CN112562965A - 一种海洋核动力平台串接小容量变压器预充磁方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋核动力平台串接小容量变压器预充磁方法，属于海洋核动力平台电网设计规划领域。本发明按照工作变压器预充磁电压与合闸电源电压预同步原则，并结合海洋核动力平台对励磁涌流极端安全性需求及备用变压器需求，规范预充磁电路结构及预充磁变压器接线方式，克服传统方法受合闸角的影响；本发明构建了涌流抑制函数，为量化求解最佳预充磁变压器容量提供实用工具；本发明给出合闸操作时间间隔的确定方法，规范预充磁合闸操作过程。总体而言，本发明从预充磁电路结构、预充磁变压器接线方式、容量、合闸时间间隔等方面提出了一套规范、有效的海洋核动力平台预充磁变压器选取及合闸控制方法。

Description

一种海洋核动力平台串接小容量变压器预充磁方法

技术领域

本发明属于海洋核动力平台电网设计规划领域，更具体地，涉及一种海洋核动力平台串接小容量变压器预充磁方法。

背景技术

海洋核动力平台是海上移动式小型核电站，是船舶工程、核能工程与电力工程的有机结合。海洋核动力平台电力系统是一个集发电、站内供电和外送电能高度集成的系统，站内核反应堆负荷对电能质量和供电连续性有较高要求。在站内低压系统辅汽轮发电机故障或供电不足时，需要由中压系统主汽轮发电机经变压器为站内系统供电，但变压器空投时会产生励磁涌流。励磁涌流会使变压器漏磁场增大，引起绕组轴向力和辐向力的增大，对绕组及周围结构件造成影响或损伤，严重时将影响变压器的运行。由于海洋核动力平台电力系统结构紧凑，具有极端安全性要求，因此需要结合核动力平台电力系统特点采取有效的励磁涌流抑制措施，保证其安全可靠运行。

目前电力系统中常用的励磁涌流抑制方法包括改变变压器绕组结构、控制合闸初相角、预充磁等。其中，改变变压器绕组结构将导致变压器体积变大，效率降低；控制合闸初相角方法依赖于变压器铁芯剩磁的精确测量，且断路器需要具有分相合闸功能，难以在海洋核动力平台中应用。

目前在大型船舶电力系统中，广泛采用预充磁技术抑制合闸励磁涌流，包括在变压器合闸回路中串接电阻或串接小容量变压器。串电阻预充磁方法操作简单，但涌流抑制效果较差。串接小容量变压器预充磁方法在预充磁电路结构选取得当时，预充磁变压器可作为核反应堆负荷的备用电源，具有较好的应用前景。但目前的研究及工程应用缺乏完整的预充磁变压器选取方案及合闸操作控制规范，未指出各预充磁电路结构的适用场合，无法有效选取最佳预充磁电路结构；未考虑预充磁变压器接线方式的影响，导致在实际应用中受合闸角影响严重，若合闸角选取不当，仍会产生较大幅值的励磁涌流；缺乏有效的预充磁变压器容量计算方法，无法最大程度抑制励磁涌流；未给出预充磁合闸操作过程中的合闸时间间隔选取方法，在实际工程应用中缺乏操作规范。

综上，对于海洋核动力平台电力系统而言，串接小容量变压器预充磁方法缺乏完整的预充磁变压器选取方案及合闸操作控制规范，无法满足核动力平台电网的设计及运行要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种海洋核动力平台串接小容量变压器预充磁方法，其目的在于规范海洋核动力平台预充磁变压器的选取方法及预充磁合闸操作过程控制方法，从而提高励磁涌流抑制效果。

