變壓器勵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，因此在實際運行中為保證變壓器的可靠經(jīng)濟運行，會根據(jù)變壓器在系統(tǒng)的地位、用途及運行特點為變壓器配置完善的保護方式及功能，使其在變壓器故障時能可靠切除故障，不拒動、不誤動，在變壓器出現(xiàn)不正常運行工況時能正確發(fā)出信號，不漏報、不誤報。在影響變壓器保護正確動作的因素中，在空投變壓器及變壓器區(qū)外故障切除時候的勵磁電流，即勵磁涌流，對于變壓器縱差保護的影響不容小覷，由于勵磁電流的幅值很大，可以達到變壓器額定電流的6～8倍，如不采取措施將造成差動保護誤動。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)模型對變壓器空載合閘時的勵磁涌流進行仿真分析，通過對勵磁涌流的波形特點以及諧波特征進行分析和研究，得到影響變壓器勵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

建立一個雙繞組變壓器連接兩個系統(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 變壓器空載合閘時勵磁涌流的仿真

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)置仿真時長為 0.5s，采用Ode23t算法，將M側(cè)電源電動勢EM的A相初相角設(shè)置為0°，運行仿真系統(tǒng)，可以得到變壓器空載合閘情況下的三相勵磁涌流波形如圖2～圖4所示。

圖2 A相勵磁涌流波形圖

圖3 B相勵磁涌流波形圖

圖4 C相勵磁涌流波形圖

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A、B、C三相勵磁涌流的特點:①偏于時間軸的一側(cè);②包含有高次諧波;③波形之間出現(xiàn)間斷;④同一時刻點上三相涌流之和近似為零;⑤勵磁涌流是衰減的。

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

圖5 勵磁涌流波形的傅立葉分析

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

能夠?qū)ψ儔浩鲃畲庞苛鞯牟ㄐ翁卣鳟a(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M側(cè)電源電動勢的初相角進行不同設(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磁涌流的諧波特征分析結(jié)果，如表1所示。

表1 對應(yīng)于不同合閘角時的勵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，M側(cè)電源電動勢的初相角仍然設(shè)置為，運行仿真模型，得到了對應(yīng)于另外一種接線組別變壓器空載合閘后的勵磁涌流波形圖，如圖6～圖8所示。

圖6 A相勵磁涌流波形圖

圖7 B相勵磁涌流波形圖

圖8 C相勵磁涌流波形圖

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入飽和狀態(tài)，產(chǎn)生很大的勵磁涌流，有的是合閘初瞬鐵芯并沒有飽和，經(jīng)過一小段時間后緊接著進入飽和狀態(tài)，而且隨著鐵芯磁通的變化交替進入飽和區(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，勵磁涌流越大。所以此時變壓器的勵磁電抗是劇烈變化的，沒有固定的數(shù)值。由于變壓器勵磁涌流的衰減時間常數(shù)與整個合閘回路及變壓器繞組中的時間常數(shù)有關(guān)，而。所以整個過程中勵磁涌流的衰減時間常數(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，則時間常數(shù)越小，勵磁涌流衰減越快，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，通過平臺中的Powergui可視化模塊對系統(tǒng)變壓器空載合閘后的勵磁涌流諧波含量進行研究分析。然后利用點的快速傅里葉變換方法對變壓器勵磁涌流進行諧波含量的數(shù)值分析。雖然基于快速傅里葉變換數(shù)值運算的輸出是通過圖形的形式來實現(xiàn)，可能精確度方面沒有Powergui可視化模塊的高，但是通過對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勵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磁涌流的特性:①波形偏于時間軸的一側(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在一個周期維度內(nèi)波形正負半波不對稱;⑤同一時刻點上三相涌流之和近似為零;⑥勵磁涌流是衰減的，衰減的時間常數(shù)與合閘回路及變壓器繞組的參數(shù)有關(guān)。

［1］張保會，尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護［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)計與分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010.