船用变压器励磁涌流及预充磁技术分析

汪锦飘 孙厚伟

摘要：随着我国船舶事业的不断发展，电力系统在船舶当中的应用力度逐渐加大，在此过程中，船用变压器的励磁涌流问题越发严重。在此情况之下，本文围绕该问题展开探讨，简要介绍了串接变压器预充磁原理，并对串接变压器预充磁进行仿真分析，最后通过物理实验对该技术进行验证。

Abstract： With the continuous development of ship industry in China， the application of power system in ships is gradually increasing. In this process， the inrush current problem of marine transformers is becoming more and more serious. In this case， this paper discusses the problem， briefly introduces the principle of pre-magnetization of series transformer， simulates and analyzes the pre-magnetization of series transformer， and finally verifies the technology by physical experiment.

关键词：变压器;励磁涌流;预充磁技术

Key words： transformer;inrush current;pre-charge technology

中图分类号：U661.39                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）05-0084-02

0  引言

在船舶事业进步和发展的过程中，大容量变压器的应用逐渐增加，随之而来的就是励磁涌流问题的加强，虽然励磁涌流问题并不是近年来才出现的，但是随着船用变压器的容量不断增加，励磁涌流问题对变压器的稳定性和使用寿命的影响逐渐加大，经常出现跳闸或者保护误动等情况，降低了变压器的可靠性。

1  串接变压器预充磁原理

实际上励磁涌流问题在船用变压器当中存在已久，科研技术人员在对此类问题进行解决的时候，其主要思路是躲避励磁涌流，但是现代电力系统运行思路当中，面对励磁涌流问题则采用的是抑制策略，因为躲避励磁涌流并不能够解决这一问题，而是默认和允许了它的存在，因此抑制才是解决问题的有效手段。当前对于励磁涌流问题最主要应用的就是预充磁技术，其中串接变压器方法是当前针对励磁涌流问题的最主要方式[1]。串接小容量变压器预充磁结构如图1所示。

预充磁技术在串接变压器中的应用为将小容量预充磁变压器串联到主变压器线路上，以此达到抑制涌流的目的。该技术应用的原理为通过串联一个预充磁变压器，能够在系统运行的过程中，主变压器合闸前进行预充磁变压器线性合闸，通过这一方式能够为主变压器提供稳定的磁通状态，避免主变压器合闸后出现过大的励磁涌流，以此发挥其抑制作用。预充磁技术包括多种不同应用方案，如高压侧取电、低压侧取电等等[2]。在实际通过串接预充磁变压器抑制励磁涌流的过程中，如果能够合理选择合闸时间，则能够将在合闸主变压器的过程中，所产生的励磁涌流控制在较小的范围内，进一步提高技术的抑制效果。根据与其他预充磁技术方案相比，从可操作性以及方案效果等方面进行分析，串接预充磁变压器是当前较为实用的抑制励磁涌流的方法。

2  预充磁仿真分析

本文以220kVA的船用变压器为例，对串联预充磁变压器展开仿真分析，该变压器为三相三绕组，该预充磁仿真系统模型结构如图2所示。该模型输出电压为400V，频率50Hz。本次分析主要针对的是变压器剩磁较为严重的情况，因此，设置A、B、C三相的剩磁分别为0.7、-0.7、0.7。在不對整个系统采取任何保护措施的情况下，命令主变压器于4.2125秒时空载合闸，此时A相的励磁涌流，呈现出幅值较大的、间断尖状波，随着时间的流逝，励磁涌流的强度逐渐衰减[3]。对于三相三绕组的变压器而言，无论在什么时刻进行变压器合闸动作都会出现至少两相励磁涌流幅值过大的情况，而且其中一相始终保持周期性。经过分析可知，当在4.200秒到4.203秒之间进行合闸操作时，其所产生的励磁涌流幅值相对较小，此外无论任何时刻进行合闸，都会有至少两相的励磁涌流较大，严重情况下，甚至可能会引起保护误动。

