推進變壓器軟啟動過程仿真分析

周艷紅，何婧，朱軍

推進變壓器軟啟動過程仿真分析

周艷紅，何婧，朱軍

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文通過分析電力變壓器的交流勵磁原理，建立含飽和特性曲線的電力變壓器模型，對變壓器空載合閘時的勵磁涌流情況進行了仿真和實驗。

推進變壓器 勵磁涌流 軟啟動

0 引言

推進變壓器在空載合閘投人船用電網(wǎng)時，由于變壓器鐵芯磁通的飽和及鐵芯材料的非線性特性，會產(chǎn)生幅值相當(dāng)大的勵磁涌流，由此可能導(dǎo)致變壓器差動保護誤動作，船用電網(wǎng)波動，同時造成繞組變形，從而減少變壓器壽命。通常采取在合閘回路串聯(lián)電阻來限制涌流的幅值和暫態(tài)過程。

本文將對如何建立含有磁滯飽和特性變壓器模型及和變壓器合閘時勵磁涌流情況進行分析，并討論充磁電阻參數(shù)的工程計算方法。

1 變壓器仿真模型研究

1.1 變壓器特性

鐵磁材料的磁特性是由鐵磁材料的基本磁化特性（飽和特性）和磁滯特性共同決定的。

圖1(a)中，中間一條曲線為基本磁化曲線，記為B=f()，它反映了材料在不考慮磁滯的情況下，磁密和磁場強度之間的對應(yīng)關(guān)系，反映了材料的飽和特性。左右兩條曲線是由基本磁化曲線分別左移或右移Hm (矯頑力)后形成的。它們反映了材料的磁滯極限。

由以上鐵磁材料的特性可以看出，變壓器的磁滯回線擬合可以通過測試若干點的值，如剩磁，矯頑電流，飽和電流與飽和磁通等可以近似得出其運行規(guī)律，但是同時由于這種特性的存在，使得在某個具體的時間點上，即使知道電流值，但與之對應(yīng)的磁通的具體數(shù)值很難確定，除非有足夠多和足夠精確的曲線簇可供查找。在實際中，停用變壓器時，即使系統(tǒng)電壓已被切斷，而變壓器的勵磁涌流也已降為零，即=0時，但其鐵心中的磁通并不隨之降為零，而是沿著鐵心的磁滯特性環(huán)（hysteresis loop），回降至某一程度的剩磁值（residual flux），該值的大小與系統(tǒng)條件及操作情況均有關(guān)聯(lián)，很難有一個確定值，因此在分析變壓器涌流時，應(yīng)以最惡劣的情況予以考慮。

1.2 空載投入電網(wǎng)時變壓器的沖擊電流

當(dāng)變壓器空載投入電網(wǎng)時，可能出現(xiàn)瞬態(tài)電流沖擊，引起跳閘。

當(dāng)變壓器二次側(cè)開路，一次側(cè)投入電網(wǎng)時，一次側(cè)的電壓方程為

由以上分析可以看出，變壓器空載合閘時勵磁涌流的大小是由剩磁（磁滯效應(yīng)）和合閘相位角共同決定的，它的本質(zhì)原因是鐵磁材料的非線性特性。

事實上，隨著時間的推移，自由分量將逐步衰減，衰減的速度取決于時間常數(shù)＝1。大型變壓器衰減的較慢，有的衰減過程可達幾秒以上，使一次線路的過電流保護裝置動作，引起跳閘。為此大型變壓器在投入電源時，常在一次繞組中串入一個電阻，以減少沖擊電流的幅值并加快其衰減，投入后再將該電阻切除。

1.3 變壓器仿真模型

為了進一步的分析變壓器的勵磁涌流現(xiàn)象，及尋找相應(yīng)對策，在MATLAB仿真軟件平臺上對變壓器的飽和特性進行模擬。Simulink中的電力系統(tǒng)仿真模塊庫（Power System Block）提供了雙/三繞組飽和變壓器模塊，其鐵心的磁化特性用一個表示鐵心有功損耗的電阻Rm和一個飽和電感Lsat模擬。

電力變壓器的飽和特性有兩種類型輸入：

2 仿真驗證

由于此時認(rèn)為剩磁為0，因此仿真結(jié)果對3相線電流除相位不同外，具有相同的參考性。由圖6可以看出，線電流IA在開關(guān)合閘瞬間的電流值與UAB形狀類似，滯后30°，勵磁電流峰值的正向最大值出現(xiàn)在-90°和-30°，負(fù)向最大值出現(xiàn)在90°和150°。AB繞組上的激磁電流Iexc_A與UAB同相位，勵磁電流峰值正向最大值出現(xiàn)在-90°，負(fù)向最大值90°。分析如下。

定義三相變壓器三角形連接的原邊繞組空載電流的流向如圖7，其中Iexc表示各原邊繞組的激磁電流，由圖可以看出，A相線電流IA=Iexc_a-lexc_c。

3 實測對比波形

根據(jù)常規(guī)預(yù)充磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建試驗系統(tǒng)，如圖9所示。

因為實際系統(tǒng)在實驗過程中，連接的是公用電網(wǎng)，電網(wǎng)側(cè)阻抗相對于充磁電阻而言可以忽略，因此在仿真回路中用理想3相電源模型模擬電網(wǎng)進行仿真。

實測波形（推進變壓器副方電壓UBA與輸入線電流IA）與仿真波形見圖10。

4 結(jié)束語

本文通過建立含有磁滯飽和特性變壓器模型，和變壓器合閘時勵磁涌流情況的仿真，對勵磁涌流的大小與變壓器等值阻抗、合閘初相角、剩磁大小等因素的關(guān)系進行分析，并通過試驗予以驗證。

[1] 湯蘊璆, 史乃. 電機學(xué). 北京：機械工業(yè)出版社，2003.

Simulation of Soft Starting of Propulsion Transformer

Zhou Yanhong，He jing，Zhu Jun

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM433

A

1003-4862（2014）09-0032-04

2014-07-15

國家科技支撐計劃項目（2012BAG03B01）

周艷紅（1978-），女，高級工程師。研究方向：電力電子與電氣傳動。