電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)-變壓器勵(lì)磁涌流和繞組故障的仿真分析

1、<p><b>　　Contents</b></p><p>　　Summary I</p><p>　　AbstractII</p><p>　　Introduction 1</p><p>　　1 Inrush current and short-circuit on the transformer

2、windings1</p><p>　　1.1 The background and significance of research3</p><p>　　1.2 Research Status on topic4</p><p>　　1.3 Steps on MATLAB, Simulink modeling platform4</p>&

3、lt;p>　　2 Simulation of the transformer inrush load switching6</p><p>　　2.1 Simulation analysis of transformer inrush current situation6</p><p>　　2.2 Bilateral two-winding transformer power

4、supply7</p><p>　　2.2.1 Analysis of factors affecting the size of the inrush current7</p><p>　　2.3 Simulation model and analyze the resulting waveform12</p><p>　　2.4 Characteristi

5、cs of fault current waveform16</p><p>　　2.5Inrush current of transformer differential protection impacts and solutions18</p><p>　　2.5.1 Inrush current suppression method19</p><p>

6、;　　2.5.2 Optimization of differential protection19</p><p>　　3 Transformer Winding Fault Simulation21</p><p>　　3.1 Winding Cause Analysis of Fault21</p><p>　　3.2 Establish Transfo

7、rmer Internal Fault Model22</p><p>　　3.2.1 To establish the ratio of the outer brake model fault transformer protection zone22</p><p>　　3.3 Setting parameters and waveforms for analysis24<

8、/p><p>　　3.4 Preventive measures and recommendations transformer winding faults27</p><p>　　4 In conclusion29</p><p>　　References 30</p><p>　　Acknowledgements32</p&g

9、t;<p>　　變壓器勵(lì)磁涌流和繞組故障的仿真分析</p><p>　　摘要：隨著世界經(jīng)濟(jì)不斷快速的發(fā)展，電已經(jīng)成為了人類(lèi)社會(huì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)必不可少的商品。而在電能傳輸?shù)倪^(guò)程中，變壓器是其不可缺少的電力元件。變壓器的研究方面很多，在本篇論文中介紹了電力變壓器的國(guó)內(nèi)外研究史以及電力變壓器的各種故障，變壓器產(chǎn)生的不平衡電流。重點(diǎn)講述由變壓器鐵芯飽和引起的勵(lì)磁涌流和變壓器繞組內(nèi)部故障.利用MATLAB/Simu

10、link來(lái)進(jìn)行變壓器空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流和變壓器繞組內(nèi)部故障的仿真，從得到的波形圖和數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行分析變壓器的勵(lì)磁涌流和繞組故障。通過(guò)表面現(xiàn)象研究其內(nèi)在機(jī)理，并提出解決問(wèn)題的方法為以后電力變壓器在這些方面的研究奠定一個(gè)基礎(chǔ)。</p><p>　　關(guān)鍵詞:變壓器 勵(lì)磁涌流 Simulink仿真 繞組故障</p><p>　　The simulation analysis of the exc

11、itation inrush current and the transformer fault</p><p>　　Abstract As the world economy continues rapid development, electricity has become essential for the normal operation of the human society commodity.

12、 In the course of power transmission, the transformer which is indispensable electrical component. Many research transformers, In this paper describes the various fault study abroad history of power transformers and powe

13、r transformers, current imbalance generated by the transformer. Focuses on the inrush current and internal fault transformer windin</p><p>　　Key words: transformer; excitation inrush current; Simulink; windi

14、ng fault</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　在近幾年中，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷提升以及各大工礦企業(yè)用電量的不斷加大。大批的容量大，電壓高的變壓器被制造，與此同時(shí)電網(wǎng)的電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。而與變壓器快速發(fā)展相形見(jiàn)絀的是變壓器繼電保護(hù)的發(fā)展卻相對(duì)來(lái)說(shuō)是非?？亢蟮模儔浩鞯睦^電器保護(hù)在需要?jiǎng)幼鲿r(shí)不發(fā)生動(dòng)作或者是該動(dòng)作時(shí)它又不動(dòng)作，這就造成了

