基于MatLab的抑制变压器励磁涌流仿真研究_陈仁云

图2
Fig.2
合闸初相角对励磁涌流的影响
Influence of Initial Closing Angle to Magneting Inrush Current
所用三相变压器模型为三相三柱式变压器，绕组连 额定容量为 300 kVA， 额定电压为 接方式为 Yn/△，
由于合闸时电压的初相角对励磁涌流的影响很 大，因此在这里对在不同合闸初相角下进行合闸产 生的励磁涌流的最大值进行了统计。如图 3 所示。
1） 并联合闸电阻，通过合闸电阻承受冲击电
流， 在冲击电流衰减到一定范围后再切除合闸电阻。
2） 内插电阻法，在三相变压器的中性点处联
接一个接地电阻，以承受这种不平衡电流，从而使 得变压器的励磁涌流得以衰减。
3） 变压器选相分合闸技术，利用电压与磁通
的相位关系，通过控制开关合闸时间来达到抑制励 磁涌流的目的[5]。
Simulation Study of Transformer Magnetizing Inrush Based on MatLab
CHEN Renyun1, LIANG Jiaolan2
(1. Hechi Power Supply Bureau, Guangxi Power Grid Co., Hechi, Guangxi 547000, China; 2. Jinchengjiang Power Supply Company, Guangxi Power Grid Co., Hechi, Guangxi 547000, China) Abstract: Three common methods to suppress the inrush current, interpolation resistance method, parallel switch in resistance method and phase identificated switch on/off technique, are taken in MatLab/Simulink simulation to construct the models of three-phase transformers, the impacts of original switch phase angle and earth resistance on no-load transformer switching are analyzed. Simulation results shows the attenuation is the fastest while adopting the interpolation resistance method; whereas the attenuation effect is the best while adopting the phase identificated switch on/off technique, but it required coordination by interpolation resistance method to improved the time accurac and to reduce the operation difficulty. Key words: MatLab; magneting inrush current; Parallel switch in resistance method; interpolation resistance method; phase identificated switch in/off technique
2012 年 第 6 卷 第 3 期 2012，Vol. 6，No. 3
南方电网技术 SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY 中图分类号：TM401+.1
研究与分析 Study & Analysis 文献标志码：A
文章编号：1674-0629(2012)03-0086-04
图6
Fig.6
中性点串电阻的变压器空载合闸波形图
66.7 %。励磁涌流在 0.06 s 即可衰减到稳定值，比
不带合闸电阻的断路器合闸方案衰减速度快了
Waveform Figure of No-Load Transformer Closing with Neutral Impedance
从图 7 可以看出，中性点串电阻对励磁涌流的 削弱作用在一定范围内是随着阻值的升高而增加 的。 阻值为 25 Ω 的中性点电阻， 就可使励磁涌流峰 值削减超过一半，在阻值为 200 Ω 时，励磁涌流的 峰值削减率为 66.7%。该方法的抑制作用有限，需 要与其他涌流抑制策略相结合使用，但若要达到
（a） 合闸初相角为 0°时的变压器空载合闸波形 （a） Waveform of No-Load Transformer Closing with Initial Angle 0°

I
i 1
n
max n
I max
