基于岸基變頻電源抑制船用變壓器勵(lì)磁涌流的研究

武 猛 趙 斌 馬林英 夏文浩 陳 碩

（神華粵電珠海港煤炭碼頭有限責(zé)任公司，廣東珠海519050）

0 引言

隨著岸電技術(shù)的不斷成熟，越來越多的靠港船舶在靠港期間采用岸基供電系統(tǒng)供電，對(duì)于一些大型船舶來說，一般采用高壓上船技術(shù)，再根據(jù)船上實(shí)際需要，通過變壓器將高壓電源變成船側(cè)可用的電源。特別要注意的是，有些船舶船上采用60 Hz的電源，而我國的供電系統(tǒng)一般為50 Hz，因此岸基供電系統(tǒng)就要求是變頻電源。

而電力變壓器在合閘瞬間，由于變壓器鐵芯磁通的飽和及鐵芯材料的非線性，會(huì)產(chǎn)生幅值相當(dāng)大的激磁涌流，由于變頻電源變頻裝置的功率元器件過載能力有限，船側(cè)變壓器在送電時(shí)的勵(lì)磁涌流會(huì)對(duì)變頻電源造成很大沖擊，極易發(fā)生電源側(cè)保護(hù)裝置跳閘現(xiàn)象。

1 勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原因

變壓器的一次、二次線圈是相互絕緣的，沒有電氣上的聯(lián)系，變壓器之所以能夠?qū)㈦娔軓囊淮蝹?cè)傳遞到二次側(cè)，依靠的是磁場(chǎng)和磁感應(yīng)。而在這個(gè)傳遞中，磁通是主要的參數(shù)，它表征電感線圈儲(chǔ)存的能量，而能量是不可能產(chǎn)生突變的，其在變壓器運(yùn)行的任何階段都應(yīng)保持一個(gè)連續(xù)性。如果在變壓器系統(tǒng)中，磁通這個(gè)參數(shù)有兩個(gè)相差極大的狀態(tài)（不通電、通電運(yùn)行），那么在這兩個(gè)狀態(tài)中間就會(huì)有一個(gè)過渡的過程。

對(duì)于交流電路，U=dΦ/dt，且U=Umsin ωt，則有Φ=Um/ω×cos（ωt+90°）。由公式可以看出磁通Φ的相位角落后電壓90°。

勵(lì)磁涌流主要是由磁通變化產(chǎn)生，不同初始電壓的情況下，磁通引起勵(lì)磁涌流的情況如下：

（1）變壓器合閘瞬間電壓恰好為最大值時(shí)的磁通變化：在合閘瞬間，電壓正好達(dá)到最大值Um時(shí)，由于磁通Φ的相位角落后電壓90°，此時(shí)，瞬時(shí)磁通Φ應(yīng)為0，變壓器不會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。

（2）變壓器合閘瞬間電壓為零時(shí)的磁通變化：當(dāng)合閘瞬間電壓為零時(shí)，由于磁通和電壓的相位關(guān)系，其在鐵芯中所建立的磁通為最大值（-Φm）。由于鐵芯磁通不能突變，合閘前沒有磁通，這一瞬間就仍要保持磁通為零，因此在鐵芯中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)非周期分量的磁通Φfz，其值為Φm。鐵芯的總磁通可以看成兩磁通疊加而成（一個(gè)是過渡過程引起的非周期分量Φfz，一個(gè)是變壓器勵(lì)磁所需的正常磁通，最大值為Φm），鐵芯中初始磁通為零，但當(dāng)1/2T時(shí)，兩磁通同向疊加，達(dá)到最大值，幅值約為兩倍的Φm。若合閘前變壓器仍有剩磁，最大磁通可能會(huì)更大。

另外，變壓器繞組的勵(lì)磁電流和磁通的關(guān)系由磁化特性決定。由于鐵磁材料磁化曲線的非線性特性，當(dāng)磁場(chǎng)接近飽和時(shí)，磁場(chǎng)的微量增長需要?jiǎng)?lì)磁電流的成倍增長來對(duì)應(yīng)，合閘瞬間，鐵芯中磁通密度最大值可達(dá)兩倍的Φm甚至更大，這時(shí)鐵芯飽和情況非常嚴(yán)重，因此勵(lì)磁電流的數(shù)值增大，勵(lì)磁涌流比空載電流大100倍左右。

因此，合閘瞬間電壓為零時(shí)勵(lì)磁涌流最嚴(yán)重，其他情況勵(lì)磁涌流介于兩者之間。

2 勵(lì)磁涌流的解決方案

勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生與鐵芯的飽和程度有直接關(guān)系，同時(shí)變壓器鐵芯的剩磁和變壓器合閘瞬間的電壓相位角也可以影響其峰值大小。變壓器勵(lì)磁涌流主要有如下特點(diǎn)：

（1）變壓器勵(lì)磁涌流含有大量的高次諧波分量，主要是偶次諧波，因此，勵(lì)磁涌流的變化曲線為尖頂波。

（2）勵(lì)磁涌流的衰減與鐵芯的飽和程度有關(guān)，飽和程度越深，衰減越快。因此，在勵(lì)磁涌流開始的瞬間衰減很快，隨后逐漸減慢，經(jīng)0.5～1 s后其峰值不超過（0.25～0.5）In。

