变压器预充磁仿真技术研究

顾雪晨



变压器预充磁仿真技术研究

顾雪晨

（海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室，上海 200011）

为了有效降低变压器在空载合闸瞬间产生的励磁涌流，本文通过对变压器一次侧串电阻、并联变压器两种预充磁技术进行了仿真分析。同时为了验证所得到的仿真结果是否可信，构建了仿真试验平台。最终证明了所得的仿真结果能够较好的反应实际系统，也说明了变压器在空载合闸时产生的励磁涌流，不但与所选择的预充磁变压器容量有关，还与预充磁变压器接入电网的合闸时间有关。

预充磁技术 仿真 励磁涌流

0 引言

变压器作为船舶电力系统中联结中压电网与低压电网的系统，对电网的起着重大作用。 为了减小变压器励磁涌流带给电网的影响，一般会采用预充磁技术。有文献采用变压器一次侧串接电阻。先合闸电阻支路，延时后将电阻支路短路，将变压器投入电网运行。也有文献提出采用选相分合闸技术，要求断路器能分相合闸，通过检测变压器中某一相的剩磁来确定此相的合闸相角，继而使此相绕组暂态为零，然后通过一定的延时合上另外两相[2]。本文主要通过仿真技术分析电网串电阻、并联变压器两种预充磁技术的预充磁效果。

1 电网串电阻

1.1 仿真模型的建立

本文以MATLAB仿真工具为平台，研究串电阻预充磁方法的预充磁效果。并构建实物仿真平台进行验证。其中电网电压为380 V，推进变压器选用容量30 kVA、电压比400 V/400V、阻抗电压3.38%、连接级别为Dy11的变压器。预充磁电阻选用90 Ω电阻进行仿真研究和实物验证。推进变压器副边连接整流桥、电容，其中电容值为470 μF。图1为所研究串电阻系统的单线图。本文主要从电阻串接电网中的时间短暂、充裕分别进行考虑。

1.2预充磁电阻合闸时间充裕

4.1.3 区位优势发挥不充分 ITC官方网站统计数据显示,日本、中国台湾、中国香港、新加坡、马来西亚、越南、泰国、韩国等周边国家和地区2017年共计进口甘薯7 364.9万美元(不含甘薯淀粉和甘薯粉丝),占当年世界甘薯进口贸易总额的15%,是当年中国甘薯出口总额的1.3倍以上(表4)．而当年除中国香港、越南和中国澳门地区外,中国出口到这些周边国家和地区的甘薯出口市场占有率均不高．周边重要甘薯进口市场日本、韩国、泰国、新加坡、马来西亚等国家市场占有率均不超过10%．

以90 Ω预充磁电阻为例进行仿真分析，设置断路器1开关在0.02 s合闸，3 s后断开断路器1，合闸断路器2。仿真类型选择Discrete，=1e-5 s。仿真算法设为ode23tb。仿真时间3 s后，最终得：

断路器1前端电流仿真波形见图2。所构建的实际系统断路器1前端电流波形如图3所示。

由图2、图3可知：实际系统：预充磁电阻在断路器1合闸瞬间产生的冲击电流为3.1 A，断路器2合闸瞬间所得的二次冲击电流为12.3A。

仿真系统：预充磁电阻在断路器1合闸瞬间产生的冲击电流为3.4 A，断路器2合闸瞬间所得的二次冲击电流为12.3 A。

根据上述所得结果，可得所建立的90 Ω预充磁电阻仿真模型基本能够较为准确的反应实际系统特性。

1.3 预充磁合闸时间短暂

为更好的验证预充磁电阻在接入电网中断路器1、断路器2两次合闸时所产生的冲击电流大小是否与断路器1合闸时间长短有关，本研究对预充磁电阻系统中的断路器1合闸时间长短进行仿真研究。设断路器1在=0.02 s合闸，=0.5s断开，并合闸断路器2，经过2s仿真时间结束。最终得断路器1前端电流波形图如图4所示。

