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
& t* J8 h6 [: Z7 M4 y; Z. |* Y彭静萍1，秦红霞2，贾晋1，张俊芳1
（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
% z- z' T3 a1 |. _/ ^; E7 {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
对励磁涌流的影响，在理论研究的基础上，利用仿真进行对
+ t; H# F& Z- E, f  O3 p9 p+ C" T比分析。研究了变压器励磁涌流的各种鉴别方法和抑制方
  e) D0 A% \, V0 z0 T5 Y( Y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
# |3 {9 S4 L! Q0 [2 `! X! f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
: h" k0 r) Z2 i9 t( l3 @2 g: k7 N0 引言
. O& m. |& ]1 h8 U) E7 R% W电力变压器在空载投入电网或外部故障切除
. F, Z; i# L) O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
+ @% ]: V$ l% Q; H0 d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
的3～8倍，可能导致变压器差动保护误以为是故障
电流而动作[6]。同时励磁涌流会造成绕组变形，从
8 G6 g) O; k% P! I而减少变压器的使用寿命。励磁涌流中含有的多个
谐波成分及直流分量，将会降低电力系统的供电质
9 }% J: n  T9 |4 Z8 |! z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]。
2 W5 K3 P% p+ ^8 K6 H% r) ]近年来，我国远距离输电系统越来越多地建
' m8 y% P2 d* n( `. N成、运行，超高压、大容量电力变压器不断投产，
/ ^7 j6 S- T6 C: Q" H5 v对变压器保护的可靠性和快速性提出了更高的要
3 p- ^+ t5 S8 X3 m" k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
流的影响，对提高变压器保护动作的正确率以及改
. ~. N6 C/ X3 m, _# A: w" d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
  v# x5 N& I" h- g0 a3 u; p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
, J2 d( ?7 {& g4 p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，
, M/ Q2 K- b2 ?- [, Iie 随Φ线性增长，即ie与Φ波形相同。令电压过零
2 ?0 v2 v* V9 R% U- {$ k% v$ {时合闸，对应外加电压为u，铁芯中必有稳态磁通
7 X5 S2 U8 c& R1 B/ B0 w' yΦ(t)，因为，u=dΦ(t)/dt，所以有
&#61480; &#61481; &#61480; &#61481;
. i) m, j+ B5 u% n6 ?&#61480; &#61481;
0 k3 X  o3 D2 V- k* a1 \$ {m
0 b, H; w# X" O4 ~5 D; \; g/ Tm x
t udt u sin t+ dt
2 f& C9 F' T: v8 U8 u; D0 Qcos t+
&#61559; &#61537;
&#61559; &#61537;
&#61510; &#61501; &#61501;
/ {$ B# V2 f2 d# V) Z+ r) P&#61501; &#61485;&#61510; &#61483; &#61510;
&#61682; &#61682; (1.1)
7 y& [+ J. S9 ]4 L1 Q& d3 g. h* P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 =
$ J# s9 a, T& b7 T% q! Z6 M) |0，式(2.1)成为
  H* }% f# p2 T8 ~&#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
&#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)
  I1 q9 X: t2 R图2.2 就是所示的空载合闸铁芯磁通。由图1.2
) O2 w9 d- V+ h! I5 t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
+ Z4 U+ Q5 L& N% @9 W/ a2
3 g- u3 o( E+ Q; d0 R; L* ]+ Y图1.3 励磁涌流的变化曲线
: g# P) q8 O/ W; a1 ?9 t% v$ p变压器励磁涌流有三大特点[3]：
* e9 a% {" N! za) 含有较大成分的非周期分量，往往使涌流偏
2 }( b/ c+ @, O- _: P向于时间轴一侧。
5 e5 T* U0 P8 Rb) 含有丰富的高次谐波成分，其中以二次谐波
为主。
/ n& x3 T1 {* ^! A1 t% zc) 波形存在间断。
+ U, W$ n: H4 P0 ?, v2 ~8 H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
, w: t, Y2 X3 f- `有关。
+ K! P1 y6 e4 S% Y* T. A# a2 变压器空载合闸时励磁涌流仿真
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
* e$ t8 m% N8 H" W: Q2 r/ j2 {9 `组联结方式为Y0/Δ，额定电压为500/315kV，额定
2 x: m( U. e7 n: K9 d) W* k; o1 O频率为60Hz。图2.2 和图2.3 为变压器的电路模型
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
图2.2 变压器的电路模型
: B; Q& U9 s) s$ p% G图2.3 变压器的饱和特性曲线
0 P; c( w# s/ G( s3 U' S0 P各参数取值如下：R1=0.002，L1 =0.08，
