李玉生，何 宇

雙電源切換裝置負(fù)載變壓器勵磁涌流產(chǎn)生機(jī)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(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

負(fù)載變壓器會在雙電源切換裝置動作后產(chǎn)生嚴(yán)重的勵磁涌流現(xiàn)象。本文分析了雙電源切換裝置切換流程及負(fù)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(chǎn)生的磁通直流分量是引起勵磁涌流現(xiàn)象發(fā)生的結(jié)論。

雙電源切換裝置 負(fù)載變壓器 勵磁涌流 磁通直流分量

0 引言

當(dāng)雙電源切換裝置應(yīng)用到電力系統(tǒng)中高壓等級時(shí)，雙電源切換裝置的負(fù)載側(cè)一般設(shè)置有變壓器。而負(fù)載側(cè)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(chǎn)生嚴(yán)重的勵磁涌流現(xiàn)象[1, 2]。

雙電源切換裝置負(fù)載變壓器中產(chǎn)生的勵磁涌流，可能引發(fā)變壓器的保護(hù)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(guān)本體產(chǎn)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(jìn)而可能引起繼電保護(hù)裝置誤動作。勵磁涌流含有大量諧波注入電網(wǎng)，會對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成影響[3, 4]。

針對上述現(xiàn)象，本文對雙電源切換裝置的負(fù)載側(cè)變壓器在切換過程中的勵磁涌流產(chǎn)生過程進(jìn)行了分析。

1 勵磁涌流現(xiàn)象

鐵磁材料的磁飽和現(xiàn)象能夠由磁疇(Magnetic Domain)理論解釋。鐵磁材料可以看成由很多個(gè)小磁鐵，即磁疇組成。平時(shí)各個(gè)磁疇的磁矩方向排列是混亂的，各個(gè)方向的磁矩都被互相抵消。因此總體看來，整個(gè)鐵磁材料的總磁矩為0。當(dāng)施加一個(gè)外部磁場時(shí)，鐵磁材料內(nèi)部的部分磁疇的磁矩方向轉(zhuǎn)為與外磁場一致，此時(shí)整個(gè)鐵磁材料產(chǎn)生一個(gè)與外磁場方向一致的宏觀磁場。而當(dāng)外部磁場達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，整個(gè)鐵磁材料中所有磁疇的磁矩方向轉(zhuǎn)為與外磁場一致，此時(shí)鐵磁材料進(jìn)入磁飽和狀態(tài)。

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(xiàn)象，隨之產(chǎn)生變壓器的磁飽和現(xiàn)象。在電流增大的過程中，形成的磁鏈增大，磁通到達(dá)保護(hù)區(qū)，從而電感值會出現(xiàn)非線性現(xiàn)象，導(dǎo)致勵磁涌流現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此勵磁涌流的產(chǎn)生是變壓器中磁通進(jìn)入磁飽和區(qū)域?qū)е隆?/p>

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(tài)進(jìn)入飽和狀態(tài)，把從不飽和狀態(tài)進(jìn)入飽和狀態(tài)的拐點(diǎn)稱為“膝點(diǎn)”。變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，一般把額定磁通密度選擇在磁化曲線的膝點(diǎn)，變壓器在額定電壓下運(yùn)行時(shí)，處于比較飽和的狀態(tài)。為了簡化分析過程，一般把磁通未達(dá)到“膝點(diǎn)”時(shí)的磁化曲線近似認(rèn)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(xiàn)象時(shí)，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(diǎn)”分割成兩段斜率不相同的直線，如圖3所示。

2 系統(tǒng)切換原則和切換階段

圖4 帶負(fù)載變壓器的雙電源切換裝置拓?fù)鋱D

本文研究的雙電源切換裝置拓?fù)鋱D如圖4所示，可以看到雙電源切換裝置常用側(cè)和備用側(cè)分別連接了兩路獨(dú)立的10 kV的電網(wǎng)電源，分別經(jīng)過常用電源晶閘管和備用電源晶閘管，通過負(fù)載變壓器后，對敏感負(fù)載進(jìn)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(fù)載變壓器的磁通暫態(tài)變化過程，必須分析雙電源切換裝置切換暫態(tài)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(fù)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(lián)現(xiàn)象。此種切換策略能夠避免兩個(gè)電源之間的并聯(lián)運(yùn)行，防止環(huán)流的產(chǎn)生，且能夠保證常用電源電源側(cè)故障不擴(kuò)大到備用電源側(cè)。

2）先合后斷。即斷開常用電源前，已經(jīng)合上備用電源，常用電源在備用電源對負(fù)載供電后才斷開與負(fù)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(shí)并聯(lián)現(xiàn)象。此切換原則下，負(fù)載的斷電時(shí)間更短。但是兩側(cè)電源并聯(lián)的時(shí)間段內(nèi)，電源之間會有環(huán)流產(chǎn)生。這種切換策略一般運(yùn)用于兩側(cè)電源同壓同頻同相的情況下。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)：低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備，第6-1部分：多功能電氣轉(zhuǎn)換開關(guān)電氣（GB/T 14048.11-2008）的規(guī)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(cè)電源并聯(lián)現(xiàn)象產(chǎn)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(fù)載側(cè)變壓器的磁通變化情況進(jìn)行分析。