为实现上述目的，本发明提供了一种一种海洋核动力平台串接小容量变压器预充磁方法，包括：

S1.根据预充磁电压与合闸电源电压预同步原则，结合海洋核动力平台对励磁涌流极端安全性需求及备用变压器需求，选取最佳的串接小容量变压器预充磁电路结构；

S2.基于所选预充磁电路结构，以实现预充磁电压和合闸电源电压相位预同步为原则，选取预充磁变压器绕组接线形式；

S3.以三次合闸时励磁涌流峰值之和最小为目标构建涌流抑制函数，确定预充磁变压器容量；

S4.根据工作变压器建立稳态磁通的最短时间确定各次合闸操作的时间间隔。

进一步地，步骤S1具体包括：

针对原边预充磁电路结构和副边预充磁电路结构，以预充磁变压器能够作为备用电源为标准选取；

针对高压母线侧预充磁电路结构和低压母线侧预充磁电路结构，以能够实现预充磁电压与合闸电源电压预同步为标准选取；

针对两次合闸预充磁电路结构和三次合闸预充磁电路结构，以励磁涌流抑制效果更好为标准选取。

进一步地，步骤S2具体为：

若选取原边预充磁电路结构，预充磁变压器绕组选取Yy0接线方式；

若选取副边预充磁电路结构，预充磁变压器绕组选取与工作变压器相同的接线方式。

进一步地，合闸时励磁涌流峰值的计算公式为：

其中，U_m表示合闸前后电压变化量幅值，R₁表示变压器的原边漏电阻，L_σ表示变压器的原边漏电感，L_air表示变压器的饱和空心电感，ω表示系统角频率。

进一步地，最佳的串接小容量变压器预充磁电路结构为副边高压母线侧三次合闸预充磁。

进一步地，三次合闸时励磁涌流峰值计算公式分别为：

K₂合闸时涌流峰值：

K₃合闸时涌流峰值：

K₁合闸涌流峰值：

其中，U_1m表示电源电压幅值，n表示工作变压器容量与预充磁变压器容量的倍数，R_T为工作变压器原边漏电阻，X_T为工作变压器原边漏电抗，ΔU_m为K₁合闸前工作变压器原边电压与电源电压间的电压差峰值，K₁是连接在电源与工作变压器原边之间的断路器；K₂是连接在电源与预充磁变压器原边之间的断路器；K₃是连接在预充磁变压器副边与工作变压器副边之间的断路器。

进一步地，涌流抑制函数如下：

minI_0m(n)＝min(I_{0_K1}+I_{0_K2}+I_{0_K3})。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

本发明按照工作变压器预充磁电压与合闸电源电压预同步原则，并结合海洋核动力平台对励磁涌流极端安全性需求及备用变压器需求，规范串接小容量变压器预充磁方法的预充磁电路结构及预充磁变压器接线方式，克服传统方法受合闸角的影响；本发明提出一种合闸励磁涌流实用计算方法，并构建了涌流抑制函数，为量化求解最佳预充磁变压器容量提供实用工具；本发明给出合闸操作时间间隔的确定方法，规范预充磁合闸操作过程。

总体而言，本发明从预充磁变压器接线方式、预充磁电路结构、预充磁变压器容量、合闸时间间隔等方面提出一套规范、有效的海洋核动力平台预充磁变压器选取及合闸控制方法，能够为海洋核动力平台电力系统的工程设计提供技术支撑，并为其他船舶电力系统串接小容量变压器预充磁方案设计提供技术参考。

附图说明

图1是本发明提供的一种海洋核动力平台串接小容量变压器预充磁方法的流程图；

图2是原边串接小容量变压器预充磁电路结构和副边串接小容量变压器预充磁电路结构示意图；

图3是高压母线侧串接小容量变压器预充磁电路结构和低压母线侧串接小容量变压器预充磁电路结构示意图；

图4是串接小容量变压器两次合闸预充磁电路结构和串接小容量变压器三次合闸预充磁电路结构示意图；

图5是串接小容量变压器两次合闸预充磁电路结构和串接小容量变压器三次合闸预充磁电路结构等值电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参考图1，本发明提供的一种海洋核动力平台串接小容量变压器预充磁方法，包括：

S1.按照预充磁电压与合闸电源电压预同步原则，并结合海洋核动力平台对励磁涌流极端安全性需求及备用变压器需求，从图2所示原边/副边预充磁、图3所示高压母线/低压母线预充磁、图4所示三次合闸/两次合闸预充磁方式中选取最佳串接小容量变压器预充磁电路结构；

本发明所述预充磁电压是指预充磁过程中工作变压器原边建立的稳态电压，合闸电源电压是指与工作变压器原边相连的系统电源电压；为了限制变压器空载合闸时的励磁涌流，并保证本发明方法在实际应用中不受合闸角影响，本发明要求预充磁电压与合闸电源电压预同步；预同步的实质含义是指预充磁电压与合闸电源电压的幅值与相位均保持一致。