' t* @% [* x4 A, S+ }4 I! @0 a# vR2=0.002，L2=0.08，Rm=500，饱和特性(对应图4.3
. S5 n7 }* C  |! X中的1、2、3点)是[i1=0,Φ1=0；i2=0.0，Φ2=1.2；
! _" o1 h. N8 w; Bi3=1.0，Φ3=1.52]，三相剩磁ΦA0=0.8，ΦB0=- 0.4，
ΦC0=0.4。
- I9 W8 E( D* P$ e0 P6 H3 变压器励磁涌流的鉴别方法
2 F- Y+ N6 J  @! t为了防止变压器差动保护误动作，必须对变压
7 \/ A) h. P0 `  k8 J器励磁涌流与内部短路电流进行鉴别。目前在实际
# F0 H# b+ D0 z4 P' k2 g7 I' w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]。
% }2 c8 y" Z4 |8 ~% F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
二次谐波电流和基波电流的方均根值；k为二次谐波
! P- J) L: M( o3 i6 Y+ Z9 W* ^制动比[5]。
: E, n5 z! D* l4 I& L7 Z二次谐波制动比有二种计算方法：
a)谐波比最大相制动
( ^$ a; W1 T* [' E6 rmax(Ida2/Ida1，Idb2/Idb1，Idc2/Idc1) &#61619; k
1 ?' W) A+ L5 Q% [b)分相制动
7 U: k/ c: W. ?  e! U+ dmin(Ida2/Ida1，Idb2/Idb1，Idc2/Idc1) &#61619; k
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。
谐波比最大相制动可以保证励磁涌流时保护
4 f1 k3 B. z( z- a不误动，但容易使保护延时。按故障相制动可较大
& U: y$ g* p2 F( C  C3 L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
  u  H( E1 B; ]) S& d) e( o4 Y* Q- G制动方式能迅速动作，但有误动问题。综合相制动
4 M2 w. }+ d- l  g: c9 o方式能在保证不误动的前提下，提高速动性。
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。
a) 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
% y9 V3 V5 d( F  U) {图3.1 谐波比最大相制动的subsystem模块图
% I& P! [' Y$ z- i谐波比最大相制动输出结果如图3.2 所示，其
1 ?& H; P; j  E! |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
1 }- r: @( k" T% b& e  ~b) 分相制动
( z& }9 s6 R, w' p; g1 k( A, p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。
8 x9 Z5 s  h/ W$ p: _% L  J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。
- u% k: ]; g  l* ~/ n5 B图3.3 分相制动的输出结果
由图3.2和图3.3，谐波比最大相制动比分相制
动反应慢，在变压器空合于故障时保护延时，但分
; Q; [6 z, j; G  r- R* c& N8 T相制动容易导致误动。因此，如果将它们结合起来
% Z. a4 F! s& }  B: V! R3 Z' }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。
4 变压器励磁涌流的抑制技术
# ?4 E' s$ Y9 n' ^. m6 ~由于励磁涌流对电力系统会产生很多不利影
响，其抑制技术受到广泛关注。目前，削弱励磁涌
$ l0 i! v7 E+ W流的方法主要有三种[9][10]：串联电阻；控制三相开
/ p8 w! N4 F+ c% h& B关合闸时间；在变压器低压侧并联电容器。其中，
6 c* x# e2 d2 G- C. ]6 g3 {/ U. t, [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。
4 C# C0 P3 H  C& V图4.1 变压器励磁涌流延迟合闸抑制法的仿真系统模型
论文对控制三相开关合闸时间的抑制法进行
仿真。仿真系统模型如图4.1所示。仿真模型中，
! K/ i/ y# [0 V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
# g& l& @8 I; U% c. [) E- I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
$ r! C" q  `) b. W8 D9 }& h+ [图4.3为没有控制合闸时间时A相的电流波形
7 ]8 G" H5 t$ B4 ~图。比较图4.2和图4.3，可以看出，采用抑制策略
8 K: A) ?8 F5 Q& M1 p/ O* E. n% h后，涌流幅值明显减小。
' ]4 ~) z4 M* K5 结论
3 X1 i, ?9 r  k2 P/ Z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
  n/ t" {- @( e$ V9 ^+ s& [- g: 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
7 n+ P- I$ r9 {1 n; o5 x; [, f! J制三相开关合闸时间能够有效抑制励磁涌流的幅
0 c7 G3 g) }- _- g! v& k值。
4
参考文献
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* a) t5 A; Q. r2 n5 k' v+ m31(4)：35～37
作者简介：
彭静萍（1983-），女，江苏，汉族，硕士研究生，主要从
7 o( {: n+ h1 R$ r; \1 z* E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
5 X  S" U/ ?# W: l4 }电力系统运行和控制方面的研究。Email ：
jiajin@smail.njust.edu.cn。
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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