孫宏光，楊 明

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船舶新型平衡變壓器的設(shè)計(jì)與仿真

孫宏光，楊 明

（海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧大連 116021）

船舶電力系統(tǒng)帶單相負(fù)載運(yùn)行時(shí)引起三相不平衡問(wèn)題，目前采用的基于平均分配負(fù)荷法的供電方式并不能有效解決這個(gè)問(wèn)題。提出了適用于船舶電力系統(tǒng)的平衡變壓器的設(shè)計(jì)基本要求，設(shè)計(jì)了一種適用于船舶三相三線絕緣電力系統(tǒng)的新型結(jié)構(gòu)平衡變壓器，該變壓器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料利用率較高、不需要阻抗匹配、生產(chǎn)制造容易等特點(diǎn)，深入研究平衡變壓器的基本原理、運(yùn)行特性和有限元仿真，結(jié)果表明該平衡變壓器能夠消除零序電流，有效降低負(fù)序電流，可以為船舶電力系統(tǒng)解決單相負(fù)載運(yùn)行引起的三相不平衡問(wèn)題提供了理論支撐和技術(shù)支持，具有重要的工程意義和軍事應(yīng)用價(jià)值。

平衡變壓器 船舶 單相負(fù)載

0 引言

當(dāng)船舶電力系統(tǒng)帶單相負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)電流的正序分量、負(fù)序分量和零序分量相等，這是一種極不平衡狀態(tài)。尤其是單相負(fù)載較大時(shí)，電力系統(tǒng)的不平衡度可能超標(biāo)，對(duì)船舶電力系統(tǒng)造成一系列危害，甚至威脅到系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1-3]。

目前船舶帶單相負(fù)載運(yùn)行時(shí)，采用基于平均分配負(fù)荷法的供電方式，單相變壓器從電網(wǎng)獲得電能向單相負(fù)載供電，如圖1所示。船舶電力系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初，將所有的單相負(fù)載進(jìn)行功率計(jì)算，盡可能的把所有的單相負(fù)載按功率平均分配到A、B、C三相，從而減小系統(tǒng)的不平衡度。但該方法存在以下問(wèn)題：

1）當(dāng)所有的單相負(fù)載同時(shí)運(yùn)行時(shí)，電力系統(tǒng)基本能夠保持平衡，達(dá)到了國(guó)軍標(biāo)規(guī)定的要求。但是在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，這種方法存在很大的局限性，因?yàn)樵诓煌臅r(shí)段，單相負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)是隨機(jī)的，實(shí)際上并不能保證A、B、C三相的瞬態(tài)功率相等。

2）不能抑制電網(wǎng)局部區(qū)域的三相不平衡。單相變壓器帶單相負(fù)載運(yùn)行，將造成單相變壓器周圍的局部電力系統(tǒng)的三相不平衡，對(duì)鄰近用電設(shè)備造成不良影響，相當(dāng)于底層“污染”。

3）負(fù)荷平均分配法給船舶單相負(fù)載的布置和接線帶來(lái)不便。在船舶設(shè)計(jì)之初，單相負(fù)載要按照設(shè)計(jì)要求接入到相應(yīng)的單相變壓器，當(dāng)船舶新增或者減少單相負(fù)載時(shí)，單相負(fù)載必將造成不平衡，必須要重新接線來(lái)達(dá)到新的平衡。

平衡變壓器是一種可以將三相對(duì)稱電壓變換為一對(duì)相位垂直、幅值相等單相電壓的特殊變壓器[4]。平衡變壓器帶任何不對(duì)稱的單相負(fù)載運(yùn)行，系統(tǒng)都不會(huì)產(chǎn)生零序電流分量，且能夠降低負(fù)序電流分量，它目前被廣泛應(yīng)用在電氣化鐵路、冶金、電鍍等場(chǎng)合。早在20世紀(jì)20年代西方國(guó)家就發(fā)明了斯科特接線平衡變壓器，并成功應(yīng)用在電氣化鐵道，隨后李布郎克（Le Blanc）接線變壓器、伍德橋（Wood Bridge）接線變壓器以及它們的變形相繼出現(xiàn)。中國(guó)最早的平衡變壓器是阻抗匹配平衡變壓器，該平衡變壓器已經(jīng)在我國(guó)鐵路中被廣泛應(yīng)用，后來(lái)又相繼出現(xiàn)了十幾種各種結(jié)構(gòu)的平衡變壓器，推動(dòng)了平衡變壓器在各領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

