三相变压器的励磁涌流和和应涌流的仿真分析

三相变压器的励磁涌流和和应涌流的仿真分析

摘要: 简单地介绍了PSCAD 电磁仿真软件，论述了励磁涌流以及和应涌流产生的机理，搭建了仿真模型，得到了空载合闸时的涌流波形，并主要对影响励磁涌流的因素进行了分析研究，其结果与理论分析相吻合，表明利用PSCAD 能够有效地对变压器励磁涌流和和应涌流的仿真，为变压器保护的算法研究提供基础，最后提出了鉴别励磁涌流的新兴技术，进一步提高了电力系统的稳定性、可靠性，同时对智能电网的发展起到很大的促进作用。 关键词:PSCAD ；励磁涌流；空载合闸；仿真研究

随着社会的不断发展，电力行业的飞跃进步的同时，电力变压器是发电厂和变电站中的主要电气设备, 对电力系统的安全稳定运行起着十分重要的作用[1]。但由于变压器空载合闸过程中所产生的励磁涌流以及和应涌流对继保产生的误动作使得电力系统稳定性遭到破坏，所以有必要对变压器励磁涌流进行分析研究，而PSCAD 能够很好的对电力系统进行建模分析和研究，从而可以提高系统的稳定性和可靠性。

PSCAD 是一款电磁暂态软件包，它由很多可视化模块组成，具有较完善的模型库，主要

研究电力系统的暂态过程，对电力系统时域和频率进行快速而又准确的仿真分析[2-3]

。

1 励磁涌流的产生机理

变压器正常运行和外部故障时不会饱和，励磁涌流一般不会超过电力系统稳定运行额定电流的2%-5%，从而对纵差动保护的影响可以忽略。当变压器空载投入或者外部故障切除后电压恢复时, 变压器电压从零或很小的值突然上升到运行电压。在这个电压上升的暂态过程中, 变压器可能会严重饱和, 产生很大的暂态励磁电流。这个暂态励磁电流就是励磁涌流[4]。变压器产生的励磁涌流最大可能会达到额定电流的4~8倍，并与变压器的额定容量有关。而和应涌流一般发生在两台变压器上，当一台变压器空载合闸时对另一台变压器励磁涌流的影响，产生的过程大致可分为两种：一种是两台变压器串联，当末端变压器空载合闸时，另一台变压器可能产生和应涌流；另一种是两台变压器并联，当一台变压器合闸时，另一台可能会产生和应涌流[5]，为分析简便，以单相变压器为例来说明励磁涌流产生的机理。设变压器绕组端电压为

m ()sin()u t U t ωθ=+ (1)

其中U m 为变压器端电压最大值，忽略漏抗和绕组的电阻，且令绕组匝数N =1，则有下式：

()d u t dt

=

Φ

(2) 当变压器空载合闸时，变压器铁芯中的磁通为

c ()(s )o m u t dt t C ωθΦ=Φ+-=+⎰ (3)

其中Φm 为变压器磁通的最大值，C 为常数， m

m U ω

Φ=

(4)

当变压器空载合闸瞬间时铁芯中的剩磁为Φr ，则积分常数为

cos()m r C θ=Φ+Φ (5)

所以空载合闸时变压器铁芯中的磁通为

cos()cos()m m r t ωθθΦ=Φ++Φ+Φ- (6)

故而，在电压过零时空载合闸将会产生最大磁通为

2p m r Φ=Φ+Φ (7)

2 仿真模型的建立

利用PSCAD 软件构建了如图1所示的电源-三相变压器模型，该模型包括两组变压器T1和T2，利用三组断路器来控制变压器的运行从而产生励磁涌流和和应涌流。

元件模型参数如下：

三相电源：额定电压为230kV ，频率50Hz ，采用单线视图，其余默认。

变压器：容量为100MV A ，50Hz 的频率，一次侧和二次侧均为230kV ，其余视分析需要设置。

负荷：每相的有功和无功分别是10MW 和2MV ar ，频率50Hz 。 使用电流表测得三相变压器一次侧的电流，同时使用Timed Fault Logic 模块来控制断路器闭合和断开的时间。

图1 三相变压器励磁涌流和和应涌流仿真模型

3 仿真结果及分析

对于三相变压器而言，由于其磁路结构和绕组的连接方式比单相变压器更加复杂，另外其空载合闸时，其三相的初相角是不相同的，故而每一相的励磁涌流复杂而又不尽相同。分析时通常会做出一些假设条件，一般来说，励磁涌流的大小和衰减时间与外加电压的相位、铁芯中剩磁的大小和方向、回路的阻抗、铁芯饱和程度、铁芯的剩磁以及合闸时的相角等因素有关[6-7]。

3.1 合闸角对变压器涌流的影响分析

由以上分析知励磁涌流的大小与变压器的的合闸角有着密切的关系，因而需要控制断路器的接通和断开，模型中设置断路器BRK1的闭合时间为0.04(S)，得到变压器T1空载合闸于不同合闸角时，所产生的励磁涌流，仿真波形如图所示。

1.03.0t/s

(

t/s

(

图3合闸角为600时的励磁涌流

0.02.01.03.04.0

t/s

(

图4合闸角为900

时的励磁涌流

由以上图2-4可以得出，当合闸角为00时，其励磁涌流很大，由于绕组铁芯中的磁通不能突变，虽然之前铁芯中的磁通为负的最大，但这一瞬间仍然为0，因此就会出现一个非周期分量的磁通，幅值为正的最大，于是经过半个周期后就会达到磁通的最大。出现严重饱和，此时，也就是励磁涌流最大；随着合闸角的增加，其励磁涌流就会相应的减小，当达到900时，磁通的瞬时值为0，磁通就会稳定下来，此时励磁涌流也就相应的最小。

3.2 剩磁的大小和方向对涌流的影响分析

模型中使用受控直流电流源用来模拟剩磁，可以改变剩磁的大小和方向来仿真分析其对

励磁涌流的影响，控制B 、C 两相剩磁不变均为负值，合闸角为00

时。仿真如图所示。

1.03.0t/s

(

(

3.0

1.0

t/s

图6剩磁为0.034时的励磁涌流

(

3.0

1.0

t/s

图7 剩磁为0.012时的励磁涌流

由图5-7所示，变压器中的剩磁对励磁涌流的影响也较为重要，随着剩磁的增加，励磁涌流的幅值就会相应的增加，涌流也就越严重，同时，可以看出，当剩磁越大时，变压器励磁涌流的间断角就会越小，最后趋于稳定。

3.3和应涌流的波形分析

三相电源合闸角为零，忽略剩磁的作用下，变压器T2的空载合闸对变压器T1励磁涌流的影响，其波形如图所示。

(

3.0

1.0

t/s

图8和应涌流的波形

在主电路中，设置断路器BRK2的闭合时间为0.3(S)，由图8可以看出，串联变压器T2