双电源切换装置负载变压器励磁涌流产生机理分析

2022-07-04李玉生

船电技术 2022年6期

关键词：铁心励磁直流

李玉生，何宇

李玉生1，何宇2

（1. 海装广州局，广州 510320；2. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

负载变压器会在双电源切换装置动作后产生严重的励磁涌流现象。本文分析了双电源切换装置切换流程及负载变压器磁通在电源切换各阶段的变化过程，得出切换过程中产生的磁通直流分量是引起励磁涌流现象发生的结论。

双电源切换装置负载变压器励磁涌流磁通直流分量

0 引言

当双电源切换装置应用到电力系统中高压等级时，双电源切换装置的负载侧一般设置有变压器。而负载侧变压器在双电源切换装置切换的过程中，由于磁通饱和，会产生严重的励磁涌流现象[1, 2]。

双电源切换装置负载变压器中产生的励磁涌流，可能引发变压器的保护装置误动作，使双电源切换装置投入备用电源失败。励磁涌流的电流值较大，可能造成变压器及双电源切换装置中的开关本体产生过大的电动力而损坏。励磁涌流含有直流分量可能造成电流互感器等测量装置的磁路被过度磁化而影响测量精度，进而可能引起继电保护装置误动作。励磁涌流含有大量谐波注入电网，会对电网电能质量造成影响[3, 4]。

针对上述现象，本文对双电源切换装置的负载侧变压器在切换过程中的励磁涌流产生过程进行了分析。

1 励磁涌流现象

铁磁材料的磁饱和现象能够由磁畴(Magnetic Domain)理论解释。铁磁材料可以看成由很多个小磁铁，即磁畴组成。平时各个磁畴的磁矩方向排列是混乱的，各个方向的磁矩都被互相抵消。因此总体看来，整个铁磁材料的总磁矩为0。当施加一个外部磁场时，铁磁材料内部的部分磁畴的磁矩方向转为与外磁场一致，此时整个铁磁材料产生一个与外磁场方向一致的宏观磁场。而当外部磁场达到一定强度时，整个铁磁材料中所有磁畴的磁矩方向转为与外磁场一致，此时铁磁材料进入磁饱和状态。

变压器铁心元件磁通电流原理图如图1所示，由于变压器中含有铁心元件，而铁磁元件存在磁饱和现象，随之产生变压器的磁饱和现象。在电流增大的过程中，形成的磁链增大，磁通到达保护区，从而电感值会出现非线性现象，导致励磁涌流现象的产生。因此励磁涌流的产生是变压器中磁通进入磁饱和区域导致。

图2 铁心磁化曲线

图3 两段式铁心磁化曲线

铁心磁化曲线如图2所示，可以看出随着电流的增加，铁心逐渐从不饱和状态进入饱和状态，把从不饱和状态进入饱和状态的拐点称为“膝点”。变压器设计时，一般把额定磁通密度选择在磁化曲线的膝点，变压器在额定电压下运行时，处于比较饱和的状态。为了简化分析过程，一般把磁通未达到“膝点”时的磁化曲线近似认为是直线，即形成的磁链与电流值成正比。研究变压器磁饱和现象时，常采用两段式的铁心磁化曲线模型[5]，即铁心磁化曲线由“膝点”分割成两段斜率不相同的直线，如图3所示。

2 系统切换原则和切换阶段

图4 带负载变压器的双电源切换装置拓扑图

本文研究的双电源切换装置拓扑图如图4所示，可以看到双电源切换装置常用侧和备用侧分别连接了两路独立的10 kV的电网电源，分别经过常用电源晶闸管和备用电源晶闸管，通过负载变压器后，对敏感负载进行供电。

双电源切换装置切换过程中，磁通的变化情况如图4所示。为了分析在切换过程中的负载变压器的磁通暂态变化过程，必须分析双电源切换装置切换暂态过程。

首先明确双电源切换装置的切换原则，目前切换原则有以下两种:

1）先断后合。即先断开常用电源，等待常用电源与负载完全断开后，再合上备用电源，从而保证常用电源和备用电源之间在切换过程中无相互并联现象。此种切换策略能够避免两个电源之间的并联运行，防止环流的产生，且能够保证常用电源电源侧故障不扩大到备用电源侧。

2）先合后断。即断开常用电源前，已经合上备用电源，常用电源在备用电源对负载供电后才断开与负载之间的连接。在切换过程中，常用电源与备用电源之间有短时并联现象。此切换原则下，负载的断电时间更短。但是两侧电源并联的时间段内，电源之间会有环流产生。这种切换策略一般运用于两侧电源同压同频同相的情况下。

