|
|
发表于 2008-5-15 21:47:35
|
显示全部楼层
1/ c0 }% |! Z* u, Y
变压器励磁涌流的分析与研究# k' [1 X* R! b. Q9 G5 R$ Q
彭静萍1，秦红霞2，贾晋1，张俊芳16 s% J, v. {. s" S6 Q1 ]5 y5 N
（1 南京理工大学，江苏南京210094，2 北京四方继保自动化股份有限公司，北京，100085）% |4 g8 |2 K2 m
摘要：论文对变压器励磁涌流的产生机理和其性质进行了
& s( d) m5 A: {分析和研究，采用MATLAB 软件进行仿真，结果证实理论+ Y- t0 |) k+ S8 f( \
分析的正确性。探讨了变压器合闸初相角、饱和磁通和剩磁3 g* O Y B5 ]$ N1 n- z$ x
对励磁涌流的影响，在理论研究的基础上，利用仿真进行对( Y( w5 r( `7 }! o6 q5 y# K2 y
比分析。研究了变压器励磁涌流的各种鉴别方法和抑制方) Y# R1 a9 n, t8 r, ~
法，其中对二次谐波制动鉴别方法和控制三相合闸时间的抑/ y5 o0 m) T! O, M* b$ E4 W
制法作了仿真分析。
3 f: {$ r4 G1 I+ J% `关键词：变压器励磁涌流合闸初相角饱和磁通剩磁
# ~! ]9 ]- E h, k2 p) l6 ?0 引言
5 `9 J. j) D7 v. @电力变压器在空载投入电网或外部故障切除) s/ ^4 e6 O$ g6 L
后电压恢复时，由于变压器铁芯磁通的饱和及铁芯
! |4 v8 \% \, Q1 H材料的非线性特征，会产生相当大的励磁电流，称
1 y& G L$ R. L, _为励磁涌流[1]。
4 n W6 B4 w! h( y; F励磁涌流的数值很大，有时可以达到额定电流
+ Y- ~/ Z7 `( J) u的3～8倍，可能导致变压器差动保护误以为是故障. B2 n: w* o' i
电流而动作[6]。同时励磁涌流会造成绕组变形，从
N; s7 Y, r7 |6 @而减少变压器的使用寿命。励磁涌流中含有的多个
& k0 A. i2 L" R$ k ]谐波成分及直流分量，将会降低电力系统的供电质
& z1 a1 w) y0 `4 i4 D% E量，涌流中的高次谐波对连接到电力系统中的敏感
$ P2 y: T* h9 r' u4 Y" W( p电力电子器件有极强的破坏作用[9]。/ H" G5 J8 @" a( {- L
近年来，我国远距离输电系统越来越多地建# P6 n! I; ]. X4 R
成、运行，超高压、大容量电力变压器不断投产，
o+ Y! f$ V) j: O3 J$ U- L对变压器保护的可靠性和快速性提出了更高的要; ]2 V; j# N3 c8 [) S- g1 ^
求。但是，国内变压器保护的发展却远远落后，其4 o0 J* U, a9 n, ]
保护正确动作率长期偏低。如何躲开变压器励磁涌2 l7 D0 j7 p$ {+ m4 {$ ]
流的影响，对提高变压器保护动作的正确率以及改3 b M) r6 G* A* U' o5 t
善电力系统的供电质量有着重要的意义。# p6 x0 D# s2 C5 P* V
1 变压器励磁涌流的产生及其特性
6 _7 Q" E' h {/ I2 h' l图1.1 变压器铁芯磁化曲线: S/ ~6 H0 Z$ `, q1 \
图1.1所示为变压器铁芯磁化特性[1]。设饱和磁
% ~8 o6 P4 a# [% Z h! D% R7 `通Φs，将饱和曲线近似看作直线ΦsP。当Φ<Φs时,& l$ \7 G3 |# _& M+ B) e+ Q
ie≈0 (即励磁涌流小的不可比拟)；当Φ>Φs时，
. `' c' o( S uie 随Φ线性增长，即ie与Φ波形相同。令电压过零
/ D; s! ]& |, _; z0 x# {; A7 y时合闸，对应外加电压为u，铁芯中必有稳态磁通
5 [. ?! w4 v7 [+ B- Z6 ^1 VΦ(t)，因为，u=dΦ(t)/dt，所以有
