曾含利 趙 陽

(武漢港務(wù)集團(tuán)有限公司 武漢 430010)

1 問題的提出

通常大功率的起重機(jī)電氣設(shè)備都是高壓10 kV上機(jī)，由一個(gè)大容量的變壓器降壓后給機(jī)上電氣設(shè)備供電，這個(gè)變壓器的安全性和穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行十分重要。在變壓器正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁電流只是額定電流的1%～2%[1]；而在變壓器空載合閘瞬間，會(huì)產(chǎn)生幅值達(dá)到變壓器的額定電流的數(shù)十倍的勵(lì)磁涌流。這種大勵(lì)磁涌流會(huì)導(dǎo)致保護(hù)裝置動(dòng)作，使合閘投入不成功，并產(chǎn)生電網(wǎng)電壓的驟升和驟降、操作過電壓、諧波畸變等，給電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來較大的影響[2]。

目前抑制變壓器合閘涌流問題，主要采取的方法包括串接電阻器、選相位分相合閘、并接電容器等。其中：

1) 串接電阻器的方法是在變壓器的一次側(cè)串聯(lián)電阻，先合閘電阻支路，延時(shí)后將電阻支路斷開，再投入變壓器。該方法能限制勵(lì)磁涌流的大小，但是電阻器成本較高，而且增加了操作的復(fù)雜性。

2) 選相位分相合閘是對(duì)斷路器的分合閘時(shí)間進(jìn)行分相控制，在合閘選擇適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)電壓或電流的初相角，以預(yù)感磁通預(yù)剩磁相等的時(shí)刻為最佳合閘時(shí)刻，這樣可以避免變壓器鐵芯磁通的飽和，抑制勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生。但是該方法需要考慮剩磁的影響，由于剩磁的方向和大小很難測(cè)定，因此在現(xiàn)實(shí)中存在著一定的困難[3]。

3) 并接電容器的方法是在變壓器低壓側(cè)并聯(lián)電容，使低壓側(cè)產(chǎn)生的磁通極性和高壓側(cè)磁通極性相反，相互抵消，抑制繞組內(nèi)磁通達(dá)到飽和，從而防止空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生。但是電容的大小難以確定，因此在實(shí)際應(yīng)用中該方法很少采用。

本文介紹一種可以抑制變壓器勵(lì)磁涌流的裝置，能夠在主變壓器合閘之前，對(duì)主變壓器進(jìn)行預(yù)勵(lì)磁，以減少勵(lì)磁電流對(duì)主變壓器的沖擊及對(duì)周圍電網(wǎng)的影響。

2 原理分析

2.1 產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的原因

在變壓器空載合閘時(shí)，由于變壓器鐵芯剩磁的影響，以及合閘初相角的隨機(jī)性會(huì)使鐵芯磁通趨于飽和，文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)了在給變壓器加上電壓U1的瞬間，初級(jí)電壓的相位角為α?xí)r變壓器磁路中的磁通組成公式。

(1)

2.2 抑制涌流的方法

根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣?，?lián)接在同一回路中的所有電感磁鏈在換路瞬間守恒，可知偏磁Φp是在合閘瞬間為維持磁通的初始狀態(tài)不變而產(chǎn)生的，如果在合閘時(shí)變壓器鐵芯中已經(jīng)存在一定的磁通，則偏磁Φp將降低。所以可以在變壓器的原邊或副邊用一定電流值的電源對(duì)變壓器進(jìn)行預(yù)充磁，用預(yù)充磁變壓器產(chǎn)生的磁通去維持鐵芯中磁通的初始狀態(tài)，降低非周期分量的幅值，由此產(chǎn)生合成磁通將比沒有進(jìn)行預(yù)充磁時(shí)的大為減小，從而達(dá)到抑制勵(lì)磁涌流的目的。

3 預(yù)充磁裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)的變壓器預(yù)充磁裝置主要是由小容量變壓器和接觸器等組成。變壓器預(yù)充磁裝置在起重機(jī)電控系統(tǒng)中的連接方式如圖1所示。

