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发表于 2008-5-15 21:47:35
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9 f$ _5 A+ ]5 Y( r变压器励磁涌流的分析与研究
( P6 k* K* P' J" K彭静萍1,秦红霞2,贾晋1,张俊芳1
9 {/ \6 P/ [- Z* F: E(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)7 j" W2 A: O. L- S
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/ o) u! Y% [分析和研究,采用MATLAB 软件进行仿真,结果证实理论& Z( j/ z1 Y* F; O: Z+ }
分析的正确性。探讨了变压器合闸初相角、饱和磁通和剩磁
B. w" K5 m$ C- F. }, _对励磁涌流的影响,在理论研究的基础上,利用仿真进行对3 j# @: V- A8 T8 |" D
比分析。研究了变压器励磁涌流的各种鉴别方法和抑制方, p4 ~2 w; o# ~. |: j1 _
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
% n0 P( M; v/ @7 Z制法作了仿真分析。
0 \ p3 _) u; G0 ~7 } A# d关键词:变压器励磁涌流合闸初相角饱和磁通剩磁3 [' x8 D& k: V, F4 R
0 引言0 Q/ @+ P1 F% N9 K; q" o& A& ~' u
电力变压器在空载投入电网或外部故障切除9 q5 i7 k$ \. |
后电压恢复时,由于变压器铁芯磁通的饱和及铁芯* u' v( Z) M8 M! s) k. m
材料的非线性特征,会产生相当大的励磁电流,称
" i6 k! H5 L' j6 O9 u为励磁涌流[1]。- Z+ f6 N$ X- s+ }
励磁涌流的数值很大,有时可以达到额定电流
- ~7 b q+ Z; A% I* V的3~8倍,可能导致变压器差动保护误以为是故障
) w3 j9 U% B; b6 K5 L电流而动作[6]。同时励磁涌流会造成绕组变形,从, x3 z2 J5 F; p; R1 P
而减少变压器的使用寿命。励磁涌流中含有的多个. Z3 c9 e3 G4 {+ x5 C' z
谐波成分及直流分量,将会降低电力系统的供电质- ^; G& A! F F* u) k( i
量,涌流中的高次谐波对连接到电力系统中的敏感
/ r9 E; T; o) C( P# a; t电力电子器件有极强的破坏作用[9]。8 S/ k/ P0 c4 P7 L+ { M
近年来,我国远距离输电系统越来越多地建 x$ c$ u2 F1 S& d
成、运行,超高压、大容量电力变压器不断投产,
3 Y$ S8 ^0 }5 S对变压器保护的可靠性和快速性提出了更高的要3 n7 }7 L% z( }- d G1 p4 v
求。但是,国内变压器保护的发展却远远落后,其
& z: V# X9 D9 Y保护正确动作率长期偏低。如何躲开变压器励磁涌
0 f( O9 z; j5 j. z( m流的影响,对提高变压器保护动作的正确率以及改0 T; F1 |; z. p" E8 g! n
善电力系统的供电质量有着重要的意义。
2 n* c [1 n6 N& w1 变压器励磁涌流的产生及其特性
# z7 G/ m" E" d' E2 b% v# Z0 e$ q图1.1 变压器铁芯磁化曲线+ `8 W1 R4 a9 U; D; G$ e r
图1.1所示为变压器铁芯磁化特性[1]。设饱和磁- X6 s/ @. Z+ s8 A
通Φs,将饱和曲线近似看作直线ΦsP。当Φ<Φs时,* ?/ \; ~1 _" ?( S
ie≈0 (即励磁涌流小的不可比拟);当Φ>Φs时,/ H: M9 n9 |6 W. o' D- ]) b
ie 随Φ线性增长,即ie与Φ波形相同。令电压过零6 B* j7 D; _5 U u& W( o3 }
时合闸,对应外加电压为u,铁芯中必有稳态磁通
8 b/ `4 l: o+ ^; ~8 q, hΦ(t),因为,u=dΦ(t)/dt,所以有; X+ U3 |# b1 q1 c
   5 O( R4 j- R/ e/ p7 @( ]* v
 
3 o, F3 t0 |" A8 Wm7 a' V. i" T. e
m x
, F+ h" X& w, h" s; e% a5 }t udt u sin t+ dt+ M( N, \7 b* J, Z
cos t+
% ?, m9 |, M; u* V 
% J* H) v6 c5 G7 Z/ K# ^ 
* ~' L: z: u$ |- ]. ?  
