电力变压器对发电机组电压波形跌落的研究
摘要: 首台核应急柴油发电机组出厂前要进行型式鉴定试验，其中100次快速起动带载试验是最重要的一项鉴定试验，是验证机组起动带载可靠性及稳定性的一项重要技术指标。在试验过程中，通过专用测试软件来采集电压、转速曲线。通过曲线来衡量励磁系统及转速调节系统是否符合设计标准。但是通过多次试验采集的电压、转速曲线的比较，发现电压曲线存在几种不同程度的跌落。为了找出造成发电机电压曲线变化的原因，通过理论分析及试验研究，发现负载回路中的变压器合分闸相位角是造成发电机电压曲线变化的根本原因。

0.引言

应急柴油发电机组（简称：EDG）是保证核电站安全可靠运行的重要设备之一。在反应堆一回路发生失水或外电网失电的同时发生一回路失水时，应急柴油发电机组应快速起动，按程序带动专设安全设施负载将反应堆堆芯余热带走，防止堆芯烧毁、减轻事故后果和环境污染。

做为备用电源的EDG，在快速起动带载试验中，要求机组在规定的时间内达到额定转速，额定电压，并随后带上一定负载，机组不能故障停车。那么机组是否具备这种能力，需要通过试验来验证。首台机组在出厂前要连续进行100次快速起动带载试验，并且没有一次失败，就算试验通过。

1.试验过程

具体试验过程是：先将机组起动，达到额定转速及额定电压后。标定负载量为50%的机组额定值，突卸负载后停机。开始应急起动机组，在规定时间内达到额定转速及额定电压，将标定好的负载突然投入，同时采集电压、转速曲线，机组起动并带载成功，单次试验合格。电压曲线是采集单相电压互感器二次侧的波形通过变送器转换为1-5V直流电压，进入电脑采集板卡进行显示。转速曲线是采集频率信号，通过变送器转换为1-5V直流电压，进入电脑采集板卡进行显示。在试验进行的过程中，发现电压曲线存在三种不同的波形。具体如下图1,2,3。

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图1快速起动带载电压及转速曲线

Fig 1 load voltage and speed curve of quick start

图1中横坐标为时间轴20s，纵坐标为电压、转速，最大为8000。机组在7.5s左右达到额定转速1000rpm及额定电压6600V。在10.1s左右带上50%的额定负载，电压波形呈“V”字型。

2.电压与电流曲线的分析及对比

由于试验过程中，电压曲线出现了差异，而转速曲线无变化，为了找出发电机电压曲线变化的原因，决定对试验采集参数做如下改变：将上图中的转速信号去掉，改用发电机电流信号。继续进行起动带载试验，并采集电压、电流曲线图。如下图2，3所示：

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图2快速起动带载电压及电流曲线

Fig 2 load voltage and current curve of quick start

图2中，在10s加载瞬间电压的超调量很小，相应的电流超调量也很小，电压曲线呈“拱桥”型。

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图3快速起动带载电压及电流曲线

Fig 3 load voltage and current curve of quick start

图3中，在10s加载瞬间电压的超调量很大，相应的电流超调量也很大，电压曲线呈倒“V”型。
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图4快速起动带载电压及电流曲线

Fig 4 load voltage and current curve of quick start

图4中，电压无超调量，电流超调量比较大，曲线和上图1很相似，电压波形呈“V”字型。

通过以上图（2、3、4）的比较，发现电压波形的变化是由电流的超调量变化造成的，电流的冲击越大，电压向下跌落的越多。

3.变压器的空载合闸电流特性

分析工厂负载情况，找出加载瞬间造成发电机电流冲击变化的设备。工厂负载试验设备是通过一个变压器控制两个水电阻和两个电抗器，但是由于试验要求是50%的额定负载，功率因数为1（不带电抗器）。根据设备情况两个水电阻不能满足要求值，必须利用两个变压器带三至四个水电阻。负载水电阻是纯阻性的，是不带感性特性的，所以电流稳定性比较好，但由曲线看出，影响电压曲线的是感性分量。回路中唯一带感性分量的只有两台电力变压器（容量为12000KVA）。

电力变压器稳定运行时，变压器的空载电流比较小，只有额定电流的2～5%。但如果空载时，突然把变压器投入电网，在合闸瞬间，可能有很大的冲击电流，数值可达到稳态时候空载电流的几十倍或更高。此现象的存在是由于饱和剩磁所引起的，下面进行初步的分析。

