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发表于 2008-5-15 21:47:35
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变压器励磁涌流的分析与研究
- t6 T' T; a- C- t- V彭静萍1，秦红霞2，贾晋1，张俊芳1' M9 V2 r+ ~0 ?: d, c
（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）, @# t: d/ O* v* E5 `
摘要：论文对变压器励磁涌流的产生机理和其性质进行了
. ]% I3 L( @( R分析和研究，采用MATLAB 软件进行仿真，结果证实理论
( \% j: E/ D, Y& ^/ f分析的正确性。探讨了变压器合闸初相角、饱和磁通和剩磁- n, o& |" G( p2 {" |8 n
对励磁涌流的影响，在理论研究的基础上，利用仿真进行对$ Y/ Q& k$ H5 h4 i
比分析。研究了变压器励磁涌流的各种鉴别方法和抑制方& F/ a, l5 L# a1 m6 c' y9 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* g& O. w3 U/ p) @* r
制法作了仿真分析。$ W. _: q+ Y) P0 f
关键词：变压器励磁涌流合闸初相角饱和磁通剩磁1 J+ l- b1 O! }4 F) M
0 引言. j# ]* w$ i' h; J" N% U4 w
电力变压器在空载投入电网或外部故障切除
$ V4 N- {0 `6 A后电压恢复时，由于变压器铁芯磁通的饱和及铁芯
! s. C9 g9 k! i& Z! i0 ^+ H/ V$ ?材料的非线性特征，会产生相当大的励磁电流，称; d3 {# r0 h8 c- X3 \
为励磁涌流[1]。9 A) r% N6 t, L
励磁涌流的数值很大，有时可以达到额定电流# _$ ]' a E, s, n
的3～8倍，可能导致变压器差动保护误以为是故障8 c9 \4 Q! M' o8 ^& \9 r5 }6 g3 L
电流而动作[6]。同时励磁涌流会造成绕组变形，从
: `- j5 G7 l' @# }3 u: I. a而减少变压器的使用寿命。励磁涌流中含有的多个- M' ]% t- m; Y/ u% \
谐波成分及直流分量，将会降低电力系统的供电质
+ Z+ {& M l# _9 M0 j3 Z量，涌流中的高次谐波对连接到电力系统中的敏感
! T# l- L j$ V5 u! I3 J电力电子器件有极强的破坏作用[9]。; @& ^$ y+ i0 Z1 {- l" W" K5 ~4 H
近年来，我国远距离输电系统越来越多地建& S A9 e8 ?- P2 ?) s$ T# }
成、运行，超高压、大容量电力变压器不断投产，
D4 {+ n# |- }, ]5 a对变压器保护的可靠性和快速性提出了更高的要, G |$ y" g& ~4 f
求。但是，国内变压器保护的发展却远远落后，其# b1 r, I) Y; ?+ B/ H* j
保护正确动作率长期偏低。如何躲开变压器励磁涌1 n1 _4 `6 x! S# j: q8 J: A
流的影响，对提高变压器保护动作的正确率以及改6 d3 k% b( [' C/ {4 V3 |- Y
善电力系统的供电质量有着重要的意义。+ I2 u7 A. j; S2 C2 |
1 变压器励磁涌流的产生及其特性
7 w; s' d/ J/ t图1.1 变压器铁芯磁化曲线' h) U/ W0 x3 z! R# y
图1.1所示为变压器铁芯磁化特性[1]。设饱和磁
- {$ h2 f' u. v6 k w$ m+ ?通Φs，将饱和曲线近似看作直线ΦsP。当Φ<Φs时,- E, t. P+ V, z7 c' @, {5 w
ie≈0 (即励磁涌流小的不可比拟)；当Φ>Φs时，
4 P1 p- k- j- x R# b5 m0 Bie 随Φ线性增长，即ie与Φ波形相同。令电压过零, z" ~" ~+ v$ G* ^
时合闸，对应外加电压为u，铁芯中必有稳态磁通
8 X# B6 g9 c5 V; ^0 l& LΦ(t)，因为，u=dΦ(t)/dt，所以有: f9 L1 B) O. v5 y/ [( j; c; w# K$ c
   