現(xiàn)有的各類平衡變壓器應(yīng)用在陸地電網(wǎng)，普遍存在以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）變壓器一次側(cè)普遍采用了星形連接，有可以引出接地的中性點(diǎn)。電氣化鐵路、冶金、電鍍等場(chǎng)合，變壓器功率很大，一般為兆瓦級(jí)別，采用的電制為三相四線制或者三相大電流接地制，因此除了斯科特變壓器和李布蘭克變壓器外，其他所有類型的平衡變壓器一次側(cè)都為星形連接，這是因?yàn)樾切芜B接的中性點(diǎn)可以引出接地，變壓器一次側(cè)的絕緣設(shè)計(jì)就可以采用相電壓絕緣，所要克服的絕緣電壓由線電壓變?yōu)橄嚯妷海虼私^緣成本大大降低。

2）變壓器二次側(cè)設(shè)計(jì)有三角形或其他形狀的閉環(huán)繞組回路。為了防止磁通和電壓的三次諧波對(duì)電壓波形以及電網(wǎng)產(chǎn)生影響，在變壓器的二次側(cè)一般設(shè)計(jì)有三角形繞組回路，或者其他形狀的閉環(huán)繞組回路來(lái)容納三次諧波，形成環(huán)流。

3）變壓器二次側(cè)繞組數(shù)量較多，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配較困難。在設(shè)計(jì)閉環(huán)繞組回路的基礎(chǔ)上，變壓器往往要附加其他的繞組才能得到一對(duì)相互垂直的單相電壓，因此繞組數(shù)量較多，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配困難，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜。

4）材料利用率相差較大。銅材料利用率從70%多到100%不等，最新設(shè)計(jì)的變壓器鐵材料利用率普遍較高，甚至達(dá)到100%。

1 船舶平衡變壓器的設(shè)計(jì)

1.1船舶平衡變壓器設(shè)計(jì)要求

船舶電力系統(tǒng)一般為三相三線制，與傳統(tǒng)的陸地電力系統(tǒng)電制存在巨大差異，現(xiàn)有的平衡變壓器無(wú)法直接在艦船應(yīng)用。結(jié)合船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，船舶用平衡變壓器應(yīng)該滿足以下要求：

1）不存在一次側(cè)必須靠中性點(diǎn)接地的問(wèn)題。我國(guó)船舶電力系統(tǒng)采用的是三相三線絕緣制交流系統(tǒng)，中性點(diǎn)不允許接地，并且船舶上單相負(fù)載的總功率相對(duì)于民用的來(lái)說(shuō)要小很多、電壓等級(jí)低，因此基本不需要考慮一次側(cè)絕緣成本問(wèn)題，所以變壓器一次側(cè)中性點(diǎn)接地問(wèn)題在船舶上不用考慮。

2）要有容納三次諧波環(huán)流的閉環(huán)繞組回路。為了防止三次諧波磁通和電壓的影響，變壓器必須在一次側(cè)或者二次側(cè)存在閉合的繞組回路。

3）變壓器結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)和制造，變壓器運(yùn)行的可靠性要高。因?yàn)樽儔浩鞑恍枰紤]一次側(cè)中性點(diǎn)接地問(wèn)題，因此變壓器的設(shè)計(jì)限制條件變少了，可以得到更為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和制造應(yīng)該更方便。

4）有較高的材料利用率。盡量提高材料利用率，提高經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)減小變壓器的體積，節(jié)約有限的船舶空間。

下面將按照以上設(shè)計(jì)要求，研究新型的適用于船舶三相三線絕緣制電力系統(tǒng)的平衡變壓器。

1.2船舶平衡變壓器設(shè)計(jì)方案

變壓器一次側(cè)構(gòu)成了一個(gè)三相系統(tǒng)，二次側(cè)構(gòu)成了一個(gè)兩相系統(tǒng)。

變壓器繞組匝數(shù)關(guān)系為：

令變比為

當(dāng)滿足式（2）時(shí)，平衡變壓器繞組間的電壓向量圖如圖3所示。

在三角形axc中，

那么，

得到：

2 船舶平衡變壓器仿真分析

2.1有限元建模

平衡變壓器運(yùn)行時(shí)，電場(chǎng)量和磁場(chǎng)量是隨時(shí)間變化的，因此需要采用瞬態(tài)場(chǎng)求解器。啟動(dòng)ANSOFT軟件，選擇Maxwell 2D設(shè)計(jì)分析類型，采用Magnetic欄下的Transient求解器，建立平衡變壓器幾何模型，定義材料類型，從而建立容量為1 kVA的平衡變壓器二維瞬態(tài)模型，如圖4所示。

圖4平衡變壓器二維物理模型

平衡變壓器的主要結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及參數(shù)如下：

鐵芯材料：DW465-50；

疊壓系數(shù)：0.97。

2.2外圍電路設(shè)計(jì)