根据国家标准：低压开关设备和控制设备，第6-1部分：多功能电气转换开关电气（GB/T 14048.11-2008）的规定，双电源切换装置采取先断后合的切换原则。为了防止两侧电源并联现象产生，在本文中，双电源切换装置采用“先断后合”的切换原则。在双电源切换装置先断后合的切换原则下，对负载侧变压器的磁通变化情况进行分析。

采用“先断后合”的策略，可以设计出如下的切换过程，切换过程大致分为以下五个阶段：

1）常用电源供电阶段。常用电源正常，常用电源侧三相晶闸管处于导通状态，备用电源侧三相晶闸管处于关断状态。负载由常用电源供电。

2）故障检测阶段。当常用电源发生故障时，双电源切换装置需要一定时间才能检测到故障发生。检测到常用电源故障时，双电源切换装置中断常用电源侧三相晶闸管的驱动信号。故障检测阶段中，负载和常用电源保持连接，负载侧电压电流等于常用电源电压电流，也产生电压跌落现象。

3）常用电源断开阶段。检测到常用电源发生故障后，控制器立即中断常用电源侧三相晶闸管的驱动信号。在常用电源侧晶闸管的驱动信号中断后，各相电流均会在第一个电流过零点变为零。三相电流会在不同的时间点变为零。

4）零位阶段。为防止两路电源在切换过程中产生并联现象，双电源切换装置在合上备用电源前，须检测到常用电源完全断开的信号。常用电源完全断开后，有一段检测开关量的时间。零位阶段中，负载与常用电源完全断开，且还未与备用电源连接，所以此阶段负载与两路电源全部断开。

5）备用电源供电阶段。在双电源切换装置控制器检测到常用电源完全断开后，立即发出备用电源侧晶闸管驱动信号。备用电源侧三相晶闸管导通，由备用电源对负载供电。

但如负载侧存在变压器等元器件，备用电源三相晶闸管同时导通则会导致负载侧变压器中产生明显的磁通直流分量，从而导致严重的励磁涌流现象。如要限制备用电源侧变压器产生的暂态电流，则备用电源各相需要根据磁通的情况分别在不同的时间点导通。

图5是基于上述阶段得出的切换控制流程图。

3 磁通直流分量产生过程

磁通直流分量是励磁涌流产生的原因，在切换过程中，磁通直流分量的产生和变化过程将在此节进行分析。对变压器中的磁通进行的分析都是基于在电网中广泛应用的DELTA/Y型心式变压器进行。DELTA/Y型心式变压器的初级线圈的接线方式在图6中描述。由图6可知，各个铁心柱的磁通都是由各个线电压产生的。

图5 切换过程流程图

图6 三相心式变压器的接线方式示意图

各个磁通可以由线电压积分得到，如式（1）所示：

在稳态运行时，负载侧变压器的三相电压对称，三相电压瞬时值之和为零。如式（2）所示：

由于磁通是电压的积分计算而来，所以相应的，负载侧三相变压器中三个铁心柱中的磁通瞬时值之和也为零，如式（3）所示：

图4中是负载侧线电压和其所对应的变压器中的铁心柱磁通在切换过程中的暂态过程。其中，①为常用电源供电阶段，②为故障检测阶段，③为常用电源断开阶段，④为零位阶段，⑤为备用电源供电阶段。

切换后的磁通值可以由式（4）计算得出：

首先常用电源正常，常用电源对负载供电，负载侧线电压等于常用电源线电压，是标准的三相正弦波，对应的铁心柱中的磁通是其积分值，所以磁通波形是一个滞后线电压波形90°的标准正弦波。

图5 切换过程中的电压和磁链暂态过程

图5中常用电源电压值跌落到0.5 p.u.，可以看出电压波形在故障时刻发生突变，前后不连续，而由于磁通有连续性，因此磁通波形在故障前后是连续的。由图5可知，常用电源完全断开到备用电源接通前，处于零位阶段，在零位阶段时，负载侧线电压为0，相应的此阶段中磁通维持不变。如式（5）所示。

式（6）可以写成如下形式：

而切换后的磁通可以被表达为周期分量（即备用电源所产生的磁通量）与切换过程中产生的直流分量之和，如式（8）所示。

4 结论

由上述分析可知，切换后的磁链直流分量是励磁涌流产生的主要原因，磁通直流分量等于负载变压器剩磁与备用电源合闸瞬间准磁通两者之差，磁通直流分量的大小是由故障检测时间、故障类型、两路电源的幅值相位差、常用电源断开时间和备用电源合闸时间等多种因素所确定的。为减小励磁涌流，可以实时检测变压器剩磁值与备用电源合闸准磁通值，通过控制备用电源合闸时间等方式来减小负载变压器磁通直流分量。