基于matlab电力变压器励磁涌流的分析和仿真.doc

宁德师范学院毕业论文设计专业指导教师学生学号题目目录1变压器空载合闸励磁涌流产生机理111变压器励磁涌流的定义112变压器励磁涌流产生的原因12变压器空载合闸物理过程分析121单相变压器的涌流分析122三相变压器的涌流分析423励磁涌流的影响及抑制措施53变压器励磁涌流的仿真531变压器仿真模型构建533励磁涌流仿真结果的分析634励磁涌流与短路电流比较84结束语8参考文献90基于MATLAB的三相变压器励磁涌流仿真分析摘要阐述了变压器空载合闸时励磁涌流产生的机理，在单相变压器空载合闸的理论基础上，运用MATLAB电气系统模块库构建仿真模型，对三相双绕组变压器空载合闸的过程进行仿真及分析。对不同状态下的励磁涌流做进一步分析，分析结果和理论分析相吻合，验证了仿真的有效性。关键词变压器；MATLAB；励磁涌流1变压器空载合闸励磁涌流产生机理11变压器励磁涌流的定义通常在正常运行的变压器中的励磁电流非常小，大约仅有额定电流的38，而大型电力变压器的励磁涌流还不足额定电流的11，如此小的励磁涌流并不足以破坏电力系统的稳定性。因为变压器本身的铁芯材料呈非线性特性，并附带磁通饱和特性，导致在空载合闸的瞬间，会产生很大的冲击电流，该值可达额定电流的34倍，是正常空载运行电流的几十倍甚至百倍以上2。12变压器励磁涌流产生的原因对变压器的进行空载合闸操作有两种，即(1)电力变压器的空载投入电网运行；(2)电网发生故障要切除变压器，待故障排除后变压器的再次投入3。如图1所示，是变压器铁芯近似磁化特性曲线。从图中可以看出，饱和曲线的延长线与坐标纵轴相交于点S，把S点的饱和磁通量定义为。在正常运行状态下，S饱和磁通介于之间变化，励磁阻抗很大，一般以变压器额定电压和电流为基准的励磁阻抗，0S10MZ故变压器的励磁涌流很小，可近似为零；但是，当变压器空载投入时，变压器铁芯磁通量大于时，达IS到瞬变磁通，由下图可以看出，变压器励磁涌流沿着磁化特性曲线将迅速增大。它的大小与变压器等XI值阻抗、合闸初相角、变压器铁芯剩磁大小、变压器绕组接线方式、变压器铁芯的材质及结构等诸多因素有关。ΦIΜ0XΦXS图1变压器铁芯磁化曲线2变压器空载合闸物理过程分析21单相变压器的涌流分析电力系统中的变压器中主要是三相变压器，但分析三相变压器的励磁涌流可以在分析单相变压器励磁涌流的基础上进行。图2是变压器接线图，二次侧开路、一次侧在时刻合闸到电压为的电网上，其中0T1U12SINUUT式中为变压器的合闸初始相位角。1I1ΦN1N2U1图2空载合闸到电网接线图在期间，变压器一次侧绕组中电流满足如下微分方程式0T1I112SINDNIRUTT(1)其中，是与一次侧绕组相交链的总磁通，它包括主磁通和漏磁通。由于现代变压器电阻非常小，在上式中电阻压降较小，所以在分析瞬变过程中的初始阶段暂不考虑，这样可以更清楚的看出在初始阶段电1IR流较大的物理本质。存在是使瞬态分量衰减的基本原因，因此，在研究瞬态电流衰减时，必须计算及的1R影响。当忽略时，式(1)变为R112SINDNUTT(2)解微分方程得1COSTC(3)其中，C由初始条件决定。考虑到变压器空载合闸前磁链为0，根据磁链守恒原理，有00||TT得12COSUCN于是式(3)变为1SCOCOSMTT(4)12MUN式中为稳态磁通最大值。M从式(4)可以看出，磁通的瞬变过程与合闸时刻()电压的初始相角有关。