變壓器勵(lì)磁涌流特性的分析研究

郭麗麗，郭琰，馬文恒，曹凱，王偉利

(1.國網(wǎng)河南省電力公司平頂山供電公司，河南 平頂山 467000;2.國網(wǎng)河南省電力公司三門峽供電公司，河南 三門峽 472000;3.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司六礦，河南 平頂山 467000)

1 引言

變壓器在電力系統(tǒng)的中的作用及重要性不言而喻，并且由于大容量變壓器本身成本很高，因此在實(shí)際運(yùn)行中為保證變壓器的可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，會(huì)根據(jù)變壓器在系統(tǒng)的地位、用途及運(yùn)行特點(diǎn)為變壓器配置完善的保護(hù)方式及功能，使其在變壓器故障時(shí)能可靠切除故障，不拒動(dòng)、不誤動(dòng)，在變壓器出現(xiàn)不正常運(yùn)行工況時(shí)能正確發(fā)出信號(hào)，不漏報(bào)、不誤報(bào)。在影響變壓器保護(hù)正確動(dòng)作的因素中，在空投變壓器及變壓器區(qū)外故障切除時(shí)候的勵(lì)磁電流，即勵(lì)磁涌流，對(duì)于變壓器縱差保護(hù)的影響不容小覷，由于勵(lì)磁電流的幅值很大，可以達(dá)到變壓器額定電流的6～8倍，如不采取措施將造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。影響供電可靠性，造成大面積停電。

本文建立系統(tǒng)及相關(guān)元件數(shù)學(xué)模型對(duì)變壓器空載合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流進(jìn)行仿真分析，通過對(duì)勵(lì)磁涌流的波形特點(diǎn)以及諧波特征進(jìn)行分析和研究，得到影響變壓器勵(lì)磁涌流大小及特性的一些變壓器本身及系統(tǒng)因素。

2 變壓器仿真模型的構(gòu)建

建立一個(gè)雙繞組變壓器連接兩個(gè)系統(tǒng)的簡單仿真系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 雙繞組變壓器連接兩系統(tǒng)圖

電源電勢(shì)EM、EN的相角相差10°，其他的參數(shù)相同。變壓器T考慮其飽和特性。

3 變壓器空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流的仿真

在Matlab/Simulink環(huán)境中建立雙繞組變壓器連接兩系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，設(shè)置仿真時(shí)長為 0.5s，采用Ode23t算法，將M側(cè)電源電動(dòng)勢(shì)EM的A相初相角設(shè)置為0°，運(yùn)行仿真系統(tǒng)，可以得到變壓器空載合閘情況下的三相勵(lì)磁涌流波形如圖2～圖4所示。

圖2 A相勵(lì)磁涌流波形圖

圖3 B相勵(lì)磁涌流波形圖

圖4 C相勵(lì)磁涌流波形圖

從圖2～圖4的仿真波形圖中，我們可以清晰地觀察到變壓器空載合閘時(shí)A、B、C三相勵(lì)磁涌流的特點(diǎn):①偏于時(shí)間軸的一側(cè);②包含有高次諧波;③波形之間出現(xiàn)間斷;④同一時(shí)刻點(diǎn)上三相涌流之和近似為零;⑤勵(lì)磁涌流是衰減的。

利用仿真環(huán)境powergui模塊中的FFT Analysis功能對(duì)變壓器空載合閘瞬間的勵(lì)磁涌流波形進(jìn)行諧波含量分解，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 勵(lì)磁涌流波形的傅立葉分析

在本次仿真分析過程中我們對(duì)勵(lì)磁涌流和短路電流進(jìn)行了量值上的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)變壓器空載合閘時(shí)候A相勵(lì)磁涌流幅值略小于短路電流，而B、C勵(lì)磁涌流幅值則要大于短路電流。

能夠?qū)ψ儔浩鲃?lì)磁涌流的波形特征產(chǎn)生影響的因素有很多，如系統(tǒng)電源電壓的大小和合閘初相角，系統(tǒng)的等值阻抗、變壓器三相繞組的接線形式、鐵芯材料和合閘前的鐵芯磁通即剩磁的大小和方向等。本文通過對(duì)M側(cè)電源電動(dòng)勢(shì)的初相角進(jìn)行不同設(shè)置，即在不同的合閘角下作變壓器空載合閘情況分析，得到不同合閘角情況下勵(lì)磁涌流的諧波特征分析結(jié)果，如表1所示。

