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
5 Y& C" H9 O8 b! u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）
4 A/ O) q& F& R2 U' p6 g( T  M摘要：论文对变压器励磁涌流的产生机理和其性质进行了
* o& t- K/ i9 K" p* H分析和研究，采用MATLAB 软件进行仿真，结果证实理论
/ P0 _7 h5 D9 }' l( g分析的正确性。探讨了变压器合闸初相角、饱和磁通和剩磁
1 Y) X, J5 w" F! C$ A: F: 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
% ~- |$ Y9 F% w7 ~- 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
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
' ~, z' O7 \: w9 }: }制法作了仿真分析。
8 e( Y* ?* b9 t8 R: B关键词：变压器励磁涌流合闸初相角饱和磁通剩磁
0 引言
6 D; s7 N# l- e2 ^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]。
2 t  i$ c3 x4 V( y励磁涌流的数值很大，有时可以达到额定电流
) _- p& t9 x9 R# `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
* ^" k6 ]  g, f+ U1 x: k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
; i' |  M' m& D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
+ `9 z' }- X- v) f- m# v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
) t' v* M2 T; L1 q3 v) D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
' D+ A" a. a0 p" c- f  y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
& R, I/ d' Z/ H5 Z0 F% N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，
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
/ y) S5 K. b. i/ E0 @. ?6 h% U$ }  yΦ(t)，因为，u=dΦ(t)/dt，所以有
' Z; s% G4 {% ]* D5 S! b3 Q  M&#61480; &#61481; &#61480; &#61481;
0 G9 H+ }2 y% m3 F6 `1 L/ c: S; a&#61480; &#61481;
m
m x
t udt u sin t+ dt
cos t+
0 c% B% K/ J1 n! s&#61559; &#61537;
# [! O  _. Q% ^' d&#61559; &#61537;
! x& c; M9 {' W1 _&#61510; &#61501; &#61501;
+ E" \- K7 F, }&#61501; &#61485;&#61510; &#61483; &#61510;
2 W8 ?% S8 W6 {* j1 l7 D* s, H&#61682; &#61682; (1.1)
. L( R0 T+ n4 O$ h: W9 E2 e式中Φm为稳态磁通的幅值Φm =Um/ω。
7 \  H- _8 C4 K! M% D' _- g+ 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
; S: ]* b& i0 q* z" e/ m$ I1 J. B6 X&#61510; &#61480;0&#61481; &#61501; &#61485;&#61510;m cos&#61537; &#61483; &#61510;x (1.2)
% m/ @  N& I1 J5 Y3 E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)
8 c$ j, }' m: p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。
  F" S6 Q  u3 j0 S8 A) r5 {图1.2 空载合闸铁芯磁通
& \; c+ `4 q; R0 J, R* S. `; {2
# X6 q( e0 g0 l3 p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
& n  _# p3 S% o7 v向于时间轴一侧。
; C- P& l( t# L! Ab) 含有丰富的高次谐波成分，其中以二次谐波
为主。
4 z4 k+ M6 e; E3 q6 wc) 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
与变压器合闸初相角、剩磁大小、饱和磁通等因素
有关。
4 N3 Q5 C# O  ]) Y2 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
$ Z. {/ \; {# o7 g. E0 M; ?的等效电源供电，变压器的额定容量为450MVA，绕
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
5 Q' @2 n$ t/ ^1 E和饱和特性曲线[2]。
" f- Q, a4 U$ M2 u图2.1 变压器空载合闸时励磁涌流的仿真分析模型
4 U& M2 i4 `% ^" q, L. Z, k* h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，
R2=0.002，L2=0.08，Rm=500，饱和特性(对应图4.3
# m# p% G! O$ h* @( m+ K中的1、2、3点)是[i1=0,Φ1=0；i2=0.0，Φ2=1.2；
; q/ D& k! `, Z7 N( k$ ^i3=1.0，Φ3=1.52]，三相剩磁ΦA0=0.8，ΦB0=- 0.4，