具体地，针对原边预充磁电路结构和副边预充磁电路结构，当预充磁变压器阻抗标幺参数选取一致时，在各合闸阶段产生的励磁涌流幅值大小相同。考虑到核动力平台带有核反应堆敏感负荷，对供电可靠性具有较高要求，在副边预充磁电路结构下，当工作变压器因故障无法投运时，预充磁变压器可短时作为重要负荷的临时电源，因此优先选用副边预充磁电路结构；

针对高压母线预充磁电路结构和低压母线预充磁电路结构，由于核动力平台系统工作变压器仅在站内低压系统发电机故障或非正常运行时投入，作为站内系统的应急电源，而低压侧预充磁方式需要从低压母线取电，在实际运行中难以实现。且若低压母线与高压母线并非同一电源供电时，无法保证合闸电压相位一致，难以实现合闸电压预同步，导致在合闸时将较大程度的受到合闸角影响，因此优先选取高压母线预充磁电路结构；

针对两次合闸预充磁电路结构和三次合闸预充磁电路结构，建立如图5所示的合闸等值电路图，其中R_Pre-T为预充磁变压器原边漏电阻，X_Pre-T为预充磁变压器原边漏电抗，X_Pre-Tair为预充磁变压器励磁支路饱和空心电抗，R_Pre-TD为预充磁变压器副边漏电阻，X_Pre-TD为预充磁变压器副边漏电抗，R_T为工作变压器原边漏电阻，X_T为工作变压器原边漏电抗，X_Tair为工作变压器励磁支路饱和空心电抗。

三次合闸预充磁电路结构在合闸K₃时产生的励磁涌流最大，励磁涌流表达式为

设Z₁＝R_Pre-T+jX_Pre-T，Z₂＝R_Pre-TD+jX_Pre-TD+R_T+jX_T+jX_Tair，则上式可简化为

两次合闸预充磁电路结构在合闸K₂时产生的励磁涌流最大，励磁涌流表达式为

对比三次合闸、两次合闸预充磁电路结构的最大励磁涌流表达式可知，两次合闸回路等值阻抗较小，励磁涌流抑制效果相对较差。此外，由于两次合闸电路结构在工作变压器投入运行后预充磁变压器无法实现与系统的完全隔离，因此优先选取三次合闸预充磁电路结构。

S2.根据步骤S1中所选预充磁电路结构，以实现预充磁电压和合闸电源电压相位预同步为原则，选取最佳预充磁变压器绕组接线形式；

具体地，若选取原边预充磁电路结构，为实现预充磁电压和合闸电源电压相位的预同步，需要保证预充磁变压器不改变两侧电压相位，此时应选取Yy0接线方式；若选取副边预充磁电路结构，为实现预充磁电压和合闸电源电压相位的预同步，预充磁变压器应选取与工作变压器相同的接线方式，以保证工作变压器合闸侧电压与电源电压同相位。

S3.根据励磁涌流峰值实用计算方法，以各次合闸母线处励磁涌流峰值最小为原则，构建涌流抑制函数，确定最佳预充磁变压器容量，并根据实际工程要求及系统运行需求进行调整；

具体地，当近似认为饱和电感为线性电感时，在无剩磁条件下，可通过求解合闸电路基尔霍夫电压方程得到励磁涌流时域表达式为

当合闸角α为0°时，暂态分量最大，在合闸后半个周期(f为50Hz时，此时间为0.01s)励磁涌流达到峰值，因此将合闸过程中产生的励磁涌流峰值表示为

由于L_σ+L_air＞＞0.01R₁，上式中指数部分满足

为简化计算，认为在合闸角选取最不利条件下，励磁涌流峰值的实用计算公式为

U_m表示合闸前后电压变化量幅值，R₁表示变压器的原边漏电阻，L_σ表示变压器的原边漏电感，L_air表示变压器的饱和空心电感，ω表示系统角频率。

设工作变压器容量为最佳预充磁变压器容量的n倍，基于励磁涌流峰值实用计算公式，计算得到各次合闸时励磁涌流峰值，构建涌流抑制函数，具体如下：

确定预充磁变压器合闸等效电路，变压器铁芯饱和时，空心电感与原边自漏感数量级相同，数值上近似为原边漏电感的2倍，则X_air＝2X_T。利用励磁涌流峰值实用计算方法计算K₂合闸时涌流峰值为

