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
彭静萍1，秦红霞2，贾晋1，张俊芳1
, W- W- s& ^! a4 c: w( ~3 [% C) }% Y（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）
# S1 B; o- @3 A! Y$ H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
* I/ K8 O3 C) p3 R/ T分析的正确性。探讨了变压器合闸初相角、饱和磁通和剩磁
对励磁涌流的影响，在理论研究的基础上，利用仿真进行对
( w/ n9 ^6 M, a& N( h比分析。研究了变压器励磁涌流的各种鉴别方法和抑制方
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。
关键词：变压器励磁涌流合闸初相角饱和磁通剩磁
0 引言
; P8 |  w4 c1 C电力变压器在空载投入电网或外部故障切除
后电压恢复时，由于变压器铁芯磁通的饱和及铁芯
- P4 g5 X4 c7 b9 ?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
8 d% ~, o; [  h的3～8倍，可能导致变压器差动保护误以为是故障
- F3 B( @" x5 q. k: @% h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
/ r9 c8 p- h3 q7 Y) c谐波成分及直流分量，将会降低电力系统的供电质
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]。
" ]  Z+ R: O9 l8 K) T( g) W+ M+ L* D! s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，
# @8 S% L/ S* y# ~; k  b对变压器保护的可靠性和快速性提出了更高的要
4 s1 ]! b$ u' a+ M3 p7 H. n" s2 Y- q求。但是，国内变压器保护的发展却远远落后，其
4 k6 j) G9 n: |/ v8 j保护正确动作率长期偏低。如何躲开变压器励磁涌
3 {' n/ K0 C$ f+ z$ n流的影响，对提高变压器保护动作的正确率以及改
善电力系统的供电质量有着重要的意义。
" ~# n& t1 D  ?$ t" }+ Q! p1 变压器励磁涌流的产生及其特性
" X  g: a4 Z5 F! }* m* o- a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
# I8 N. ~6 W; I2 ?' s通Φs，将饱和曲线近似看作直线ΦsP。当Φ<Φs时,
ie≈0 (即励磁涌流小的不可比拟)；当Φ>Φs时，
, T* D  l& [- Die 随Φ线性增长，即ie与Φ波形相同。令电压过零
1 I5 |; {5 C2 ^3 L) u1 y$ g时合闸，对应外加电压为u，铁芯中必有稳态磁通
5 {0 }3 Z8 y! `4 j$ rΦ(t)，因为，u=dΦ(t)/dt，所以有
( v3 ]( W8 i6 v# f- Q# n) n&#61480; &#61481; &#61480; &#61481;
&#61480; &#61481;
1 w1 d# ~- A; ^" U* _4 ?m
m x
t udt u sin t+ dt
( @/ ~) Z9 x/ q! P0 F- _cos t+
$ E8 j' O' f9 e&#61559; &#61537;
&#61559; &#61537;
9 q8 I+ h8 W2 B/ C&#61510; &#61501; &#61501;
&#61501; &#61485;&#61510; &#61483; &#61510;
- y- n) _7 p: m- T&#61682; &#61682; (1.1)
式中Φm为稳态磁通的幅值Φm =Um/ω。
设Φr 为空载合闸前的铁芯剩磁，合闸瞬间，t =
0，式(2.1)成为
&#61510; &#61480;0&#61481; &#61501; &#61485;&#61510;m cos&#61537; &#61483; &#61510;x (1.2)
由磁通守恒定律得: Φr=Φ(0)，代入式(2.2)
求解Φx得
9 i' p7 }& h" E&#61480; &#61481; m x &#61510; t &#61501; &#61485;&#61510; cos&#61537; &#61483; &#61510; (1.3)
# v- ~9 `+ i" Y& x7 q) `% l& W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)
, P- e* j6 `1 E; d7 N& _图2.2 就是所示的空载合闸铁芯磁通。由图1.2
可作出对应Φ(t)的励磁涌流ie(t)，如图1.3 所示。
5 h- \/ M3 h3 W图1.2 空载合闸铁芯磁通
+ H- N" ~0 }. P. L& _, }2
7 p2 I  k; Z% \- N4 ?6 M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
2 f! o! Z- ]/ F  U/ v# G' G向于时间轴一侧。
# S2 X: s' y' S" N" Ub) 含有丰富的高次谐波成分，其中以二次谐波
为主。
c) 波形存在间断。
0 h/ {: V1 Z% P: _$ C6 N1 ]从上述分析可以看出，变压器励磁涌流的大小
与变压器合闸初相角、剩磁大小、饱和磁通等因素
7 L6 i2 o. a% `) P- r  }8 N有关。
$ L$ t+ t% @+ k  v2 变压器空载合闸时励磁涌流仿真
! @3 N7 @! T$ q* h* |& D# g; V图2.1 是变压器空载合闸时励磁涌流的仿真分
; d- A5 X) ?( v3 Q% d2 ~6 I析模型。一台三相双绕组变压器由一个500kV、60Hz
8 s% n. b& Y4 U& _; Q的等效电源供电，变压器的额定容量为450MVA，绕
* E" Z" h* e0 }8 Z- n# @组联结方式为Y0/Δ，额定电压为500/315kV，额定
频率为60Hz。图2.2 和图2.3 为变压器的电路模型
0 f) z0 n4 h. H% R/ f* c) F和饱和特性曲线[2]。
图2.1 变压器空载合闸时励磁涌流的仿真分析模型
( k1 \. E) O; U1 p5 P# C图2.2 变压器的电路模型
图2.3 变压器的饱和特性曲线
各参数取值如下：R1=0.002，L1 =0.08，
2 a! F+ e& t9 k, @, _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，
+ s' u4 a' q$ X5 zΦC0=0.4。
; Z- A  W  N2 g+ _3 变压器励磁涌流的鉴别方法
为了防止变压器差动保护误动作，必须对变压
% @% u: g0 d* s. }1 J器励磁涌流与内部短路电流进行鉴别。目前在实际
