應(yīng)用MATLAB_SIMULINK仿真研究鐵磁諧振

1、應(yīng)用MAT LAB/SIMU L INK 仿真研究鐵磁諧振杜志葉,阮江軍,王偉剛(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院,武漢430072摘要:鑒于中性點(diǎn)直接接地的電力系統(tǒng)中屢屢因投切斷路器或隔離開(kāi)關(guān)而激發(fā)鐵磁諧振現(xiàn)象,分析了該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和條件,建立了母線電壓互感器(T V 的仿真模型,利用M AT LAB 內(nèi)建的仿真工具實(shí)現(xiàn)了鐵磁諧振(由母線T V 非線性勵(lì)磁電感同斷路器均壓電容和系統(tǒng)對(duì)地電容匹配所致暫態(tài)過(guò)程數(shù)字仿真。仿真結(jié)果表明,T V 的勵(lì)磁電阻(鐵損對(duì)鐵磁諧振有重要影響。鐵損越大,諧振越強(qiáng)烈。鐵損減小,利于抑制諧振。最后,仿真比較了兩種不同消諧方法的作用及效果,驗(yàn)證了消諧方案(通過(guò)間接降低T V 勵(lì)

2、磁電阻來(lái)抑制鐵磁諧振的切實(shí)可行。關(guān)鍵詞:M AT LAB 仿真鐵磁諧振鐵損消諧中圖分類號(hào):T M864文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):100326520(20040920030203R esearch of R erroresonance Simulation Using MAT LAB/SIMU LINKDU Zhiye ,RUAN Jiangjun ,W ANG Weigang(School of E lectrical Engineering ,Wuhan University ,Wuhan 430072,China Abstract :In the neutral 2grounded pow

3、er system ,ferrores onance overv oltage caused by s witching circuit breakers or disconnectors occurs frequently.This simulation m odel of bus T V ,em ploys simulation im plement of M AT LAB to achieve digital calculation and simulation of the ferrores onance transient process due to matching of non

4、 2liner exciting inductance of the bus T V and the breakers grading capacitance and the capacitance to ground of system.I t is proved from the results that the value of core loss of T V is the im portant factor to ferrores onance.The greater the value is ,the intenser the res onance is.Decreasing th

5、e value is the key to sup 2pressing this kind of res onance.At last ,to testify the feasibility of suppressing the ferrores onance by indirectly decreasing the core loss of T V ,tw o ways about ferrores onance suppression and their effects are simulated and com pared.The feasible measures of pre 2ve

6、nting and suppressing ferrores onance are presented as well.K ey w ords :M AT LAB simulation ferrores onance core loss res onance suppression0引言電力系統(tǒng)中變壓器、電磁式T V 等鐵心電感器件具有非線性電磁特性,它們與系統(tǒng)內(nèi)的容性元件在一定條件下會(huì)發(fā)生鐵磁諧振,且會(huì)因其鐵心深度飽和而產(chǎn)生極大諧振過(guò)電壓和過(guò)電流,嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。近年來(lái),鐵損較低的節(jié)能型T V 的大量采用,使110kV 及以上中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中鐵磁諧振的發(fā)生率有所增加。因此,有必要

7、系統(tǒng)分析此現(xiàn)象,建立一個(gè)相對(duì)可靠、準(zhǔn)確的系統(tǒng)仿真模型和仿真方法,以提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性1。1鐵磁諧振的機(jī)理和特征111理論分析24某110kV 中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)見(jiàn)圖1。兩側(cè)的隔離開(kāi)關(guān)G 0、G 1閉合時(shí),斷口接有均壓電容的斷路器D L0、D L1任一只斷開(kāi)將會(huì)激發(fā)諧振,D L0、D L1斷開(kāi)時(shí),G 0、G 1任一只斷開(kāi)或合上也會(huì)激發(fā)諧振。當(dāng)母線處于空載狀態(tài)時(shí),由于斷路器均壓電容和系統(tǒng)對(duì)地電容的作用,任何引起母線電壓波動(dòng)的開(kāi)關(guān)操作都可能引起諧振?？紤]兩段母線的對(duì)稱性,對(duì)其中一段作等效簡(jiǎn)化(見(jiàn)圖2 。圖1110kV 變電站系統(tǒng)圖Fig 11Diagram of a 110kV substation圖2

