基于预励磁技术的船用变压器励磁涌流控制

孙铭明， 于 飞， 杨 锋

（1.海军91285部队，辽宁大连 116041；2. 海军工程大学电气工程系，武汉 430033）

基于预励磁技术的船用变压器励磁涌流控制

孙铭明1， 于 飞2， 杨 锋2

（1.海军91285部队，辽宁大连 116041；2. 海军工程大学电气工程系，武汉 430033）

在采用中压配电系统的船舶上，通常采用中压/低压变压器实现对低压负载的供电，该变压器的容量相对于船舶电力系统来说很大，当变压器投入运行的时候在变压器原边会产生非常大的浪涌电流，其幅值可达到变压器额定电流的十倍以上，对船舶电力系统的安全运行以及变压器本身造成危害。论文分析了变压器励磁涌流产生的机理和特性，认为涌流是由于变压器空载投入时的饱和特性造成的，分析了采用预充磁技术的涌流抑制原理和方法，并经过仿真和实验对涌流抑制效果进行了验证。

船用变压器 预充磁 励磁涌流 抑制方法

0 引言

大型舰船一般采用中压发电系统，通过提高母线电压、降低母线电流来提高系统的供电能力。但是船上大多数的电气设备仍然是低压设备，低压系统与中压系统之间采用中压变压器作为接口。因此变压器在船舶电力系统中的地位非常重要，关系到电能传输的质量以及供电的可靠性。一般来说，变压器在正常稳态运行的时候，其定子电流中包含的励磁电流部分并不大，通常不会超过电压器额定电流的5%，对应于变压器的空载电流。但是在变压器在空载直接合闸的时候，变压器中的磁通由于剩磁和供电电压的影响会形成过饱和，由于励磁电流和磁通之间的非线性关系，造成励磁电流非常大，形成所谓的励磁涌流，该涌流最大可能达到变压器额定电流的几十倍，甚至与短路电流的数量级相当［1，3］。如此大的冲击电流将对船舶电力系统造成非常大的影响，首先过大的涌流会产生很大的电动力，导致变压器绕组变形，破坏绝缘；其次引起电能质量下降，造成电网谐波过大，电压大幅跌落从而导致电机和敏感负载脱扣保护等；另外，过大的涌流会引起继电保护系统的误动作［4-5］。同时，由于舰船的电力系统容量有限，该冲击电流将对电力系统的安全稳定运行带来很大影响。因此，本文将主要针对舰船大功率中压变压器，分析其空载合闸的励磁涌流特性及其对舰船电力系统的影响，并提出合理有效的解决方案。

1 变压器励磁涌流产生的机理

1.1变压器的数学模型

变压器的数学模型一般采用电路等效模型。电路等效模型一般采用相绕组等效方法，有 T型等效电路、Γ型等效电路和简化等效电路三种形式［5］，其中T型等效电路对变压器的模型描述最为准确，其等效电路如1所示。

等效电路中 U1和 I1为变压器原边输入电压；U2和I2为折算到一次侧的变压器副边输出电压和电流；r1和r2分别是变压器原边和副边的绕组电阻；x1和x2分别是变压器原边和副边的漏电感；rm和xm分别是变压器的激磁电阻和激磁电抗，zL为等效负载阻抗。上面等效电路对应的各变量的稳态关系为：

上面个各参数中，rm和xm当考虑到变压器饱和时的非线性时并不是常量，对励磁涌流的影响非常大。

1.2变压器励磁涌流产生的机理

变压器涌流是指变压器充磁期间在变压器激磁端产生的高幅值较长时间的暂态电流。变压器铁芯是由磁性材料构成，具有非线性磁化特性，如饱和、磁滞等。由于成本和尺寸限制，电力变压器一般都设计成最大额定磁通在磁化曲线的饱和点附近。当变压器断电的时候，变压器铁芯中会保留一部分静态磁通，即剩磁。剩磁在变压器再一次充磁的时候充当初始磁通，在剩磁的基础之上，变压器开始建立下一次的充磁过程。在接下来的充磁过程中，变压器的感应磁通可能会超过额定磁通很多，造成变压器的过饱和，从而造成励磁涌流［6，7］。

变压器的饱和特性曲线如图2所示。可见，当变压器不饱和时，励磁磁通 φ与励磁电流 iμ基本成线性变化，而且励磁电流很小，当变压器饱和后（φ＞φs），曲线的斜率迅速减小，而励磁电流迅速增大。

变压器的电压微分方程如下：

求解上式，得到磁通的表达式为：

变压器在设计制造时，为了提高它的利用率，其工作点一般选择在饱和点附近以下，其对应的额定工作磁通标幺值为 Фm=1，因此在正常工作时是不会饱和的，励磁电流和磁通之间基本上表现为线性关系。变压器的饱和磁通一般不超过 1.3pu。但是变压器在空载直接合闸的时候，剩磁和初始磁通的相互作用，就会导致磁通大于1pu，引起饱和。