i 1
n
I max
i 1
（i=1, 2, 3, …, n-1, n） 。 （2）
图1
Fig.1
变压器空载合闸系统连接图
由图 3 可知，在（0～0.5π）区间，合闸初相角 越大，励磁涌流越小。
Connection Diagram of No-Load Transforቤተ መጻሕፍቲ ባይዱer Closing
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南方电网技术
第6卷
电源初相角为 90°时合闸空载变压器产生的励 磁涌流最小，甚至可以忽略。考虑到实际上变压器 会存在一定的剩磁， 即使在电压峰值时合上断路器， 也可能会产生很大的励磁涌流峰值，对变压器产生 冲击。鉴于此，提出了带合闸电阻的断路器合闸方 案。具体接线如图 4 所示。
m cos t m cos r 。 （1）
1 变压器励磁涌流产生的原因及危害
当变压器合闸时，在外电压的作用下，其一次 侧绕组的磁场将会发生变化，该绕组在磁路中将产 生单极性的偏磁[2]。为抵消外磁场的变化，铁心线 圈可能会流过很大的励磁电流。如果变压器原来就 有剩磁并且偏磁的极性和剩磁的极性相同时，这种 饱和程度会更加严重，从而大幅度降低变压器绕组 的励磁电抗，引起很大的励磁涌流。
R 来抑制冲击电流，待冲击电流衰减到额定电流之
这样就能有效的抑制了励磁 内时再将合上开关 K2， 涌流，并且加快了合闸励磁涌流的衰减速度。 图 5 为仿真所得的波形图。由实验结果可知， 带合闸电阻的断路器合闸方案的最大励磁涌流峰值 约为 13 A，相比不带合闸电阻的断路器合闸方案最 大励磁涌流峰值下降了 26 A，励磁涌流削减率约为
I max 无抑制策略或抑制策略效果不明显下的变 采用效果更好的抑制策略 压器励磁涌流峰值； I max
下的变压器励磁涌流峰值；n 为实验次数。 3.1 并联合闸电阻的变压器励磁涌流仿真 不带合闸电阻的系统连接图如图 1 所示。仿真
（b） 合闸初相角为 90°时的变压器空载合闸波形 （b） Waveform of No-Load Transformer Closing with Initial Angle 90°
2 几种常用的抑制励磁涌流的方法
目前主要有两种抑制励磁涌流的方法，一是通 过变压器外部控制削减励磁涌流。二是通过内部控
第3期
陈仁云，等：基于 MatLab 的抑制变压器励磁涌流仿真研究
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制即通过改变变压器的内部结构达到削弱励磁涌流 的目的 。这些方法的实现方式分别为：
[4]
因为励磁涌流的大小和合闸初相角有关，考虑 到合闸时间的分散性，进行了多次合闸操作，找出 每次合闸的最大励磁涌流峰值。 为了简化仿真操作， 把合闸的初相角设置为 0°和 90°分别进行比较。 励磁涌流实验波形图如图 2 所示。 发现当 0 时合闸，励磁涌流最大峰值为 39 A，约为额定电流 的 6 倍， 合闸 0.35 s 后励磁涌流衰减到一个稳定值。 在其他条件不变的情况下， 90 时，涌流最大峰 值为 10.8 A，相比变压器额定电流，可以断定电压 初相角为 90°时，空载变压器合闸不会产生励磁涌 流，与之前的理论分析相符。
图4
带合闸电阻的变压器空载合闸电路
速度加快，因此串联中性点电阻的方法能有效限制 励磁涌流，对合闸冲击电流的快速衰减十分有利。
Fig.4 Circuit of No-Load Transformer Closing with Closing Resistance
在变压器合闸时，先合上 K1，用适当的电阻器
的关系曲线，就可以根据变压器的饱和磁通选取合 适的 R 值。 3.2 内插电阻法的变压器励磁涌流仿真 电源和变压器参数不变，取内插接地电阻为 50
Ω，在最严重的情况下合闸（合闸初相角为 0°）用 MatLab 对中性点串电阻的变压器励磁涌流进行仿
真，验证其实用性和可行性。 由图 6 仿真实验结果发现， 串联中性点电阻后， 变压器励磁涌流的幅值不但由 39 A 减小到 15 A， 合闸时的涌流削减率最大可达 61.5%，而且衰减的
25/0.6 kV，绕组的电阻标幺值为 0.01，漏感抗标幺
值为 0.02，仿真计算采用 ode23t 数字积分方式。由 上述数据可以算得高压侧额定电流为 6.93 A。
图3
Fig.3
不同合闸初相角下的涌流最大值
Maximum Inrush Current Under Different Initial Closing Angle
4） 改变变压器绕组的分布，通过改变变压器
的结构增加暂态等效电感来抑制励磁涌流。由于需 要改变变压器的结构，它的发展受到限制[6]。
5） 变压器低压侧并联电容器，这种方法通过
抑制变压器磁通达到饱和从而抑制了励磁涌流[7]。
3 变压器励磁涌流仿真分析
为了检测各种方法抑制励磁涌流的幅值和有效 性，利用 MatLab 建立仿真分析的系统模型，通过 励磁涌流的削减率对抑制涌流的策略进行对比仿 真。定义励磁涌流削减率为