变压器预励磁在岸边集装箱起重机上的应用俞静华 周 崎 龚 挺 上海振华重工(集团)股份有限公司 摘 要：分析了变压器励磁涌流产生的原因，比较了合闸回路内增加电阻、采用开关技术分相合闸、采用预励磁装置3种预防励磁涌流的方法，选取预励磁装置抑制岸边集装箱起重机变压器励磁涌流，并结合工程案例对该方法进行理论分析和工程试验，取得了良好的效果。 关键词：变压器； 励磁涌流； 预励磁 1 引言岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)是港口的主要装卸设备，用于货轮上集装箱的装卸。岸桥的整机负荷一般在1 000 kVA以上，有的甚至达到2 500 kVA，其供电方式是通过地面高压电缆将10 kVAC的高压电直接送到岸桥上，再经过岸桥机房内的变压器，将电压转换成其它设备所需的电压。在这一过程中，变压器能否稳定可靠的运行尤为重要。在稳态运行的情况下，变压器的励磁电流在安全范围内，一般只有额定电流的2%～5%，但当变压器空载投入，或者因外围故障断电后需重新恢复供电时，就会出现很大的励磁涌流。这是由于变压器的铁芯饱和及剩磁的存在引起的。 励磁涌流主要有以下3个方面的危害： (1) 励磁涌流中含有数值很大的二次和三次谐波分量，会对连接到变压器的电气元器件造成不同程度的伤害。 (2) 励磁涌流的数值最大可达6～8倍的额定电流，也容易引起高压开关设备的误动作。 (3) 如果变压器在短时间内经历多次合闸，流经绕组上的励磁涌流，会引起绕组间的机械力相互作用，从而造成绕组的变形，或者使其固定物出现松动[1]。 本文阐述了降低励磁涌流的3种方法，分析它们各自的优缺点，并选取预励磁装置，具体实施在岸桥上。详细介绍了其工程实施步骤。 2 变压器励磁涌流产生的原因电网中的电压是正弦波形，因此岸桥上的高压柜在给主变压器送电时，发生在变压器一次侧的电压和电流的初始相角都是随机的，进而绕组所建立的磁场大小和方向也不确定。根据变压器的特性可知，其铁芯内磁通不能突变[2]，总是滞后电压90°相位角，当合闸时，变压器内必然会产生1个与电压方向相反的磁场，而且该磁场是1个非周期性变化的暂态磁场，会与电压建立的周期变化的磁场叠加。由于铁芯材料的非线性特点，叠加的磁场会使铁芯出现深度饱和，从而增大励磁电流。励磁涌流中含有直流分量和高次谐波分量，随时间衰减，其衰减时间取决于回路阻抗和电抗[3-4]。 3 抑制变压器励磁涌流的方法目前，主要从3个方面抑制变压器涌流的产生：增加变压器绕组的阻值，降低变压器绕组的感抗；控制合闸时变压器一次侧的电压幅值，以及电压的初始相位；在合闸前，先在变压器内部建立一个与合闸后磁场频率和方向一致的磁通。实现的方法有多种，比如：在合闸回路内增加电阻，限制涌流的幅值和暂态；采用开关技术，选取合适的相位角，进行分相合闸操作，使变压器内剩磁和变压器绕组产生的磁场方向和大小相一致；采用预励磁装置，给变压器进行预励磁[5]。 3.1 合闸回路内增加电阻 在变压器的高压侧，分别给三相绕组串上电阻，以增加变压器的绕组阻抗，电阻的投入和旁路通过高压断路器来实现。具体操作的顺序是：合闸前，先将电阻串入变压器绕组回路，合闸持续一定时间后，将电阻旁路，电流直接流入变压器绕组。此方法是通过增加绕组阻抗，进而降低绕组的暂态峰值电流，实现减小励磁涌流。由于电阻、断路器等元器件是在高压侧，对设备的耐压、绝缘和可靠性都有较高要求，经济费用投入大[6-7]。此外，不同的岸桥的变压器线路阻抗不完全相同，而电阻的阻值计算又比较复杂，推广难，不具有通用性。 3.2 采用开关技术分相合闸 传统的合闸是三相同时分或者合，而三相电压都是相差120°相位的正弦波，因此，在合闸的时间点上，加载在三相绕组上的电压无法同时满足在最佳时刻合闸。为此，可以采用分相合闸技术，根据变压器内磁通的状态，选择合适的相位角，分别对三相绕组合闸。可根据不同的负载，控制开关在电压或电流最有利的时机完成合闸，主动消除合闸过程中的涌流和过电压的情况产生。但此方法一次性经济投入较大，增加设备成本。 3.3 采用预励磁装置 如果合闸前，变压器的一次侧绕组或者二次侧绕组内有电流，且此电流的频率和方向与合闸后的一致，则该电流就能在变压器内建立起与合闸后频率和方向一致的磁场。如果该磁场的大小、频率和方向与合闸后的一致，即可以预防合闸后励磁涌流的产生。预励磁装置即是鉴于以上思路设计而来，一般采用1台小容量变压器给大容量变压器的绕组充电的方式。该方法简单、可靠，投入资金少，节约成本。 3.4 3种方法的比较 绝大多数岸桥的主变压器的容量在800～2 000 kVA之间，如采用合闸回路串电阻的方法，不同容量的变压器和不同品牌的变压器的特性不同，会要求不同的变压器配上不同的电阻，该方法通用性差。如采用开关技术选相位合闸，虽能解决上述通用性问题，但其造价和设备的复杂程度较高，会增加企业的成本，同时给用户的使用和维护保养带来不便。而采用预励磁装置，其充磁变压器的容量可以是1/50～1/100，适用范围广，而且造价便宜，维护简便。因此，选用预励磁装置更适宜。 4 预励磁装置的工作原理在岸桥主变压器的二次侧，并联1个等压变比的小容量变压器(称为预励磁变压器)，合闸前，先接入预励磁变压器，预励磁结束后，再对主变压器进行合闸，将其接入电路，最后撤出预励磁变压器。从而实现对岸桥变压器励磁涌流的抑制[7]。 预励磁装置分为主回路和控制回路2部分，其电气原理图见图1。 (1) 主回路部分：从辅助变压器的二次侧引出三相电源，经过空气开关CB3和接触器Q1，与励磁变压器一次侧连接。励磁变压器的二次侧依次接空气开关CB4、接触器Q2和主变压器二次侧。其功能是将三相电从辅助变压器，引到主变压器的二次侧，进而实现预励磁。 (2) 控制回路部分：由控制变压器、空气开关、延时继电器、接触器线圈、开关按钮等组成。按照图1的原理，将上述电气元件连接在一起。控制回路的电源同样来自辅助变压器，经过控制变压器T1后，转变成接触器线圈和延时继电器的额定电压。当电源接通，按下高压柜上的开始充磁按钮，继电器K1吸合，从而使主回路内的Q1和Q2继电器线圈得电，触点吸合，来自辅助变压器的电，经励磁变压器转换成主变压器的额定电压，开始对主变压器预励磁。在K1吸合后，通电延时继电器K3和K4也得电，其中，K3达到设定的延时时间后，其串在Q1和Q2线圈前的触点断开，预励磁结束。同样，K4达到设定的延时时间后，其串在高压柜远程控制回路中的触点闭合，发出合闸指令，高压柜内的断路器合闸，主变压器得电，并发出停止充磁信号给继电器K2，其串在Q1和Q2线圈前的触点断开，使充磁变压器失电，停止充磁。至此，整套预励磁和变压器合闸动作完成。 5 将预励磁装置应用于岸桥现有宁波桥吊项目，其变压器的电气参数如下：主变压器1 600 kVA，DYn11，10 kV/440 V，辅助变压器250 kVA，DYn11，10 kV/400 V。根据主变容量和联结组别，选取预励磁变压器，规格为70 kVA，YnYn0，400 V/440 V。为使预励磁变压器和主变压器相位角一致，故预励磁变压器采用YnYn0连接组的升压变压器。预励磁变压器一次侧(380V)连接辅助变压器下空开，二次侧(440V)连接主变压器二次侧,与高压柜通过硬线连接，控制预励磁系统。  图1 预励磁装置电气原理图 试验步骤如下： (1) 由于预励磁变压器一次侧380 V来自辅助变压器下空开，故高压合闸必须先合辅助变压器。 (2) 按下高压柜上主变合按钮，此时馈电断路器并不合闸，只给出开始充磁信号到K1，Q1和Q2吸合，开始对主变二次侧预励磁。 (3) 充磁4 s之后，K4给高压柜主变馈电柜发出允许合闸信号，高压柜主变馈电断路器合闸，合闸成功后给出停止充磁信号到K2，断开Q1和Q2，主变二次侧充磁结束。 (4) 若主变馈线断路器合闸失败，10 s之后K3强制断开Q1和Q2，停止充磁。 (5) 在高压柜上加装预励磁旁路开关，遇预励磁系统故障时，选择预励磁旁路，即按常规方式合闸，给主变压器送电。 主变压器无预励磁装置，启动励磁涌流约为一次侧额定电流的8～15倍，约为739.2 A～1 386 A，使用预励磁装置后，启动励磁涌流几乎没有，即额定电流92.4 A。 参 考 文 献： [1] 陈瑞. 预充磁在抑制变压器空载合闸励磁涌流中的作用[J]. 船电技术，2009(1): 24-26. [2] 郝治国. 变压器空载合闸励磁涌流抑制技术研究[J]. 高压电器, 2005,41(2): 81-83. [3] 林明星, 廖敏夫. 选相分合闸削弱变压器励磁涌流的应用研究[J]. 四川电力技术, 2008(8): 5-9. [4] 李伟. 基于相控开关技术的空载变压器励磁涌流抑制研究[J]. 高压电器, 2010,46(5): 45-46. [5] 陈艳, 陈小川, 高仕斌. 几种消减变压器励磁涌流的方法[J]. 高压电器, 2005,41(8): 75-79. [6] 谢达伟, 洪乃刚, 傅鹏. 一种变压器空载合闸励磁涌流抑制技术的研究[J]. 电气时代, 2007,26(3): 25-27. [7] 彭静萍,张俊芳,杨伟.一种新的变压器励磁涌流抑制技术[J]. 河海大学常州分校学报, 2007,21(4): 32-34. 俞静华： 200125上海市浦东新区东方路3261号 Application of Pre-excitation Transformer in Shore Container Crane Yu Jinghua Zhou Qi Gong Ting Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co.,Ltd. Abstract：The causes of the inrush current of the transformer are analyzed. Three kinds of prevention inrush current methods, that is the increase of resistance in the closing circuit, the split phase switching by using switching technology and the pre-excitation device, are compared. The transformer excitation inrush current in the shore container crane is restrained by choosing the pre-excitation device. Combined with the engineering case, the method is theoretically analyzed and tested in engineering practice, from which good results have been achieved. Key words：transformer; excitation inrush current; pre-excitation 收稿日期：2017-03-05 DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2017.03.016 |
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