三绕组变压器空载合闸励磁涌流实验与仿真分析

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m R 和一个饱和电感sat L 模拟。

图2 三绕组饱和变压器等效模型

三绕组接法分别为g Y /g Y /△。其三相绕组变比为500kV/230kV/60kV ，额定容量为450MV A ，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MATLAB/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0.01Ω，吸收电阻100M Ω。

（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，

其增益21/2a K fU π=。

（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：

00.5

1 1.52

-1

-0.500.511.5

2t

A 相磁通（pu ）

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 。

0.2

0.4

0.6

0.8

1 1.2

1.4

1.6

1.8

2

t A

A 相电流

0.2

0.4

0.6

0.8

1 1.2

1.4

1.6

1.8

2

t A

B 相电流

0.2

0.4

0.6

0.8

1 1.2

1.4

1.6

1.8

2

t

A

C 相电流

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