基于MATLAB軟件的三相變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流仿真與分析

王斌 魏穎* 沈陽(yáng)工學(xué)院信息與控制學(xué)院

引言：變壓器是電力設(shè)備供電系統(tǒng)中很重要的器件，如果變壓器發(fā)生了硬件性故障將會(huì)對(duì)整個(gè)電力運(yùn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的影響，特別是在變壓器空載合閘或外部故障切除后電壓恢復(fù)到正常值時(shí)，因?yàn)殍F芯飽和產(chǎn)生很大的勵(lì)磁涌流。由于對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流的原理分析比較復(fù)雜，涉及到電路原理、電機(jī)學(xué)、電磁場(chǎng)、微積分，并且包含大量的計(jì)算和畫(huà)圖。MATLAB的引入，可以使勵(lì)磁涌流的分析更加統(tǒng)、簡(jiǎn)便和直觀。本文運(yùn)用MATLAB軟件, 對(duì)變壓器空載合閘這一瞬變過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)軟件仿真分析。

1 MATLAB 電力系統(tǒng)模塊簡(jiǎn)介

MATLAB是一種吧可視化程序設(shè)計(jì)融合在一個(gè)各種模塊交互工作狀態(tài)的軟件。通過(guò)仿真運(yùn)算，以及數(shù)據(jù)分析，對(duì)電氣系統(tǒng)中的電氣元器件進(jìn)行可視化建模和仿真，即使很復(fù)雜的電力系統(tǒng)運(yùn)算都可以進(jìn)行仿真。

在以Simulink 為運(yùn)行環(huán)境的狀態(tài)下，包含了電路，電力電子，電氣傳動(dòng)等常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型。在本文中的仿真中主要由4個(gè)模塊構(gòu)成：電源模塊，斷路器模塊，測(cè)量模塊，變壓器模塊。

2 仿真模型

2.1 系統(tǒng)模型

利用MATLAB PSB 所建立的用于變壓器空載合閘瞬變過(guò)程仿真分析的系統(tǒng)模型如圖1所示, 圖中的變壓器、等效電源、負(fù)荷、斷路器、Fourier(傅里葉)分析以及測(cè)量模塊等都是MATLAB PSB模塊庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)模型。按圖1建立帶有等效電源，斷路器以及測(cè)量模塊的三相飽和變壓器標(biāo)準(zhǔn)模型。

圖1 系統(tǒng)模型

2.2 參數(shù)設(shè)置

在圖1中，三相電源Equivalent的參數(shù)設(shè)置如圖2所示，電壓源選用66000V電源，頻率為50Hz。變壓器采用三相兩繞組變壓器模型，選擇“飽和鐵芯”。為簡(jiǎn)化仿真，變壓器兩側(cè)的繞組接線方式相同，電壓等級(jí)也相同，變壓器的參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

圖2 電源模塊參數(shù)設(shè)置

圖3 變壓器參數(shù)設(shè)置

三相斷路器模塊如圖4所示，用來(lái)控制變壓器的投入，仿真時(shí)，主要改變它們的切換時(shí)間。本文設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)斷路器開(kāi)斷時(shí)間選用 0.06s。

3 仿真分析

利用圖1所示的模型分析出變壓器空載合閘過(guò)程時(shí)，設(shè)置三相斷路器模塊的切換時(shí)間為0s，仿真時(shí)間為0.5 s，仿真算法器為Ode23t。將電源E的A 相初相位設(shè)為0°，運(yùn)行仿真，得到空載合閘后依次顯示出的電壓，電流以及三相勵(lì)磁涌流的波形如圖5所示。

圖5 三相勵(lì)磁涌流波形

觀察空載合閘后的三相勵(lì)磁涌流的仿真結(jié)果，由圖3知, 變壓器空載合閘時(shí)出現(xiàn)三相程度不同的勵(lì)磁電流。即A、B相的勵(lì)磁電流為勵(lì)磁涌流, 由于外加電壓相位的不同、鐵芯中剩磁的大小和方向的不同,而C相只為正常的勵(lì)磁電流。由圖5可知, 勵(lì)磁涌流包含有很大成分的非周期分量, 致使涌流偏于時(shí)間軸的一側(cè),且波形之間出現(xiàn)間斷。勵(lì)磁涌流屬于正常工作狀態(tài)下的電流, 但它卻是誘發(fā)保護(hù)動(dòng)作的差動(dòng)電流。因此,在變壓器保護(hù)中,必須鑒別出勵(lì)磁涌流,防止差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。勵(lì)磁涌流的電流值往往比短路電流大,大型變壓器的勵(lì)磁涌流衰減比較慢, 若采用提高保護(hù)的動(dòng)作電流值,會(huì)降低保護(hù)的靈敏度, 會(huì)延長(zhǎng)保護(hù)時(shí)間。

4 結(jié)論

本文利用MATLAB的電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)，為分析研究變壓器空載合閘瞬變過(guò)程建立了仿真模型, 建模簡(jiǎn)單方便, 并可在Simulink環(huán)境中高效地進(jìn)行仿真分析，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析提供了一種有力手段。