/ ?/ l* I; c2 y2 d( b W ' [+ S/ ~; w1 r
m* U2 n0 t! V" s, O4 g
m x
% o8 P# T$ U3 I" mt udt u sin t+ dt3 |# v+ I* p9 D5 J4 w5 R
cos t+; M) o/ \. e& M2 y' ]) t, m
 2 V; O6 G( V- Z# N
 + w" Z2 I% O6 ~
  
6 X8 g- e& K& `9 ^2 |7 _   . T+ w% q( n+ J$ j/ B3 T* m
  (1.1)
$ \+ I0 V2 ]# ]0 d式中Φm为稳态磁通的幅值Φm =Um/ω。/ c8 d' F6 ?) ^
设Φr 为空载合闸前的铁芯剩磁，合闸瞬间，t =* z2 }# M9 D2 R5 U
0，式(2.1)成为
- A0 a7 l" S' x. {$ Z8 K 0  m cos  x (1.2)
) |6 X" n+ r" D: Q由磁通守恒定律得: Φr=Φ(0)，代入式(2.2)
3 L: s' s$ g# O: C; B$ v求解Φx得4 O4 b- I$ J* ^) \' O2 W u# K8 B
  m x  t   cos   (1.3)
2 v$ w4 T! o/ T% f7 n将式(2.3)代入式(2.1)得: G' W; W5 p+ E. c
    m m x  t   cos  t+   cos   (1.4)- _; R4 j/ ~! _" Y; g0 H% x) D9 \& O
图2.2 就是所示的空载合闸铁芯磁通。由图1.2, l2 X/ |0 C* o9 e7 Z
可作出对应Φ(t)的励磁涌流ie(t)，如图1.3 所示。
1 D8 C: R# h" `) a图1.2 空载合闸铁芯磁通6 ]2 O$ x6 o% y; V7 o( H
2
" M/ I0 C6 L% R; U! `* k图1.3 励磁涌流的变化曲线
; f+ x' W1 r9 G, j: y) N; ]8 m' Q变压器励磁涌流有三大特点[3]：' N2 t- ^. ^4 G2 S1 P# n( G
a) 含有较大成分的非周期分量，往往使涌流偏# o- A& Y) s4 I
向于时间轴一侧。
6 M# U5 u+ ]3 q7 ab) 含有丰富的高次谐波成分，其中以二次谐波 }: r; Y t7 X% e2 W8 m6 | v
为主。$ Z7 x' R' S* n1 }% S- v
c) 波形存在间断。7 N i4 ~- L3 e8 V$ B
从上述分析可以看出，变压器励磁涌流的大小
/ {0 M( A& J9 f& W与变压器合闸初相角、剩磁大小、饱和磁通等因素 r. W! y" ?. d
有关。2 x5 d+ p5 }& q
2 变压器空载合闸时励磁涌流仿真' f- v5 c f& e, G2 ~4 [
图2.1 是变压器空载合闸时励磁涌流的仿真分
4 }1 a9 k9 F8 b9 D3 Q! t6 h7 i6 l析模型。一台三相双绕组变压器由一个500kV、60Hz
2 [) w" ?" r& F: ^的等效电源供电，变压器的额定容量为450MVA，绕
8 [0 i5 w& h5 {3 C组联结方式为Y0/Δ，额定电压为500/315kV，额定* K) M9 v2 o. x8 ^7 J H8 v
频率为60Hz。图2.2 和图2.3 为变压器的电路模型* \0 R ]) ~: E" s
和饱和特性曲线[2]。 ~0 r* `8 r7 r+ T) B5 B
图2.1 变压器空载合闸时励磁涌流的仿真分析模型( s5 l ?1 K9 z. d* S1 l9 R/ O
图2.2 变压器的电路模型4 i: I- o2 h* n0 J. i$ m
图2.3 变压器的饱和特性曲线, S5 Q+ e2 ]* b! [
各参数取值如下：R1=0.002，L1 =0.08，
5 Z: W9 u9 ^. t0 |% ^3 c) z, V5 wR2=0.002，L2=0.08，Rm=500，饱和特性(对应图4.3
6 M7 L* o# b- B' O8 q中的1、2、3点)是[i1=0,Φ1=0；i2=0.0，Φ2=1.2；
2 V" S! b) y- g6 V7 _i3=1.0，Φ3=1.52]，三相剩磁ΦA0=0.8，ΦB0=- 0.4，- v( ^. T* k5 }
ΦC0=0.4。
8 ~1 W" I/ i, u; w. W8 U3 变压器励磁涌流的鉴别方法
