基于MATLAB的三相變壓器勵磁涌流仿真分析

1、第十五卷󰀁第一期󰀁Vo.l15,No.1安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報2010年3月󰀁󰀁JOURNALOFANHUIELECTRICALENGINEERINGPROFESSIONALTECHNIQUECOLLEGEMarch2010基于MATLAB的三相變壓器勵磁涌流仿真分析崔芳芳(浙江舟山電力局,浙江󰀁舟山󰀁316000)摘󰀁要:利用MATLAB中的電力系統(tǒng)模塊庫PSB,建立三相變壓器空載模型及短路模型。在此模型基礎(chǔ)上對變壓器空載合閘和短路故障切除后電壓恢復(fù)時的勵磁涌流進行了仿真,并

2、對此仿真結(jié)果進行了分析。仿真結(jié)果與理論分析相吻合,表明利用MATLAB/PSB能夠有效地實現(xiàn)對變壓器勵磁涌流的仿真,為變壓器保護的算法研究提供基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:變壓器;電力系統(tǒng)模塊庫;仿真;勵磁涌流;FFT分析中圖分類號:󰀁TM743󰀁󰀁文獻標(biāo)識碼:󰀁A󰀁󰀁文章編號:󰀁1672󰀁9706(2010)01󰀁0060󰀁05AnalysisonSimulationofInrushCurrentforThreePhaseTransformerBas

3、edonMATLABCUIFang󰀁fang(ZhejiangZhoushanElectricPowerBureau,Zhoushan316000,China)Abstract:Byusingpowersystemblockset(PSB)ofMATLAB,no󰀁loadmodelandshortcircuitmodelofthree󰀁phasetransformerareestablished.Basedonthesemodels,thewavesofthemagnetizinginrushcur󰀁rentduringswitc

4、hingthree󰀁phasetransformerwithnoloadandrecoveringvoltageafterclearingthefaultinshortcircuitaresimulated.Andanalysisisgiventothesimulation.Theresultverifiestheoreticalanal󰀁ysisandshowsthatbyusingMATLAB/PSBcaneffectivelysimulatethemagnetizinginrushcurren,tandprovidefoundationforalgorit

5、hmstudyoftransformerprotection.Keywords:transformer;powersystemblockset(PSB);simulation;magnetizinginrushcurren;tFFTa󰀁nalysis0󰀁引言當(dāng)變壓器空載合閘或外部故障切除后電壓恢復(fù)時,由于鐵芯飽和會產(chǎn)生很大的勵磁涌流,在最不利的情形下,可達到正常勵磁電流的上百倍,或者說可達到變壓器額定電流的57倍。這一大大超過正常勵磁電流的空載合閘電流稱為勵磁涌流。勵磁涌流的大小和衰減時間與外加電壓的相位、鐵芯中剩磁的大小和方向、電源容量的大小、回路的阻抗、變壓

6、器容量的大小和鐵芯飽和程度、鐵芯的剩磁以及合閘時的相角等因素有關(guān)。同時,在變壓器空載合閘這一瞬變過程中,電流、電壓的波形也會發(fā)生畸變,產(chǎn)生諧波;在一定的條件下,還可能會引起電力系統(tǒng)諧振,產(chǎn)生過電壓。本文利用MATLAB軟件,在變壓器各種運行情況下進行計算機仿真,并對所產(chǎn)生勵磁涌流的特點進行分析。1󰀁MATLAB/PSB簡介MATLAB是Mathwork公司推出的一套高效率的數(shù)值計算和可視化軟件,適用于多種學(xué)科的大型仿收稿日期:2009󰀁12󰀁27作者簡介:崔芳芳(1983󰀁),女,浙江臺州人,碩士研究生,主要研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定

7、運行、規(guī)劃與設(shè)計。󰀂崔芳芳:基于MATLAB的三相變壓器勵磁涌流仿真分析真與計算。它集數(shù)值分析、矩陣計算、信號處理和圖形顯示于一體,構(gòu)成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境,對許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強大的模塊集成工具箱。其中提供了專用電力系統(tǒng)模塊PSB(PowerSystemBlock),它是一種針對電氣系統(tǒng)的可視化建模與仿真工具。強大的PSB和MATLAB的仿真工具Simulink同時使用將使一些復(fù)雜的、非線性的電氣系統(tǒng)的建模與仿真變得簡捷。MATLAB/PSB以Simulink為運行環(huán)境,涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動、電機、電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模