表1 對(duì)應(yīng)于不同合閘角時(shí)的勵(lì)磁涌流諧波特征分析表

將仿真分析模型中的變壓器二次繞組由“Y”型改為“D11”接線方式時(shí)，M側(cè)電源電動(dòng)勢(shì)的初相角仍然設(shè)置為，運(yùn)行仿真模型，得到了對(duì)應(yīng)于另外一種接線組別變壓器空載合閘后的勵(lì)磁涌流波形圖，如圖6～圖8所示。

圖6 A相勵(lì)磁涌流波形圖

圖7 B相勵(lì)磁涌流波形圖

圖8 C相勵(lì)磁涌流波形圖

從以上的仿真分析結(jié)果中我們可以看出，變壓器在空載合閘瞬間由于初始合閘角的不同，合閘瞬間的鐵芯磁通不同，有的是在合閘初瞬鐵芯即進(jìn)入飽和狀態(tài)，產(chǎn)生很大的勵(lì)磁涌流，有的是合閘初瞬鐵芯并沒有飽和，經(jīng)過一小段時(shí)間后緊接著進(jìn)入飽和狀態(tài)，而且隨著鐵芯磁通的變化交替進(jìn)入飽和區(qū)(甚至是深度飽和區(qū))和不飽和區(qū)，鐵芯磁通越大，鐵芯越飽和，勵(lì)磁涌流越大。所以此時(shí)變壓器的勵(lì)磁電抗是劇烈變化的，沒有固定的數(shù)值。由于變壓器勵(lì)磁涌流的衰減時(shí)間常數(shù)與整個(gè)合閘回路及變壓器繞組中的時(shí)間常數(shù)有關(guān)，而。所以整個(gè)過程中勵(lì)磁涌流的衰減時(shí)間常數(shù)也不是固定值，而是在不斷地變化。值得一提的是當(dāng)合閘回路及變壓器繞組中的等效電阻及其他有效損耗越大，則時(shí)間常數(shù)越小，勵(lì)磁涌流衰減越快，反之，則衰減得慢。

4 結(jié)論

在本文的變壓器勵(lì)磁涌流仿真分析中，在環(huán)境下建立了三相雙繞組變壓器連接的兩系統(tǒng)仿真模型，通過平臺(tái)中的Powergui可視化模塊對(duì)系統(tǒng)變壓器空載合閘后的勵(lì)磁涌流諧波含量進(jìn)行研究分析。然后利用點(diǎn)的快速傅里葉變換方法對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流進(jìn)行諧波含量的數(shù)值分析。雖然基于快速傅里葉變換數(shù)值運(yùn)算的輸出是通過圖形的形式來實(shí)現(xiàn)，可能精確度方面沒有Powergui可視化模塊的高，但是通過對(duì)比分析兩種方法得出的分析結(jié)果，我們可以得出相同的結(jié)論，揭示了變壓器空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流的一些特征量信息，以及出現(xiàn)這種特征現(xiàn)象的原因。

通過本文的仿真分析，可以得出三相變壓器勵(lì)磁涌流的特性:①波形偏于時(shí)間軸的一側(cè)，即涌流中含有很大的直流分量;②包含有大量的二次諧波含量，絕大多數(shù)涌流中二次諧波分量與基波分量的百分比大于15%，有的甚至達(dá)50%以上;③波形之間出現(xiàn)間斷，間斷角很大(一般大于);④在一個(gè)周期維度內(nèi)波形正負(fù)半波不對(duì)稱;⑤同一時(shí)刻點(diǎn)上三相涌流之和近似為零;⑥勵(lì)磁涌流是衰減的，衰減的時(shí)間常數(shù)與合閘回路及變壓器繞組的參數(shù)有關(guān)。

［1］張保會(huì)，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)［M］.北京:中國電力出版社，2005.

［2］國家電力調(diào)度通信中心編著.國家電網(wǎng)公司繼電保護(hù)培訓(xùn)教材［M］.北京:中國電力出版社，2009.

［3］吳天明，趙新力，劉建存.MATLAB電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010.