為了更準(zhǔn)確且有效的仿真平衡變壓器的運(yùn)行過(guò)程，采用了ANSYS Maxwell自帶的Maxwell Circuit Editor編輯變壓器外圍電路，生成電路列表信息，然后將其導(dǎo)入ANSOFT中進(jìn)行仿真。平衡變壓器的外圍電路如圖5所示（兩相負(fù)載都以200 Ω為例），一次側(cè)輸入電壓為三相380 V交流電。

一次側(cè)三相交流電源頻率設(shè)置為頻率50 Hz、相電壓峰值311 V的正弦交流電，其中A相參數(shù)設(shè)置如圖6所示，B相和C相的相角分別為120°和240°。LWindingA、 LWindingB和LWindingC分別為一次側(cè)繞組，LWinding_ac和LWinding_b分別為二次側(cè)輸出電壓繞組。

圖5 新型平衡變壓器外圍電路圖

2.3對(duì)稱負(fù)載特性

在實(shí)際應(yīng)用中，阻感性負(fù)載是最常見(jiàn)的，設(shè)定平衡變壓器帶300 mH電感與100 Ω電阻串聯(lián)而成的阻感性負(fù)載，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7（b）說(shuō)明對(duì)稱阻感性負(fù)載不影響輸出電壓。

圖7（c）可以看出，輸出電流波形是對(duì)稱的，并且暫態(tài)過(guò)程幾乎可以忽略不計(jì)，該平衡變壓器帶對(duì)稱阻感性負(fù)載不會(huì)產(chǎn)生尖峰電流。

圖7（a）可以看出，一次側(cè)三相電流基本保持對(duì)稱狀態(tài)，不含有零序和負(fù)序分量。

2.4不對(duì)稱負(fù)載特性

平衡變壓器運(yùn)行過(guò)程中，不可能保持兩相負(fù)載始終是對(duì)稱的，因此仿真其不對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行特性非常有必要。通過(guò)仿真，觀察負(fù)載電流對(duì)輸出電壓波形的影響以及新型平衡變壓器抑制負(fù)序電流的能力，驗(yàn)證新型平衡變壓器帶不對(duì)稱負(fù)載時(shí)的平衡特性。

圖8 不對(duì)稱阻感負(fù)載運(yùn)行時(shí)波形圖

從以上仿真結(jié)果可以看出：1新型平衡變壓器帶不對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行時(shí)，一次側(cè)電流雖然不再是對(duì)稱的，但保仍然是平衡的，含有負(fù)序分量，但不含有零序分量；2輸出電壓波形與空載運(yùn)行是完全一樣的，說(shuō)明變壓器的電壓調(diào)整率較低，且變壓器具有較硬的外特性，負(fù)載變化基本不影響輸出電壓波形。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合當(dāng)前船舶電力系統(tǒng)單相負(fù)載供電引起的三相不平衡問(wèn)題，在分析了現(xiàn)有平衡變壓器基本原理基礎(chǔ)上，提出了適用于船舶電力系統(tǒng)單相負(fù)載的平衡變壓器設(shè)計(jì)要求，結(jié)合船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的平衡變壓器。

建立了數(shù)學(xué)模型，分析了平衡變壓器電磁關(guān)系和繞組電流關(guān)系，著重研究了帶對(duì)稱負(fù)載和不對(duì)稱負(fù)載時(shí)的負(fù)序特性；總結(jié)了新型平衡變壓器的特點(diǎn)，并與現(xiàn)有平衡變壓器進(jìn)行比較，結(jié)果表明：新型平衡變壓器繞組數(shù)量較少，變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料利用率較高，且不需要進(jìn)行復(fù)雜的阻抗匹配，生產(chǎn)制造容易。

最后，采用ANSOFT Maxwell有限元仿真軟件對(duì)新型平衡變壓器進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：帶對(duì)稱負(fù)載時(shí)，該平衡變壓器可以實(shí)現(xiàn)兩相到三相的對(duì)稱變換；帶不對(duì)稱負(fù)載時(shí)，可以有效抑制負(fù)序電流，消除零序電流，仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)是一致的。

[1] 壽海明, 冀路明, 回志澎．船舶電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問(wèn)題[J]．船電技術(shù), 2006, 26（6）：19-21．

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Design and Simulation of Marine New Balance Transformer

Sun Hongguang, Yang Ming

(Naval Representatives Office in Dalian Area, Dalian 116021, Liaoning, China)

TM401

A

1003-4862（2018）01-0008-05

2017-10-15

孫宏光(1987-)，男，碩士研究生，工程師。研究方向：艦船監(jiān)造。