/ }; i% A( O. O5 c+ T, h& ? z为了防止变压器差动保护误动作，必须对变压/ K7 s; X/ @$ D/ m/ I
器励磁涌流与内部短路电流进行鉴别。目前在实际6 t: n9 ^+ t- i* O# p- f4 W5 B
中运用比较多的有二次谐波制动、虚拟三次谐波制
4 a% q I( n) R: j动、间断角原理、波形对称原理、波形拟合法等[7][8]。
: C* u. j+ R0 T- M$ a; D二次谐波制动法的判别式为当出现励磁涌流& m6 [: ^/ Y; i, _7 j1 v
时，有Id2  kId1。式中Id2和Id1分别为差动电流中的
6 ^7 a: k3 F7 ]4 y: Z% D# c二次谐波电流和基波电流的方均根值；k为二次谐波
* W: n! _1 I! ^: Z1 Q) h! a. G. c) T! N2 i制动比[5]。
% ^+ @7 c8 p# X! c" f' p二次谐波制动比有二种计算方法：
, n) U4 w9 h6 E& n7 T6 H' K3 Ha)谐波比最大相制动! V- W5 C' v3 r% |, }$ |* p# }. f. i
max(Ida2/Ida1，Idb2/Idb1，Idc2/Idc1)  k3 z) g$ n- J* `8 {
b)分相制动) R6 }1 a& O8 V1 x5 E& ^- Q) ^: h
min(Ida2/Ida1，Idb2/Idb1，Idc2/Idc1)  k
0 ?/ ^, t& F; g8 v) @6 a5 }& R! a6 _以上式中，Ida2，Idb2，Idc2分别为三相差流二次
1 v: {8 f& ~4 ^! M8 V谐波，Ida1，Idb1，Idc1分别为三相差流基波。
8 u' K" ]) q4 {3 C4 j# k谐波比最大相制动可以保证励磁涌流时保护
3 x9 L; Q( M* e; h8 z不误动，但容易使保护延时。按故障相制动可较大) a8 }: b3 V! Y- D, r" N
改善最大相制动方式动作延时长的不足，其缺点是
$ o; J: x8 B; i, I ]- Z由于只以一相的谐波比制动，可能导致误动。分相% z6 ]( f- k; j; A
制动方式能迅速动作，但有误动问题。综合相制动/ D8 N+ E! E: x
方式能在保证不误动的前提下，提高速动性。
4 i+ P9 R. F; M& Q) F分别对的谐波比最大相制动和分相制动进行
% m$ ~5 d" C& r仿真。变压器饱和特性是[i1= 0，Φ1=0；i2=0.0，8 z4 f& H# S; Q0 ^. ?
Φ2=1.2； i3 = 1.0 ，Φ3 = 1.52]，A相剩磁为0.5。
/ D2 Y; u p. F9 }1 h; B) d设k取值0.15。# P6 a/ U) Z% X" W0 n, K
a) 谐波比最大相制动/ F9 e: a) B1 i$ s
谐波比最大相制动系统如图3.1 所示。' n9 b6 W" F2 h S) ~6 B4 x3 A
3
$ }' K) Q7 i" P+ R4 C# u( L图3.1 谐波比最大相制动的subsystem模块图, H X, F: ~) U; r
谐波比最大相制动输出结果如图3.2 所示，其
7 |, V! q( r3 H& V# `中1 表示工作正常，0 表示制动。
' ]+ s8 ?! X4 [5 ?- Q1 k4 l图3.2 谐波比最大相制动的输出结果7 Q% ~$ T* g$ w+ m* s& ~3 L
b) 分相制动
" t4 X: ?+ F0 J, w5 N将谐波比最大相制动系统图中的max模块换成$ s, _/ B R( m, z/ S9 H
min模块即为分相制动系统图。
9 E1 i, @$ s4 B; a) `/ f7 i分相制动的输出结果如图3.3所示。其中1表示( m8 B0 m! |& q& _8 p
工作正常，0表示制动。
7 z4 I* o9 p" V' Q5 O7 N% Z图3.3 分相制动的输出结果) ^0 x# {1 m& i3 y
由图3.2和图3.3，谐波比最大相制动比分相制
3 w- P! c) `- x9 G E9 a8 j动反应慢，在变压器空合于故障时保护延时，但分
+ l( M3 o+ b+ m7 J- b0 E# ~相制动容易导致误动。因此，如果将它们结合起来 d; D1 R# a1 w' |. P2 ?" S