实际系统90 Ω预充磁电阻进行相应的断路器1合闸时间短暂试验，得：合闸时间短暂的预充磁电阻系统断路器1前端电流波形图如图5所示。

由图4、图5所示可知，仿真系统：断路器1合闸瞬间，电网中产生的冲击电流为3.35 A。断路器2合闸瞬间，电网中产生的冲击电流为16 A。

实际系统：断路器1合闸瞬间，电网中产生的冲击电流为3.25 A。断路器2合闸瞬间，电网中产生的冲击电流为17.1 A。

对于所构建的系统，未加入电阻时，变压器在合闸瞬间产生的励磁涌流是很大的。设变压器0.02 s合闸，经过2 s仿真，得变压器一次侧在合闸瞬间的电流波形图如图6所示。由图中可以看出，变压器一次侧在合闸瞬间，电网所产生的预充磁电流值约为31 A。而变压器一次侧串电阻后，合闸时间充裕情况下的二次冲击电流为12.3 A，合闸时间短暂情况的二次冲击电流为17.1 A，降低了变压器合闸瞬间产生的励磁涌流。

2 电网并联变压器

以上述推进变压器为例，进行不同容量等级的预充磁变压器研究。电网电压380 V，推进变压器容量为30 kVA、电压比400 V/400 V、阻抗电压3.38%、连接级别Dy11。所选预充磁变压器容量分别为40 VA、400 VA，电压比为380 V/400 V，阻抗电压4%。

2.1 40VA预充磁变压器

图7为所研究的系统单线图。依据此并结合MATLAB仿真平台建立相应的预充磁变压器仿真模型。仿真过程中，断路器1合闸0.5 s后断开，断路器2合闸。仿真1s后，得到推进变压器的原边电流如图8所示。其中断路器1合闸瞬间产生的冲击电流为3.58 A，断路器2合闸瞬间产生的冲击电流为22 A。

为更好的验证所建立的40 VA预充磁变压器仿真模型是否正确，建立相应的实际系统。经过试验，最终得：实际系统的推进变压器原边电流曲线如图9所示。其中断路器1合闸瞬间推进变压器原边所产生的冲击电流为2 A，断路器2合闸瞬间所产生的冲击电流为20.9 A。

由以上结果可知：所建立的40 VA预充磁变压器仿真模型与实际系统的推进变压器原边电流大小基本一致，能够较好地反映实际系统的特性。

2.2 400VA预充磁变压器

以400 VA预充磁变压器为例，进行不同容量等级的预充磁变压器方案研究。断路器1合闸时间设为1s，经过2 s仿真时间，最终得：推进变压器原边电流在断路器1合闸瞬间产生的冲击电流峰值约为22.9 A。1 s后断路器1断开，断路器2合闸瞬间产生的冲击电流峰值约为6.9 A。图10为所得的推进变压器原边电流仿真波形图。

为验证所建立的400 VA预充磁变压器仿真模型是否正确，建立相应的实际系统进行对比分析。经过试验，最终得实际系统的断路器1在合闸瞬间推进变压器原边产生的冲击电流约为22.3 A，断路器2合闸瞬间产生的冲击电流约为1.4 A。其中图11为推进变压器原边电流的实际波形图。

由以上仿真结果可知：所建立的400 VA预充磁变压器仿真模型，在断路器1合闸瞬间推进变压器产生的冲击电流基本一致。断路器2合闸时仿真所得的冲击电流较大。可知：40 VA预充磁变压器在断路器二次合闸瞬间产生的冲击电流较大。400 VA预充磁变压器则正好相反，在断路器一次合闸瞬间产生的冲击电流较大。

3 结论

本文分别对电网串接电阻、并联变压器两种预充磁技术进行仿真研究和试验验证，证明了这两种预充磁方法可以较好的降低变压器在空载合闸时产生的励磁涌流。同时为验证所研究的仿真系统是否能较好的反映实际系统，构建了相应的试验验证平台，所得试验结果也较好地证明了所建立仿真模型的准确性。变压器在空载合闸时产生的励磁涌流，不但与所选择的预充磁变压器容量有关，还与预充磁变压器接入电网的合闸时间有关。

[1] 邰能灵,王鹏等. 大型船舶电力系统关键技术与应用[M]. 科学出版社, 2012.

[2] Runke J H，Frohlich K J. Elimination of transformer inrush currents by controlled switching–part I: Theoretical considerations. IEEE Transactions on Power Delivery, 2001,16(2):276-280.

Research on the Simulation of Pre-magnetization of transformer

Gu Xuechen

(Naval Representatives Office in shipbuilding of Ship design research in shanghai, shanghai 200011, China)

TM422

A

1003-4862（2015）01-0005-04

2014-03-28

顾雪晨（1981-），男。研究方向：电力系统。