; _/ c# `( t8 P4 J) |( S6 m" q   
, F2 U" N5 G; T" M4 ?! \0 a4 [ 0 p/ g; k1 C# m3 f0 R% @' Y
m u- l; m8 J! s0 J7 y+ A
m x7 R: ]+ J( g- G$ K. o8 c
t udt u sin t+ dt
D: U# F( o |; _% l8 }cos t+
, {1 @/ y5 Q$ \# ^8 y2 }* z0 x ' W$ e, n# E# u$ X5 D) S. a
 8 E0 T8 C4 u% O, O0 d. O
  
, h& b* W7 i3 k   ! s& g5 Z' v: k- T3 _1 a
  (1.1)
% j) u: A7 C9 K: n: ~9 S2 h式中Φm为稳态磁通的幅值Φm =Um/ω。
) O& E, `& U5 M4 w设Φr 为空载合闸前的铁芯剩磁，合闸瞬间，t =
9 e- Y+ ?- ]' m7 t0，式(2.1)成为
2 r- `( w- t' v, T6 g8 A8 | 0  m cos  x (1.2) K! e& Y- x" X) w8 K- b
由磁通守恒定律得: Φr=Φ(0)，代入式(2.2), ? r! \ x, [' K
求解Φx得: Z( e* E+ ^( ~) _
  m x  t   cos   (1.3)
# ^" ?. d% c4 F1 M将式(2.3)代入式(2.1)得" _. a3 S ?) b4 ]) F3 @
    m m x  t   cos  t+   cos   (1.4)% A4 c. R4 u2 r7 i
图2.2 就是所示的空载合闸铁芯磁通。由图1.2
, o3 ~+ [& Y q5 \7 k" u可作出对应Φ(t)的励磁涌流ie(t)，如图1.3 所示。: b1 F& m$ \3 S
图1.2 空载合闸铁芯磁通0 {) U2 E2 i+ z" `( \, T$ ]0 _. y( R
23 {6 N/ S: ? h, q* n
图1.3 励磁涌流的变化曲线
8 m6 e- A) D- x+ X$ e. P变压器励磁涌流有三大特点[3]： r5 z# W& j5 N- y" l
a) 含有较大成分的非周期分量，往往使涌流偏8 _- D7 I. T) I" ?2 F) R) V
向于时间轴一侧。
+ U5 x* _4 b: X. M, Kb) 含有丰富的高次谐波成分，其中以二次谐波# E" z& k$ B& e+ k6 w! T
为主。% c9 |0 w; a* I+ l
c) 波形存在间断。
# s) O& i# f" W从上述分析可以看出，变压器励磁涌流的大小
: C& b d, K( P5 ^/ h与变压器合闸初相角、剩磁大小、饱和磁通等因素
( F! T2 l- ?4 C' B4 ]8 c/ ?有关。/ K* H1 G& g! W- e
2 变压器空载合闸时励磁涌流仿真, S2 f/ |2 L3 G/ [$ M
图2.1 是变压器空载合闸时励磁涌流的仿真分
! \- X8 u A/ U5 X$ u- \4 j析模型。一台三相双绕组变压器由一个500kV、60Hz; g. }) O5 i X4 \, i
的等效电源供电，变压器的额定容量为450MVA，绕
/ c( N( Y& u2 Z( q) r组联结方式为Y0/Δ，额定电压为500/315kV，额定2 S1 l5 o/ a- o5 e4 I
频率为60Hz。图2.2 和图2.3 为变压器的电路模型( M0 _& m! \& _! k
和饱和特性曲线[2]。
$ v8 u& X% B- G/ m, c4 ~$ T图2.1 变压器空载合闸时励磁涌流的仿真分析模型; J2 q b( P2 h# r& N7 w! M$ [% b
图2.2 变压器的电路模型1 K. R/ p6 g) J$ h+ f
图2.3 变压器的饱和特性曲线" L9 o( m) ?& E9 t4 @
各参数取值如下：R1=0.002，L1 =0.08，' a" e: C2 f0 s( a V