6 D0 N6 s$ Y7 n x& ^8 L; |8 j4 B   0 a% S* }7 j. ] z
  (1.1)- f- {3 |0 ^+ K1 D1 ~
式中Φm为稳态磁通的幅值Φm =Um/ω。! g( I& ~- t3 `2 \! q3 Y7 z4 J
设Φr 为空载合闸前的铁芯剩磁,合闸瞬间,t =
& x) v0 U9 y! q/ X" i& Z- F0,式(2.1)成为
: T5 ?/ D# T5 I; @: L' y3 g3 M 0  m cos  x (1.2)3 j9 @/ x$ t7 o
由磁通守恒定律得: Φr=Φ(0),代入式(2.2)
" Q( Y' f& A! ^% u求解Φx得9 V% d1 E0 v2 Z1 P7 c
  m x  t   cos   (1.3)
" a2 E9 c e1 W8 r, L; |# z( P将式(2.3)代入式(2.1)得8 z7 {* N8 e1 a& r3 L
    m m x  t   cos  t+   cos   (1.4)
! m, n% Q' U7 G: ^3 @5 ^3 T) w' Z" T图2.2 就是所示的空载合闸铁芯磁通。由图1.2
8 X7 F! U# [4 b5 b: L! c可作出对应Φ(t)的励磁涌流ie(t),如图1.3 所示。, \5 ]9 j; \- r, l. ~2 ?* o$ P
图1.2 空载合闸铁芯磁通, ? S2 i2 H. t, N
2
# @. }: D/ Z0 e3 N) n) v- X图1.3 励磁涌流的变化曲线
# p9 u1 |9 L* e0 ]' }, \9 Y变压器励磁涌流有三大特点[3]:1 V5 R, P, r m$ @
a) 含有较大成分的非周期分量,往往使涌流偏9 V; \7 F4 w4 J! J
向于时间轴一侧。
& Q3 M1 J' R9 M" U, t4 y: ]b) 含有丰富的高次谐波成分,其中以二次谐波# P- j; L! w$ c: X! _2 j N: Q
为主。
5 X1 z2 G' S3 p2 Q/ oc) 波形存在间断。
5 I/ X) O, `0 l% H4 M7 d8 d) f$ y从上述分析可以看出,变压器励磁涌流的大小
: Q: z5 a8 s3 x/ N$ G. }; m与变压器合闸初相角、剩磁大小、饱和磁通等因素
" ?2 Z( n! i+ N! [4 W Q9 B4 R有关。
& Y- S) z, |2 `/ z+ N0 ~0 P2 变压器空载合闸时励磁涌流仿真
; r0 b& c, T3 N图2.1 是变压器空载合闸时励磁涌流的仿真分
$ [! i6 ? W1 ~0 R5 W! P0 t析模型。一台三相双绕组变压器由一个500kV、60Hz" {1 V/ }1 O) G& O$ @' J
的等效电源供电,变压器的额定容量为450MVA,绕
. D: ]- i( S7 w% k4 m组联结方式为Y0/Δ,额定电压为500/315kV,额定
. z* o9 e7 @9 ], T3 g4 a频率为60Hz。图2.2 和图2.3 为变压器的电路模型/ f4 ?( ^: a7 ^( U
和饱和特性曲线[2]。8 h# H4 W! F4 ?9 s$ A- r: [' f z
图2.1 变压器空载合闸时励磁涌流的仿真分析模型% K) m3 m: t S) S
图2.2 变压器的电路模型
( O3 M x+ H' E6 F1 }6 }. S5 y图2.3 变压器的饱和特性曲线
, f) ?: @' h; u3 p. [ \各参数取值如下:R1=0.002,L1 =0.08,) s" Y1 d, q. \ B' I
R2=0.002,L2=0.08,Rm=500,饱和特性(对应图4.3* P X& T7 t: X8 |" c- y
中的1、2、3点)是[i1=0,Φ1=0;i2=0.0,Φ2=1.2;# m# o" t" S2 M T& h2 u
i3=1.0,Φ3=1.52],三相剩磁ΦA0=0.8,ΦB0=- 0.4,0 Q+ [) C6 L9 h* |) a1 @
ΦC0=0.4。
" n% ]0 A4 d i7 P3 变压器励磁涌流的鉴别方法
) u6 \# W1 d5 m' h5 r为了防止变压器差动保护误动作,必须对变压4 R5 A0 b% w* P) O% F- e
器励磁涌流与内部短路电流进行鉴别。目前在实际! w- p6 H9 O# u4 i+ h1 M; B, U