确定预充磁变压器为工作变压器预充磁时的初始合闸等效电路，利用励磁涌流峰值实用计算方法计算K₃合闸时涌流峰值为

为求解合闸涌流峰值，假定预充磁变压器容量选取不当，工作变压器原边未能够建立与电源电压幅值相近的稳态电压。此时确定工作变压器预充磁的合闸等值电路，利用励磁涌流峰值实用计算方法计算K₁合闸涌流峰值为

其中ΔU_m为K₁合闸前工作变压器原边电压与电源电压间的电压差峰值，其对应的表达式为

其中X_M为工作变压器励磁支路不饱和电抗。

构建涌流抑制函数如下：

min I_0m(n)＝min(I_{0_K1}+I_{0_K2}+I_{0_K3})

将各次合闸励磁涌流峰值计算参数值代入上式，求解涌流抑制函数中n的最优值可得最佳预充磁变压器容量，再根据实际工程要求及系统运行需求进行调整。

S4.根据工作变压器建立稳态磁通原则，通过仿真实验确定最佳预充磁过程中各次合闸操作的时间间隔，规范预充磁合闸操作方式；

具体地，最佳预充磁过程中各次合闸操作的时间间隔的具体求解步骤包括：

首先合闸图2中开关K₂，投入预充磁变压器，认为该合闸时刻为整个预充磁合闸操作的初始时刻；

合闸开关K₃，为工作变压器预充磁，由于预充磁变压器容量小，其漏电抗相对工作变压器空芯电抗而言很大，工作变压器励磁支路端电压在K₃合闸时分压较小，不会产生较大的励磁涌流，因此该时间间隔可取较小值，通常可取0.1s；

合闸开关K₁，同时快速退出开关K₂和开关K₃，完成预充磁过程。该合闸时间间隔需要由工作变压器建立稳态磁通时间确定，具体方式为，选取母线处励磁涌流峰值作为最佳合闸时间间隔的衡量指标，通过多次仿真实验测量合闸K₁时母线涌流峰值，当励磁涌流峰值不再变化时，选定该时间间隔为最佳合闸时间间隔。

本发明实施例在MATLAB/Simulink软件平台中搭建海洋核动力平台串接小容量预充磁变压器空载合闸仿真模型。其中，工作变压器容量为3.5MVA，变比为10.5kV/400V，采用Y/Δ-11接线方式，短路电压百分比为6％，短路损耗为31kW，计算得到工作变压器漏电阻标么值为0.0044，漏电抗标么值为0.03。

根据本发明所提预充磁变压器选取方法，确定最佳预充磁方式为从电源高压母线侧取电对工作变压器副边进行预充磁，并分三次合闸投入工作变压器；最佳预充磁变压器接线方式为Y/Δ-11接线方式；将合闸励磁涌流峰值计算参数值代入涌流抑制函数，求得最佳容量倍数n为208，对应预充磁变压器容量为16.8kVA。根据海洋核动力平台实际可选取预充磁变压器容量进行调整，确定最佳预充磁变压器容量为15kVA。

最佳预充磁合闸时间间隔为：K₂合闸后0.1s合闸K₃；通过表1所示仿真结果可知，合闸K₃后当合闸时间间隔在0.7s以上时，工作变压器励磁绕组已经基本建立与合闸预期磁通相近的稳态磁通，此时合闸K₁流过母线的励磁涌流峰值不再变化，因此选取该合闸时间间隔为0.7s。

表1

1、采用控制变量方法，将本发明所提最佳串接小容量预充磁方法与其他预充磁电路结构、预充磁变压器接线方式、预充磁变压器容量进行对比，得到各预充磁方案下整个空载合闸过程中流过母线的各相励磁涌流峰值大小如表2所示：

