變壓器預充磁裝置在港口起重機上的應用

曾含利 趙 陽

(武漢港務集團有限公司 武漢 430010)

1 問題的提出

通常大功率的起重機電氣設備都是高壓10 kV上機，由一個大容量的變壓器降壓后給機上電氣設備供電，這個變壓器的安全性和穩定性對整個系統的正常運行十分重要。在變壓器正常運行時產生的勵磁電流只是額定電流的1%～2%[1]；而在變壓器空載合閘瞬間，會產生幅值達到變壓器的額定電流的數十倍的勵磁涌流。這種大勵磁涌流會導致保護裝置動作，使合閘投入不成功，并產生電網電壓的驟升和驟降、操作過電壓、諧波畸變等，給電力系統運行帶來較大的影響[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串聯電阻，先合閘電阻支路，延時后將電阻支路斷開，再投入變壓器。該方法能限制勵磁涌流的大小，但是電阻器成本較高，而且增加了操作的復雜性。

2) 選相位分相合閘是對斷路器的分合閘時間進行分相控制，在合閘選擇適當的系統電壓或電流的初相角，以預感磁通預剩磁相等的時刻為最佳合閘時刻，這樣可以避免變壓器鐵芯磁通的飽和，抑制勵磁涌流的產生。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定，因此在現實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并聯電容，使低壓側產生的磁通極性和高壓側磁通極性相反，相互抵消，抑制繞組內磁通達到飽和，從而防止空載合閘時勵磁涌流的產生。但是電容的大小難以確定，因此在實際應用中該方法很少采用。

本文介紹一種可以抑制變壓器勵磁涌流的裝置，能夠在主變壓器合閘之前，對主變壓器進行預勵磁，以減少勵磁電流對主變壓器的沖擊及對周圍電網的影響。

2 原理分析

2.1 產生勵磁涌流的原因

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

(1)

2.2 抑制涌流的方法

根據磁鏈守恒定律，聯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不變而產生的，如果在合閘時變壓器鐵芯中已經存在一定的磁通，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變壓器進行預充磁，用預充磁變壓器產生的磁通去維持鐵芯中磁通的初始狀態，降低非周期分量的幅值，由此產生合成磁通將比沒有進行預充磁時的大為減小，從而達到抑制勵磁涌流的目的。

3 預充磁裝置設計

根據以上原理設計的變壓器預充磁裝置主要是由小容量變壓器和接觸器等組成。變壓器預充磁裝置在起重機電控系統中的連接方式如圖1所示。

圖1 起重機上預充磁裝置連接系統圖

T1為原岸橋電控系統的主變壓器，負責為岸橋各工作電機M的驅動器INV供電，T2為輔助變壓器，負責岸橋上照明等輔助設備供電，虛線框內為預充磁裝置，預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T1副邊進行預充磁，T2合閘，接觸器KM1和KM2接通，預充磁變壓器T3給主變壓器T1的副邊線圈提供穩態的交變磁通后，主變壓器再合閘。由于內部磁通穩定不會突變，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，預充磁回路與主回路斷開。

預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決定。考慮預充磁裝置的成本，預充磁裝置一般接在主變壓器和輔助變壓器低壓側之間，則預充磁變壓器的一次側和二次側電壓即為主、輔助變壓器的低壓側電壓值。

裝置中的限流電阻R，可以降低預充磁回路的沖擊電流，待電流衰減到額定電流之內時接通接觸器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，所以在設計時必須注意選擇適當的預充磁變壓器的連接組別，防止造成短路。

4 實際應用

目前該變壓器預充磁裝置已經在港口起重機上予以應用。武漢港集裝箱有限公司101號岸橋，機上電源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，自動控制預充磁回路的通斷，還可以與機上電控系統通訊，報告故障診斷。

5 節能計算分析

在未安裝預充磁裝置之前，為避免變壓器合閘涌流的危害，主變壓器會長期通電不分閘，即使在起重機長期不工作時也不斷電，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，風機等損耗)為變壓器容量的0.2%。

表1 不同容量的變壓器空載損耗表

變壓器在使用預充磁裝置之后，起重機不工作時，主變壓器可以斷電。與不斷電相比，1年的節能計算式為

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

1年可節約的成本(元)=節能(kW·h)×平均電費(元/ kW·h)。

例如，一臺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，岸橋作業率為40%，平均電費為1.0元/kW·h，則加裝預充磁裝置后，1年可節約成本為：

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

6 結語

本文從變壓器空載合閘涌流產生的機理出發，提出一種設計變壓器預充磁裝置的方法，并對投入預充磁裝置后節能效果和節約的成本進行了計算。這種預充磁裝置不僅已經在港口起重機上廣泛應用，在船用大容量變壓器上也已應用，通過該方法的實施，可以有效抑制變壓器空載合閘時產生的涌流，避免了涌流帶來的危害，并且變壓器可以在不工作時斷開，工作時投入，大大減少了變壓器的空載損耗，達到節能的目的。