8、等效簡(jiǎn)化電路Fig 12R educed equivalent circuit圖2中E m sin t 為系統(tǒng)電源,C 1為均壓電容,C 2為等效系統(tǒng)對(duì)地電容;R m 、L 、u 分別為T V 的鐵心損耗、勵(lì)磁電感、一次側(cè)電壓,i L 為線圈電流。忽略母線對(duì)地電導(dǎo)、相間電容,則此電路的微分方程為03第30卷第9期2004年9月高電壓技術(shù)High V oltage EngineeringV ol.30N o.9Sep.2004d 2d t 2+d R m (C 1+C 2d t +i L C 1+C 2=C 1E m cos t C 1+C 2。令p =C 1C 1+C 2E m ,q =1R

9、m (C 1+C 2,u =d d t,代入上式,等式兩邊同除以后得:(1/d u/d t +qu +i L /(C 1+C 2=p cos t 。上式中,激勵(lì)因子p 越大,越易于激發(fā)諧振,阻尼因子q 越大,越能抑制諧振。112鐵磁諧振特征51中性點(diǎn)接地系統(tǒng)各相電源、電容、電感等自成獨(dú)立回路,互相影響較小,諧振可發(fā)生于一、二或三相回路中,表現(xiàn)為正序或零序諧振。2開(kāi)關(guān)操作激發(fā)諧振的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間都隨機(jī)。3諧振波的主頻率與系統(tǒng)參數(shù)有關(guān),基頻最常見(jiàn),分頻(1/3其次,高頻不常見(jiàn)。2仿真模型的建立利用MAT LAB (具有高精度數(shù)值計(jì)算的特點(diǎn)軟件中的電力系統(tǒng)工具箱可準(zhǔn)確、直觀、高效地仿真電力系統(tǒng)的各種

10、運(yùn)行方式。211飽和變壓器模型的建立以前的數(shù)值仿真研究中鐵磁諧振核心器件T V 的勵(lì)磁電感和銅耗大多采用非線性電感串聯(lián)電阻的模型代替,而未考慮T V 鐵損、漏抗對(duì)此類鐵磁諧振的影響,使仿真結(jié)果誤差較大。本人分析MAT LAB/SI MU LI NK 內(nèi)建的SI MPOWER 庫(kù)中的元件后認(rèn)為,采用磁飽和變壓器模型能更準(zhǔn)確、有效地模擬T V 的工作特點(diǎn)4。圖3為兩繞組磁飽和變壓器模型(圖左及內(nèi)部等效電路(圖右。其中L 1、R 1為高壓側(cè)線圈的漏感和直流電阻(銅耗,R m 為T V 的勵(lì)磁電阻(鐵損,L sat 為鐵心線圈的非線性勵(lì)磁電感,L 2、R 2是低壓側(cè)線圈的漏感和直流電阻。此模型充分考慮

11、了鐵心電感的鐵損(R m 及漏抗(L 1的作用,非常接近于鐵心電感的真實(shí)情況 。圖3飽和變壓器模型及內(nèi)部等效電路Fig 13Computational TV model準(zhǔn)確設(shè)定T V 的勵(lì)磁特性比較關(guān)鍵,T V 勵(lì)磁參數(shù)源于兩條途徑:查資料,直接采用設(shè)備的出廠試驗(yàn)參數(shù);實(shí)測(cè)法,將實(shí)測(cè)到的T V 二次側(cè)電壓、電流值轉(zhuǎn)換到一次側(cè),利用u =d /d t (在單一頻率正弦電壓的激勵(lì)下可得=U/,計(jì)算出值。第種方法所得結(jié)果較準(zhǔn)確,誤差較小;第種方法適用于工作年限較長(zhǎng)、勵(lì)磁特性變化較大或技術(shù)資料殘缺的T V 。為降低繞組變比帶來(lái)的誤差,也可用圖4的測(cè)量方式。試驗(yàn)電源加在T V 的A 相二次側(cè),耦合后的高

12、壓加在B 相一次側(cè),則其電流可從電流表中讀出,其電壓可由兩個(gè)電壓表讀數(shù)的平均值乘以T V 的繞組變比得到。由于T V 飽和時(shí)電感的非線性,線圈電流、電壓的波形不再是50H z 正弦波,使實(shí)測(cè)值有一定誤差,然而T V 的勵(lì)磁電感從正常工作到深度飽和時(shí)變化極大(數(shù)十倍,因此測(cè)量誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響往往不顯著 。圖4勵(lì)磁特性試驗(yàn)接線圖Fig 14T esting circuit diagram根據(jù)實(shí)際值換算出標(biāo)幺值(一般僅37點(diǎn)后利用數(shù)值法適當(dāng)插值,使曲線更平滑,接近于實(shí)際曲線。再按照曲線坐標(biāo)法,將處理后的值填入互感器參數(shù)設(shè)置中的“飽和特性”一欄中。其他參數(shù)的設(shè)定均按T V 的實(shí)際標(biāo)稱值整定。212

