周艷紅，何婧，朱軍

推進(jìn)變壓器軟啟動(dòng)過程仿真分析

周艷紅，何婧，朱軍

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文通過分析電力變壓器的交流勵(lì)磁原理，建立含飽和特性曲線的電力變壓器模型，對(duì)變壓器空載合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流情況進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)。

推進(jìn)變壓器 勵(lì)磁涌流 軟啟動(dòng)

0 引言

推進(jìn)變壓器在空載合閘投人船用電網(wǎng)時(shí)，由于變壓器鐵芯磁通的飽和及鐵芯材料的非線性特性，會(huì)產(chǎn)生幅值相當(dāng)大的勵(lì)磁涌流，由此可能導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，船用電網(wǎng)波動(dòng)，同時(shí)造成繞組變形，從而減少變壓器壽命。通常采取在合閘回路串聯(lián)電阻來限制涌流的幅值和暫態(tài)過程。

本文將對(duì)如何建立含有磁滯飽和特性變壓器模型及和變壓器合閘時(shí)勵(lì)磁涌流情況進(jìn)行分析，并討論充磁電阻參數(shù)的工程計(jì)算方法。

1 變壓器仿真模型研究

1.1 變壓器特性

鐵磁材料的磁特性是由鐵磁材料的基本磁化特性（飽和特性）和磁滯特性共同決定的。

圖1(a)中，中間一條曲線為基本磁化曲線，記為B=f()，它反映了材料在不考慮磁滯的情況下，磁密和磁場強(qiáng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，反映了材料的飽和特性。左右兩條曲線是由基本磁化曲線分別左移或右移Hm (矯頑力)后形成的。它們反映了材料的磁滯極限。

由以上鐵磁材料的特性可以看出，變壓器的磁滯回線擬合可以通過測試若干點(diǎn)的值，如剩磁，矯頑電流，飽和電流與飽和磁通等可以近似得出其運(yùn)行規(guī)律，但是同時(shí)由于這種特性的存在，使得在某個(gè)具體的時(shí)間點(diǎn)上，即使知道電流值，但與之對(duì)應(yīng)的磁通的具體數(shù)值很難確定，除非有足夠多和足夠精確的曲線簇可供查找。在實(shí)際中，停用變壓器時(shí)，即使系統(tǒng)電壓已被切斷，而變壓器的勵(lì)磁涌流也已降為零，即=0時(shí)，但其鐵心中的磁通并不隨之降為零，而是沿著鐵心的磁滯特性環(huán)（hysteresis loop），回降至某一程度的剩磁值（residual flux），該值的大小與系統(tǒng)條件及操作情況均有關(guān)聯(lián)，很難有一個(gè)確定值，因此在分析變壓器涌流時(shí)，應(yīng)以最惡劣的情況予以考慮。

1.2 空載投入電網(wǎng)時(shí)變壓器的沖擊電流

當(dāng)變壓器空載投入電網(wǎng)時(shí)，可能出現(xiàn)瞬態(tài)電流沖擊，引起跳閘。

當(dāng)變壓器二次側(cè)開路，一次側(cè)投入電網(wǎng)時(shí)，一次側(cè)的電壓方程為

由以上分析可以看出，變壓器空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流的大小是由剩磁（磁滯效應(yīng)）和合閘相位角共同決定的，它的本質(zhì)原因是鐵磁材料的非線性特性。

事實(shí)上，隨著時(shí)間的推移，自由分量將逐步衰減，衰減的速度取決于時(shí)間常數(shù)＝1。大型變壓器衰減的較慢，有的衰減過程可達(dá)幾秒以上，使一次線路的過電流保護(hù)裝置動(dòng)作，引起跳閘。為此大型變壓器在投入電源時(shí)，常在一次繞組中串入一個(gè)電阻，以減少?zèng)_擊電流的幅值并加快其衰減，投入后再將該電阻切除。

1.3 變壓器仿真模型

為了進(jìn)一步的分析變壓器的勵(lì)磁涌流現(xiàn)象，及尋找相應(yīng)對(duì)策，在MATLAB仿真軟件平臺(tái)上對(duì)變壓器的飽和特性進(jìn)行模擬。Simulink中的電力系統(tǒng)仿真模塊庫（Power System Block）提供了雙/三繞組飽和變壓器模塊，其鐵心的磁化特性用一個(gè)表示鐵心有功損耗的電阻Rm和一個(gè)飽和電感Lsat模擬。

電力變壓器的飽和特性有兩種類型輸入：

2 仿真驗(yàn)證

由于此時(shí)認(rèn)為剩磁為0，因此仿真結(jié)果對(duì)3相線電流除相位不同外，具有相同的參考性。由圖6可以看出，線電流IA在開關(guān)合閘瞬間的電流值與UAB形狀類似，滯后30°，勵(lì)磁電流峰值的正向最大值出現(xiàn)在-90°和-30°，負(fù)向最大值出現(xiàn)在90°和150°。AB繞組上的激磁電流Iexc_A與UAB同相位，勵(lì)磁電流峰值正向最大值出現(xiàn)在-90°，負(fù)向最大值90°。分析如下。

定義三相變壓器三角形連接的原邊繞組空載電流的流向如圖7，其中Iexc表示各原邊繞組的激磁電流，由圖可以看出，A相線電流IA=Iexc_a-lexc_c。

3 實(shí)測對(duì)比波形

根據(jù)常規(guī)預(yù)充磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖9所示。

因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中，連接的是公用電網(wǎng)，電網(wǎng)側(cè)阻抗相對(duì)于充磁電阻而言可以忽略，因此在仿真回路中用理想3相電源模型模擬電網(wǎng)進(jìn)行仿真。

實(shí)測波形（推進(jìn)變壓器副方電壓UBA與輸入線電流IA）與仿真波形見圖10。

4 結(jié)束語

本文通過建立含有磁滯飽和特性變壓器模型，和變壓器合閘時(shí)勵(lì)磁涌流情況的仿真，對(duì)勵(lì)磁涌流的大小與變壓器等值阻抗、合閘初相角、剩磁大小等因素的關(guān)系進(jìn)行分析，并通過試驗(yàn)予以驗(yàn)證。

[1] 湯蘊(yùn)璆, 史乃. 電機(jī)學(xué). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

Simulation of Soft Starting of Propulsion Transformer

Zhou Yanhong，He jing，Zhu Jun

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM433

A

1003-4862（2014）09-0032-04

2014-07-15

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAG03B01）

周艷紅（1978-），女，高級(jí)工程師。研究方向：電力電子與電氣傳動(dòng)。