1、三绕组变压器空载合闸励磁涌流实验与仿真分析石方舟 杜睿东方电气自动控制工程有限公司研发中心 【摘要】变压器在轻载或者空载的情况下合闸通电的时候,可能变压器的一次侧绕组中流过励磁涌流。励磁涌流出现的原因是在 变压器铁芯被拖入饱和区甚至是深度 饱和区,励磁涌流对变压器自身和对电网中的电能质量都有不利影响。在 实际 工作中，也遇到了 变压器空载合闸的励磁涌流带来的问题。利用 MATLAB/SIMULINK 仿真工具，对三绕组变压器空载合闸瞬变过程进行了建模仿真，分析了励磁涌流、谐波、磁通等物理量，为工程中遇到的此类复杂暂态过程提供了有效便捷的分析手段。【关键字】 变压器；空载合闸；励磁涌流0、引言当
2、变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复时,由于铁芯饱和会产生很大的励磁电流,在最不利的情形下,可达到正常励磁电流的上百倍,或者说可达到变压器额定电流的几倍，通常励磁电流的最大值可以达到额定电流的 4-8 倍,并与变压器的额定容量有关。这一大大超过正常励磁电流的空载合闸电流称为励磁涌流。励磁涌流的大小和铁芯饱和程度、铁芯的剩磁和合闸时电压的相角等因素有关。同时,在变压器空载合闸这一瞬变过程中,电流、电压的波形也会发生畸变,产生谐波；在一定的条件下,还可能会引起电力系统谐振,产生过电压。因此,工程上对变压器空载合闸这一瞬变过程进行分析计算是很麻烦的,通常要作若干简化,如略去一次绕组的电阻,假定铁芯
3、不饱和且无剩磁。本文结合工作中遇到的实际情况，并利用 MATLAB/SIMULINK 软件,对变压器空载合闸这一瞬变过程进行计算机仿真，深入分析了其励磁涌流、谐波以及磁通量，频谱等物理量，对于实际工程有一定的指导意义。1、励磁涌流的特点在工程实验中，利用示波器捕捉的励磁涌流波形如图 1 所示：图 1 励磁涌流实际波形图 1 中出现励磁涌流的时刻为变压器空载合闸的时刻。该变压器为额定容量为1250kVA 的三相四线制干式变压器，波形捕捉点为源边三相（）中的两相。图中纵坐标为 400A/div，横坐标为 500ms/div。图中两相励磁涌流分别达到了 600A 和 1000A。由于空载合闸产生励磁
4、涌流大小的随机性，偶尔会触发保护用断路器瞬时短路脱扣（实验限制 2000A） ，通过合理设置保护限值即可躲过励磁涌流。励磁涌流通常具有以下特点：(1)涌流含有数值很大的高次谐波分量(主要是二次和三次谐波),因此,励磁涌流的变化曲线为尖顶波。(2)励磁涌流的衰减常数与铁芯的饱和程度有关。饱和越深,电抗越小,衰减越快。因此,在开始瞬间衰减很快,以后逐渐减慢。一般情况下,变压器容量越大,衰减的持续时间越长,但总的趋势是涌流的衰减速度往往比短路电流衰减慢一些。(3)励磁涌流的数值很大,最大可达额定电流的 4-8 倍。(4)波形完全偏离时间轴的一侧,并且出现间断。涌流越大,间断角越小。(5)含有很大成分
5、的非周期分量,间断角越小,非周期分量越大。(6)变压器空载合闸时,涌流是否产生以及涌流大小跟很多因素有关,主要受到变压器铁芯剩磁、合闸角的影响2、仿真模型2.1 变压器模型选用 MATLAB/SIMULINK 的电力系统模块中的三绕组饱和变压器模型，其等效模型如图 2 所示，其中铁芯的磁化特性由一个表示铁芯有功损耗的的电阻 和一个饱和电感mR模拟。satL图 2 三绕组饱和变压器等效模型三绕组接法分别为 / /。其三相绕组变比为 500kV/230kV/60kV，额定容量为gY450MVA，额定频率 50Hz。三相剩磁（pu）分别为 0.8，-0.4 ，0.4。2.2 系统模型利用 MATLA