对此，当采用串接小容量预充磁变压器策略时，发现主变压器的励磁绕组能够在小容量变压器的作用下维持在稳定的磁通状态下，在此情况下即便对主变压器进行合闸操作，也不会造成较大的磁通量变化，能够有效抑制励磁涌流。除此之外，由于励磁涌流幅值会受到合闸时间的影响，因此为进一步研究不同合闸时间对励磁涌流的影响，将QF1设置为在1.2秒和4.22秒之间每0.001秒执行一次预充磁合闸操作[4]。在经过20次合闸操作后，得到了在此期间的励磁涌流幅值变化曲线，经过对曲线的分析发现，此期间任意时段的空载合闸都不会对励磁涌流造成过大的影响，即便在4.291秒的时候出现过短暂的电流值高于额定值的情况，由于该异常现象所持续的时间较为短暂，因此其产生的励磁涌流也是能够接受的[5]。

3  预充磁动模系统物理验证

在进行动模系统物理试验验证的过程中，本文依然以三相绕组变压器为例进行讨论和试验分析，相关参数和变压器结构也与仿真模型相同，使用4000V配电板为主变压器和小容量变压器供电。预充磁回路单线图如图3所示。其中，TP是主推进变压器，TN是预充磁变压器。在预充磁単线回路当中，发出合闸命令之后，需要经过一段时间的延迟，延迟时间约为1到2秒，然后S2进行合闸，在S2合闸之后，再经过1到2秒的延迟之后，S3合闸，在两个开关都合闸完毕之后TN为TP预充磁，在预充磁操作结束之后，经过1到2秒的延迟，S1合闸，此时主变压器通电，同时S2、S3两个开关立即断开，断开TN和TP之间的连接[6]。

在试验的过程中，若主变压器未经过预充磁操作，在空载的情况下进行合闸操作，就会使得A、B、C三相出现励磁涌流现象，经试验，得到三相励磁涌流幅值动态曲线，通过对曲线的分析和观察不难发现，其中C相所产生的励磁涌流幅值较大，高达370A，而主变压器的额定电流为3715.5A。通过多次试验操作，记录每一次预充磁前后励磁涌流数据，并从众多数据中随机选取出三次试验结果进行讨论，三次试验结果如表1所示。通过对试验实际结果的分析和观察，不难发现在经过预充磁之后的合闸操作，主变压器的励磁涌流得到了明显的控制，下降幅度较大，因此串接小容量预充磁变压器策略用于抑制船用变压器励磁涌流问题方面不仅有着极强的可操作性，而且实用性较强，对于抑制励磁涌流有着显著的作用和效果。

串接小容量变压器，通过其为主变压器进行预充磁之后再进行合闸操作，能够为主变压器提供稳定的磁通状态，显著降低励磁涌流幅值，无论从原理分析、仿真分析还是物理验证等方面，都证实了预充磁技术的有效性[7]。

4  结束语

综上所述，针对船舶电力系统的特殊性，对于励磁涌流问题主要采用抑制措施，将小容量变压器进行串接是当前抑制励磁涌流问题的最主要措施和方法，本文通过对该方法的原理、仿真分析以及实验验证，进一步证明了串接变压器的有效性。相信随着我国对励磁涌流及预充磁技术的深入研究，船用变压器的稳定性将会得到进一步提升。

参考文献：

[1]黄彬，王杰，曹人靖，等.大型船舶变压器预充磁方案研究[J].舰船科学技术，2019，041（006）：100-105.

[2]禤冠星，蔡定国，唐金权，等.变压器励磁涌流试验研究与分析[J].变压器，2020，596（05）：38-41.

[3]陈志勇.一起勵磁涌流引起主变方向过流保护误动的分析及对策[J].上海大中型电机，2020，148（03）：14-17.

[4]刘靖.对基于剩磁预测的变压器励磁涌流分析[J].科学与信息化，2020（007）：77-78.

[5]王建波，白杰，邵文权，等.V/V接线牵引变压器励磁涌流建模及特征分析[J].计算机与数字工程，2020，365（03）：179-184.

[6]赵凯，杨玉娇，危成亮.船舶高压电力系统设计的几个关键技术问题[J].广东造船，2020，173（04）：44，48-50.

[7]王伟，魏菊芳，方琼，等.变压器3种励磁涌流抑制措施效果比较[J].高压电器，2020，56（02）：101-107.