电力变压器故障matlab仿真

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329292204

1
变压器励磁涌流的分析与研究
2 L, l  e6 D" w/ f3 u6 t2 a彭静萍1，秦红霞2，贾晋1，张俊芳1
* l  O1 L+ T! s/ Z4 F（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）
摘要：论文对变压器励磁涌流的产生机理和其性质进行了
分析和研究，采用MATLAB 软件进行仿真，结果证实理论
分析的正确性。探讨了变压器合闸初相角、饱和磁通和剩磁
7 s; {3 `  K4 m, o! t, v对励磁涌流的影响，在理论研究的基础上，利用仿真进行对
* B& v8 z6 a% ~比分析。研究了变压器励磁涌流的各种鉴别方法和抑制方
+ s" ^! b4 H3 Q5 l$ F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
制法作了仿真分析。
1 l! J  r$ X' z7 o& I2 ~关键词：变压器励磁涌流合闸初相角饱和磁通剩磁
9 `% ]1 f4 A- _; m+ Z0 引言
) s- a; k/ n! ]$ N6 q& C电力变压器在空载投入电网或外部故障切除
6 s& C, C" C- D6 Y3 @# o5 K后电压恢复时，由于变压器铁芯磁通的饱和及铁芯
材料的非线性特征，会产生相当大的励磁电流，称
为励磁涌流[1]。
励磁涌流的数值很大，有时可以达到额定电流
- `2 [9 H8 Z0 ^2 S8 g; }的3～8倍，可能导致变压器差动保护误以为是故障
) h; P' n; w5 ~5 Z# e! d电流而动作[6]。同时励磁涌流会造成绕组变形，从
而减少变压器的使用寿命。励磁涌流中含有的多个
0 V, A$ e( w/ }3 N6 d  W6 N/ ^3 O# e谐波成分及直流分量，将会降低电力系统的供电质
8 V& c; a+ U# x9 |" {量，涌流中的高次谐波对连接到电力系统中的敏感
电力电子器件有极强的破坏作用[9]。
近年来，我国远距离输电系统越来越多地建
成、运行，超高压、大容量电力变压器不断投产，
对变压器保护的可靠性和快速性提出了更高的要
求。但是，国内变压器保护的发展却远远落后，其
保护正确动作率长期偏低。如何躲开变压器励磁涌
& b$ v1 x1 D+ R+ S( }流的影响，对提高变压器保护动作的正确率以及改
& y$ T+ B) i/ X6 \, G善电力系统的供电质量有着重要的意义。
1 变压器励磁涌流的产生及其特性
图1.1 变压器铁芯磁化曲线
图1.1所示为变压器铁芯磁化特性[1]。设饱和磁
通Φs，将饱和曲线近似看作直线ΦsP。当Φ<Φs时,
9 y! O0 j2 O# ~2 z% nie≈0 (即励磁涌流小的不可比拟)；当Φ>Φs时，
; C$ C8 M( m( K  ]ie 随Φ线性增长，即ie与Φ波形相同。令电压过零
时合闸，对应外加电压为u，铁芯中必有稳态磁通
: ?1 n2 _* _/ a/ ]$ e3 p! [Φ(t)，因为，u=dΦ(t)/dt，所以有
; e" v# ^; [9 i; G: P! Z9 L8 _&#61480; &#61481; &#61480; &#61481;
. |$ ?$ \) q: R* Q7 Z& J9 X1 e&#61480; &#61481;
m
9 T: ^  G+ j# F3 `: C, @m x
, s5 h; @  L- l8 P% X5 D& [8 Ct udt u sin t+ dt
cos t+
& r# k$ V2 s1 H4 g&#61559; &#61537;
&#61559; &#61537;
&#61510; &#61501; &#61501;
1 s8 U" Y  L6 o$ s$ k, {- H7 X&#61501; &#61485;&#61510; &#61483; &#61510;
  j; {( v+ T, p&#61682; &#61682; (1.1)
式中Φm为稳态磁通的幅值Φm =Um/ω。
9 n3 n$ ~5 n1 f8 r$ H设Φr 为空载合闸前的铁芯剩磁，合闸瞬间，t =
( v: \: U& p$ ]# {3 g8 h0，式(2.1)成为
9 |% H8 z+ ~& B2 H' z&#61510; &#61480;0&#61481; &#61501; &#61485;&#61510;m cos&#61537; &#61483; &#61510;x (1.2)
1 f$ X4 k+ D! G3 T/ j& q由磁通守恒定律得: Φr=Φ(0)，代入式(2.2)
求解Φx得
