毕业设计（论文）基于MATLAB的变压器励磁涌流抑制控制研究

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1、 毕 业 设 计（论 文） 变压器励磁涌流抑制控制器设计系别：机电信息学院专业名称：电气工程及其自动化学生姓名：学号：指导教师姓名、职称：完成日期 2011 年 12 月 8 日论文题目：变压器励磁涌流抑制控制器设计专业：电气工程及其自动化本科生： 文 晨 （签名） 指导教师：李 忠 （签名） 摘 要 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涌流，在最不利的情形下，可达到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5一7倍。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。励磁涌流的大小和衰减时间与外加电压的相位、铁芯中剩磁的大小和方向、电源容量的大小

2、、回路的阻抗、变压器容量的大小和铁芯饱和程度轶芯的剩磁以及合闸时的相角等因素有关。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。变压器差动保护动作正确率长期偏低的一个主要原因是励磁涌流的存在。而识别励磁涌流有很多方法，由于受变压器铁芯材料磁饱和点的降低、TA暂态饱和等诸多因素的影响，其可靠性可能大幅降低。因此有待研究一种可靠性更高的识别，抑制励磁涌流的新方法。本文利用MATLAB软件的仿真平台，在变压器各种运行情况下进行计算机仿真，并对所产生励磁涌流的特点进行分析。基于这些仿真分析，提出抑制变压器励磁涌流的方

3、法，并且对于这些方法进行仿真分析，确实这些方确实简单易行。关键词：变压器；励磁涌流；励磁涌流抑制；差动保护Subject ：Transformer inrush current suppression controller design Specialty ：Electrical system and automation Name： wen chen （signature） Instructor：li zhong （signature） Abstract When closing or external transformer no-load voltage recovery after f

4、ault clearing ,As the core saturation will have a huge inrush current ,In the worst case, can reach to a hundred times the normal excitation current, or up to the rated current of the transformer 5 to 7 times .This greatly exceeds the normal no-load excitation current is called inrush current closin

5、g .Inrush current size and decay time and the applied voltage, phase, iron core in the size anddirection of the remanence, the power capacity of the size of the loop impedance, the transformer core saturation capacity of the size and extent of Yi and closing at the core of theremanence the phase ang

6、le and other factors .Meanwhile, the transient in the transformer no-load closing process, the current and voltage waveform distortion can occur, resulting in harmonic ;In certain conditions, may also cause power system resonance, resulting in over-voltage . Transformer differential protection accur

7、acy is a major cause of long-term low inrush currentexists .And there are many ways to identify the magnetizing inrush current, the magnetic material due to transformer core saturation point lower, TA transient saturated and many other factors, maysignificantly reduce the reliability .So to be study

8、ing a more reliable identification, the new method of magnetizing inrush currentsuppression. This simulation platform using MATLAB software, the operation of the transformer under a variety of computer simulation, and the resulting analysis of the characteristics of magnetizing inrush current. Based

9、 on these simulation analysis, the method of magnetizing inrush currentsuppression, and simulation analysis for these methods, does the party really simple .Keywords: transformer； inrush current； inrush current suppression； differential protection 目 录内容摘要IIABSTRACTIII第1章 绪 论11.1研究的背景及意义11.2励磁涌流的危害性1

10、1.3 励磁涌流产生的原因及特点21.3.2 三相变压器励磁涌流的特征51.3.3 外部故障切除后变压器恢复性涌流特点71.3.4 变压器空载励磁涌流与恢复性涌流的区别91.4 本章小结10第2章 防止励磁涌流引起的误动方法112.1励磁涌流对差动保护的影响112.2电流辨别励磁涌流的方法122.2.1 二次谐波制动的方法122.2.2 间断角原理132.2.3 波形对称原理142.2.4 基于采样值差动的励磁涌流鉴别方法152.2.5 虚拟三次谐波式涌流制动方法162.2.6 小波变换识别方法162.2.7 基于数学形态学提取涌流的方法172.3基于电流电压识别励磁涌流的方法172.3.1

