲時(shí)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(guò)1到2秒的延遲之后，S3合閘，在兩個(gè)開(kāi)關(guān)都合閘完畢之后TN為T(mén)P預(yù)充磁，在預(yù)充磁操作結(jié)束之后，經(jīng)過(guò)1到2秒的延遲，S1合閘，此時(shí)主變壓器通電，同時(shí)S2、S3兩個(gè)開(kāi)關(guān)立即斷開(kāi)，斷開(kāi)TN和TP之間的連接[6]。在試驗(yàn)的過(guò)程中，若主變壓器未經(jīng)過(guò)預(yù)充磁操作，在空載的情況下進(jìn)行合閘操作，就會(huì)使得A、B、C三相出現(xiàn)勵(lì)磁涌流現(xiàn)象，經(jīng)試驗(yàn)，得到三相勵(lì)磁涌流幅值動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)曲線(xiàn)的分析和觀察不難發(fā)現(xiàn)，其中C相所產(chǎn)生的勵(lì)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(guò)多次試驗(yàn)操作，記錄每一次預(yù)充磁前后勵(lì)磁涌流數(shù)據(jù)，并從眾多數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取出三次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論，三次試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)實(shí)際結(jié)果的分析和觀察，不難發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)預(yù)充磁之后的合閘操作，主變壓器的勵(lì)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(lì)磁涌流問(wèn)題方面不僅有著極強(qiáng)的可操作性，而且實(shí)用性較強(qiáng)，對(duì)于抑制勵(lì)磁涌流有著顯著的作用和效果。串接小容量變壓器，通過(guò)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?yàn)橹髯儔浩魈峁┓€(wěn)定的磁通狀態(tài)，顯著降低勵(lì)磁涌流幅值，無(wú)論從原理分析、仿真分析還是物理驗(yàn)證等方面，都證實(shí)了預(yù)充磁技術(shù)的有效性[7]。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)船舶電力系統(tǒng)的特殊性，對(duì)于勵(lì)磁涌流問(wèn)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(lì)磁涌流問(wèn)題的最主要措施和方法，本文通過(guò)對(duì)該方法的原理、仿真分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步證明了串接變壓器的有效性。相信隨著我國(guó)對(duì)勵(lì)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(huì)得到進(jìn)一步提升。

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作者：汪錦飄 孫厚偉 單位：江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司