4 f& R# j- g) ~" r: S, e. }&#61480; &#61481; m x &#61510; t &#61501; &#61485;&#61510; cos&#61537; &#61483; &#61510; (1.3)
将式(2.3)代入式(2.1)得
&#61480; &#61481; &#61480; &#61481; m m x &#61510; t &#61501; &#61485;&#61510; cos &#61559; t+&#61537; &#61483; &#61510; cos&#61537; &#61483; &#61510; (1.4)
5 U5 |6 l+ f6 y) E- z图2.2 就是所示的空载合闸铁芯磁通。由图1.2
: Y. W/ O# n; I7 ~; l( {可作出对应Φ(t)的励磁涌流ie(t)，如图1.3 所示。
图1.2 空载合闸铁芯磁通
2
. a  h1 z5 {4 y. ]& ]0 N. o1 F图1.3 励磁涌流的变化曲线
变压器励磁涌流有三大特点[3]：
a) 含有较大成分的非周期分量，往往使涌流偏
* S/ T# s: H/ z9 @向于时间轴一侧。
& r( o  }2 e+ [$ C5 Zb) 含有丰富的高次谐波成分，其中以二次谐波
; D# o% e2 [, K1 q" N) o为主。
, k3 f0 h; z1 g3 {1 b- L0 |c) 波形存在间断。
从上述分析可以看出，变压器励磁涌流的大小
' M' U- q* ^0 |4 Z+ k. |7 J; D与变压器合闸初相角、剩磁大小、饱和磁通等因素
有关。
2 变压器空载合闸时励磁涌流仿真
+ R1 o" {( I: r. L" y% o/ a图2.1 是变压器空载合闸时励磁涌流的仿真分
析模型。一台三相双绕组变压器由一个500kV、60Hz
的等效电源供电，变压器的额定容量为450MVA，绕
# Q- M/ I) F' v  R组联结方式为Y0/Δ，额定电压为500/315kV，额定
6 `' h" H  H4 |1 y频率为60Hz。图2.2 和图2.3 为变压器的电路模型
9 w+ I7 w* }% w/ O/ |6 i6 p" M和饱和特性曲线[2]。
: N  |7 V3 T/ n% a1 q. R图2.1 变压器空载合闸时励磁涌流的仿真分析模型
图2.2 变压器的电路模型
& O3 i+ Q: X9 g. V. ?8 x* R4 ?' b图2.3 变压器的饱和特性曲线
& G  P( a3 @2 T' C* m各参数取值如下：R1=0.002，L1 =0.08，
R2=0.002，L2=0.08，Rm=500，饱和特性(对应图4.3
中的1、2、3点)是[i1=0,Φ1=0；i2=0.0，Φ2=1.2；
i3=1.0，Φ3=1.52]，三相剩磁ΦA0=0.8，ΦB0=- 0.4，
' L* c; S& K8 D- G1 b) `" q2 J# M5 NΦC0=0.4。
, w/ ?" z6 I' n, {3 变压器励磁涌流的鉴别方法
+ D/ h+ D! U2 q9 `8 h. V% J7 j为了防止变压器差动保护误动作，必须对变压
1 }' Z. D; t# C0 F+ x" @器励磁涌流与内部短路电流进行鉴别。目前在实际
6 ?4 J7 F" Y" W2 e  _% |* i中运用比较多的有二次谐波制动、虚拟三次谐波制
动、间断角原理、波形对称原理、波形拟合法等[7][8]。
二次谐波制动法的判别式为当出现励磁涌流
1 p3 E# z) a- Q- e% A4 q时，有Id2 &#61619; kId1。式中Id2和Id1分别为差动电流中的
二次谐波电流和基波电流的方均根值；k为二次谐波
制动比[5]。
8 `  ?' f% @+ c& d0 n' O二次谐波制动比有二种计算方法：
a)谐波比最大相制动
/ z7 }) H% o  X0 E4 h) omax(Ida2/Ida1，Idb2/Idb1，Idc2/Idc1) &#61619; k
b)分相制动
min(Ida2/Ida1，Idb2/Idb1，Idc2/Idc1) &#61619; k
以上式中，Ida2，Idb2，Idc2分别为三相差流二次
& N5 u: Q, j( H7 a$ H谐波，Ida1，Idb1，Idc1分别为三相差流基波。
谐波比最大相制动可以保证励磁涌流时保护
不误动，但容易使保护延时。按故障相制动可较大
; H9 N+ `; h2 K' o+ v改善最大相制动方式动作延时长的不足，其缺点是
由于只以一相的谐波比制动，可能导致误动。分相
制动方式能迅速动作，但有误动问题。综合相制动
2 n6 d$ [- C2 {) r% c方式能在保证不误动的前提下，提高速动性。
3 k6 {( B2 @9 Y' O! ~" e分别对的谐波比最大相制动和分相制动进行