11、磁通特性判别方法182.3.2 等值电路参数鉴别方法192.3.3 基于变压器模型的励磁涌流识别方法212.3.4 利用瞬时电感判据识别法222.3.5 多条件制动判据方法232.3.6功率判别方法242.4 新型技术在励磁涌流识别方面的应用252.4.1 神经网络在励磁涌流识别中的应用252.4.2 小波理论在涌流识别方面的应用252.4.3 模糊方法在励磁涌流识别方面的应用262.5 本章小结27第3章 变压器仿真计算模型研究283.1 MATLAB软件介绍283.2 仿真模型303.2.1 变压器空载模型303.2.2 变压器短路模型313.3 仿真结果分析313.3.1 励磁涌流仿真示

12、波器结果313.3.2 仿真分析343.4 本章小结35第4章 几种抑制变压器励磁涌流的方法364.1控制三相合闸时间法364.1.1 快速合闸策略364.1.2 延时合闸法384.2中性点串电阻法404.2.1 涌流峰值表达式404.2.2 仿真说明424.3回路串联电阻延迟合闸综合抑制法434.3.1 回路串联电阻延迟合闸综合抑制法原理介绍434.3.2 模型建立444.3.3 仿真说明454.4 性能评价464.4.1 控制三相开关的合闸时间法性能464.4.2 中性点串联电阻法性能464.4.3 回路串联电阻延迟合闸综合抑制法464.5 本章小结46第5章 结 论475.1主要结论47

13、5.2 总结与展望47附录1 仿真模型中各个元件的参数设置48参考文献52致 谢5456第1章 绪 论1.1研究的背景及意义 电力系统由发、输、变、配、用等环节构成，各环节相辅相成、相互影响。其中，变电环节主要由变压器来完成。因此，变压器是电力系统中不可缺少的重要电气元件。它的安全运行与否直接关系到电力系统能否连续稳定地工作和电力生产的安全，同时大容量的电力变压器也是十分昂贵的设备，应根据变压器容量等级、重要程度及故障类型装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。 近十年来，我国的电力工业正处于日新月异的发展阶段。大容量、超高压的大型变压器不断投产，系统规模不断扩大。而与之相比，变压器保护的发展却

14、相对滞后，拒动情况时有发生，误动情况相当严重。变压器是利用电磁感应原理将某一电压等级的交流电变换成同频率的另一电压等级的交流电静止电磁的装置。根据不通用途，变压器可分为多种类型。变压器除了能够改变电压等级外，还具有变换电流、变换阻抗和改变相位等作用。随着超高压、远距离输电在电力系统中的应用越来越广泛，大容量变压器的应用日益增多。电力变压器在空载合闸投入电网或外部故障切除后电压恢复时会产生很大的励磁涌流，同时波形严重畸变，可能造成差动保护误动。稳态情况下，变压器的励磁涌流很小，只有额定电流的1%左右。但是变压器空载合闸或外部短路被突然切除时，暂态励磁电流(即励磁涌流)的大小有时可以与短路电流相比

15、拟，这个暂态过程将持续几个周波甚至几秒钟的时间。此外，变压器在运行过程中经常承受短时过负荷和短时过电压的作用。经验表明，很多的变压器严重故障就是许多次轻微故障以及各种非正常的暂态过程的损坏累积造成损失。1.2励磁涌流的危害性（1） 引发变压器的继电保护装置误动，使变压器的投运频频失败； （2） 变压器出线短路故障切除时所产生的电压突增，诱发变压器保护误动，使变压器各侧负荷全部停电；（3） A电站一台变压器空载接入电源产生的励磁涌流，诱发邻近其他B电站、C电站等正在运行的变压器产生“和应涌流”(sympathetic inrush)而误跳闸，造成大面积停电；（4） 数值很大的励磁涌流会导致变压器