（3）一般來說，變壓器容量越大，其勵(lì)磁涌流衰減的時(shí)間就越長。

（4）勵(lì)磁涌流的峰值很大，最大可達(dá)變壓器額定電流的6～8倍。

在電力系統(tǒng)中，抑制變壓器空載合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流的常用方法有：

（1）合理選擇船用變壓器，改善變壓器合閘瞬間鐵芯磁飽和情況。

（2）變壓器合閘時(shí)串入閉合阻抗，達(dá)到抑流的效果，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)再切除該電阻，這是目前廣泛采用的抑制勵(lì)磁涌流的方法。

（3）帶負(fù)載合閘。合閘瞬間二次側(cè)帶負(fù)載，其原理是利用變壓器二次側(cè)的反電動(dòng)勢(shì)來抑制一次側(cè)電壓，從而減小變壓器空載合閘的勵(lì)磁涌流。

（4）控制相位角合閘。通過控制電源相位角，在電源電壓波形達(dá)到最大值的瞬間合閘，此時(shí)回路中的勵(lì)磁涌流可降至最低。

（5）降低剩磁。根據(jù)前面的分析可知，減少變壓器的剩磁可以降低勵(lì)磁涌流的最大值。

（6）降壓軟啟。若電源具備變頻、軟啟動(dòng)功能，可以根據(jù)給定電壓曲線進(jìn)行降壓啟動(dòng)。此方法需要船側(cè)高壓開關(guān)柜合閘，由變頻器帶動(dòng)變壓器將電壓按設(shè)置曲線提升至額定值。

3 實(shí)際應(yīng)用案例

對(duì)于帶變頻電源的岸電系統(tǒng)，在船側(cè)變壓器送電瞬間，其勵(lì)磁涌流對(duì)變頻電源會(huì)造成很大沖擊，特別是對(duì)變頻電源的功率元器件會(huì)造成較大影響，極易發(fā)生功率元件保護(hù)裝置過流跳閘現(xiàn)象。

神華珠海煤碼頭的2 MVA船舶岸基供電系統(tǒng)在送電調(diào)試時(shí)就遇到過類似的情況。該系統(tǒng)為高壓變頻電源，其將10 kV/50 Hz的工業(yè)電源轉(zhuǎn)換成6 kV/50 Hz及6.6 kV/60 Hz的船用電源（圖1），在船舶靠泊期間給船舶供電。船側(cè)變壓器一般為1 600 kVA/60 Hz的船用變壓器，在系統(tǒng)調(diào)試過程中，頻頻發(fā)生變壓器在送電過程中導(dǎo)致岸側(cè)電源內(nèi)變頻模塊跳閘的現(xiàn)象，而且每次都是變頻模塊內(nèi)部過流跳閘，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的沖擊電流已經(jīng)超過1 600 A，實(shí)際情況可能會(huì)更大，遠(yuǎn)超變頻模塊設(shè)定的速斷值。

圖1 珠海岸電側(cè)電氣結(jié)構(gòu)

考慮岸電變頻電源的特點(diǎn)，擬采用以下方法來抑制勵(lì)磁涌流：

（1）軟啟動(dòng)。變頻電源具備軟啟動(dòng)功能，可以進(jìn)行電壓軟啟動(dòng)。

（2）岸側(cè)回路串電阻，抑制勵(lì)磁涌流。

（3）更改控制策略，降低勵(lì)磁涌流。修改岸電變頻電源控制策略，在檢測(cè)到瞬間過流信號(hào)時(shí)，變頻電源瞬間降低輸出電壓至設(shè)定值，將勵(lì)磁涌流抑制到變頻器可耐受保護(hù)范圍內(nèi)。在船用變壓器欠壓保護(hù)動(dòng)作時(shí)間內(nèi)，迅速升壓至額定值。

在綜合考慮船側(cè)供電系統(tǒng)實(shí)際后，確定采用降壓以及串電阻的措施共同抑制變壓器的勵(lì)磁涌流。主要方法如下：（1）在啟動(dòng)變頻器之前，先行在變頻電源上串聯(lián)電阻；（2）隨后將變頻器輸出電壓降至5.7 kV，保證船側(cè)失壓保護(hù)不動(dòng)作；（3）船側(cè)變壓器合閘；（4）切除變頻電源串聯(lián)電阻，并將輸出電壓恢復(fù)至6.6 kV；（5）船側(cè)同期并網(wǎng)。

將以上兩種勵(lì)磁涌流抑制方法組合使用，可以完美地避免勵(lì)磁涌流對(duì)變頻器功率元件的沖擊，將變壓器送電瞬間的勵(lì)磁涌流控制在變頻電源允許的范圍之內(nèi)，保證岸電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

4 結(jié)語

隨著岸電上船技術(shù)的逐漸成熟以及岸電系統(tǒng)越來越廣泛的使用，變頻岸電電源應(yīng)用也將越來越多，當(dāng)船側(cè)設(shè)置船用變壓器送電時(shí)，將不可避免地發(fā)生勵(lì)磁涌流對(duì)變頻器產(chǎn)生沖擊的現(xiàn)象，在解決該問題的時(shí)候，還要充分考慮船側(cè)用電設(shè)備的情況以及執(zhí)行的規(guī)范。

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