下面讨论两种特0T殊情况。(1)在电压初相角时合闸(即时合闸)。由式(4)可得212UU2COSSIN2MMTT(5)这和稳态的运行情况相同，从开始，变压器一次侧电流在铁芯中就建立了稳态磁通，而0T1ISIT不发生瞬变过程，一次侧电流也是正常运行时的稳态空载电流。1I0I(2)在电压初相角合闸(即时合闸)。由式(4)可得010U “COSMMT(6)其中，为磁通的瞬时分量，是一个常数，因忽略了电阻，故无衰减；为磁通 M1R“T的稳态分量。与式(5)、(6)对应的磁通变化曲线如图3、图4所示。从开始经过半个周期即时，磁通0TT达到最大值MAX2即瞬变过程中磁通可达到稳态分量最大值的2倍，此时的瞬变过程最为强烈，是最不利的合闸情况。TU0MU’T0M”图3空载合闸时磁通曲线图4空载合闸时磁通曲线20还有一种情况是在研究瞬态电流衰减时，由于有电阻存在，合闸电流将逐渐衰减。衰减快慢由时间1R常数决定，是一次侧绕组的全电感。一般容量较小的变压器衰减的速度快，约几个周波就达到稳1LTR1定状态；大型变压器则衰减的比较慢，甚至要持续几十秒才达到稳定4。有必要对励磁涌流的间断角进行分析，图5是图解法描绘的变压器励磁涌流波形。当变压器正常运行时对应图B的和这两段，当变压器铁芯饱和时，励磁电流急剧增加，如图段所示。此时可10212以看出，励磁电流在一个周期出现了间断，设间断角为，则有J12J(7)令式(6)中，且当，时，均有，代入式(6)中，得T12S31COSMSAR(8)且有12将式(8)代入式(7)得1COS2MSJAR(9)实际上，间断角大小与变压器饱和程度有关，铁芯越饱和，励磁涌流的尖顶特性越明显。而变压器铁芯的饱和程度又与变压器的剩磁，合闸相角等有关。发生正向饱和时，正向剩磁越大，当合闸相角接近0°时饱和最为严重，间断角越小。同理可得，反向饱和时，反向剩磁越大，饱和最严重发生在合闸角为180°，此时间断角最小5。Φ2Π0XΦXΦ0Θ1Θ2ΦIIΜΦSA变压器铁芯磁化曲线B励磁涌流波形图5变压器励磁涌流图综上分析可得，单相变压器励磁涌流的特征有这几点(1)变压器空载合闸励磁涌流的波形之间有间断角。(2)包含大量的高次谐波，其中主要以二次谐波为主。(3)包含大量的非周期分量，使涌流偏于时间轴的一侧6。必须注意的是，以上的分析将变压器铁芯励磁特性作了线性化的简便处理，从而忽略了非线性、磁滞特性、局部磁滞回线等，从而使复杂的非线性问题简单化。事实上，变压器铁芯饱和后的励磁电感并非常数，它随着饱和程度的加深而逐渐变小，由此可知实际的励磁涌流波形呈现的是尖顶波。以下对三相变压器励磁涌流的分析也作了类似简化。22三相变压器的涌流分析三相变压器的励磁涌流同样的与电力系统电压大小与合闸初相角、剩磁大小与方向、铁芯材料等因素关系密切。但因为其磁路的特殊结构，不同的接线组别等各方面特定因素，导致在分析时相比单相变压器来说要复杂不少。但它有个明显的特点，即无论空载合闸的初相角或大或小，必定都会有励磁涌流产生。理由是三相变压器的磁通都分别滞后三相外加电压90°，即三相的合闸角度互相差120°，故不能使三相变压器铁芯中的暂态磁通全为零7。三相变压器的绕组连接方式和磁路结构有许多种，对励磁涌流的大小和波形有一定影响。大型变压器一般是由三个单相变压器组成的变压器组，由于三个铁芯的磁路各自完全独立，所以对单相变压器的分析方法同样适合于三相变压器。最为常见的变压器接线方式为接法，当侧空载