16、及断路器因电动力过大受损； （5） 诱发操作过电压，损坏电气设备；（6） 励磁涌流中的直流分量导致电流互感器磁路被过度磁化而大幅降低测量精度和继电保护装置的正确动作率；（7） 励磁涌流中的大量谐波对电网电能质量造成严重的污染。（8） 造成电网电压骤升或骤降，影响其它电气设备正常工作。 数十年来人们对励磁涌流采取的对策是“躲”，但由于励磁涌流形态及特征的多样性，通过数学或物理方法对其特征识别的准确性难以提高，以致在这一领域里励磁涌流已成为历史性难题。1.3 励磁涌流产生的原因及特点抑制器的重要特点是对励磁涌流采取的策略不是“躲避”，而是“抑制”。理论及实践证明励磁涌流是可以抑制乃至消灭的，因产生

17、励磁涌流的根源是在变压器任一侧绕组感受到外施电压骤增时，基于磁链守恒定理，该绕组在磁路中将产生单极性的偏磁，如偏磁极性恰好和变压器原来的剩磁极性相同时，就可能因偏磁与剩磁和稳态磁通叠加而导致磁路饱和，从而大幅度降低变压器绕组的励磁电抗，进而诱发数值可观的励磁涌流。由于偏磁的极性及数值是可以通过选择外施电压合闸相位角进行控制的，因此，如果能掌握变压器上次断电时磁路中的剩磁极性，就完全可以通过控制变压器空投时的电源电压相位角，实现让偏磁与剩磁极性相反，从而消除产生励磁涌流的土壤磁路饱和，实现对励磁涌流的抑制。长期以来，人们认为无法测量变压器的剩磁极性及数值，因而不得不放弃利用偏磁抵消剩磁的想法。从

18、而在应对励磁涌流的策略上出现了两条并不畅通的道路，一条路是通过控制变压器空投电源时的电压合闸相位角，使其不产生偏磁，从而避免空投电源时磁路出现饱和。另一条路是利用物理的或数学的方法针对励磁涌流的特征进行识别，以期在变压器空投电源时闭锁继电保护装置，即前述“躲避”的策略。这两条路都有其致命的问题，捕捉不产生偏磁的电源电压合闸角只有两个，即正弦电压的两个峰值点（90或270），如果偏离了这两点，偏磁就会出现，这就要求控制合闸环节的所有机构（包括断路器）要有精确、稳定的动作时间，因为如动作时间漂移1毫秒，合闸相位角就将产生18的误差。此外，由于三相电压的峰值并不是同时到来，而是相互相差120，为了完

19、全消除三相励磁涌流，必须断路器三相分时分相合闸才能实现，而当前的电力操作规程禁止这种会导致非全相运行的分时分相操作，何况有些断路器在结构上根本无法分相操作。用物理和数学方法识别励磁涌流的难度相当大，因为励磁涌流的特征和很多因素有关，例如合闸相位角、变压器的电磁参数等。大量学者和工程技术人员通过几十年的不懈努力仍不能找到有效的方法，因其具有很高的难度，也就是说“躲避”的策略困难重重，这一策略的另一致命弱点是容忍励磁涌流出现，它对电网的污染及电器设备的破坏性依旧存在。 1.3.1 单相变压器励磁涌流的特征 电力系统中的电力变压器都是三相的，但为了清晰地说明励磁涌流产生的原因，先以一台单相变压器空载

20、合闸为例分析励磁涌流形成的物理过程及其特点，然后进一步分析三相变压器励磁涌流的特性。为了方便表达，一变压器的额定电压的幅值和额定磁通的幅值为基值的标幺值来表示电压u和磁通。变压器的额定磁通是指变压器运行电压等于额定电压时，铁芯中产生的磁通。用表压值表示时，电压和磁通之间的关系为u=d/dt (1.1)设变压器在t=0时刻空载时，加在变压器上的电压为u=Umsin（t+）。与（1.1）式联合解得=cos（t+）+（0） （1.2）式中cos（t+）为磁通分量，其中m=Um/;（0）为自由分量，如考虑变压器的损耗，（0）应该是衰减的分周期分量，这里不考虑损耗，所以是直流分量。由于铁芯的磁通不变，可