中运用比较多的有二次谐波制动、虚拟三次谐波制
/ [. c4 w2 ^9 \5 v U$ E动、间断角原理、波形对称原理、波形拟合法等[7][8]。! O- z$ n+ U7 r( Y/ ]0 [6 X6 f7 V. L0 i
二次谐波制动法的判别式为当出现励磁涌流' l' z, ?7 Y9 u7 ?4 }6 g" U0 T
时,有Id2  kId1。式中Id2和Id1分别为差动电流中的
+ a& l! G7 R5 x$ N. l2 E二次谐波电流和基波电流的方均根值;k为二次谐波/ x' r3 M. p, d5 z& o
制动比[5]。, ]6 g6 ^( I$ W O8 A% ]
二次谐波制动比有二种计算方法:) z" @$ X: d7 K6 C
a)谐波比最大相制动" r T& x% O" I' v- `
max(Ida2/Ida1,Idb2/Idb1,Idc2/Idc1)  k
% O. ?1 A! t/ u0 H5 F! h" Y% M. S% gb)分相制动
7 e3 ~) Q! \2 b: \& I( Qmin(Ida2/Ida1,Idb2/Idb1,Idc2/Idc1)  k0 Z. @& A5 I' C6 s8 v+ Z
以上式中,Ida2,Idb2,Idc2分别为三相差流二次7 a1 [! d& I) o' G$ k; A
谐波,Ida1,Idb1,Idc1分别为三相差流基波。3 g( v) m( t6 i+ R
谐波比最大相制动可以保证励磁涌流时保护
7 n* C& t( g+ v0 P不误动,但容易使保护延时。按故障相制动可较大. A5 i" V6 e* W+ b& E P% W# s
改善最大相制动方式动作延时长的不足,其缺点是5 E* [8 ^/ g, o* N: R
由于只以一相的谐波比制动,可能导致误动。分相
, S9 x2 e% b; N3 \2 C" Y Q制动方式能迅速动作,但有误动问题。综合相制动& m2 G# v6 A- Q0 M2 ]1 j. |
方式能在保证不误动的前提下,提高速动性。. t2 \. |, e$ {; [$ c8 R" k
分别对的谐波比最大相制动和分相制动进行/ E0 u: o" \7 _' G
仿真。变压器饱和特性是[i1= 0,Φ1=0;i2=0.0,
7 W/ V9 l; f4 N% v- DΦ2=1.2; i3 = 1.0 ,Φ3 = 1.52],A相剩磁为0.5。7 T5 \! c C2 J* r
设k取值0.15。
; [6 t2 r, j6 `% x ~; m: ea) 谐波比最大相制动
2 f; S3 i$ L2 s' D b1 y谐波比最大相制动系统如图3.1 所示。
- g p( f% b' d; F" m0 C$ n9 I9 S3
; f n! W6 m' I4 w8 ?2 q& ~/ B9 ^图3.1 谐波比最大相制动的subsystem模块图
; ^* o4 }, J% P4 T" f* S1 y谐波比最大相制动输出结果如图3.2 所示,其: |, r& t% z6 c4 H" r3 p
中1 表示工作正常,0 表示制动。, _9 B2 ]/ q/ ^4 U4 L% [4 I- \
图3.2 谐波比最大相制动的输出结果1 r3 k! d; K3 }# k( K2 Z
b) 分相制动9 {7 R( d6 a6 ^) S
将谐波比最大相制动系统图中的max模块换成
9 `$ D3 S' w: }. ]/ ` X& u" {! [min模块即为分相制动系统图。, p k/ [2 k" H; z( P7 k' O
分相制动的输出结果如图3.3所示。其中1表示
( P; g% ^) i* j" E: w7 S" S! s# ?* j工作正常,0表示制动。
% e" ^- c* @4 T3 a1 \$ @7 `5 s& ]图3.3 分相制动的输出结果
) o! B7 e+ a, p由图3.2和图3.3,谐波比最大相制动比分相制
1 e4 {* W7 e4 g/ {; W; r# I动反应慢,在变压器空合于故障时保护延时,但分
, ?, ]6 r9 s# X) S相制动容易导致误动。因此,如果将它们结合起来+ q4 D: w6 I+ U9 z6 Q( z
组成综合相制动(max(Ida2,Idb2,Idc2)/max(Ida1,6 V G9 Y/ X/ c; U+ L
Idb1,Idc1)  k)会获得更好的效果。6 M3 g% n/ b# S! p& ^0 j H' e* ?
