变压器预充磁装置在港口起重机上的应用

曾含利 赵 阳

(武汉港务集团有限公司 武汉 430010)

1 问题的提出

通常大功率的起重机电气设备都是高压10 kV上机，由一个大容量的变压器降压后给机上电气设备供电，这个变压器的安全性和稳定性对整个系统的正常运行十分重要。在变压器正常运行时产生的励磁电流只是额定电流的1%～2%[1]；而在变压器空载合闸瞬间，会产生幅值达到变压器的额定电流的数十倍的励磁涌流。这种大励磁涌流会导致保护装置动作，使合闸投入不成功，并产生电网电压的骤升和骤降、操作过电压、谐波畸变等，给电力系统运行带来较大的影响[2]。

目前抑制变压器合闸涌流问题，主要采取的方法包括串接电阻器、选相位分相合闸、并接电容器等。其中：

1) 串接电阻器的方法是在变压器的一次侧串联电阻，先合闸电阻支路，延时后将电阻支路断开，再投入变压器。该方法能限制励磁涌流的大小，但是电阻器成本较高，而且增加了操作的复杂性。

2) 选相位分相合闸是对断路器的分合闸时间进行分相控制，在合闸选择适当的系统电压或电流的初相角，以预感磁通预剩磁相等的时刻为最佳合闸时刻，这样可以避免变压器铁芯磁通的饱和，抑制励磁涌流的产生。但是该方法需要考虑剩磁的影响，由于剩磁的方向和大小很难测定，因此在现实中存在着一定的困难[3]。

3) 并接电容器的方法是在变压器低压侧并联电容，使低压侧产生的磁通极性和高压侧磁通极性相反，相互抵消，抑制绕组内磁通达到饱和，从而防止空载合闸时励磁涌流的产生。但是电容的大小难以确定，因此在实际应用中该方法很少采用。

本文介绍一种可以抑制变压器励磁涌流的装置，能够在主变压器合闸之前，对主变压器进行预励磁，以减少励磁电流对主变压器的冲击及对周围电网的影响。

2 原理分析

2.1 产生励磁涌流的原因

在变压器空载合闸时，由于变压器铁芯剩磁的影响，以及合闸初相角的随机性会使铁芯磁通趋于饱和，文献[4]推导了在给变压器加上电压U1的瞬间，初级电压的相位角为α时变压器磁路中的磁通组成公式。

(1)

2.2 抑制涌流的方法

根据磁链守恒定律，联接在同一回路中的所有电感磁链在换路瞬间守恒，可知偏磁Φp是在合闸瞬间为维持磁通的初始状态不变而产生的，如果在合闸时变压器铁芯中已经存在一定的磁通，则偏磁Φp将降低。所以可以在变压器的原边或副边用一定电流值的电源对变压器进行预充磁，用预充磁变压器产生的磁通去维持铁芯中磁通的初始状态，降低非周期分量的幅值，由此产生合成磁通将比没有进行预充磁时的大为减小，从而达到抑制励磁涌流的目的。

3 预充磁装置设计

根据以上原理设计的变压器预充磁装置主要是由小容量变压器和接触器等组成。变压器预充磁装置在起重机电控系统中的连接方式如图1所示。

图1 起重机上预充磁装置连接系统图

T1为原岸桥电控系统的主变压器，负责为岸桥各工作电机M的驱动器INV供电，T2为辅助变压器，负责岸桥上照明等辅助设备供电，虚线框内为预充磁装置，预充磁装置连接在主变压器T1和辅助变压器T2之间。主变压器通电T1之前对T1副边进行预充磁，T2合闸，接触器KM1和KM2接通，预充磁变压器T3给主变压器T1的副边线圈提供稳态的交变磁通后，主变压器再合闸。由于内部磁通稳定不会突变，冲击电流也就随之消失。主变压器正常工作后，接触器KM1和KM2断开，预充磁回路与主回路断开。

预充磁变压器的容量一般取主变压器的1%～3%，其变比由与主变压器和辅助变压器的连接方式决定。考虑预充磁装置的成本，预充磁装置一般接在主变压器和辅助变压器低压侧之间，则预充磁变压器的一次侧和二次侧电压即为主、辅助变压器的低压侧电压值。

装置中的限流电阻R，可以降低预充磁回路的冲击电流，待电流衰减到额定电流之内时接通接触器KM3，将限流电阻切除。

由于主变压器和辅助变压器的连接组别可能是多种多样的，所以在设计时必须注意选择适当的预充磁变压器的连接组别，防止造成短路。

4 实际应用

目前该变压器预充磁装置已经在港口起重机上予以应用。武汉港集装箱有限公司101号岸桥，机上电源10 kV高压上电，主变压器3 150 kVA，变比为10 kV/400V，连接组别为DYn11，辅助变压器为200 kVA，变比为10 kV/400V，连接组别为DYn11。预充磁变压器为25 kVA，变比为400 V/400 V，连接组别为Yyn0。变压器预充磁装置中还配有PLC(可编程逻辑控制器)，在主变压器合闸时，自动控制预充磁回路的通断，还可以与机上电控系统通讯，报告故障诊断。

5 节能计算分析

在未安装预充磁装置之前，为避免变压器合闸涌流的危害，主变压器会长期通电不分闸，即使在起重机长期不工作时也不断电，造成很大的电能损耗。变压器的损耗包含变压器的空载损耗和附加损耗，其中不同容量变压器的空载损耗见表1，其他附加损耗(电抗器，风机等损耗)为变压器容量的0.2%。

表1 不同容量的变压器空载损耗表

变压器在使用预充磁装置之后，起重机不工作时，主变压器可以断电。与不断电相比，1年的节能计算式为

节能(kW·h)=[主变压器空载损耗(kW)+附加损耗(kW)]×[1-岸桥作业率(%)]×24(h/d)× 365(d)

1年可节约的成本(元)=节能(kW·h)×平均电费(元/ kW·h)。

例如，一台3 150 kVA主变压器空载损耗约为4.08 kW，其它附加损耗约为6.3 kW，岸桥作业率为40%，平均电费为1.0元/kW·h，则加装预充磁装置后，1年可节约成本为：

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

6 结语

本文从变压器空载合闸涌流产生的机理出发，提出一种设计变压器预充磁装置的方法，并对投入预充磁装置后节能效果和节约的成本进行了计算。这种预充磁装置不仅已经在港口起重机上广泛应用，在船用大容量变压器上也已应用，通过该方法的实施，可以有效抑制变压器空载合闸时产生的涌流，避免了涌流带来的危害，并且变压器可以在不工作时断开，工作时投入，大大减少了变压器的空载损耗，达到节能的目的。