8、型。它包括以下10類庫元件:(1)電源元件(Electricalsources),(2)線路元件(Elements),(3)電力電子元件(PowerElectronics),(4)電機元件(Machines),(5)連接器元件(Connectors),(6)電路測量儀器(Measurements),(7)附加元件(Extras),(8)演示教程(Demos),(9)電力圖形用戶接口(Powergui),(10)電力系統(tǒng)元件庫模型(Powerlib_models)。用戶可以選擇不同的元件組合封裝自己所需的模塊,進行計算機數(shù)字仿真分析計算,可以用示波器或Plot進行波形輸出2󰀁仿真

9、模型2.1󰀁變壓器空載模型利用MATLAB/PSB所建立的用于三相變壓器空載合閘瞬變過程仿真分析的系統(tǒng)模型如圖1所示。3-PhaseFault元件用于選擇短路故障,本模型用于對變壓器空載合閘和合閘后低壓側(cè)發(fā)生三相短路故障時的仿真。2。圖1󰀁變壓器空載合閘模型2.2󰀁變壓器短路模型在變壓器的事故中,發(fā)生概率較高、對設(shè)備威脅較大的事故就是變壓器短路事故。在發(fā)生短路故障的情況下,電力系統(tǒng)從一種狀態(tài)劇烈變化到另一種狀態(tài),產(chǎn)生復(fù)雜的暫態(tài)現(xiàn)象。利用MATLAB/PSB所建立的用于三相變壓器發(fā)生各種短路仿真分析的系統(tǒng)模型如圖2所示,其中短路類型由3-Phase

10、Fault元件選擇。圖2󰀁三相變壓器短路故障模型3󰀁仿真結(jié)果及分析3.1󰀁仿真結(jié)果仿真采用可變步長連續(xù)算法中的ode15s數(shù)字積分方式,仿真時間為0.5s,仿真參數(shù)參考文獻4。安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第十五卷󰀁第一期通過萬用表及示波器可得變壓器的勵磁涌流波形,空載合閘后的勵磁涌流波形如圖3所示,空載合閘后0.10.3s發(fā)生短路時的勵磁涌流波形如圖4所示,變壓器短路模型中4.14.3s發(fā)

11、生短路時的A相電流波形、4.14.3s的短路電流波形分別如圖5、6所示。圖3󰀁三相勵磁涌流波形通過PSB中Powergui模塊中的FFTAnalysis對變壓器空載合閘時A相勵磁涌流波形進行傅立葉變換(FFT)分析,仿真結(jié)果如圖7所示。對變壓器各種運行情況下的電流波形進行FFT分析,得到變壓器各相電流中各諧波所占的比例數(shù)據(jù)如表1、2、3所示。󰀂崔芳芳:基于MATLAB的三相變壓器勵磁涌流仿真分析圖7󰀁空載合閘時A相勵磁涌流FFT分析結(jié)果表1󰀁空載合閘時勵磁涌流頻率成分分析空載合閘勵磁涌流(%)直流(DC)基波(Fund)二次諧波(

12、h2)三次諧波(h3)四次諧波(h4)五次諧波(h5)THD表2󰀁空載合閘發(fā)生短路時勵磁涌流頻率成分分析空載合閘發(fā)生短路勵磁涌流(%)直流(DC)基波(Fund)二次諧波(h2)三次諧波(h3)四次諧波(h4)五次諧波(h5)THD表3󰀁正常運行時發(fā)生短路故障時各相電流頻率成分分析正常運行發(fā)生短路勵磁涌流(%)直流(DC)基波(Fund)二次諧波(h2)三次諧波(h3)四次諧波(h4)五次諧波(h5)THD100󰀁注釋:THD:TotalHarmonicDistortion3.2󰀁仿真分析由圖3知,變壓器空載合閘時出現(xiàn)三相程度不同

13、的勵磁電流,其中A、B相勵磁電流中最高值達到220A,是變壓器一次側(cè)額定電流(約70A)的三倍。即A、B相的勵磁電流為勵磁涌流,由于外加電壓相位的不同、鐵芯中剩磁的大小和方向的不同,而C相只為正常的勵磁電流。由圖3、4及表1、2可知,勵磁涌流包含有很大成分的非周期分量,致使涌流偏于時間軸的一側(cè),且波形之間出現(xiàn)間斷。安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第十五卷󰀁第一期分析表1與表2,變壓器在00.1s時各種運行情況的勵磁涌流頻譜分析、衰減時間是一