当二次侧开路而一次侧接入电网时，一次侧电路的方程式应为

1.png

式中 α—合闸瞬间电压的初相角。

由于电阻压降i1R1相对来讲比较小，在分析瞬态过程的初级阶段，完全可以将它忽略不计。不过，它的存在是瞬态过程衰减的主要原因，因此，在后一阶段的衰减过程中，它的作用还是必须考虑的。在忽略电阻压降i1R1以后，式②可以写成  截图2.png

或3.png                     ③

积分后，得   4.png    

或          5.png        ④

式中6.png,它是稳态时磁通的最大值。积分常数C由初始条件决定。假如铁芯中无剩磁，既当t=0时，10.png，将此条件代入式④中得

7.png

将式⑤代入式④，得到在空载合闸的磁通为

8.png

式⑥表明，空载合闸时磁通的大小，与电压的初相角13.png有关。下面分两种情况来讨论：

（1）当11.png，即当电压为最大值时合闸。从式⑥可知，此时的磁通为

  9.png

它就是稳态运行时的磁通。即磁场的建立没有经历瞬态过程而立即进入稳态。因而空载合闸电流也不经历瞬态过程而立即进入稳态。这种情况下，空载合闸电流比较小。

（2）当14.png，即当电压过零点时合闸，从式⑥可知，此时的磁通为

15.png

与式⑧相对应的波形如图7所示。此时磁通中有两个分量，即：周期分量16.png与非周期分量17.png。从图5可以看出，磁通的最大值可以达到稳态时磁通的两倍，即18.png。如果再考虑剩磁的影响，合闸时磁通的最大值能够达到稳态磁通的2.2～2.3倍。由于正常运行时，变压器的磁路已经有点饱和了，例如工作在图6中的A点，当磁通增加2倍时，铁芯就非常饱和了，此时工作点为图6中的B点，因而使激磁电流大幅度增加。在最不利的情况下合闸，冲击电流的数值能够达到激磁电流的几十倍到百余倍，可达额定电流的6～8倍。

555.png 

图5 电压过零点时合闸的磁通变化                   图6 由磁化曲线确定合闸电流

Fig. 5 magnetic flux change of closing when                  Fig. 6 Determination of closing current

voltage crosses zero point                                 by magnetization curve

但是，由于电阻R1的存在，将是这个冲击电流逐渐衰减，而不会维持太久。衰减的快慢由一次侧绕组的时间常数19.png所决定。一般小变压器约几个周波即可达到稳定值。而巨型变压器的衰减过程可延续到20s，但通常在1s之内瞬态电流已大大减弱。

空载合闸电流的冲击，对变压器本身并没有直接的危险。但是，当它衰减缓慢时，会使过电流保护装置动作而跳闸，即合不上开关。为了避免这种现象，可以在变压器一次侧串联一个小电阻，以加速电流的衰减。

在三相变压器中，由于三相之间的相位彼此相差120°，合闸时不会三相的电压都为最大值，因而总会有一相的合闸电流较大。

4.变压器空载合闸试验

通过变压器的空载合闸电流特性，为了确定理论研究与试验研究相吻合，进行变压器空载合闸试验。将机组水电组负载全部卸掉，保证无阻性及感性负载，仅保留变压器负载。在机组起动成功后，反复突加，突卸变压器负载，采集发电机电压及电流曲线，发现电压曲线仍然存在与图1，图2，图3相似的三种不同的波形。

5.结论

通过以上试验采集的电压、电流曲线的比较，发现机组起动突加负载后，电压曲线存在“V”型，“拱桥”型，“倒V”型三种不同的波形。结合变压器空载合闸电流特性理论研究及试验研究，发现负载回路中的变压器合分闸相位角是造成发电机电压曲线变化的根本原因。

当13.png=0°，即当电压为最大值时合闸，空载合闸电流不经历瞬态过程而立即进入稳态，合闸电流较小。

当13.png=90°，即当电压过零点时合闸，使激磁电流大幅度增加。冲击电流的数值能够达到激磁电流的几十倍到百余倍，可达额定电流的6～8倍。

参考文献：

[1]GB2820-81《发电机组通用技术条件》国家标准总局，1982..

[2]汪国梁.电机学—北京：机械工业出版社，1996.5.

作者简介：杨浩（1984），男，陕西，高级工程师，学士，应急柴油发电机组电气控制系统设计及安装调试