基于PSCAD的單相變壓器勵(lì)磁涌流仿真分析

張 慧，李俊華

(鄭州供電公司，河南 鄭州450052)

變壓器是電力系統(tǒng)中極其重要的電氣設(shè)備，它的安全運(yùn)行與否，直接關(guān)系到電力系統(tǒng)能否連續(xù)穩(wěn)定地工作.在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，變壓器的勵(lì)磁電流很小，一般僅為額定電流的2% ～10%，但在空載合閘或外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)，對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流將急劇增大到穩(wěn)態(tài)值的幾十倍，甚至上百倍，此現(xiàn)象稱為勵(lì)磁涌流.現(xiàn)在變壓器普遍采用差動(dòng)保護(hù)，但差動(dòng)保護(hù)將因無法區(qū)分勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流而發(fā)生誤動(dòng)作［1］.因此，對(duì)勵(lì)磁涌流進(jìn)行仿真及分析具有重要意義.

1 勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的基本原理

勵(lì)磁涌流的大小和鐵芯飽和程度、鐵芯的剩磁、合閘時(shí)電壓的相角等因素有關(guān)［2－3］.同時(shí)，在變壓器空載合閘這一瞬變過程中，電流、電壓的波形也會(huì)發(fā)生畸變，產(chǎn)生諧波［4］.筆者以單相變壓器為例分析勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的基本原理，假設(shè)電源內(nèi)阻抗為零，且不計(jì)合閘回路電阻涌流不衰減.

電壓與磁通之間的關(guān)系為

設(shè)變壓器在t=0時(shí)空載合閘，加在變壓器上的電壓為

由磁通不能突變得到空載合閘的鐵芯磁通為

式中:ω為對(duì)應(yīng)電壓Um的磁通幅值，稱Φmcos(ωt+α)為穩(wěn)態(tài)磁通，將非同期磁通Φmcosα和剩磁Φr合稱為暫態(tài)磁通(即非周期分量).當(dāng)α=0時(shí)，鐵芯中磁通密度最大可達(dá)2Φm+Φr，鐵芯飽和程度最為嚴(yán)重.

2 仿真分析

利用PSCAD軟件構(gòu)建了電源－變壓器模型，以單相變壓器為例，對(duì)變壓器空載合閘進(jìn)行仿真，并對(duì)所產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流進(jìn)行分析，具體模型如圖1所示.

圖1 單相變壓器勵(lì)磁涌流仿真模型

2.1 合閘角度對(duì)勵(lì)磁涌流的影響

由于勵(lì)磁涌流的波形隨變壓器合閘角的不同而改變.在此模型中，變壓器通過斷路器BRK與電源相連，通過調(diào)整斷路器的合閘時(shí)間來控制合閘角度，從而得到不同合閘角度對(duì)勵(lì)磁涌流的影響.在一周期內(nèi)選擇0°，30°，60°，90°合閘角度進(jìn)行了仿真分 析，仿真結(jié)果如圖2所示.

圖2 不同合閘角度對(duì)勵(lì)磁涌流的影響

由圖2可以看出合閘角度不同對(duì)勵(lì)磁涌流的影響，合閘角在0°～90°變化的過程中:

1)在u為最大值(α=90°)合閘時(shí)變壓器的勵(lì)磁電流.如果在合閘瞬間電壓正好達(dá)到最大值，則磁通的瞬間值恰好為零，即在鐵芯里開始就建立了穩(wěn)態(tài)磁通，和穩(wěn)態(tài)時(shí)情況一樣.此時(shí)勵(lì)磁電流很小，一般不超過額定電流的2% ～10%.在這種情況下，不會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流.

2)在u為零(α=0°)合閘時(shí)變壓器的勵(lì)磁電流.如果在空載合閘時(shí)，恰好在電壓瞬時(shí)值u=0時(shí)接通電路，則鐵芯中應(yīng)該具有磁通－Φm.但是，由于鐵芯中的磁通不能突變，既然合閘前鐵芯中沒有磁通，這一瞬間仍要保持磁通為零.因此，在鐵芯中就出現(xiàn)1個(gè)非周期分量的磁通，其幅值為Φm.這樣在經(jīng)過半個(gè)周期后，鐵芯中的磁通就達(dá)到2Φm.如果鐵芯中的磁通還有剩磁磁通將達(dá)到2Φm+Φr.此時(shí)變壓器的鐵芯嚴(yán)重飽和，勵(lì)磁電流將急劇增大到穩(wěn)態(tài)值的幾十倍，即可能達(dá)到額定電流的8～10倍.