仿真。变压器饱和特性是[i1= 0，Φ1=0；i2=0.0，
Φ2=1.2； i3 = 1.0 ，Φ3 = 1.52]，A相剩磁为0.5。
设k取值0.15。
/ `2 V; `& N% Pa) 谐波比最大相制动
谐波比最大相制动系统如图3.1 所示。
3
图3.1 谐波比最大相制动的subsystem模块图
) Z0 \" A) }8 y: H  Z8 T7 q谐波比最大相制动输出结果如图3.2 所示，其
中1 表示工作正常，0 表示制动。
' n9 G2 l% w: d7 s! @# x图3.2 谐波比最大相制动的输出结果
b) 分相制动
将谐波比最大相制动系统图中的max模块换成
min模块即为分相制动系统图。
* r+ l- ?" a3 C3 o! l) ?9 O分相制动的输出结果如图3.3所示。其中1表示
工作正常，0表示制动。
图3.3 分相制动的输出结果
5 |9 ^9 v' U) H7 r. E由图3.2和图3.3，谐波比最大相制动比分相制
: ^% V  h0 q* X( Y! v动反应慢，在变压器空合于故障时保护延时，但分
相制动容易导致误动。因此，如果将它们结合起来
# r, t; i' R+ S  T  u- s# I1 e9 T组成综合相制动（max(Ida2，Idb2，Idc2)/max(Ida1，
Idb1，Idc1) &#61619; k）会获得更好的效果。
5 e4 p% _* f2 o: m- X$ s- V1 u4 变压器励磁涌流的抑制技术
由于励磁涌流对电力系统会产生很多不利影
  k5 ~6 I! X% Z. |: Z9 ~( D响，其抑制技术受到广泛关注。目前，削弱励磁涌
流的方法主要有三种[9][10]：串联电阻；控制三相开
3 U( h/ x. T" l8 R5 V' f关合闸时间；在变压器低压侧并联电容器。其中，
. R" M& ^0 S* P" o9 H% z) Q( S由于控制三相开关合闸时间从原理上不需要附属
设备，相对另外二种方法有一定优势。
1 Y, s0 G3 R9 B0 n7 s3 Q" k图4.1 变压器励磁涌流延迟合闸抑制法的仿真系统模型
. {$ T8 Z6 q4 Y- ]1 Z; d8 |& `- g1 _论文对控制三相开关合闸时间的抑制法进行
' V, e( q+ R5 o2 ~% P2 B, A( h& T) M仿真。仿真系统模型如图4.1所示。仿真模型中，
等效电源、变压器和负荷的参数均和上述设置相
6 B: ?7 [7 l5 M$ m/ z, a& O5 s. u同。变压器A相在外加电压900时合闸，B、C两相在
) p1 Y7 B1 H4 N. z/ ]& K两个工频周期后合闸。仿真结果如图4.2所示。
图4.2 控制合闸时间时A相电流
图4.3 没有控制合闸时间时A相电流
图4.3为没有控制合闸时间时A相的电流波形
图。比较图4.2和图4.3，可以看出，采用抑制策略
后，涌流幅值明显减小。
5 结论
  K: K4 [/ a0 K# f& K本文对讨论变压器励磁涌流的二种鉴别技术，
; O/ W4 y1 I/ @# j并且对鉴别方法进行了仿真比较，二种方法各有优
* C8 t" O  J& o8 c7 l; c; D# q缺点，而且优缺点相互补充，在具体运用中应该将
- Z4 {, [. d% V其结合起来，充分发挥各自优点。最后论文对励磁
涌流的抑制技术进行了探讨，从仿真结果来看，控
制三相开关合闸时间能够有效抑制励磁涌流的幅
值。
4
参考文献
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+ p2 E4 F# N: B1 |2 \  x31(4)：35～37
作者简介：
7 L$ h# {; u& C# f" i彭静萍（1983-），女，江苏，汉族，硕士研究生，主要从
4 s/ j# x8 X% ?( C7 I事电力系统运行和控制方面的研究。Email ：
pengjingping@smail.njust.edu.cn。
秦红霞(1971-)，女，新疆，汉族，工程师，主要从事电力系
+ I( ~+ _. \- p0 c/ C统微机继电保护方面的研究。
9 K* K( U* s0 z0 W, F9 l! T贾晋（1983-），男，安徽，汉族，硕士研究生，主要从事
$ W( n! c1 r' m) p3 t# m1 x电力系统运行和控制方面的研究。Email ：
- i: O( o& h1 [, A0 `jiajin@smail.njust.edu.cn。
0 T0 T# I' F( m  D- J张俊芳(1965-)，女，陕西，汉族，副教授，主要从事电力系
9 O. \+ u- N) F8 {( L- O统优化、运行与控制等方面的教学与研究。

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