& {: ~- m: b) L& N3 f" F& c3 l$ TΦC0=0.4。
  n) I! K  w5 I2 H" t+ S3 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
( o5 P1 ]% z3 n) K2 e" K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]。
二次谐波制动法的判别式为当出现励磁涌流
2 r6 M: v. N) B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
$ l, h8 J' G$ w( {& T2 q制动比[5]。
: }1 g% ?" M7 O) `3 e5 z9 M二次谐波制动比有二种计算方法：
3 c7 ~. y, U& I& K0 M. Pa)谐波比最大相制动
) h& b; p2 {: ^6 G+ Xmax(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
9 L  L$ \; N' Z' \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
- e! `' ?! y) j- A# _" U不误动，但容易使保护延时。按故障相制动可较大
  L2 `. j5 P5 O  c* n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
& ~7 V4 p5 h& f" f( Z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，
5 m, d. [% {( m/ M0 E9 iΦ2=1.2； i3 = 1.0 ，Φ3 = 1.52]，A相剩磁为0.5。
设k取值0.15。
/ D: F; Z$ X8 Ya) 谐波比最大相制动
谐波比最大相制动系统如图3.1 所示。
, D: a* A$ a) `3
图3.1 谐波比最大相制动的subsystem模块图
7 G3 x& h1 B  j9 p( s* v, ?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。
: y6 a. W: p- v* y" z* g6 E' y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
  u. `/ Y8 V* i" W4 N0 x. Rmin模块即为分相制动系统图。
) n3 G; c% P; T- E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
由图3.2和图3.3，谐波比最大相制动比分相制
9 X" i0 n4 U3 Z9 x动反应慢，在变压器空合于故障时保护延时，但分
. r$ ^1 `& j6 Z. E2 l7 d相制动容易导致误动。因此，如果将它们结合起来
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
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
1 D( z8 p, K/ E8 ?$ T关合闸时间；在变压器低压侧并联电容器。其中，
. A6 `2 T* P, ^: W' ^' N由于控制三相开关合闸时间从原理上不需要附属
) h% f/ Q$ }# h. l. k, Y8 l- q设备，相对另外二种方法有一定优势。
( g2 b0 R- M$ d2 V5 A图4.1 变压器励磁涌流延迟合闸抑制法的仿真系统模型
- J! z8 W+ x, Y论文对控制三相开关合闸时间的抑制法进行
2 [" u& s+ F" N, P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
两个工频周期后合闸。仿真结果如图4.2所示。
/ q# @" }5 h" J" B+ c图4.2 控制合闸时间时A相电流
$ i  E0 l9 V; ^! a  v- P" l8 l$ O, ^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
. @# L# E+ ]! d  R7 H; v7 x; M, F图。比较图4.2和图4.3，可以看出，采用抑制策略
4 J8 C9 T( \: j& \后，涌流幅值明显减小。
! `  }: o, I0 h! N0 L, X5 z5 结论
* B; l, l6 \1 f; ?' H本文对讨论变压器励磁涌流的二种鉴别技术，
4 M  r% f3 D4 l) {5 h# R/ U( \% {2 E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
, e5 @$ f- T* p9 v" u( Q* g涌流的抑制技术进行了探讨，从仿真结果来看，控
" I, Z) n  F, F9 x7 k5 ~制三相开关合闸时间能够有效抑制励磁涌流的幅
  k& j4 R9 Q5 |7 d( {# W值。
4
1 t- h: u$ D1 x' \$ X8 X参考文献
( I# C, r9 N' P+ E1 M1 f5 k- U; p[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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31(4)：35～37
0 ^0 {9 ?2 R+ T' j# l+ R作者简介：
彭静萍（1983-），女，江苏，汉族，硕士研究生，主要从
0 V; X, W$ m1 T3 ^* w$ b: Y& F事电力系统运行和控制方面的研究。Email ：
3 m% b( A5 d. ppengjingping@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。
, p! }2 y- j$ F0 _0 r( M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 ：
& }4 `5 ^% D9 Y5 Y% @# Vjiajin@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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