顧雪晨

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變壓器預充磁仿真技術研究

顧雪晨

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設計研究軍事代表室，上海 200011）

為了有效降低變壓器在空載合閘瞬間產(chǎn)生的勵磁涌流，本文通過對變壓器一次側串電阻、并聯(lián)變壓器兩種預充磁技術進行了仿真分析。同時為了驗證所得到的仿真結果是否可信，構建了仿真試驗平臺。最終證明了所得的仿真結果能夠較好的反應實際系統(tǒng)，也說明了變壓器在空載合閘時產(chǎn)生的勵磁涌流，不但與所選擇的預充磁變壓器容量有關，還與預充磁變壓器接入電網(wǎng)的合閘時間有關。

預充磁技術 仿真 勵磁涌流

0 引言

變壓器作為船舶電力系統(tǒng)中聯(lián)結中壓電網(wǎng)與低壓電網(wǎng)的系統(tǒng)，對電網(wǎng)的起著重大作用。 為了減小變壓器勵磁涌流帶給電網(wǎng)的影響，一般會采用預充磁技術。有文獻采用變壓器一次側串接電阻。先合閘電阻支路，延時后將電阻支路短路，將變壓器投入電網(wǎng)運行。也有文獻提出采用選相分合閘技術，要求斷路器能分相合閘，通過檢測變壓器中某一相的剩磁來確定此相的合閘相角，繼而使此相繞組暫態(tài)為零，然后通過一定的延時合上另外兩相[2]。本文主要通過仿真技術分析電網(wǎng)串電阻、并聯(lián)變壓器兩種預充磁技術的預充磁效果。

1 電網(wǎng)串電阻

1.1 仿真模型的建立

本文以MATLAB仿真工具為平臺，研究串電阻預充磁方法的預充磁效果。并構建實物仿真平臺進行驗證。其中電網(wǎng)電壓為380 V，推進變壓器選用容量30 kVA、電壓比400 V/400V、阻抗電壓3.38%、連接級別為Dy11的變壓器。預充磁電阻選用90 Ω電阻進行仿真研究和實物驗證。推進變壓器副邊連接整流橋、電容，其中電容值為470 μF。圖1為所研究串電阻系統(tǒng)的單線圖。本文主要從電阻串接電網(wǎng)中的時間短暫、充裕分別進行考慮。

1.2預充磁電阻合閘時間充裕

4.1.3 區(qū)位優(yōu)勢發(fā)揮不充分 ITC官方網(wǎng)站統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,日本、中國臺灣、中國香港、新加坡、馬來西亞、越南、泰國、韓國等周邊國家和地區(qū)2017年共計進口甘薯7 364.9萬美元(不含甘薯淀粉和甘薯粉絲),占當年世界甘薯進口貿(mào)易總額的15%,是當年中國甘薯出口總額的1.3倍以上(表4)．而當年除中國香港、越南和中國澳門地區(qū)外,中國出口到這些周邊國家和地區(qū)的甘薯出口市場占有率均不高．周邊重要甘薯進口市場日本、韓國、泰國、新加坡、馬來西亞等國家市場占有率均不超過10%．

以90 Ω預充磁電阻為例進行仿真分析，設置斷路器1開關在0.02 s合閘，3 s后斷開斷路器1，合閘斷路器2。仿真類型選擇Discrete，=1e-5 s。仿真算法設為ode23tb。仿真時間3 s后，最終得：

斷路器1前端電流仿真波形見圖2。所構建的實際系統(tǒng)斷路器1前端電流波形如圖3所示。

由圖2、圖3可知：實際系統(tǒng)：預充磁電阻在斷路器1合閘瞬間產(chǎn)生的沖擊電流為3.1 A，斷路器2合閘瞬間所得的二次沖擊電流為12.3A。

仿真系統(tǒng)：預充磁電阻在斷路器1合閘瞬間產(chǎn)生的沖擊電流為3.4 A，斷路器2合閘瞬間所得的二次沖擊電流為12.3 A。

根據(jù)上述所得結果，可得所建立的90 Ω預充磁電阻仿真模型基本能夠較為準確的反應實際系統(tǒng)特性。

1.3 預充磁合閘時間短暫

為更好的驗證預充磁電阻在接入電網(wǎng)中斷路器1、斷路器2兩次合閘時所產(chǎn)生的沖擊電流大小是否與斷路器1合閘時間長短有關，本研究對預充磁電阻系統(tǒng)中的斷路器1合閘時間長短進行仿真研究。設斷路器1在=0.02 s合閘，=0.5s斷開，并合閘斷路器2，經(jīng)過2s仿真時間結束。最終得斷路器1前端電流波形圖如圖4所示。

實際系統(tǒng)90 Ω預充磁電阻進行相應的斷路器1合閘時間短暫試驗，得：合閘時間短暫的預充磁電阻系統(tǒng)斷路器1前端電流波形圖如圖5所示。

由圖4、圖5所示可知，仿真系統(tǒng)：斷路器1合閘瞬間，電網(wǎng)中產(chǎn)生的沖擊電流為3.35 A。斷路器2合閘瞬間，電網(wǎng)中產(chǎn)生的沖擊電流為16 A。

