推进变压器软启动过程仿真分析

2014-05-07周艳红何婧朱军

船电技术 2014年9期

关键词：剩磁合闸励磁

周艳红，何婧，朱军

推进变压器软启动过程仿真分析

周艳红，何婧，朱军

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文通过分析电力变压器的交流励磁原理，建立含饱和特性曲线的电力变压器模型，对变压器空载合闸时的励磁涌流情况进行了仿真和实验。

推进变压器励磁涌流软启动

0 引言

推进变压器在空载合闸投人船用电网时，由于变压器铁芯磁通的饱和及铁芯材料的非线性特性，会产生幅值相当大的励磁涌流，由此可能导致变压器差动保护误动作，船用电网波动，同时造成绕组变形，从而减少变压器寿命。通常采取在合闸回路串联电阻来限制涌流的幅值和暂态过程。

本文将对如何建立含有磁滞饱和特性变压器模型及和变压器合闸时励磁涌流情况进行分析，并讨论充磁电阻参数的工程计算方法。

1 变压器仿真模型研究

1.1 变压器特性

铁磁材料的磁特性是由铁磁材料的基本磁化特性（饱和特性）和磁滞特性共同决定的。

图1(a)中，中间一条曲线为基本磁化曲线，记为B=f()，它反映了材料在不考虑磁滞的情况下，磁密和磁场强度之间的对应关系，反映了材料的饱和特性。左右两条曲线是由基本磁化曲线分别左移或右移Hm (矫顽力)后形成的。它们反映了材料的磁滞极限。

由以上铁磁材料的特性可以看出，变压器的磁滞回线拟合可以通过测试若干点的值，如剩磁，矫顽电流，饱和电流与饱和磁通等可以近似得出其运行规律，但是同时由于这种特性的存在，使得在某个具体的时间点上，即使知道电流值，但与之对应的磁通的具体数值很难确定，除非有足够多和足够精确的曲线簇可供查找。在实际中，停用变压器时，即使系统电压已被切断，而变压器的励磁涌流也已降为零，即=0时，但其铁心中的磁通并不随之降为零，而是沿着铁心的磁滞特性环（hysteresis loop），回降至某一程度的剩磁值（residual flux），该值的大小与系统条件及操作情况均有关联，很难有一个确定值，因此在分析变压器涌流时，应以最恶劣的情况予以考虑。

1.2 空载投入电网时变压器的冲击电流

当变压器空载投入电网时，可能出现瞬态电流冲击，引起跳闸。

当变压器二次侧开路，一次侧投入电网时，一次侧的电压方程为

由以上分析可以看出，变压器空载合闸时励磁涌流的大小是由剩磁（磁滞效应）和合闸相位角共同决定的，它的本质原因是铁磁材料的非线性特性。

事实上，随着时间的推移，自由分量将逐步衰减，衰减的速度取决于时间常数＝1。大型变压器衰减的较慢，有的衰减过程可达几秒以上，使一次线路的过电流保护装置动作，引起跳闸。为此大型变压器在投入电源时，常在一次绕组中串入一个电阻，以减少冲击电流的幅值并加快其衰减，投入后再将该电阻切除。

1.3 变压器仿真模型

为了进一步的分析变压器的励磁涌流现象，及寻找相应对策，在MATLAB仿真软件平台上对变压器的饱和特性进行模拟。Simulink中的电力系统仿真模块库（Power System Block）提供了双/三绕组饱和变压器模块，其铁心的磁化特性用一个表示铁心有功损耗的电阻Rm和一个饱和电感Lsat模拟。

电力变压器的饱和特性有两种类型输入：

2 仿真验证

由于此时认为剩磁为0，因此仿真结果对3相线电流除相位不同外，具有相同的参考性。由图6可以看出，线电流IA在开关合闸瞬间的电流值与UAB形状类似，滞后30°，励磁电流峰值的正向最大值出现在-90°和-30°，负向最大值出现在90°和150°。AB绕组上的激磁电流Iexc_A与UAB同相位，励磁电流峰值正向最大值出现在-90°，负向最大值90°。分析如下。