7 e$ A6 t1 d: Z, ^6 n" ]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]。
8 H  C) r* A$ m0 U. K7 {" ]二次谐波制动法的判别式为当出现励磁涌流
时，有Id2 &#61619; kId1。式中Id2和Id1分别为差动电流中的
! A0 N; {( x5 c6 ?( z, e7 A& `二次谐波电流和基波电流的方均根值；k为二次谐波
$ s/ O' A9 c& }4 V# F( H* F制动比[5]。
二次谐波制动比有二种计算方法：
1 c6 R6 N% i" q6 @6 _( va)谐波比最大相制动
max(Ida2/Ida1，Idb2/Idb1，Idc2/Idc1) &#61619; k
b)分相制动
4 O( G2 B0 G' R/ Q  V) mmin(Ida2/Ida1，Idb2/Idb1，Idc2/Idc1) &#61619; k
1 k9 h" a3 v: {, R$ h以上式中，Ida2，Idb2，Idc2分别为三相差流二次
谐波，Ida1，Idb1，Idc1分别为三相差流基波。
; I$ j% P' p: \, h6 X4 C8 G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
改善最大相制动方式动作延时长的不足，其缺点是
2 O* u5 t; |& M' g3 l由于只以一相的谐波比制动，可能导致误动。分相
' R8 }) y4 G3 [5 u制动方式能迅速动作，但有误动问题。综合相制动
方式能在保证不误动的前提下，提高速动性。
5 e5 X$ F7 o: R6 T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，
  H+ v6 Q0 {/ j) T) {Φ2=1.2； i3 = 1.0 ，Φ3 = 1.52]，A相剩磁为0.5。
设k取值0.15。
2 E9 i! b9 s- T) w- A' a) za) 谐波比最大相制动
0 S4 t! e: u7 u9 A3 v. q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
9 l) Z+ A: A: J3 r. M1 F谐波比最大相制动输出结果如图3.2 所示，其
, X: X4 z2 k0 o* R& p9 A; z) E. z/ |中1 表示工作正常，0 表示制动。
图3.2 谐波比最大相制动的输出结果
# X7 E! T! x- ^5 e4 J" l1 p0 vb) 分相制动
将谐波比最大相制动系统图中的max模块换成
2 D0 ^( S8 w3 f2 Rmin模块即为分相制动系统图。
0 c+ @# ~7 d0 s9 U6 U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
' G0 \0 N; K! S9 B由图3.2和图3.3，谐波比最大相制动比分相制
9 w6 s' `; v- v) ^9 N3 L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
: Z4 ^4 a% h8 Q. K组成综合相制动（max(Ida2，Idb2，Idc2)/max(Ida1，
) i" |* C/ n: T1 x- A5 LIdb1，Idc1) &#61619; k）会获得更好的效果。
# `6 X5 |0 t. h4 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
& j! [; g9 k2 k) Z) A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
关合闸时间；在变压器低压侧并联电容器。其中，
" p! Y/ V" [8 h! g2 p( F, I) V由于控制三相开关合闸时间从原理上不需要附属
9 }$ S  V1 x# f/ l" h0 u设备，相对另外二种方法有一定优势。
- e, H/ \5 z" r' R) N图4.1 变压器励磁涌流延迟合闸抑制法的仿真系统模型
/ }) Q3 f  R. q+ G. |# h1 W$ V论文对控制三相开关合闸时间的抑制法进行
* f( C/ K: N/ j$ K: q; K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
同。变压器A相在外加电压900时合闸，B、C两相在
8 g' d1 c$ s2 e' ]- b) D两个工频周期后合闸。仿真结果如图4.2所示。
+ U4 b% Q% u' ^+ {% a, `7 Z7 m图4.2 控制合闸时间时A相电流
. a1 e( m' q* B3 b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
- @7 h# e$ T& p% v+ M& I图。比较图4.2和图4.3，可以看出，采用抑制策略
2 k  y. N+ F, \' T- j/ K9 |" Q2 C# y后，涌流幅值明显减小。
5 结论
/ \$ O- w( E, ?+ o, W本文对讨论变压器励磁涌流的二种鉴别技术，
并且对鉴别方法进行了仿真比较，二种方法各有优
缺点，而且优缺点相互补充，在具体运用中应该将
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
4 P* S) G4 I1 D: E. G制三相开关合闸时间能够有效抑制励磁涌流的幅
$ Z2 h  N& k6 F! U% r值。
* m" N$ j3 o% @; U3 C6 h4
5 l+ B. t0 f6 O: A* l' ^  S9 r% y" |参考文献
7 ?; e4 X) X9 F+ k2 Y, ]6 m% X( L[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，
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6 `, ~: f3 @1 U研究.继电器，2004，32(8)：19～21
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1 L" K" O/ g+ q+ y2 h, r31(4)：35～37
7 C9 T3 n3 u1 N8 w6 A4 v: u5 C作者简介：
) h: b4 V0 T: G' N5 K) @/ o# v彭静萍（1983-），女，江苏，汉族，硕士研究生，主要从
/ M( E' h- b  b2 r+ l+ x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
统微机继电保护方面的研究。
贾晋（1983-），男，安徽，汉族，硕士研究生，主要从事
电力系统运行和控制方面的研究。Email ：
$ I5 h3 o3 c7 A- j$ V- }jiajin@smail.njust.edu.cn。
" s( D" c0 H4 Z! d张俊芳(1965-)，女，陕西，汉族，副教授，主要从事电力系
统优化、运行与控制等方面的教学与研究。

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