R2=0.002，L2=0.08，Rm=500，饱和特性(对应图4.3
, y0 n2 l$ [0 ~- j中的1、2、3点)是[i1=0,Φ1=0；i2=0.0，Φ2=1.2；4 ^7 Z8 Z. D. J# C0 Q$ v# z
i3=1.0，Φ3=1.52]，三相剩磁ΦA0=0.8，ΦB0=- 0.4，3 D; x( k3 i/ Q. _; Y
ΦC0=0.4。
, T8 F3 r% d3 D" q, v0 e: E0 r: ?3 变压器励磁涌流的鉴别方法- G: o. M- Z: y! \
为了防止变压器差动保护误动作，必须对变压5 q$ K; }1 Q: U0 |8 ?* ~
器励磁涌流与内部短路电流进行鉴别。目前在实际& F" E* t3 z# `! Y3 F
中运用比较多的有二次谐波制动、虚拟三次谐波制
/ s' J& f9 U5 s) i" E动、间断角原理、波形对称原理、波形拟合法等[7][8]。 u8 x% p) I0 E5 f
二次谐波制动法的判别式为当出现励磁涌流
' ?: R; q# Y* k( v时，有Id2  kId1。式中Id2和Id1分别为差动电流中的6 r5 _1 L+ Y. S. \ I& d
二次谐波电流和基波电流的方均根值；k为二次谐波
7 Q, \6 r6 b' z/ u制动比[5]。6 o3 g8 \7 w* s! k! q
二次谐波制动比有二种计算方法：
Y6 A! G" r+ G0 O6 Ma)谐波比最大相制动5 y6 m0 [! h6 @' Z, c
max(Ida2/Ida1，Idb2/Idb1，Idc2/Idc1)  k
/ Q. P: y2 `. V s, c/ ~+ Wb)分相制动% g5 P- ]7 D3 f7 `5 X1 r
min(Ida2/Ida1，Idb2/Idb1，Idc2/Idc1)  k
8 M& C. M5 L, ~7 q" u" W" i以上式中，Ida2，Idb2，Idc2分别为三相差流二次
' L( N! c6 G2 k5 s; G9 G谐波，Ida1，Idb1，Idc1分别为三相差流基波。
, d- w2 `& @6 a2 ~3 T谐波比最大相制动可以保证励磁涌流时保护; v4 M) Y* G$ d& o% [, |
不误动，但容易使保护延时。按故障相制动可较大6 l; z* O: m4 `' C3 }: j
改善最大相制动方式动作延时长的不足，其缺点是+ ^; ?7 h8 c& j7 t
由于只以一相的谐波比制动，可能导致误动。分相# J# m* V; ?7 ^
制动方式能迅速动作，但有误动问题。综合相制动. ^$ x" E5 d" f+ @$ N
方式能在保证不误动的前提下，提高速动性。
6 h4 {4 `3 m$ l' r4 l6 o分别对的谐波比最大相制动和分相制动进行. N/ ~- V8 W( `0 y, k+ d. D
仿真。变压器饱和特性是[i1= 0，Φ1=0；i2=0.0，: G/ x6 O i9 R6 @7 u: J
Φ2=1.2； i3 = 1.0 ，Φ3 = 1.52]，A相剩磁为0.5。0 N0 d# R9 t$ D" f, Z
设k取值0.15。+ w7 v( }+ Q0 j# l! w) H" `* i& f
a) 谐波比最大相制动
) G& a& H) H! u/ f, D0 p, o! ?谐波比最大相制动系统如图3.1 所示。& p! L' E& P/ t
3
: \/ g# I( O0 \9 @- `* `图3.1 谐波比最大相制动的subsystem模块图2 ]; V: T/ F# u- n
谐波比最大相制动输出结果如图3.2 所示，其5 S) K: q0 K. L: C( ]# L
中1 表示工作正常，0 表示制动。
6 r" L0 f' m# r& [5 Q- }2 q图3.2 谐波比最大相制动的输出结果
0 U$ I1 X" K. t0 Ub) 分相制动) V! P3 |% B4 [$ _% O
将谐波比最大相制动系统图中的max模块换成) }5 d- I+ C+ |' Y) N; x0 P! a) @( n