21、求得（0）=mcos（）+r （1.3）式中r是变压器铁芯剩磁，其大小方向与变压器切除时刻的电压（磁通）有关。电力变压器的饱和磁通一般为sat=1.151.4,而变压器运行电压一般不会超过额定电压的10，相应的磁通不会尝过磁通sat。所以在变压器稳态运行时，铁芯是不会造成饱和的。但在变压器空载合闸时产生的暂态过程中，由于（0）的作用使可能会大于sat，造成铁芯饱和。若铁芯的剩磁r0.cos0， 合闸半个周期（t=）后达到最大值，即=2m+r，远大于饱和磁通sat，造成变压器的严重饱和。此时（=0）合闸，最大值为2m+r，远大于饱和的磁通sat，造成变压器的严重饱和。此时的波形如图1-1所示用=

22、t+来代替时间，这样的波形是以2为周期变化的。在（0,2）周期内，121时发生饱和，而=事饱和最严重。令=sat，由于图1-1可得1=arccos（mcos+rsat/m，01 （1.4） 变压器暂态磁通1-1如下图1-2所示是变压器的近似磁化曲线，铁芯不饱和时，磁化曲线的斜率很大，励磁电流i近似为零；铁芯饱和后，磁化曲线的斜率L很小，i大大增加，形成励磁涌流。其中波形与sat只相差一个L，故在(0,2)周期内有i=0， 01或21i=Im（cos1cos），12 （1.5） 变压器近似磁化曲线1-2励磁涌流的波形如图1-3所示，波形完全偏离时间轴的一侧，而且是间断的。波形间点的宽度被称为励磁

23、涌流的间断角J，显然有J=2 1.6） 励磁涌流波形1-3间断角J是区别励磁涌流和故障电流的一个重要特征，饱和越严重间断角越小。J的数值与变压器电压（稳态磁通）幅值m 合闸角以及铁芯剩磁r有关，通常只关心各种情况下的最小间断角，在计算m=1.1，=0，sat=1.15。r则取最大剩磁。变压器的最大声词与许多因素有段，现场实测也很困难，具体数值目前还有争议，较为保守地可取r=0.7。据此按式（1.5）和式（1.6）算得J=108 0 。上面讨论的是正向饱和即（0）0）的情况。若（0）的均方差。此方法中波形系数采用积分运算，算法的稳定性好，特征明显，抗TA饱和能力强，并可以实现分相制动。 （3）波

24、形拟合法 基于去除直流分量故障电流基本上为前后对称的正弦波这一特征，利用实际电流的前几个采样点拟合出的标准正弦波，用这个拟合的标准正弦波作为参照波形，与实际电流波形相比较，利用两个波形间的差异来反映波形的不对称度，即： （2.3） 式中，二拟合出的正弦波离散值，为实际波形离散值(去除了直流分量)。这种方法具有所用数据窗较短，识别迅速，特征明显等优点。 利用波形对称性特征鉴别涌流方法，从实质上讲都是利用涌流波形会出现间断角从而造成波形的不对称性这一特点的，都属于间断角原理的衍生和改进，且较间断角原理易于实现。但由于涌流波形与许多因素有关，对于波形不对称度K的整定，很难通过严格的理论分析或推导来确

25、定，应用中只能根据实际情况，以及大量试验的方式来确定，从而潜伏了误判的隐患。这种方法实际上是间断角原理的推广。它的提出正是基于对励磁涌流导数的波宽及间断角的分析，但是它比间断角原理容易实现，克服了间断角原理对微机硬件要求太高的缺点。但是由于波形对称原理对电流进行差分，而差分将放大电流中的高次谐波。因此若故障电流畸变比较严重，或高次谐波含量较高时，用该方法计算故障电流的上下对称系数可能超过整定值，从而将故障电流误判为励磁涌流而闭锁保护。26 2.2.4 基于采样值差动的励磁涌流鉴别方法采样值差动鉴别励磁涌流的基本思路为:由励磁涌流和内部故障电流波形比较可知，励磁涌流在1个周期内，三相差流(即流入