采用“先斷后合”的策略，可以設(shè)計(jì)出如下的切換過程，切換過程大致分為以下五個(gè)階段：

1）常用電源供電階段。常用電源正常，常用電源側(cè)三相晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，備用電源側(cè)三相晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)。負(fù)載由常用電源供電。

2）故障檢測階段。當(dāng)常用電源發(fā)生故障時(shí)，雙電源切換裝置需要一定時(shí)間才能檢測到故障發(fā)生。檢測到常用電源故障時(shí)，雙電源切換裝置中斷常用電源側(cè)三相晶閘管的驅(qū)動信號。故障檢測階段中，負(fù)載和常用電源保持連接，負(fù)載側(cè)電壓電流等于常用電源電壓電流，也產(chǎn)生電壓跌落現(xiàn)象。

3）常用電源斷開階段。檢測到常用電源發(fā)生故障后，控制器立即中斷常用電源側(cè)三相晶閘管的驅(qū)動信號。在常用電源側(cè)晶閘管的驅(qū)動信號中斷后，各相電流均會在第一個(gè)電流過零點(diǎn)變?yōu)榱?。三相電流會在不同的時(shí)間點(diǎn)變?yōu)榱恪?/p>

4）零位階段。為防止兩路電源在切換過程中產(chǎn)生并聯(lián)現(xiàn)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(guān)量的時(shí)間。零位階段中，負(fù)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(fù)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(fā)出備用電源側(cè)晶閘管驅(qū)動信號。備用電源側(cè)三相晶閘管導(dǎo)通，由備用電源對負(fù)載供電。

但如負(fù)載側(cè)存在變壓器等元器件，備用電源三相晶閘管同時(shí)導(dǎo)通則會導(dǎo)致負(fù)載側(cè)變壓器中產(chǎn)生明顯的磁通直流分量，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的勵磁涌流現(xiàn)象。如要限制備用電源側(cè)變壓器產(chǎn)生的暫態(tài)電流，則備用電源各相需要根據(jù)磁通的情況分別在不同的時(shí)間點(diǎn)導(dǎo)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(chǎn)生過程

磁通直流分量是勵磁涌流產(chǎn)生的原因，在切換過程中，磁通直流分量的產(chǎn)生和變化過程將在此節(jié)進(jìn)行分析。對變壓器中的磁通進(jìn)行的分析都是基于在電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的DELTA/Y型心式變壓器進(jìn)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(gè)鐵心柱的磁通都是由各個(gè)線電壓產(chǎn)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(gè)磁通可以由線電壓積分得到，如式（1）所示：

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，負(fù)載側(cè)變壓器的三相電壓對稱，三相電壓瞬時(shí)值之和為零。如式（2）所示：

由于磁通是電壓的積分計(jì)算而來，所以相應(yīng)的，負(fù)載側(cè)三相變壓器中三個(gè)鐵心柱中的磁通瞬時(shí)值之和也為零，如式（3）所示：

圖4中是負(fù)載側(cè)線電壓和其所對應(yīng)的變壓器中的鐵心柱磁通在切換過程中的暫態(tài)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(jì)算得出：

首先常用電源正常，常用電源對負(fù)載供電，負(fù)載側(cè)線電壓等于常用電源線電壓，是標(biāo)準(zhǔn)的三相正弦波，對應(yīng)的鐵心柱中的磁通是其積分值，所以磁通波形是一個(gè)滯后線電壓波形90°的標(biāo)準(zhǔn)正弦波。

圖5 切換過程中的電壓和磁鏈暫態(tài)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(shí)刻發(fā)生突變，前后不連續(xù)，而由于磁通有連續(xù)性，因此磁通波形在故障前后是連續(xù)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(shí)，負(fù)載側(cè)線電壓為0，相應(yīng)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(dá)為周期分量（即備用電源所產(chǎn)生的磁通量）與切換過程中產(chǎn)生的直流分量之和，如式（8）所示。

4 結(jié)論

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

5 總結(jié)

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

[1] 孫銘明, 于飛, 楊鋒. 基于預(yù)勵磁技術(shù)的船用變壓器勵磁涌流控制[J]. 船電技術(shù), 2016, 36(7): 61-65.

[2] 陳瑞. 預(yù)充磁在抑制變壓器空載合閘勵磁涌流中的作用[J]. 船電技術(shù), 2009, 29(1): 24-26.

[3] 甯佐清, 馮成, 陳遠(yuǎn)江. 試驗(yàn)變壓器空載合閘時(shí)涌流問題探討[J]. 船電技術(shù), 2009, 29(7): 34-37.

[4] 回志澎, 劉敏. 艦船大容量變壓器勵磁涌流的故障識別[J]. 船電技術(shù), 2008, 28(6): 333-336.

[5] 劉永松. 變壓器合閘勵磁涌流[J]. 電氣開關(guān), 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(tǒng)。E-mail: 280330371@qq.com