基于岸基变频电源抑制船用变压器励磁涌流的研究

2018-03-29马林英夏文浩

机电信息 2018年9期

武猛赵斌马林英夏文浩陈硕

（神华粤电珠海港煤炭码头有限责任公司，广东珠海519050）

0 引言

随着岸电技术的不断成熟，越来越多的靠港船舶在靠港期间采用岸基供电系统供电，对于一些大型船舶来说，一般采用高压上船技术，再根据船上实际需要，通过变压器将高压电源变成船侧可用的电源。特别要注意的是，有些船舶船上采用60 Hz的电源，而我国的供电系统一般为50 Hz，因此岸基供电系统就要求是变频电源。

而电力变压器在合闸瞬间，由于变压器铁芯磁通的饱和及铁芯材料的非线性，会产生幅值相当大的激磁涌流，由于变频电源变频装置的功率元器件过载能力有限，船侧变压器在送电时的励磁涌流会对变频电源造成很大冲击，极易发生电源侧保护装置跳闸现象。

1 励磁涌流产生的原因

变压器的一次、二次线圈是相互绝缘的，没有电气上的联系，变压器之所以能够将电能从一次侧传递到二次侧，依靠的是磁场和磁感应。而在这个传递中，磁通是主要的参数，它表征电感线圈储存的能量，而能量是不可能产生突变的，其在变压器运行的任何阶段都应保持一个连续性。如果在变压器系统中，磁通这个参数有两个相差极大的状态（不通电、通电运行），那么在这两个状态中间就会有一个过渡的过程。

对于交流电路，U=dΦ/dt，且U=Umsin ωt，则有Φ=Um/ω×cos（ωt+90°）。由公式可以看出磁通Φ的相位角落后电压90°。

励磁涌流主要是由磁通变化产生，不同初始电压的情况下，磁通引起励磁涌流的情况如下：

（1）变压器合闸瞬间电压恰好为最大值时的磁通变化：在合闸瞬间，电压正好达到最大值Um时，由于磁通Φ的相位角落后电压90°，此时，瞬时磁通Φ应为0，变压器不会产生励磁涌流。

（2）变压器合闸瞬间电压为零时的磁通变化：当合闸瞬间电压为零时，由于磁通和电压的相位关系，其在铁芯中所建立的磁通为最大值（-Φm）。由于铁芯磁通不能突变，合闸前没有磁通，这一瞬间就仍要保持磁通为零，因此在铁芯中就会出现一个非周期分量的磁通Φfz，其值为Φm。铁芯的总磁通可以看成两磁通叠加而成（一个是过渡过程引起的非周期分量Φfz，一个是变压器励磁所需的正常磁通，最大值为Φm），铁芯中初始磁通为零，但当1/2T时，两磁通同向叠加，达到最大值，幅值约为两倍的Φm。若合闸前变压器仍有剩磁，最大磁通可能会更大。

另外，变压器绕组的励磁电流和磁通的关系由磁化特性决定。由于铁磁材料磁化曲线的非线性特性，当磁场接近饱和时，磁场的微量增长需要励磁电流的成倍增长来对应，合闸瞬间，铁芯中磁通密度最大值可达两倍的Φm甚至更大，这时铁芯饱和情况非常严重，因此励磁电流的数值增大，励磁涌流比空载电流大100倍左右。

因此，合闸瞬间电压为零时励磁涌流最严重，其他情况励磁涌流介于两者之间。

2 励磁涌流的解决方案

励磁涌流的产生与铁芯的饱和程度有直接关系，同时变压器铁芯的剩磁和变压器合闸瞬间的电压相位角也可以影响其峰值大小。变压器励磁涌流主要有如下特点：

（1）变压器励磁涌流含有大量的高次谐波分量，主要是偶次谐波，因此，励磁涌流的变化曲线为尖顶波。

（2）励磁涌流的衰减与铁芯的饱和程度有关，饱和程度越深，衰减越快。因此，在励磁涌流开始的瞬间衰减很快，随后逐渐减慢，经0.5～1 s后其峰值不超过（0.25～0.5）In。

（3）一般来说，变压器容量越大，其励磁涌流衰减的时间就越长。

（4）励磁涌流的峰值很大，最大可达变压器额定电流的6～8倍。

在电力系统中，抑制变压器空载合闸时的励磁涌流的常用方法有：

（1）合理选择船用变压器，改善变压器合闸瞬间铁芯磁饱和情况。

（2）变压器合闸时串入闭合阻抗，达到抑流的效果，当达到稳定运行时再切除该电阻，这是目前广泛采用的抑制励磁涌流的方法。

（3）带负载合闸。合闸瞬间二次侧带负载，其原理是利用变压器二次侧的反电动势来抑制一次侧电压，从而减小变压器空载合闸的励磁涌流。

（4）控制相位角合闸。通过控制电源相位角，在电源电压波形达到最大值的瞬间合闸，此时回路中的励磁涌流可降至最低。

（5）降低剩磁。根据前面的分析可知，减少变压器的剩磁可以降低励磁涌流的最大值。

（6）降压软启。若电源具备变频、软启动功能，可以根据给定电压曲线进行降压启动。此方法需要船侧高压开关柜合闸，由变频器带动变压器将电压按设置曲线提升至额定值。

3 实际应用案例

对于带变频电源的岸电系统，在船侧变压器送电瞬间，其励磁涌流对变频电源会造成很大冲击，特别是对变频电源的功率元器件会造成较大影响，极易发生功率元件保护装置过流跳闸现象。

神华珠海煤码头的2 MVA船舶岸基供电系统在送电调试时就遇到过类似的情况。该系统为高压变频电源，其将10 kV/50 Hz的工业电源转换成6 kV/50 Hz及6.6 kV/60 Hz的船用电源（图1），在船舶靠泊期间给船舶供电。船侧变压器一般为1 600 kVA/60 Hz的船用变压器，在系统调试过程中，频频发生变压器在送电过程中导致岸侧电源内变频模块跳闸的现象，而且每次都是变频模块内部过流跳闸，现场检测到的冲击电流已经超过1 600 A，实际情况可能会更大，远超变频模块设定的速断值。

图1 珠海岸电侧电气结构

考虑岸电变频电源的特点，拟采用以下方法来抑制励磁涌流：

（1）软启动。变频电源具备软启动功能，可以进行电压软启动。

（2）岸侧回路串电阻，抑制励磁涌流。

（3）更改控制策略，降低励磁涌流。修改岸电变频电源控制策略，在检测到瞬间过流信号时，变频电源瞬间降低输出电压至设定值，将励磁涌流抑制到变频器可耐受保护范围内。在船用变压器欠压保护动作时间内，迅速升压至额定值。

在综合考虑船侧供电系统实际后，确定采用降压以及串电阻的措施共同抑制变压器的励磁涌流。主要方法如下：（1）在启动变频器之前，先行在变频电源上串联电阻；（2）随后将变频器输出电压降至5.7 kV，保证船侧失压保护不动作；（3）船侧变压器合闸；（4）切除变频电源串联电阻，并将输出电压恢复至6.6 kV；（5）船侧同期并网。

将以上两种励磁涌流抑制方法组合使用，可以完美地避免励磁涌流对变频器功率元件的冲击，将变压器送电瞬间的励磁涌流控制在变频电源允许的范围之内，保证岸电系统的可靠运行。