26、继电器的电流)波形中有两相由于变压器饱和特性的影响使波形总是有几个点靠近零点，电流数值上趋向于零，这几个采样点，其电流数值不满足采样值差动的动作条件。这个规律实质上是和产生涌流时波形会出现间断角的规律相一致。剩下的一相由于变压器绕组接线方式的影响往往呈现出周期性电流的特征，考虑最严重的情况即为产生对称性涌流，此时该相差流的直流分量为零，完全为周期性电流。但1个周期内仍然存在一定的间断角，受这个因素的影响，在1个周期内，该相电流满足采样值差动条件的点数与标准正弦基波相比要少，而变压器发生内部故障时，差流波形基本上为正弦基波，故一般只在过零点前后才不满足采样值差动动作条件。利用这个规律，可以用数字

27、保护差流启动后R个采样点作为所需要的判别数据窗(R值对应的角度一般要求小于2p )，寻找定值S分相判别，当三相差流中有一相或多相的RS时，就可认为发生了内部故障，输出动作信号，否则认为是励磁涌流而不动作。采样值差动不同于相量差动，它不但考虑波形幅值的大小，更重要的是它需要考察波形的集散度，即使波形的幅值很大，若不具备较好的分布均匀性，同样无法满足采样值差动判据。正因为如此，采样值差动可有效地鉴别励磁涌流和制动外部故障TA饱和的差流，同时还具备抗过励磁的功能。采样值差动的数据窗只有一个点，因此它在变压器或TA进入线性区时，差动保护判据必然不满足，比采用全周数据窗的相量差动更能适应这种饱和非线性。

28、 2.2.5 虚拟三次谐波式涌流制动方法在研究正弦基波与奇次谐波叠加的特征以及基波与偶次谐波叠加的特征基础上，提出了一种虚拟三次谐波式涌流制动原理。资料见文献【27】虚拟三次谐波制动方案是利用涌流中信息量最为丰富的以尖脉冲为中心的半周波形作为前半周信息，利用“平移”和“变号”原则虚拟构成后半周信息，前后合起来构成一个完整的周波信息，这一合成信号符合奇对称原则，其三次谐波含量较大;而变压器内部短路电流基本上是正弦波，“虚拟”后的波形中三次谐波含量较小，故可由此将两者区分开来。研究表明，不仅在单侧尖脉冲性涌流时含有丰富的三次谐波分量，而且在对称性涌流时，也含有比较多的三次谐波分量。该方案的原理仅用

29、工频半周期信息，可使算法要求的数据窗缩短，加快了保护的动作速度，保护可在故障后半个周波加一个采样点的时间，约1012ms即可发出跳闸脉冲，加上出口继电器动作时间，约15ms即可跳闸。该方案数字实现时，算法简单，实际上相当于用半周傅氏算法计算基波及三次谐波的运算量。该原理的波形虚拟过程，从滤波器的角度来看其实就是滤除偶次谐波，保留奇次谐波的过程，充分利用虚拟后的尖顶波中的三次谐波分量来确定涌流波形。27 2.2.6 小波变换识别方法 小波变换是90年代兴起的一门新的理论，它克服了工程界一直应用的Fourier变换不能同时在时、频域取得局部化特性的缺点。小波变换根据信号的变化特征，通过对小波基的伸

30、缩和平移，可自适应地调整分析窗的宽窄来更好地分析暂态突变信号或微弱变化信号。当电力系统发生故障时，其暂态突变信号包含了所有反应故障的有用信息;况且，电力系统故障暂态信号具有持续时间短、所占频带宽等特点，传统的付里叶变换和加窗付里叶变换均难以对其进行有效的分析。而小波变换由于具有时频局部化性质和时空域的平移不变性，因此从理论上来说，小波变换更加适合于象变压器励磁涌流这样的奇异信号检测。目前，小波变换在励磁涌流和故障电流识别方面的应用主要集中于高次谐波检测和奇异点检测。实质上，这两种方法都是间断角原理的推广，高频检测反映的是差流状态突变产生的高次谐波，高频细节出现的位置对应于变压器饱和、退饱和时刻