15、變壓器出現(xiàn)故障時(shí)，保護(hù)的可靠性較低。在這有一組數(shù)據(jù)來(lái)表示變壓器繼電保護(hù)的滯后性。在1995-2002年期間變壓器縱差保護(hù)共動(dòng)作一千五百多次，其中誤動(dòng)作或拒動(dòng)作五百余次，動(dòng)作正確率只有不到百分之七十，其繼電保護(hù)的準(zhǔn)確性和可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)的低于發(fā)電機(jī)的保護(hù)和在電能中起輸送作用的輸電線路的保護(hù)。變壓器保護(hù)動(dòng)作的正確率不高的因素是多方面的，如繞組車(chē)間的工作人員將CT極性接反，在計(jì)算變壓器繼電保護(hù)的整定時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤，還有變壓器在工作時(shí)候的維護(hù)的次數(shù)很少

16、，造成運(yùn)行不良等；自身最重要的一個(gè)因素是變壓器制造結(jié)構(gòu)工藝的單一化，問(wèn)題化，還有對(duì)變壓器選擇的繼電保護(hù)不適宜等原因。本文主要針對(duì)困擾變壓器保護(hù)的勵(lì)磁涌流問(wèn)題和變壓器繞組內(nèi)部短路時(shí)的問(wèn)題，通過(guò)建立變壓器勵(lì)磁涌流仿真模型和變壓器繞組內(nèi)部故障的仿真模型進(jìn)行研究和分析，從而在了</p><p>　　1關(guān)于變壓器的勵(lì)磁涌流和繞組短路</p><p>　　圖1-1 變壓器基本原理</p>

17、<p>　　如圖1-1所示，變壓器是一種應(yīng)用電磁感應(yīng)原理把電能從一個(gè)電路傳到另一個(gè)電路的電磁裝置。它主要由三部分組成一是鐵芯，二是環(huán)繞在鐵芯上的一次側(cè)繞組線圈，三是環(huán)繞在鐵芯上的二次側(cè)繞組線圈。變壓器在生活中有十分廣泛的應(yīng)用范圍。除了主要使用在輸配電上電力變壓器外，還有一些特定場(chǎng)所使用的變壓器。電力變壓器除了能夠改變鐵芯兩側(cè)電壓大小之外，還具有改變兩側(cè)電流、兩側(cè)的阻抗，相位和隔離，穩(wěn)壓等作用。而且隨著我國(guó)大電網(wǎng)的戰(zhàn)略的實(shí)施

18、越來(lái)越多條超高壓，長(zhǎng)距離的線路將要在我國(guó)建成，那么在這種背景下大容量變壓器的使用會(huì)越來(lái)越多。電力變壓器在空載合閘投入電網(wǎng)或外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)變壓器電壓從零或很小的數(shù)值突然上升到運(yùn)行電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的暫態(tài)勵(lì)磁電流,也就是通常所說(shuō)的變壓器的勵(lì)磁涌流。同時(shí)它的波形會(huì)發(fā)生較大的起伏變化與穩(wěn)態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流的波形截然不同，而且這種變化有可能造成變壓器差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)。在變壓器穩(wěn)態(tài)的情況下，流經(jīng)變壓器的勵(lì)磁電流很小，不會(huì)超過(guò)變壓器額定電流的2%-

19、5%,這么小的勵(lì)磁涌流對(duì)變壓器的縱差保護(hù)的影響是很小的，往往忽略不計(jì)。但當(dāng)變壓器突然合閘時(shí)，并且它的二次側(cè)沒(méi)有接任何負(fù)載或變壓器的外部短路故障被變</p><p>　　如圖1-1中，變壓器繞組是變壓器關(guān)鍵部件，它是構(gòu)成變壓器的電氣回路主要部分，也是進(jìn)行電能交換的重要結(jié)構(gòu)。變壓器的內(nèi)部繞組短路故障屬于變壓器的內(nèi)部故障，變壓器的內(nèi)部繞組故障分為繞組的匝間短路，繞組的接地短路，變壓器鐵芯的損壞，還有相與相之間的短路等，