4 变压器励磁涌流的抑制技术4 ~0 w' o0 J, x6 |! b) |2 ?
由于励磁涌流对电力系统会产生很多不利影
; R! H; y* R% u响,其抑制技术受到广泛关注。目前,削弱励磁涌1 J8 ]& U/ t8 c) m& g0 |
流的方法主要有三种[9][10]:串联电阻;控制三相开) k' p6 j1 T( C( Y$ Q7 E
关合闸时间;在变压器低压侧并联电容器。其中,
: z+ ^% N0 F1 Q9 y) k6 d8 ^. C, H由于控制三相开关合闸时间从原理上不需要附属
- m6 Z% E% E! B4 G8 E3 \设备,相对另外二种方法有一定优势。. Y! P/ \8 H; W* u
图4.1 变压器励磁涌流延迟合闸抑制法的仿真系统模型9 u( X8 A/ `" ~& O
论文对控制三相开关合闸时间的抑制法进行
0 K9 N, J _% ], r- I仿真。仿真系统模型如图4.1所示。仿真模型中,2 W* C5 X& [' u/ E
等效电源、变压器和负荷的参数均和上述设置相
8 p" T4 @8 h% m6 B同。变压器A相在外加电压900时合闸,B、C两相在3 X; e/ D. Y! d7 P! u$ Y
两个工频周期后合闸。仿真结果如图4.2所示。; {1 {: F4 r3 o- O
图4.2 控制合闸时间时A相电流" F+ j. D1 e0 ?+ R' [) s5 Y: T
图4.3 没有控制合闸时间时A相电流' j; E( {# \$ q( h7 q5 T3 P
图4.3为没有控制合闸时间时A相的电流波形
P2 E v& [2 L) g6 `图。比较图4.2和图4.3,可以看出,采用抑制策略( I& O& v P+ _' Y \& G7 p
后,涌流幅值明显减小。; M5 y- T/ R! ~/ [& X( `
5 结论$ x" E/ [; ?# |2 H" y' I; y/ C
本文对讨论变压器励磁涌流的二种鉴别技术,
, K4 {& Z& J% V; [4 ?并且对鉴别方法进行了仿真比较,二种方法各有优% m _# R' Z% v# L
缺点,而且优缺点相互补充,在具体运用中应该将
' `5 H! ?6 B8 L7 z3 \( P% a其结合起来,充分发挥各自优点。最后论文对励磁
% s/ D2 @( U0 V7 [ T6 ^/ ?涌流的抑制技术进行了探讨,从仿真结果来看,控, w# X3 ^2 d. L
制三相开关合闸时间能够有效抑制励磁涌流的幅
+ K+ S7 V* h6 C+ f% g值。
a1 I- B7 w: A0 J3 F, ~' N4
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+ J/ |' F6 d: M6 A: a作者简介:- q1 Y5 S1 M) y% I& n- o( l& X
彭静萍(1983-),女,江苏,汉族,硕士研究生,主要从7 n! c6 t. }7 s. a2 h% q
事电力系统运行和控制方面的研究。Email :
" ~9 ^# R/ P5 a% }- Vpengjingping@smail.njust.edu.cn。
8 |) [6 H) x3 @2 i秦红霞(1971-),女,新疆,汉族,工程师,主要从事电力系
' V8 c' D1 c$ v( |, n5 \统微机继电保护方面的研究。* {! B; U/ G i9 X, H
贾晋(1983-),男,安徽,汉族,硕士研究生,主要从事2 Z' j9 _1 |. I# Z9 J
电力系统运行和控制方面的研究。Email :
0 ^$ N @7 [0 `! H/ \jiajin@smail.njust.edu.cn。% p: @7 {# M _' s+ ^7 t" g
张俊芳(1965-),女,陕西,汉族,副教授,主要从事电力系+ j- o9 h) L4 k, C$ }. L
统优化、运行与控制等方面的教学与研究。 |
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