31、或故障发生时刻。若差流的高频细节突变周期出现，则为励磁涌流;若出现一次后便很快衰减为0，则为内部故障。奇异点检测利用了小波变换模极大值理论，检测的是差流状态突变而产生的第2类间断点，奇异点与涌流间断角相对应。但是对于微机保护来讲，获得高频分量则需要提高采样频率，从而增加了技术难度和成本，而且可能会受到系统谐波的影响，能否经受住环境高频躁声的考验，有待进一步的研究。实际上小波变化距离实际应用还有一定的距离。主要有以下三个原因：（1）要想获得好的检测效果，则要求信号的采样率较高，同时算法本身计算量也很大，这对保护的软硬件提出了很高的要求，目前还很难达到。（2）算法本身受系统谐波的影响较大，必须提高

32、其抗干扰能力。（3）相关研究人员对小波变换的认识还不够深入，将其应用到涌流检测还停留在比较初步的阶段，需要对其进一步的分析研究。 2.2.7 基于数学形态学提取涌流的方法数学形态学是一门新兴的学科，它包括两种基本运算:腐蚀和膨胀，并由这两种运算进一步拓展外开运算和闭运算，这两种运算具有滤波的功能，开运算可以抑制采样信号中的峰值噪声，而闭运算可以抑制采样信号中的低谷噪声。在此基础上，利用这两种形态算子的不同组合方式可以构造出不同形式的形态滤波器，使信号的特征更加明显，目前被广泛应用于数字图像识别和边缘检测中。近年来，数学形态学也被电力研究人员引入到电力系统相关研究中，文献【28】提出了一种利用数

33、学形态学原理识别励磁涌流的新方法，作者数学形态学基本原理的基础上，利用Top -Hat算子和Botom-Hat算子构造出一种采样信号峰谷检测器，利用此检测器可以准确的提取采样信号的峰谷点。对于变压器非对称性涌流，一周波数据窗内只能检测到信号的波峰点，而检测不到波谷点，而对称性涌流和故障电流能同时检测到峰谷点，这样就可以先将非对称性涌流识别出来，然后再利用对称性涌流和故障电流在形态梯度上的差异进行区分，具有特征明显、计算量小、抗TA饱和能力强等特点。目前此种方法还属于探讨阶段，离实际应用还有一定的距离。2.3基于电流电压识别励磁涌流的方法 传统的变压器励磁涌流识别方法一般是仅利用变压器的某一个电

34、气量(电流或电压)来进行励磁涌流和故障电流的鉴别。而单纯地利用电流判据相对比较简单，它只能从电流的波形特征中找到一些区别于内部故障的特征，但不免存在一定的局限性。变压器是通过电磁祸合的方式进行电能传输和转换的，就其本质而言，是一个时变的非线性系统，因此，仅仅运用单一的电气量难以完整地描述铁芯的状态特征。由于变压器励磁涌流的产生是一个复杂的电磁暂态过程，考虑磁的特性可以通过测量电压来反应。国内外的学者提出了一系列的基于电流电压的判据，包括磁通特性、回路电压方程、差有功法、电路参数辨识等方法。实际应用这些判据要增加电压互感器TV，下面将分别阐述。 2.3.1 磁通特性判别方法 文献【29】提出了一

35、种利用内部故障和励磁涌流时变压器磁链一差流曲线的差别，来构成磁通特性的识别方法。下面描述一下其基本原理:设二为变压器原边漏感，忽略绕组电阻后可得变压器互感磁链与绕组端电压u和绕组电流i的关系： （2.4） 如图(2-1) 为经试验所得的差动电流与变压器磁链关系曲线，由图可见，当变压器产生涌流时(1, 2曲线)，无论变压器剩磁大小如何，在变压器未饱和时，斜率都比较大，在变压器进入饱和区域时，很小， 励磁特性曲线图2-1 关系曲线图2-2 因此随着得变化在大值和小值间周期性的变化;而对于变压器内部故障状态(3曲线)，基本不变且数值较小。 根据上述特征，可以确定两个区域，如图2-2所示，区域B反应变压器内部故障和饱和状态;区域A为非饱和运行状态。变压器故障时，处于区域B，而变压器空载合闸出现涌流是则在区域A与B交替出现，在利用此特征进行涌流检测时，设一个计数器Kc，若位于区域B内，则加1;若位于