组成综合相制动（max(Ida2，Idb2，Idc2)/max(Ida1，9 N- _& q, i" g- x5 f
Idb1，Idc1)  k）会获得更好的效果。
$ D2 z/ v6 @2 F% p+ b7 x1 W4 变压器励磁涌流的抑制技术# W3 F6 B* u3 o
由于励磁涌流对电力系统会产生很多不利影& d6 O5 e& A3 g6 V: o7 S- w8 \- H
响，其抑制技术受到广泛关注。目前，削弱励磁涌
( g6 c) o7 R. T) C+ C+ v流的方法主要有三种[9][10]：串联电阻；控制三相开
1 Z* V9 {! P8 O. b5 I" r; W' l2 s+ b关合闸时间；在变压器低压侧并联电容器。其中，3 w% k5 e. c! }) t
由于控制三相开关合闸时间从原理上不需要附属0 N+ ~1 r4 Y% A6 D. `9 H
设备，相对另外二种方法有一定优势。
, a a9 g4 s7 F图4.1 变压器励磁涌流延迟合闸抑制法的仿真系统模型
' f7 o/ G$ u) Z5 J论文对控制三相开关合闸时间的抑制法进行
& g" }. J, k$ g. G仿真。仿真系统模型如图4.1所示。仿真模型中，
0 h9 y4 O! Y/ j# T9 M8 L1 @8 R$ S等效电源、变压器和负荷的参数均和上述设置相
$ ?% |2 G) l+ i# P* s1 n同。变压器A相在外加电压900时合闸，B、C两相在3 i* t% `# @, a$ E
两个工频周期后合闸。仿真结果如图4.2所示。/ S/ G) a( @$ p" s2 r! {& F* x! e
图4.2 控制合闸时间时A相电流
+ J3 I- ]# I" ` @+ H$ |% U4 ?图4.3 没有控制合闸时间时A相电流1 U3 C3 [7 e4 o3 V8 Y8 ?# _6 J
图4.3为没有控制合闸时间时A相的电流波形. X. T/ A. u7 s" l0 Z
图。比较图4.2和图4.3，可以看出，采用抑制策略8 x- i. x+ M' K4 I4 w$ s
后，涌流幅值明显减小。
% E% J; ?4 V- ^5 结论
p; O: _7 X& G9 i/ c% D1 C. `; m本文对讨论变压器励磁涌流的二种鉴别技术，2 I& V+ c' R: Z
并且对鉴别方法进行了仿真比较，二种方法各有优
) v, u$ ]# n% A8 ~: l3 S缺点，而且优缺点相互补充，在具体运用中应该将8 P1 e9 Q/ B3 a8 G
其结合起来，充分发挥各自优点。最后论文对励磁& K& E$ C$ Q$ b8 A
涌流的抑制技术进行了探讨，从仿真结果来看，控4 Z+ X/ Q/ m: W9 Y
制三相开关合闸时间能够有效抑制励磁涌流的幅
7 ?7 n9 L/ T$ Y3 s* @值。$ U, {; L$ r" Y
4, }3 P1 e# L- c1 N
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31(4)：35～37
. U8 ?3 h" O: H d9 u作者简介：
# b; n" Q0 r& o) N1 a [5 ~# H, w彭静萍（1983-），女，江苏，汉族，硕士研究生，主要从
! v9 c5 A) J% Q3 m事电力系统运行和控制方面的研究。Email ：
* {7 a7 o( S% k% v+ Q. z5 v, Npengjingping@smail.njust.edu.cn。9 S/ z0 Q, T9 K4 f2 r( G
秦红霞(1971-)，女，新疆，汉族，工程师，主要从事电力系8 y) [* ~" D# F b2 f
统微机继电保护方面的研究。
4 g( h8 {/ b k贾晋（1983-），男，安徽，汉族，硕士研究生，主要从事
. C* q4 W+ Q3 h, ~电力系统运行和控制方面的研究。Email ：
9 `+ J8 J# H' a! ijiajin@smail.njust.edu.cn。
. O, x$ t+ O# D' E张俊芳(1965-)，女，陕西，汉族，副教授，主要从事电力系
1 J# @* V7 [3 p7 M/ D$ g' y, A3 \& D统优化、运行与控制等方面的教学与研究。 |
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