13、仿真系統(tǒng)接線仿真系統(tǒng)(其原型見(jiàn)圖2見(jiàn)圖5。E s 為系統(tǒng)電圖5仿真系統(tǒng)接線圖Fig 15Simulation system diagram源,Z 1為等效線路阻抗,C 2、R 分別為等效線路對(duì)地電容和電阻,C 1為斷路器均壓電容,T 1是母線T V (三繞組。正常運(yùn)行時(shí)開(kāi)關(guān)B 1、B 2閉合,某一時(shí)刻(012s B 2斷開(kāi),使母線電壓波動(dòng),激發(fā)出鐵磁諧振。萬(wàn)能測(cè)量模塊測(cè)量T V 一次側(cè)繞組的電壓和電流;傅立葉變換模塊測(cè)量電壓中的諧波分量。仿真中采用的T V 是JCC 2110型,參數(shù)設(shè)定中的標(biāo)幺值L 1=01008;R m =5;勵(lì)磁特性按實(shí)測(cè)法設(shè)定。因L 1與L sat 串聯(lián),且L 1L s

14、at ,故即使鐵心深度飽和,L 1的影132004年9月高電壓技術(shù)第30卷第9期響也有限。而R m 同L sat 并聯(lián),則T V 輕載時(shí)R m 取值對(duì)結(jié)果影響很大,必須給予重視。3仿真計(jì)算結(jié)果及分析311鐵磁諧振仿真計(jì)算結(jié)果分析C 1和C 2的組合不同,系統(tǒng)在斷路器斷開(kāi)時(shí)激 發(fā)的鐵磁諧振頻率就不同,過(guò)電壓幅值的變化也就很大,基本同美國(guó)人的試驗(yàn)結(jié)論相吻合5。R m 取值對(duì)鐵磁諧振的發(fā)生影響極大。由q =1/R m (C 1+C 2知,C 1、C 2一定時(shí),q 與R m 成反比。R m 較小時(shí),諧振將在極大的損耗下很快衰減到正常水平,甚至不諧振。而當(dāng)R m 很大時(shí),諧振很強(qiáng)烈,且持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。典型

15、的諧振波形如下:1分頻諧振波形見(jiàn)圖6。開(kāi)關(guān)動(dòng)作后(012s 波形畸變,相電壓幅值U m 117U n (U n 為額定相電壓,相電流幅值I m 60I n (I n 為額定相電流,諧振頻率主要是1/2次諧波。若R m 減小到1(標(biāo)么值,則U m 114U n ,I m 30I n 。 圖6分頻諧振波形Fig 16Subh armonic ferroresonance w ave2基頻諧振波形見(jiàn)圖7。諧振時(shí)U m 4U n ,I m120I n ,諧振頻率主要是基波。若R m 減小到1(標(biāo)么值,則U m 113Un ,I m 10I n ,且衰減很快。 圖7基頻諧振波形Fig 17Fund am

16、ental frequency ferroresonance312消諧措施仿真計(jì)算結(jié)果分析消諧作用仿真分析中,比較兩種不同的消諧措施(即T V 一次側(cè)經(jīng)消諧電阻接地和基于R m 越小越能抑制諧振的特性而在T V 測(cè)量副邊繞組接自動(dòng)消諧裝置,并分別找出最佳的消諧元件取值。自動(dòng)消諧裝置原理見(jiàn)圖8。3組消諧電阻即阻尼電阻Z 2=Z 3=Z 4=Z 串聯(lián)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件接入T V 副邊,諧振發(fā)生時(shí),晶閘管G T 0、G T 1、G T 2同時(shí)(012s 導(dǎo)通投入阻尼電阻,持續(xù)一段時(shí)間(0.4、0.5、0.6s 陸續(xù)退出,既能很好地抑制諧振的發(fā)生,又能避免因阻尼電阻的退出而激發(fā)新的諧振6。圖8自動(dòng)消諧裝置