min模块即为分相制动系统图。" o$ |0 p+ B* @: ~, k; y8 q+ _/ M
分相制动的输出结果如图3.3所示。其中1表示$ V) Q- q) N" q: n2 O
工作正常，0表示制动。7 w& t+ ^3 @4 _' l2 L' [4 q
图3.3 分相制动的输出结果& i: V2 g; Y) m
由图3.2和图3.3，谐波比最大相制动比分相制
! R, i) v$ O* k, X5 B2 \! d动反应慢，在变压器空合于故障时保护延时，但分
4 A) V' B, t& h' A+ A( Q相制动容易导致误动。因此，如果将它们结合起来
5 R. q Y. H4 x/ v组成综合相制动（max(Ida2，Idb2，Idc2)/max(Ida1，* {1 ~2 Q8 L$ w5 ?& u; B4 E4 P
Idb1，Idc1)  k）会获得更好的效果。
: w: Q6 i) r G- [5 v8 p9 t4 变压器励磁涌流的抑制技术- m' q. F$ s) [, ^& D, D
由于励磁涌流对电力系统会产生很多不利影+ y4 O {( h4 g! U. Q3 h
响，其抑制技术受到广泛关注。目前，削弱励磁涌
% x& {4 F6 m0 Q流的方法主要有三种[9][10]：串联电阻；控制三相开
! X7 v+ W+ O3 y关合闸时间；在变压器低压侧并联电容器。其中，' z4 [7 z" J8 G; P, z+ N3 p
由于控制三相开关合闸时间从原理上不需要附属
) j! H3 ]. S7 [* J9 h. @设备，相对另外二种方法有一定优势。$ U; d) f; s/ H
图4.1 变压器励磁涌流延迟合闸抑制法的仿真系统模型7 F3 W4 d1 W! G; T ^4 G& ^
论文对控制三相开关合闸时间的抑制法进行" z6 V# d2 G! {4 M) \% A, b
仿真。仿真系统模型如图4.1所示。仿真模型中，
3 }# I, z! C, d4 B. R% X等效电源、变压器和负荷的参数均和上述设置相& ?. I, E/ A' x. X
同。变压器A相在外加电压900时合闸，B、C两相在) ]. ]4 z% l4 s# w$ k2 U
两个工频周期后合闸。仿真结果如图4.2所示。
$ B( m3 ]; B7 g6 V图4.2 控制合闸时间时A相电流* S! N) U- Z& Z/ F- T* K8 d1 V6 ^: g
图4.3 没有控制合闸时间时A相电流; \; c: X; Z" w" ~
图4.3为没有控制合闸时间时A相的电流波形
6 N9 u7 S3 {5 p( i& r0 S$ }% T' b* H图。比较图4.2和图4.3，可以看出，采用抑制策略
! V0 `9 M% I1 w; g$ G$ @9 j# Q后，涌流幅值明显减小。; F2 I4 a/ X% o+ w8 i, l
5 结论
7 k5 q ]0 ~! K- c5 Z本文对讨论变压器励磁涌流的二种鉴别技术，
. c9 A3 V! e3 z! }! ], b& A* {1 G q9 W并且对鉴别方法进行了仿真比较，二种方法各有优$ `% r4 C$ k" t$ g) l
缺点，而且优缺点相互补充，在具体运用中应该将# @5 K2 A' G) C$ ]6 w* b) d
其结合起来，充分发挥各自优点。最后论文对励磁% p! S' ^) F- q3 D
涌流的抑制技术进行了探讨，从仿真结果来看，控
4 k% e9 I9 q7 s0 c9 t3 a1 B& K制三相开关合闸时间能够有效抑制励磁涌流的幅& P2 Z4 X4 X3 } t0 o+ P) J
值。% \; n5 `* d5 m r& S v* {
4, c5 H9 `$ H6 k8 Z4 z+ V
参考文献
1 e- \6 u( l) F5 O: t* }[1] 陈剑，李炜.变压器励磁涌流的特性分析及应用.湖南电力，2005，/ [' E1 c$ x0 e5 C/ V7 F0 }
25(4)：4～10
