基于Matlab/Simulink的變壓器運(yùn)行仿真分析

田震

摘? 要：文章簡(jiǎn)單介紹了變壓器運(yùn)行原理，在理論基礎(chǔ)上，運(yùn)用Matlab/Simulink中電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)中的仿真模型，對(duì)常見的雙繞組三相變壓器在空載合閘過程中產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的工況進(jìn)行仿真建模，并通過模型獲得了空載合閘時(shí)電流電壓變化曲線及其變化規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)提高變壓器運(yùn)行的可靠性、減少事故發(fā)生率具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：變壓器;Matlab;仿真;勵(lì)磁涌流

中圖分類號(hào)：TM407? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(tǒng)運(yùn)行中，變壓器是重要設(shè)備之一，能夠保證整個(gè)系統(tǒng)連續(xù)的、可靠的穩(wěn)定運(yùn)行，但它也是容易發(fā)生電力系統(tǒng)各種事故最多的設(shè)備之一，為了更好地研究變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和保護(hù)運(yùn)行方式，對(duì)變壓器進(jìn)行仿真顯得十分必要。本文利用Matlab/Simulink對(duì)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(guī)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(lì)磁涌流特點(diǎn)

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(yīng)，并且在相同的頻率，通過兩個(gè)或者更多的繞組之間，轉(zhuǎn)換交流電壓和電流，并將電能傳輸?shù)搅硪欢说囊环N靜止型電器。其工作原理如圖1所示。

當(dāng)原繞組外加電壓U1時(shí)，原邊就有電流I1流過，并在鐵芯中產(chǎn)生與U1同頻率的交變主磁通Φm，主磁通同時(shí)鏈繞原、副繞組，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，會(huì)在原、副繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E1、E2，副邊在E2的作用下產(chǎn)生負(fù)載電流I2，向負(fù)載輸出電能。

1.2 勵(lì)磁涌流產(chǎn)生原因

通常，正常運(yùn)行的變壓器中產(chǎn)生的勵(lì)磁電流不是太大，但是在空載合閘的那一瞬間，將會(huì)產(chǎn)生很大的瞬間沖擊電流，該值可能會(huì)達(dá)額定電流的3～4倍，是正常空載運(yùn)行時(shí)電流的幾十倍甚至百倍以上[1]。主要原因是因?yàn)楫?dāng)變壓器進(jìn)行空載投入時(shí)，變壓器鐵芯交變電流磁通量大于Φm，將瞬間達(dá)到瞬變磁通量Φx，導(dǎo)致變壓器勵(lì)磁涌流沿磁化特性曲線將迅速增大，產(chǎn)生了合閘勵(lì)磁涌流。其過程如圖2所示。

勵(lì)磁涌流大小與變壓器鐵芯的材質(zhì)及結(jié)構(gòu)、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(guān)。變壓器空載合閘會(huì)造成很多故障，比如產(chǎn)生的較大的勵(lì)磁涌流，會(huì)造成控制變壓器的相關(guān)繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作、電網(wǎng)電壓驟降或驟升、一些敏感脆弱的電子電力器件損壞，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)振動(dòng)老化等不良后果[2]。

1.3 勵(lì)磁涌流的影響及抑制措施

傳統(tǒng)的抑制勵(lì)磁涌流的方法包括采用諧波制動(dòng)保護(hù)裝置、放大保護(hù)動(dòng)作電流定值方法來躲過勵(lì)磁涌流，可這些方法只是治標(biāo)不治本。目前抑制勵(lì)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(lì)磁涌流。二是通過內(nèi)部控制改變變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)達(dá)到削弱勵(lì)磁涌流的目的[1，3-4]。

2 基于Matlab/Simulink的勵(lì)磁涌流仿真

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用的各種變壓器，其體積一般都比較龐大，并且價(jià)格比較昂貴，如果想直接通過在上面現(xiàn)場(chǎng)做試驗(yàn)的方法來研究空載合閘下的勵(lì)磁涌流現(xiàn)象難度較大，但如果采用計(jì)算機(jī)軟件仿真計(jì)算的方法，就可以解決這個(gè)難題了。

文中以一個(gè)三相變壓器為例搭建仿真模型，進(jìn)行空載合閘勵(lì)磁涌流的仿真分析[5-9]，為了驗(yàn)證仿真模型和計(jì)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(guī)律直觀分析變壓器勵(lì)磁涌流的特征和影響因素。其基本參數(shù)的設(shè)置見表1。

2.1 變壓器仿真模型構(gòu)建

在通過Matlab進(jìn)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(jìn)行仿真的強(qiáng)大工具，它基于框圖式的設(shè)計(jì)環(huán)境，來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，它被廣泛應(yīng)用于到各種非線性系統(tǒng)、線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。在創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的時(shí)候，Simulink利用一個(gè)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(diǎn)擊和拖曳鼠標(biāo)等操作就能完成所有的創(chuàng)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(tǒng)的仿真結(jié)果。本文中變壓器勵(lì)磁涌流的仿真分析模型構(gòu)建運(yùn)用到的主要各模塊及功能簡(jiǎn)介見表2。

表2 變壓器仿真模型構(gòu)建運(yùn)用到的主要各模塊

2.2 變壓器勵(lì)磁涌流的仿真

根據(jù)需要，從Matlab/Simulink電力系統(tǒng)ToolBoxs中選取相關(guān)元件來建立仿真模型，根據(jù)表1中基本參數(shù)設(shè)定元件的初始值，然后點(diǎn)擊運(yùn)行，對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流的過程進(jìn)行仿真，圖3就是建立好的對(duì)應(yīng)的Simulink仿真分析模型，為了方便，設(shè)置其中的三相斷路器模塊QF的切換時(shí)間為0s，仿真過程的時(shí)間為0.5s，仿真的算法Ode23t。

運(yùn)行仿真，得到空載合閘后的三相勵(lì)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(chǎn)生幅值很大的勵(lì)磁涌流。勵(lì)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(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)變壓器在電壓過零點(diǎn)合閘時(shí)，產(chǎn)生最大的勵(lì)磁電流，其峰值最大可達(dá)額定電流的6～8倍。

2.3 增加電容器抑制的仿真建模

根據(jù)變壓器勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)可知，若在變壓器低壓側(cè)連接電容器，這種方法通過抑制變壓器磁通達(dá)到飽和從而抑制了勵(lì)磁涌流。為了驗(yàn)證該方式，改變Simulink仿真模型，如圖6所示。

設(shè)置三相斷路器模塊QF的切換時(shí)間為0s，仿真時(shí)間為0.5s，仿真算法Ode23t，進(jìn)行仿真?？蛰d合閘后的三相勵(lì)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(shí)的涌流的幅度變小，持續(xù)的時(shí)間變短。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用Matlab/Simuli-

nk仿真軟件對(duì)變壓器空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流進(jìn)行了仿真分析，通過對(duì)比仿真分析可以很直觀的在波形上就看出勵(lì)磁涌流的危害，可以避免某些情況下對(duì)電網(wǎng)中變壓器的錯(cuò)誤操作，仿真的結(jié)果也驗(yàn)證消除勵(lì)磁涌流方法的有效性和可行性，該結(jié)果對(duì)實(shí)際運(yùn)用和研究有一定的指導(dǎo)意義，尤其是為理論分析變壓器保護(hù)措施提供了幫助，是一種不錯(cuò)的分析手段。

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