實際系統(tǒng)：斷路器1合閘瞬間，電網(wǎng)中產(chǎn)生的沖擊電流為3.25 A。斷路器2合閘瞬間，電網(wǎng)中產(chǎn)生的沖擊電流為17.1 A。

對于所構建的系統(tǒng)，未加入電阻時，變壓器在合閘瞬間產(chǎn)生的勵磁涌流是很大的。設變壓器0.02 s合閘，經(jīng)過2 s仿真，得變壓器一次側在合閘瞬間的電流波形圖如圖6所示。由圖中可以看出，變壓器一次側在合閘瞬間，電網(wǎng)所產(chǎn)生的預充磁電流值約為31 A。而變壓器一次側串電阻后，合閘時間充裕情況下的二次沖擊電流為12.3 A，合閘時間短暫情況的二次沖擊電流為17.1 A，降低了變壓器合閘瞬間產(chǎn)生的勵磁涌流。

2 電網(wǎng)并聯(lián)變壓器

以上述推進變壓器為例，進行不同容量等級的預充磁變壓器研究。電網(wǎng)電壓380 V，推進變壓器容量為30 kVA、電壓比400 V/400 V、阻抗電壓3.38%、連接級別Dy11。所選預充磁變壓器容量分別為40 VA、400 VA，電壓比為380 V/400 V，阻抗電壓4%。

2.1 40VA預充磁變壓器

圖7為所研究的系統(tǒng)單線圖。依據(jù)此并結合MATLAB仿真平臺建立相應的預充磁變壓器仿真模型。仿真過程中，斷路器1合閘0.5 s后斷開，斷路器2合閘。仿真1s后，得到推進變壓器的原邊電流如圖8所示。其中斷路器1合閘瞬間產(chǎn)生的沖擊電流為3.58 A，斷路器2合閘瞬間產(chǎn)生的沖擊電流為22 A。

為更好的驗證所建立的40 VA預充磁變壓器仿真模型是否正確，建立相應的實際系統(tǒng)。經(jīng)過試驗，最終得：實際系統(tǒng)的推進變壓器原邊電流曲線如圖9所示。其中斷路器1合閘瞬間推進變壓器原邊所產(chǎn)生的沖擊電流為2 A，斷路器2合閘瞬間所產(chǎn)生的沖擊電流為20.9 A。

由以上結果可知：所建立的40 VA預充磁變壓器仿真模型與實際系統(tǒng)的推進變壓器原邊電流大小基本一致，能夠較好地反映實際系統(tǒng)的特性。

2.2 400VA預充磁變壓器

以400 VA預充磁變壓器為例，進行不同容量等級的預充磁變壓器方案研究。斷路器1合閘時間設為1s，經(jīng)過2 s仿真時間，最終得：推進變壓器原邊電流在斷路器1合閘瞬間產(chǎn)生的沖擊電流峰值約為22.9 A。1 s后斷路器1斷開，斷路器2合閘瞬間產(chǎn)生的沖擊電流峰值約為6.9 A。圖10為所得的推進變壓器原邊電流仿真波形圖。

為驗證所建立的400 VA預充磁變壓器仿真模型是否正確，建立相應的實際系統(tǒng)進行對比分析。經(jīng)過試驗，最終得實際系統(tǒng)的斷路器1在合閘瞬間推進變壓器原邊產(chǎn)生的沖擊電流約為22.3 A，斷路器2合閘瞬間產(chǎn)生的沖擊電流約為1.4 A。其中圖11為推進變壓器原邊電流的實際波形圖。

由以上仿真結果可知：所建立的400 VA預充磁變壓器仿真模型，在斷路器1合閘瞬間推進變壓器產(chǎn)生的沖擊電流基本一致。斷路器2合閘時仿真所得的沖擊電流較大?？芍?0 VA預充磁變壓器在斷路器二次合閘瞬間產(chǎn)生的沖擊電流較大。400 VA預充磁變壓器則正好相反，在斷路器一次合閘瞬間產(chǎn)生的沖擊電流較大。

3 結論

本文分別對電網(wǎng)串接電阻、并聯(lián)變壓器兩種預充磁技術進行仿真研究和試驗驗證，證明了這兩種預充磁方法可以較好的降低變壓器在空載合閘時產(chǎn)生的勵磁涌流。同時為驗證所研究的仿真系統(tǒng)是否能較好的反映實際系統(tǒng)，構建了相應的試驗驗證平臺，所得試驗結果也較好地證明了所建立仿真模型的準確性。變壓器在空載合閘時產(chǎn)生的勵磁涌流，不但與所選擇的預充磁變壓器容量有關，還與預充磁變壓器接入電網(wǎng)的合閘時間有關。

[1] 邰能靈,王鵬等. 大型船舶電力系統(tǒng)關鍵技術與應用[M]. 科學出版社, 2012.

[2] Runke J H，F(xiàn)rohlich K J. Elimination of transformer inrush currents by controlled switching–part I: Theoretical considerations. IEEE Transactions on Power Delivery, 2001,16(2):276-280.

Research on the Simulation of Pre-magnetization of transformer

Gu Xuechen

(Naval Representatives Office in shipbuilding of Ship design research in shanghai, shanghai 200011, China)

TM422

A

1003-4862（2015）01-0005-04

2014-03-28

顧雪晨（1981-），男。研究方向：電力系統(tǒng)。