表2

分析表2中各预充磁方案下的励磁涌流峰值可知，相较于其他预充磁方案而言，本发明所提预充磁变压器选取方法能够将合闸期间产生的励磁涌流峰值抑制到最低，能够有效为海洋核动力平台选取最佳预充磁方案。

2、仿真测试本发明所提最佳预充磁变压器选取及合闸控制方法在变压器存在典型剩磁、断路器存在一定分散性、不同合闸角情况下的涌流峰值分别如表3、表4、表5所示：

表3

表4

表5

分析表3、表4仿真结果数据可知，本发明所选最佳预充磁方案在变压器典型剩磁时和断路器存在一定分散性条件下仍具有较好的涌流抑制效果，最大涌流峰值为31.08A，为变压器额定电流的0.16倍，不会对系统的安全运行构成影响；分析表5仿真结果可知，本发明所提最佳预充磁方案在不同合闸角下涌流峰值变化很小，基本不受合闸角影响。由此可知，本发明所提的海洋核动力平台预充磁变压器选取及合闸控制方法控制过程简单，涌流抑制效果好，具有较强的鲁棒性，且能够为核动力平台重要负荷提供备用电源，具有较高的实用价值和推广价值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种海洋核动力平台串接小容量变压器预充磁方法，其特征在于，包括：

S1.根据预充磁电压与合闸电源电压预同步原则，结合海洋核动力平台对励磁涌流极端安全性需求及备用变压器需求，选取最佳的串接小容量变压器预充磁电路结构；

S2.基于所选预充磁电路结构，以实现预充磁电压和合闸电源电压相位预同步为原则，选取预充磁变压器绕组接线形式；

S3.以三次合闸时励磁涌流峰值之和最小为目标构建涌流抑制函数，确定预充磁变压器容量；

S4.根据工作变压器建立稳态磁通的最短时间确定各次合闸操作的时间间隔。

2.根据权利要求1所述的一种海洋核动力平台串接小容量变压器预充磁方法，其特征在于，步骤S1具体包括：

针对原边预充磁电路结构和副边预充磁电路结构，以预充磁变压器能够作为备用电源为标准选取；

针对高压母线侧预充磁电路结构和低压母线侧预充磁电路结构，以能够实现预充磁电压与合闸电源电压预同步为标准选取；

针对两次合闸预充磁电路结构和三次合闸预充磁电路结构，以励磁涌流抑制效果更好为标准选取。

3.根据权利要求2所述的一种海洋核动力平台串接小容量变压器预充磁方法，其特征在于，步骤S2具体为：

若选取原边预充磁电路结构，预充磁变压器绕组选取Yy0接线方式；

若选取副边预充磁电路结构，预充磁变压器绕组选取与工作变压器相同的接线方式。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种海洋核动力平台串接小容量变压器预充磁方法，其特征在于，合闸时励磁涌流峰值的计算公式为：

其中，U_m表示合闸前后电压变化量幅值，R₁表示变压器的原边漏电阻，L_σ表示变压器的原边漏电感，L_air表示变压器的饱和空心电感，ω表示系统角频率。

5.根据权利要求2所述的一种海洋核动力平台串接小容量变压器预充磁方法，其特征在于，最佳的串接小容量变压器预充磁电路结构为副边高压母线侧三次合闸预充磁。

6.根据权利要求5所述的一种海洋核动力平台串接小容量变压器预充磁方法，其特征在于，三次合闸时励磁涌流峰值计算公式分别为：

K₂合闸时涌流峰值：

K₃合闸时涌流峰值：

K₁合闸涌流峰值：

其中，U_1m表示电源电压幅值，n表示工作变压器容量与预充磁变压器容量的倍数，R_T为工作变压器原边漏电阻，X_T为工作变压器原边漏电抗，ΔU_m为K₁合闸前工作变压器原边电压与电源电压间的电压差峰值，K₁是连接在电源与工作变压器原边之间的断路器；K₂是连接在电源与预充磁变压器原边之间的断路器；K₃是连接在预充磁变压器副边与工作变压器副边之间的断路器。

7.根据权利要求6所述的一种海洋核动力平台串接小容量变压器预充磁方法，其特征在于，涌流抑制函数如下：

minI_0m(n)＝min(I_{0_K1}+I_{0_K2}+I_{0_K3})。

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