由分析可知，合閘時(shí)間決定了勵(lì)磁涌流是否會(huì)產(chǎn)生及其大小.涌流間斷角隨合閘角度的增大而增大，涌流越嚴(yán)重間斷角越小，勵(lì)磁涌流的大小介于上述2種情況之間.

2.2 剩磁對(duì)勵(lì)磁涌流的影響

在本次仿真中，用直流電流源來模擬剩磁，電流值可通過Slider元件手動(dòng)輸入，不同電流值與剩磁關(guān)系見表1.

表1 直流電流與剩磁的關(guān)系

改變仿真模型中直流電流的大小，即相應(yīng)的改變剩磁的大小，在合閘角為0°時(shí)進(jìn)行仿真.仿真結(jié)果如圖3所示.

由圖3可以看出，剩磁越大，勵(lì)磁涌流幅值越大，涌流越嚴(yán)重.另外，經(jīng)分析可知，其他條件保持不變，合閘初相角α=0°.鐵心原始正向剩磁越大，勵(lì)磁涌流越呈尖頂波，涌流幅值越大，但其間斷角、二次諧波含量越小;反之，則相反.

3 仿真結(jié)果分析

當(dāng)剩磁為零時(shí)，不同合閘角時(shí)的諧波幅值見表2.當(dāng)剩磁不為零(α=0°)合閘，剩磁不同時(shí)的涌流諧波幅值見表3.

圖3 合閘角為0°時(shí)，剩磁不同時(shí)的勵(lì)磁涌流仿真波形

表2 不同合閘角時(shí)涌流諧波幅值及二次諧波含量

表3 α=0°合閘，剩磁不同時(shí)的涌流諧波幅值及間斷角

從以上仿真結(jié)果可以看出:

1)勵(lì)磁涌流是否產(chǎn)生及大小與剩磁、合閘時(shí)電壓相角等因素有關(guān).

涌流具有很大峰值，最大可達(dá)額定電流的8～10倍.從波形上可以看出0°合閘時(shí)，涌流的幅值最大;90°合閘時(shí)，勵(lì)磁電流的幅值最小.考慮剩磁時(shí)，隨剩磁的增大，涌流幅值有所增加，但增幅不大.

2)勵(lì)磁涌流是衰減的尖頂波，含有相當(dāng)成分的非周期(直流)分量和高次諧波分量(主要是二次和三次諧波)，涌流波形在最初幾個(gè)周期內(nèi)完全偏于時(shí)間軸的一側(cè).

當(dāng)0°≤α＜90°時(shí)，直流分量和諧波幅值隨合閘角增大而減小;當(dāng)90°≤α＜180°時(shí)，直流分量和諧波幅值隨合閘角增大而增大.

3)勵(lì)磁涌流含有顯著的二次諧波分量.當(dāng)0°≤α＜90°時(shí)，二次諧波含量隨合閘角的增大而減小;當(dāng)90°≤α＜180°時(shí)，二次諧波隨合閘角的增大而增大;合閘角 α=90°時(shí)，二次諧波含量最小，只有1.5%，基本無涌流.

4)勵(lì)磁涌流波形有明顯的間斷角.0°≤α＜90°時(shí)，間斷角隨合閘角的增大而減小;90°≤α＜180°時(shí)，間斷角隨合閘角的增大而增大;合閘角α=90°時(shí)，間斷角最小，此時(shí)出現(xiàn)對(duì)稱涌流.同時(shí)，互補(bǔ)的合閘角，其對(duì)應(yīng)的間斷角相同.考慮剩磁，隨剩磁的增大，間斷角有所減小，但減小的幅度不大甚至不再減小.

5)勵(lì)磁涌流的衰減常數(shù)與鐵芯的飽和程度有關(guān)，飽和越深，電抗越小，衰減越快.因此，在開始瞬間衰減很快，以后逐漸減慢，幾十秒后衰減到零.一般情況下，變壓器容量越大，衰減的持續(xù)時(shí)間越長，但總的趨勢(shì)是涌流的衰減速度往往比短路電流衰減慢一些.

4 結(jié)語

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，變壓器電壓等級(jí)和容量也快速增加，勵(lì)磁涌流的識(shí)別和解決問題越來越受到重視.利用PSCAD軟件建立變壓器仿真模型，以單相變壓器為例，介紹勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)，通過分析合閘時(shí)間、剩磁等因素對(duì)勵(lì)磁涌流的影響，結(jié)合諧波分析，總結(jié)了勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)，有助于變壓器勵(lì)磁涌流的識(shí)別與解決.在實(shí)際應(yīng)用中，勵(lì)磁涌流的影響因素很多，有必要加強(qiáng)對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流的仿真研究，進(jìn)一步探討變壓器勵(lì)磁涌流的判別方法.

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