圖1 起重機(jī)上預(yù)充磁裝置連接系統(tǒng)圖

T1為原岸橋電控系統(tǒng)的主變壓器，負(fù)責(zé)為岸橋各工作電機(jī)M的驅(qū)動(dòng)器INV供電，T2為輔助變壓器，負(fù)責(zé)岸橋上照明等輔助設(shè)備供電，虛線框內(nèi)為預(yù)充磁裝置，預(yù)充磁裝置連接在主變壓器T1和輔助變壓器T2之間。主變壓器通電T1之前對(duì)T1副邊進(jìn)行預(yù)充磁，T2合閘，接觸器KM1和KM2接通，預(yù)充磁變壓器T3給主變壓器T1的副邊線圈提供穩(wěn)態(tài)的交變磁通后，主變壓器再合閘。由于內(nèi)部磁通穩(wěn)定不會(huì)突變，沖擊電流也就隨之消失。主變壓器正常工作后，接觸器KM1和KM2斷開，預(yù)充磁回路與主回路斷開。

預(yù)充磁變壓器的容量一般取主變壓器的1%～3%，其變比由與主變壓器和輔助變壓器的連接方式?jīng)Q定。考慮預(yù)充磁裝置的成本，預(yù)充磁裝置一般接在主變壓器和輔助變壓器低壓側(cè)之間，則預(yù)充磁變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)電壓即為主、輔助變壓器的低壓側(cè)電壓值。

裝置中的限流電阻R，可以降低預(yù)充磁回路的沖擊電流，待電流衰減到額定電流之內(nèi)時(shí)接通接觸器KM3，將限流電阻切除。

由于主變壓器和輔助變壓器的連接組別可能是多種多樣的，所以在設(shè)計(jì)時(shí)必須注意選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)充磁變壓器的連接組別，防止造成短路。

4 實(shí)際應(yīng)用

目前該變壓器預(yù)充磁裝置已經(jīng)在港口起重機(jī)上予以應(yīng)用。武漢港集裝箱有限公司101號(hào)岸橋，機(jī)上電源10 kV高壓上電，主變壓器3 150 kVA，變比為10 kV/400V，連接組別為DYn11，輔助變壓器為200 kVA，變比為10 kV/400V，連接組別為DYn11。預(yù)充磁變壓器為25 kVA，變比為400 V/400 V，連接組別為Yyn0。變壓器預(yù)充磁裝置中還配有PLC(可編程邏輯控制器)，在主變壓器合閘時(shí)，自動(dòng)控制預(yù)充磁回路的通斷，還可以與機(jī)上電控系統(tǒng)通訊，報(bào)告故障診斷。

5 節(jié)能計(jì)算分析

在未安裝預(yù)充磁裝置之前，為避免變壓器合閘涌流的危害，主變壓器會(huì)長期通電不分閘，即使在起重機(jī)長期不工作時(shí)也不斷電，造成很大的電能損耗。變壓器的損耗包含變壓器的空載損耗和附加損耗，其中不同容量變壓器的空載損耗見表1，其他附加損耗(電抗器，風(fēng)機(jī)等損耗)為變壓器容量的0.2%。

表1 不同容量的變壓器空載損耗表

變壓器在使用預(yù)充磁裝置之后，起重機(jī)不工作時(shí)，主變壓器可以斷電。與不斷電相比，1年的節(jié)能計(jì)算式為

節(jié)能(kW·h)=[主變壓器空載損耗(kW)+附加損耗(kW)]×[1-岸橋作業(yè)率(%)]×24(h/d)× 365(d)

1年可節(jié)約的成本(元)=節(jié)能(kW·h)×平均電費(fèi)(元/ kW·h)。

例如，一臺(tái)3 150 kVA主變壓器空載損耗約為4.08 kW，其它附加損耗約為6.3 kW，岸橋作業(yè)率為40%，平均電費(fèi)為1.0元/kW·h，則加裝預(yù)充磁裝置后，1年可節(jié)約成本為：

(4.08+6.3)kW×(1- 40%)× 24 h/d×365 d×1.0元/kW·h=54 557.28元

6 結(jié)語

本文從變壓器空載合閘涌流產(chǎn)生的機(jī)理出發(fā)，提出一種設(shè)計(jì)變壓器預(yù)充磁裝置的方法，并對(duì)投入預(yù)充磁裝置后節(jié)能效果和節(jié)約的成本進(jìn)行了計(jì)算。這種預(yù)充磁裝置不僅已經(jīng)在港口起重機(jī)上廣泛應(yīng)用，在船用大容量變壓器上也已應(yīng)用，通過該方法的實(shí)施，可以有效抑制變壓器空載合閘時(shí)產(chǎn)生的涌流，避免了涌流帶來的危害，并且變壓器可以在不工作時(shí)斷開，工作時(shí)投入，大大減少了變壓器的空載損耗，達(dá)到節(jié)能的目的。