17、Fig 18Auto suppressing ferroresonance device圖9消諧效果仿真結(jié)果比較Fig 19Comp arison of the simulation results仿真結(jié)果(見(jiàn)圖9表明,第種措施(其電壓為u 1抑制諧振效果不顯著,僅在Z >100k時(shí)才有作用,且會(huì)使測(cè)量回路的測(cè)量誤差極大。第種措施(其電壓為u 2消諧效果極佳,且不影響T V 正常工作。Z =(1050時(shí),副邊繞組近似瞬間短路,震蕩幾乎未形成,但此時(shí)電阻功率損耗太大,T V 易燒毀;Z =(50800時(shí),因其退出對(duì)電路狀態(tài)影響很大而又激發(fā)諧振;Z =(15k時(shí),電路狀態(tài)較理想,回路阻尼恰當(dāng)

18、,功耗也不大,實(shí)為最佳消諧值。Z >10k 時(shí),基本上無(wú)阻尼作用,相當(dāng)于開(kāi)路。4結(jié)論a 1T V 鐵損對(duì)鐵磁諧振影響很大,一般鐵損越大,越有可能激發(fā)諧振。外加阻尼電阻可在諧振瞬(下轉(zhuǎn)第40頁(yè) 圖5現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)接線圖Fig 15Connection of test circuit in site2.2現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果圖6是現(xiàn)場(chǎng)采集到的工頻周期放電信號(hào),可見(jiàn)超高頻檢波信號(hào)幅值較大,一般可達(dá)300mV ,小的也有100mV ,而背景噪聲<30mV ,故信噪比很高。由圖6可知,方向傳感器與UHF 傳感器測(cè)到的信號(hào)在時(shí)域上的對(duì)應(yīng)性很好,在一個(gè)周期內(nèi)都同時(shí)測(cè)到了6個(gè)放電信號(hào) 。圖6現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的放電

19、波形Fig.6PD w aveform in field表1是50個(gè)工頻周期的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,在224個(gè)發(fā)電機(jī)內(nèi)部的放電信號(hào)中有92.4%能被方向傳感器和UHF 傳感器同時(shí)檢測(cè)到,其余7.6%的信號(hào)只能被前者檢測(cè)到。初步研究表明,那些同時(shí)被兩個(gè)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)是發(fā)電機(jī)內(nèi)部的局放信號(hào),其余未被UHF 傳感器檢測(cè)到的信號(hào)究竟是什么信號(hào)還有待于進(jìn)一步研究。表1方向傳感器信號(hào)與超高頻檢波信號(hào)的比較T able 1Comp arison of directional sensorsignal and UHF signal 統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目方向傳感器和UHF 傳感器同時(shí)測(cè)到方向傳感器測(cè)到而UHF傳感器未測(cè)到UHF 傳

20、感器測(cè)到而方向傳感器未測(cè)到放電脈沖個(gè)數(shù)207173結(jié)論a.UHF 傳感器可測(cè)各類發(fā)電機(jī)定子局放;b.UHF 信號(hào)在空氣中傳播衰減很大,傳播90cm 約衰減11db ,而在金屬導(dǎo)體中的衰減較小,傳播5m 的衰減<4db 。c.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量表明,UHF 法可準(zhǔn)確地檢測(cè)到發(fā)電機(jī)中的局放信號(hào),且信噪比極高。UHF 法檢測(cè)發(fā)電機(jī)應(yīng)用前景很好,此項(xiàng)技術(shù)已申請(qǐng)專利。參考文獻(xiàn)1覃劍,王昌長(zhǎng),邵偉民1特高頻在電力設(shè)備局部放電在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用J 1電網(wǎng)技術(shù),1997,21(6:33.2Judd M D ,Farish O ,Ham pton B F.Exctation of UHF signals by par

21、tial dischargesin GISJ .IEEE T rans on Dielectrics and Electrial Insulation ,1996,3(2:2132228.3Rutgers W R ,Fu Y H.UHF P D -Detection in a power trans formerC.10t h ISH 24.M ontreal ,1997:2192222.4王偉,李成榕,王澤忠,等1發(fā)電機(jī)定子絕緣局部放電故障模式的試驗(yàn)研究J 1現(xiàn)代電力,2001,18(1:1519.(收稿日期2003211210萬(wàn)偉江1978年生,碩士,從事電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷方面的研究。王偉1960年生,教授,從事高電壓與絕緣技術(shù)方面的教學(xué)與研究工作。電話:(01080795842(上接第32頁(yè)間提高T V 能耗,有效抑制諧振。b 1MAT LAB 內(nèi)建的飽和變壓器模型充分考慮了鐵心線圈的鐵損、漏抗的作用,