6、B/SIMULINK 的电力系统仿真模块，建立变压器空载合闸系统模型图 3所示。主要包含了三相等效电源、三相断路器、三相负载、三绕组变压器、傅里叶分析、电压传感器等。图 3 三绕组变压器空载合闸系统模型主要模块的参数设置如下：（1） 三相电源：额定电压 500kV，额定容量 3000MVA，电抗电阻比（X/R ）为 7。（2） 三相断路器：开通电阻 0.01，吸收电阻 100M。（3） 三相负载：额定电压 500kV，有功功率 50MW，容性无功 188Mvar,感性无功0。（4） 傅里叶分析：基波频率 50Hz。（5） 增益模块：都用来转换为标幺值。以变压器绕组二 a 相磁通的增益模块为例，
7、其增益 。21/aKfU（6） 计时器：用来控制断路器合闸时间，仿真时间共 2S，用计时器设置断路器的合闸时间为 0.1S。3、仿真结果及分析为了提高仿真效率，仿真算法选为 ode23t，仿真时间 2S。变压器 A 相磁通如图 4 所示，一次绕组的三相电流波形如图 5 所示：0 0.5 1 1.5 2-1-0.500.511.52tA含 含 含 含 pu含图 4 A 相磁通波形由图 4 可以看出，当 A 相剩磁通大约在 0.3(pu)时合闸，此时励磁涌流达到了 1300A。0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-1000010002000tAA含含含0 0.
8、2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-1000-5000500tAB含含含0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-1000-5000500tAC含含含图 5 变压器三相励磁涌流波形由图 5 可以看出，仿真波形与实际波形基本特征相似，都在合闸瞬间电流值最大，在时间轴一侧，呈指数衰减，在 2S 左右已经衰减了 80%以上。以 A 相电流为例，继续分析其频谱特性，运用电力系统 POWER GUI 中的 FFT 分析工具，对 A 相电流进行分析，如图 6 所示。图 6 A 相电流频谱分析由分析结果可以看出，励磁涌流含有很大的直流分量、2
9、 次、3 次、4 次谐波分量，谐波含量随阶数增加而减小，THD 达到了 73.92%。仍以 A 相为例，对 A 相电压进行 FFT 分析，观察其 2 次谐波，3 次谐波在空载合闸过程中的变化，如图 7，图 8 所示。0 0.10.20.30.40.50.60.70.80.9 1 1.11.21.31.41.51.61.71.81.9 200.050.10.150.20.250.30.35t2含含含含含图 7 A 相电压 2 次谐波含量0 0.10.20.30.40.50.60.70.80.9 1 1.11.21.31.41.51.61.71.81.9 200.020.040.060.080.1
10、0.120.140.160.18t3含含含含含图 8 A 相电压 3 次谐波含量由图 7，图 8 可以看出，在合闸之后，电网电压中涌入了很大的 2，3 次谐波，且 2 次谐波含量大于 3 次谐波含量，与 FFT 分析工具结果相符，两者的比例都随着时间的增加逐渐减小。4、结论MATLAB 建模简单方便，并可在 Simulink 环境中高效地进行仿真分析。是一个功能强大的工具箱，可以方便地建立电路、电机、电力传动、电力系统等的各种模型，为系统设计和分析提供了一种有力手段。本文利用 SIMULINK 对三绕组变压器空载合闸时刻的励磁涌流进行了深入的仿真分析，得出了三相变压器中励磁涌流的波形和谐波特征，对实际工程具有指导意义。参考文献：1段玉倩,贺家李,王钢等.电力变压器励磁涌流仿真计算的瞬时功率法 J.电网技术,1997,21(2):70-752李晓庆,陈尔奎,纪志成.基于 Matlab 单相变压器的仿真建模及特性分析 J.变压器,2005,42(3):48-54.3黄忠霖.控制系统 MATLAB 计算及仿真M.北京:国防工业出版社,2001.