' ^3 q' a) p) X) O[2] 黄绍平，李永坚.基于MATLAB 的变压器空载合闸瞬变过程仿真% J8 r! d1 d$ B2 Z1 W
研究.继电器，2004，32(8)：19～21
: P5 q3 |. v5 Y- @3 P[3] 贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理.北京:中国电力出版社，
8 i$ _( w2 [( W- R1994，10，172～178
. t- V# f3 i+ P/ U% p8 B: P& I! p[4] 吕真，岳蔚，刘沛.变压器差动保护二次谐波制动判据的仿真研究.+ V2 J y0 x) N
继电器，2003，31(6):69～72
. L5 T0 S! i- X) L[5] 唐跃中，刘勇，徐进量等.几种变压器励磁涌流判别方法的特点及& g0 @) K% _1 k) R5 D8 v
其内在联系的分析.电力系统自动化，1995，19(9):53～59
+ \; {0 S, `) a. T) s9 i% N[6] 岳志刚，杨国旺，曲艳华.励磁涌流对差动保护的影响及其对策.
" F! R3 Z: o0 Y3 A e/ l- |6 ^高压高电，41(1)：48～50
+ M/ n6 F( U) g8 h[7] 宋芸，乐秀，钱峰，李稚鹏.励磁涌流鉴别方法在变压器保护中的( }/ ?3 {+ V- f+ Q* v3 Q+ s; |- L
应用.继电器，2002，30(10)：85～89
; u$ r3 a! o- b[8] Qi Li，David，Chan Tat Wai，Investigation of Transformer Inrush' S5 i) G4 J$ G }# G
Current Using a Dyadic Wavelet.Energy Management and Power+ j* G4 E7 {$ |+ z; | B
Delivery ， 1998.Proceedings of EMPD`98.1998 internationAl# k: v- R0 z2 q& {# q2 @
conference on Volume 2，3～5，March 1998 Page(s):426～429
- r( K6 a- R8 z8 G- X/ H2 O[9] 郝治国，张保会，褚云龙等.变压器空载合闸励磁涌流抑制技术研7 d4 f6 d) G; o
究.高压高电，2005，41(2)：81～84) C& y1 c2 ?$ y0 _
[10] 李琥，段乃欣，周海洋等.两种削弱励磁涌流的方法.继电器，2003，; g1 w, B: w7 p% |3 C, b/ J9 m+ q
31(4)：35～37& v: L3 \' _1 |: f$ I
作者简介：5 t7 j0 x2 G: y% C% f
彭静萍（1983-），女，江苏，汉族，硕士研究生，主要从
+ c- ~& q8 b* d事电力系统运行和控制方面的研究。Email ：
% r: I5 P8 L/ }! E7 d7 _) P! l7 ]pengjingping@smail.njust.edu.cn。, {7 ~- s8 v1 h- F) g' U
秦红霞(1971-)，女，新疆，汉族，工程师，主要从事电力系
. f5 M: V' t$ u; c统微机继电保护方面的研究。1 y' R9 r$ b/ z0 h$ J, l
贾晋（1983-），男，安徽，汉族，硕士研究生，主要从事: x, d- e2 c* Y+ P
电力系统运行和控制方面的研究。Email ：/ s8 F& \* j$ y& t, W% E
jiajin@smail.njust.edu.cn。
8 V' `: a& F" M( }* S张俊芳(1965-)，女，陕西，汉族，副教授，主要从事电力系, K) q" F% Y. ^6 J2 |; W
统优化、运行与控制等方面的教学与研究。 |
|
赣公网安备36040302000210号 )|网站地图
狗仔卡
提升卡
置顶卡
沉默卡
喧嚣卡
变色卡
显身卡