设 θ=ωt+a，则在-θ1≤θ≤2π -θ1时，变压器进入饱和，当θ=π时饱和最严重。设变压器进入和退出饱和的时刻分别为t1和t2，则根据上图有如下关系存在：

激磁电流与磁通的关系只相差一个激磁电感Lm，因此激磁电流的表达式可以表示如下：

2 变压器空载投入的励磁涌流特性

船用中压变压器与电网的连接方式如图4所示，图中T1为中压变压器，用于把6600V的电压变换为400V，给低压电气设备供电。Q1是高压侧开关，Q2是低压侧负载开关。

现在我们来分析Q2断开、Q1直接合闸时的变压器原边电流情况。采用MATLAB/Simulink软件建立了与图2一致的仿真模型，模型中采用的变压器参数如表1所示。

在一个电源基波周期中，选取5个不同的时刻对Q2进行合闸，分析不同时刻合闸时的励磁涌流特性，得到的三相电流幅值如表2所示，励磁涌流波形如图5所示。

从仿真结果可见，由于变压器饱和特性的影响，变压器控制直接合闸时会产生很大的励磁涌流，尽管每一相励磁涌流的大小受开关闭合时刻的影响，但是至少有两相的电流非常大，仿真得到的最大电流为446.9A，达到额定电流的14倍。同时励磁涌流并不是正弦波，而是包含了很大的谐波分量和直流分量。

3 基于预充磁技术的变压器励磁涌流控制方法

虽然在陆用电力系统中已经提出了多种变压器励磁涌流抑制方法［8，10］，但是考虑到船舶电力系统的特殊性却不一定适用。

与陆用电力系统的三线四线制不同的是，船用电力系统通常都采用三相三线的形式，因此在陆用变压器中采用的中性点串接电阻［11］来限制变压器励磁涌流的方法在船用变压器中无法采用。同样，为了适合三相三线电能传输系统，线路中配置的断路器也都采用三相联动的形式，无法实现分相操作，因此应用基于断路器选相合闸的涌流抑制方案也不能采用。在主电路中串联限流电阻的方案，只能适当减小励磁涌流的大小，而不能消除涌流，同时增加的辅助设备降低了系统的可靠性和经济性。如果要通过变压器结构来抑制涌流，则会增大变压器体积，降低变压器效率，由于船舶特别是战斗舰艇空间十分有限，因此该方案也不适合。为此，针对本文所研究的船舶电力系统，提出了采用小容量并联变压器预充磁方案，其基本原理如图7所示。

图7中，主变压器是船舶大功率日用中压变压器，充磁变压器通过接触器Q2和Q3与主变压器并联。在工作的时候，首先依次合上断路器Q2和Q3，给主变压器充磁经过3秒延时后，合上Q1，给主变压器供电，再经过1秒后，断开Q2和Q3，主变压器正常供电。

采用预充磁变压器抑制变压器控制合闸涌流的基本思想是：在主变压器合闸前，通过预充磁变压器给主变压器进行供电充磁，在主变压器中形成稳定的额定磁场，这样在主变压器投入供电的时候已经进入稳态，就不会造成饱和，产生励磁涌流。

采用预充磁技术之后，变压器的原边电流如图8所示，可见峰值电流的幅值大大降低，相电流最大值不超过0.5A，而且在不同的时刻合闸，都不会产生电流冲击。

4 结论

大功率船用变压器在空载合闸的时候会在原边产生非常大的励磁涌流，对船舶电力系统的安全运行和变压器本身安全造成危害。当三相变压器投入运行的时候，在任意时刻合闸，至少有两相电流非常大，因此靠选择开关时刻来限制合闸电流的方法是不可行的。此外，励磁涌流中包含非常大的奇次谐波和直流分量。由于船用变压器采用三相三线系统，变压器本身不存在中性点，因此采用中性点电阻抑制浪涌电流的方法也不适用，本文采用了预充磁技术来限制变压器励磁涌流，即在主变压器投入之间，通过一个小容量变压器来为主变压器充磁，在主变压器铁心中建立稳定的磁场之后在接入主变压器，这样就不会产生励磁涌流了，仿真结果证明了该方法的有效性。

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Magnetizing Inrush Current Control of Ship Transformer Using Pre-exciting Technology

Sun Mingming1， Yu Fei2，Yang Feng2
（1.Army Unit 91388，Dalian 116041，Liaoning，China； 2.College of Electrical Engineering and Science， Naval University of Engineering，Wuhan 430033， China）

In the ship with medium voltage in the electric power system， low voltag loads are fed by a large power transformer . When switching on， the primary side of transformer will produce very high current， which would endanger the safe operation of power for ships. The mechanism and characteristics of magnetizing inrush current are analyzed when the transformer switches with no load. We think that the reason caused magnetizing inrush current is transformers saturation. Pre-excitation is presented through a small volume transformer magnetizing method of suppressing the inrush current of transformer，and the effect of suppressing the inrush current of transformer is validated by simulation and experiments.

shipboard transformer； pre-excitation； magnetizing inrush current， suppression

TM421

A

1003-4862（2016）07-0061-05

2016-02-15

孙铭明（1975-），男，工程师。研究方向：船舶电力工程。