14、樣的,在0.10.3s發(fā)生故障時,勵磁涌流發(fā)生衰減,直流分量和非周期分量都發(fā)生顯著變化。在0.30.5s故障切除后,勵磁涌流直流分量衰減,而非周期分量的比例增加。對00.5s全過程進行FFT分析,比較表1與表2知,發(fā)生故障的系統(tǒng)勵磁涌流的直流分流衰減,而非周期分量比例增加。由圖5知,當(dāng)變壓器正常運行時發(fā)生外部故障,當(dāng)故障切除后,變壓器上的電壓將從故障時較低的值恢復(fù)到正常值。變壓器上的這一電壓躍變跟空載合閘時的情況相似,也會導(dǎo)致鐵芯飽和,產(chǎn)生勵磁涌流。但由于各相的衰減速度不同,導(dǎo)致各相有不同幅值的勵磁電流,由表3知,故障切除后,A相只為正常的勵磁電流,只有基波不含非周期分量,而B、C相含有很大成

15、分的非周期分量、大量的高次諧波。04.1s時即故障前,變壓器由剛投入時(相當(dāng)于空載)產(chǎn)生明顯的勵磁涌流,當(dāng)時間較長達到正常運行時勵磁涌流迅速衰減只為正常的勵磁電流。4.14.3s時即發(fā)生故障時產(chǎn)生短路波形,短路波形中含有很少的高次諧波,但非周期分量還是占有一定的比例。4.34.5s時即故障切除后,由于各相電壓的相位、剩磁的大小和方向不同,各相含有不同的勵磁電流。由FFT分析結(jié)果知,在變壓器各種運行情況下大部分勵磁涌流波形中包含很大成分的非周期分量,而以二次諧波為主。仿真結(jié)果均有很大的直流分量,但這并不意味著在某些其他初始條件下的勵磁涌流也是如此。相反,對于變壓器差動保護,它反映的是兩相涌流的差

16、值,使三相差動保護中有一相涌流對稱于時間軸,此時直流分量近于零5。勵磁涌流屬于正常工況下的電流,但它卻是誘發(fā)保護動作的差動電流。因此,在變壓器保護中,必須鑒別出勵磁涌流,防止差動保護誤動。由勵磁涌流的特點,鑒別其與短路電流的不同,避免使差動保護誤動。勵磁涌流的電流值往往比短路電流大,且大型變壓器的勵磁涌流衰減比較慢,若采用提高保護的動作電流值,會降低保護的靈敏度,會延長保護時間。利用非周期分量特點時,當(dāng)三相勵磁涌流中有一相沒有非周期分量(如表1中的C相)時速飽和變流器將失去作用。當(dāng)采用二次諧波制動時,系統(tǒng)的擴大和運行方式的增多會使二次諧波不再是勵磁涌流的獨有特征,當(dāng)變壓器內(nèi)部故障時,也可能產(chǎn)生

17、較大的二次諧波(如圖4中的A相)而使保護延時動作。當(dāng)變壓器空載合閘發(fā)生短路時,會由于二次諧波制動而延時動作(如圖3所示)。間斷角和勵磁涌流的二次諧波是相關(guān)的,間斷角越大,二次諧波涌流就越大,而短路電流只有基波和非周期分量,且在1個周期內(nèi)是沒有間斷角的,所以與二次諧波制動相比,間斷角原理制動方式有其特有的優(yōu)點。4󰀁結(jié)論本文利用MATLAB中的PSB工具箱對變壓器各種運行情況下的勵磁涌流進行了仿真,并對其波形進行FFT分析。從仿真結(jié)果及對勵磁涌流波形進行的FFT分析可知,與文獻1所述的勵磁涌流波形的特點是一致的。變壓器勵磁涌流的精確仿真,對變壓器繼電保護的研究分析具有重要的作用。采用MATLAB/PSB能較好地實現(xiàn)這一仿真研究,它能根據(jù)不同的要求和條件有效地實現(xiàn)對變壓器勵磁涌流仿真,為變壓器保護的算法研究提供基礎(chǔ)。參考文獻