电力变压器故障matlab仿真

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329292204

1
  ^! E0 r0 F8 {- B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
( {8 w' r2 ^$ o' a+ u4 N& Y% F1 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）
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
$ X5 Y4 D3 p8 O" e" J# @  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
5 g+ B0 Q$ i" @6 j" z0 L对励磁涌流的影响，在理论研究的基础上，利用仿真进行对
8 d. N) l) M2 i" V比分析。研究了变压器励磁涌流的各种鉴别方法和抑制方
. K" e1 `) P  M/ Q7 i) Z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
  F. B$ m3 ~* `; J6 @% S制法作了仿真分析。
! F- n# T5 ~* x0 q关键词：变压器励磁涌流合闸初相角饱和磁通剩磁
  m! T$ b8 T# V: }: ?' e" v% l$ m0 引言
2 r2 u' o" _1 ^7 q( x& r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
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]。
0 q+ t$ ~9 c, Z+ G7 P  _2 t1 t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
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
& ~. }' e( u0 S$ X0 x' |量，涌流中的高次谐波对连接到电力系统中的敏感
1 F6 t4 Q( L- G& s0 z9 E/ f电力电子器件有极强的破坏作用[9]。
- B5 C1 p- b! k# Q/ k' H近年来，我国远距离输电系统越来越多地建
( n7 k7 E: P; `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
3 ^" d7 N( ^0 j9 S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
8 I. \& n' v9 {善电力系统的供电质量有着重要的意义。
# U% N. ?. V1 N. [" e1 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
8 N) ]/ b6 X# I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,
ie≈0 (即励磁涌流小的不可比拟)；当Φ>Φs时，
/ q% A6 ^4 i1 }$ rie 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
Φ(t)，因为，u=dΦ(t)/dt，所以有
&#61480; &#61481; &#61480; &#61481;
/ M  P" N  Y7 P3 [' ?. }* {2 v&#61480; &#61481;
, k5 Q. c2 r& N$ d" l9 P5 n8 Dm
m x
t udt u sin t+ dt
cos t+
, I2 X4 j: B  U% }" Q&#61559; &#61537;
&#61559; &#61537;
&#61510; &#61501; &#61501;
. P) r- L+ e/ ]4 f1 |&#61501; &#61485;&#61510; &#61483; &#61510;
&#61682; &#61682; (1.1)
, b: S% r6 R: y$ Y2 l式中Φm为稳态磁通的幅值Φm =Um/ω。
/ Y* }) z* h- A# g$ B! a, Q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
" f9 b! C4 ^$ D% B8 R4 a% @&#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
! N& ], J0 c9 T! ~&#61480; &#61481; &#61480; &#61481; m m x &#61510; t &#61501; &#61485;&#61510; cos &#61559; t+&#61537; &#61483; &#61510; cos&#61537; &#61483; &#61510; (1.4)
图2.2 就是所示的空载合闸铁芯磁通。由图1.2
8 Z! q- L2 ]  G( m' b可作出对应Φ(t)的励磁涌流ie(t)，如图1.3 所示。
, t  n0 t9 }; q  a' g图1.2 空载合闸铁芯磁通
2
; R- }: F8 a/ z- T% O- s, n5 g图1.3 励磁涌流的变化曲线
, O7 R4 P; f9 p, w5 ^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
向于时间轴一侧。
b) 含有丰富的高次谐波成分，其中以二次谐波
9 A" d7 f+ h2 {5 _4 R2 y) E6 C9 K为主。
$ `7 L: V8 |5 D5 k+ Q% y: Z6 G- I' gc) 波形存在间断。
4 I* G  V, N/ W4 Z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
有关。
. T# H* X) }! w  M& C& S- F" k8 b2 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
/ H3 z2 L, E$ f' F析模型。一台三相双绕组变压器由一个500kV、60Hz
& z) K- T7 ~) `6 @0 R4 I的等效电源供电，变压器的额定容量为450MVA，绕
' i  _# U+ H5 V: e组联结方式为Y0/Δ，额定电压为500/315kV，额定
- |9 S, M2 ^: z2 V. e频率为60Hz。图2.2 和图2.3 为变压器的电路模型
. m: H7 S0 _, i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
0 e/ m5 i% r8 E0 ?2 K4 N图2.2 变压器的电路模型
图2.3 变压器的饱和特性曲线
+ r1 ~) \. P! B% f1 B! W& U各参数取值如下：R1=0.002，L1 =0.08，
6 I, t0 ]: Z7 v+ I+ bR2=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；
: b1 \' I, a" E  a: c2 }* Hi3=1.0，Φ3=1.52]，三相剩磁ΦA0=0.8，ΦB0=- 0.4，
4 A) X) ?, @0 R  U. r/ ~: X4 \ΦC0=0.4。
