基于Matlab/Simulink的變壓器運行仿真分析

田震

摘? 要：文章簡單介紹了變壓器運行原理，在理論基礎上，運用Matlab/Simulink中電氣系統模塊庫中的仿真模型，對常見的雙繞組三相變壓器在空載合閘過程中產生勵磁涌流的工況進行仿真建模，并通過模型獲得了空載合閘時電流電壓變化曲線及其變化規律，研究結果對提高變壓器運行的可靠性、減少事故發生率具有一定的指導意義。

關鍵詞：變壓器;Matlab;仿真;勵磁涌流

中圖分類號：TM407? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）26-0009-03

Abstract： In this paper， the principle and mechanism of transformer operation are briefly introduced. On the basis of theory， the simulation model of electrical system module library in Matlab/Simulink is used. In this paper， the simulation modeling of the excitation inrush current produced by the common double-winding three-phase transformer in the process of no-load closing is carried out， and the current and voltage variation curve and its variation law during no-load closing are obtained through the model. The research results have certain guiding significance to improve the reliability of transformer operation and reduce the incidence of accidents.

Keywords： transformer; Matlab; simulation; excitation inrush current

引言

在電力系統運行中，變壓器是重要設備之一，能夠保證整個系統連續的、可靠的穩定運行，但它也是容易發生電力系統各種事故最多的設備之一，為了更好地研究變壓器的結構特點和保護運行方式，對變壓器進行仿真顯得十分必要。本文利用Matlab/Simulink對常見的雙繞組三相變壓器在空載合閘的過程中電流電壓變化曲線及其變化規律仿真分析，觀察分析變壓器電流電壓變化的特性。

1 變壓器勵磁涌流特點

1.1 變壓器工作原理

變壓器的基本原理是借助于電磁感應，并且在相同的頻率，通過兩個或者更多的繞組之間，轉換交流電壓和電流，并將電能傳輸到另一端的一種靜止型電器。其工作原理如圖1所示。

當原繞組外加電壓U1時，原邊就有電流I1流過，并在鐵芯中產生與U1同頻率的交變主磁通Φm，主磁通同時鏈繞原、副繞組，根據電磁感應定律，會在原、副繞組中產生感應電勢E1、E2，副邊在E2的作用下產生負載電流I2，向負載輸出電能。

1.2 勵磁涌流產生原因

通常，正常運行的變壓器中產生的勵磁電流不是太大，但是在空載合閘的那一瞬間，將會產生很大的瞬間沖擊電流，該值可能會達額定電流的3～4倍，是正常空載運行時電流的幾十倍甚至百倍以上[1]。主要原因是因為當變壓器進行空載投入時，變壓器鐵芯交變電流磁通量大于Φm，將瞬間達到瞬變磁通量Φx，導致變壓器勵磁涌流沿磁化特性曲線將迅速增大，產生了合閘勵磁涌流。其過程如圖2所示。

勵磁涌流大小與變壓器鐵芯的材質及結構、瞬間合閘的初相角、變壓器的等值阻抗、變壓器鐵芯剩磁大小、變壓器繞組接線方式等諸多因素有關。變壓器空載合閘會造成很多故障，比如產生的較大的勵磁涌流，會造成控制變壓器的相關繼電保護裝置誤動作、電網電壓驟降或驟升、一些敏感脆弱的電子電力器件損壞，有時還會導致電動機振動老化等不良后果[2]。

1.3 勵磁涌流的影響及抑制措施

傳統的抑制勵磁涌流的方法包括采用諧波制動保護裝置、放大保護動作電流定值方法來躲過勵磁涌流，可這些方法只是治標不治本。目前抑制勵磁涌流的方法主要有兩種，一是通過變壓器外部控制削減勵磁涌流。二是通過內部控制改變變壓器的內部結構達到削弱勵磁涌流的目的[1，3-4]。

2 基于Matlab/Simulink的勵磁涌流仿真

在實際現場中應用的各種變壓器，其體積一般都比較龐大，并且價格比較昂貴，如果想直接通過在上面現場做試驗的方法來研究空載合閘下的勵磁涌流現象難度較大，但如果采用計算機軟件仿真計算的方法，就可以解決這個難題了。

文中以一個三相變壓器為例搭建仿真模型，進行空載合閘勵磁涌流的仿真分析[5-9]，為了驗證仿真模型和計算方法的正確性和有效性，通過獲得空載合閘的過程中電流電壓變化曲線及其變化規律直觀分析變壓器勵磁涌流的特征和影響因素。其基本參數的設置見表1。

2.1 變壓器仿真模型構建

在通過Matlab進行仿真分析中，Simulink是最重要的仿真組件之一，是Matlab中的一種利用可視化手段進行仿真的強大工具，它基于框圖式的設計環境，來實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，它被廣泛應用于到各種非線性系統、線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。在創建動態系統模型的時候，Simulink利用一個圖形用戶接口（GUI），它采用模型方塊圖的方式來建立各種仿真模型，只需點擊和拖曳鼠標等操作就能完成所有的創建過程，這種快捷、直接明了的建模仿真方式，可以讓用戶立即看到系統的仿真結果。本文中變壓器勵磁涌流的仿真分析模型構建運用到的主要各模塊及功能簡介見表2。

表2 變壓器仿真模型構建運用到的主要各模塊

2.2 變壓器勵磁涌流的仿真

根據需要，從Matlab/Simulink電力系統ToolBoxs中選取相關元件來建立仿真模型，根據表1中基本參數設定元件的初始值，然后點擊運行，對變壓器勵磁涌流的過程進行仿真，圖3就是建立好的對應的Simulink仿真分析模型，為了方便，設置其中的三相斷路器模塊QF的切換時間為0s，仿真過程的時間為0.5s，仿真的算法Ode23t。

運行仿真，得到空載合閘后的三相勵磁涌流的電壓、電流波形如圖4、圖5所示。

由圖可見變壓器空載合閘瞬間，由于剩磁和初相角的影響，產生幅值很大的勵磁涌流。勵磁涌流含有大量高次諧波分量（以二次諧波為主），變壓器的容量越大，涌流的幅度越大，持續的時間越長。當變壓器在電壓過零點合閘時，產生最大的勵磁電流，其峰值最大可達額定電流的6～8倍。

2.3 增加電容器抑制的仿真建模

根據變壓器勵磁涌流的特點可知，若在變壓器低壓側連接電容器，這種方法通過抑制變壓器磁通達到飽和從而抑制了勵磁涌流。為了驗證該方式，改變Simulink仿真模型，如圖6所示。

設置三相斷路器模塊QF的切換時間為0s，仿真時間為0.5s，仿真算法Ode23t，進行仿真。空載合閘后的三相勵磁涌流電流波形如圖7。

比較圖5和圖7可見，加裝電容器后三相變壓器空載合閘時的涌流的幅度變小，持續的時間變短。

3 結論

本文運用Matlab/Simuli-

nk仿真軟件對變壓器空載合閘時勵磁涌流進行了仿真分析，通過對比仿真分析可以很直觀的在波形上就看出勵磁涌流的危害，可以避免某些情況下對電網中變壓器的錯誤操作，仿真的結果也驗證消除勵磁涌流方法的有效性和可行性，該結果對實際運用和研究有一定的指導意義，尤其是為理論分析變壓器保護措施提供了幫助，是一種不錯的分析手段。

參考文獻：

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