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
" P- z% p) s& l7 o8 c器励磁涌流与内部短路电流进行鉴别。目前在实际
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]。
% x' s0 [! ^' M1 u. S0 Y4 I0 C二次谐波制动法的判别式为当出现励磁涌流
$ \% y, r9 u5 e. L2 k! K# ]时，有Id2 &#61619; kId1。式中Id2和Id1分别为差动电流中的
7 ]& B  P9 \* S( J5 _" e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]。
6 O. m: P+ J8 A二次谐波制动比有二种计算方法：
a)谐波比最大相制动
max(Ida2/Ida1，Idb2/Idb1，Idc2/Idc1) &#61619; k
' ]" t( V' G" h0 M% |9 j) l, ob)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
) t' i1 \6 l6 H* A& b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
改善最大相制动方式动作延时长的不足，其缺点是
7 U  Z! W6 T9 R由于只以一相的谐波比制动，可能导致误动。分相
, y, h% [5 v; o! l- g% D7 o2 O0 G4 e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。
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，
) K& i0 H- Z. E* oΦ2=1.2； i3 = 1.0 ，Φ3 = 1.52]，A相剩磁为0.5。
/ K! `% i( e% `3 Q8 L5 E设k取值0.15。
! Z* L8 g4 E- M; }4 ?a) 谐波比最大相制动
+ ]( {' N1 i. {! Q; Q谐波比最大相制动系统如图3.1 所示。
: E( W% C2 I) @$ n3
' \1 Q' w7 t2 j. T图3.1 谐波比最大相制动的subsystem模块图
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。
0 _- `% ~0 L3 U) O  C. W图3.2 谐波比最大相制动的输出结果
4 e* E. t. u/ {, k% Bb) 分相制动
, j+ w$ b3 |5 R& h- s" Z将谐波比最大相制动系统图中的max模块换成
& k( \9 S% g* I4 f$ R$ dmin模块即为分相制动系统图。
" v. L) T1 |, e5 X  y分相制动的输出结果如图3.3所示。其中1表示
! s# h  Y& p/ X1 N; c& G# i! J工作正常，0表示制动。
图3.3 分相制动的输出结果
* C7 e# }' S1 P由图3.2和图3.3，谐波比最大相制动比分相制
! [0 V! \- q8 V0 @; N动反应慢，在变压器空合于故障时保护延时，但分
6 A( k# l9 M/ I% }! W; t  F6 J相制动容易导致误动。因此，如果将它们结合起来
' v2 ^) `) W, N* E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
* v$ R) e3 u" n! G+ N# a/ v' b! G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
流的方法主要有三种[9][10]：串联电阻；控制三相开
. g/ S2 E5 [9 ]6 I8 J. Z关合闸时间；在变压器低压侧并联电容器。其中，
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。
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，
% Z7 @% k/ t5 Z# k- r等效电源、变压器和负荷的参数均和上述设置相
/ L( w  w$ @/ F" d$ E) b1 {同。变压器A相在外加电压900时合闸，B、C两相在
- Q$ U$ m, \3 A, ]3 j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+ `2 N9 C2 Y图4.3为没有控制合闸时间时A相的电流波形
; ]. _7 v4 Z1 \/ {. J& e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
) @3 S, W. j9 R. r' c6 z. U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
. C4 f; q9 q" E) d7 Q' u制三相开关合闸时间能够有效抑制励磁涌流的幅
" E: [: w9 B, J# G" m( d值。
; ~4 q. P: h& F7 I8 s4
参考文献
! i4 k# v$ _6 m% q; |5 l0 v  G[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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研究.继电器，2004，32(8)：19～21
" I9 F" Y2 V# t& O( M' W: w[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，
1994，10，172～178
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$ C3 C1 q7 n$ X1 @[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
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高压高电，41(1)：48～50
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[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，
) t# ?" Q% z& `& b' p, D31(4)：35～37
8 r& d- p" q) D7 [0 s作者简介：
' O9 t1 j: O# O; @1 ~彭静萍（1983-），女，江苏，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 ：
pengjingping@smail.njust.edu.cn。
( ]; P8 U* S2 o% v  W9 `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
- l7 l9 x" e$ H; d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
, J: O! r" X; X7 I3 f  G* R统优化、运行与控制等方面的教学与研究。

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