20、而大部分變壓器油箱內(nèi)的各種故障是由于變壓器繞組自身纏繞結(jié)構(gòu)和絕緣布置不合理所引起的，而且繞組故障在這當(dāng)中是經(jīng)常出現(xiàn)的，并且概率又是最大的。當(dāng)變壓器在正常運(yùn)行時(shí)內(nèi)部繞組突然發(fā)生故障，這對(duì)變壓器的影響是很大的，因?yàn)楫?dāng)變壓器在運(yùn)行時(shí)突然繞組發(fā)生短路故障，在變壓器的一二次側(cè)的繞組線圈中會(huì)出現(xiàn)很大的短路電流，它在變壓器繞組上產(chǎn)生大量的熱能，這可能會(huì)燒壞繞組的絕緣線，從而破壞了變壓器的絕緣性能，就極有可能造成變壓器的電壓擊穿和損壞事故。另一方面，短

21、路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力有可能會(huì)造成變壓器繞組變形，如果短路電流小，繼電保護(hù)可以正常的動(dòng)作，變壓器受到的短路沖擊小，變壓器的繞組變形不大；但是如果變壓器的短路電流很大，那么變壓器受到的短路沖擊就會(huì)很大，繞組將變形嚴(yán)重，繼電保護(hù)不能正常動(dòng)作，就很有可能造成變壓器繞組的損壞。</p><p>　　課題研究的背景與意義</p><p>　　圖1-2 電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p&

22、gt;　　如上圖1-2所示,現(xiàn)在的電力系統(tǒng)一般由發(fā)電，輸電，變電，配電，用電等五部分構(gòu)成，電能按照次位順序有條不紊的進(jìn)行傳輸。而在這五部分之中變電就是由電力變壓器完成的。在電能的傳輸和配送的過(guò)程中，電力變壓器是整個(gè)電力系統(tǒng)電能進(jìn)行傳送，分配和調(diào)度的重要電力器件，是能量在電力系統(tǒng)輸送中的核心部位。在電能由發(fā)電廠發(fā)出送往千家萬(wàn)戶，各大工礦企業(yè)和社會(huì)的各行各業(yè)的過(guò)程中，電力變壓器都是這些能量傳送道路上的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，因此電力變壓器在現(xiàn)在這個(gè)電

23、能傳輸中的地位可見(jiàn)重要。當(dāng)變壓器出現(xiàn)故障時(shí)直接會(huì)影響它所聯(lián)系的下級(jí)所有的用戶，一旦變壓器損壞或是出現(xiàn)了問(wèn)題將對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成沖擊而且系統(tǒng)的突然中斷會(huì)造成不小的經(jīng)濟(jì)損失，并且供電最重要的是可靠與連續(xù)，作為電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，變壓器的能否正常運(yùn)行決定著整個(gè)電網(wǎng)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定，可靠與連續(xù)性。大型變壓器制造工藝復(fù)雜，而且需要的人力物力極多，也就造成了變壓器設(shè)備的貴重性，而且大型變壓器牽扯著很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，所以在現(xiàn)實(shí)生活中必須根據(jù)所要安裝的

24、變壓器具體容量和在電力供應(yīng)的過(guò)程中起到的程度的大小以及變壓器的自身故障高發(fā)的種類(lèi)來(lái)對(duì)變壓器安裝性能好，動(dòng)作快的繼電保護(hù)。以便變壓器</p><p>　　國(guó)內(nèi)外關(guān)于課題的研究現(xiàn)狀</p><p>　　由于電力系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜性，鐵芯材料的非線性，原始條件出現(xiàn)幾率的不確定性，如短路時(shí)各種串聯(lián)、并聯(lián)補(bǔ)償電容及長(zhǎng)線的電容效應(yīng)與變壓器繞組的鐵磁振蕩，變壓器本身將有可能進(jìn)入超飽和狀態(tài)。使得涌流分析比較困

25、難。由變壓器勵(lì)磁涌流及內(nèi)部故障的電磁暫態(tài)機(jī)理，現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)于特征量提取與判據(jù)的論述可分為識(shí)別涌流和識(shí)別短路電流。目前，國(guó)內(nèi)外判別勵(lì)磁涌流的方法主要有如下幾種方法:二次諧波制動(dòng)原理、間斷角原理、波形對(duì)稱(chēng)原理、功率差動(dòng)識(shí)別原理、諧波電壓制動(dòng)原理、磁通特性識(shí)別原理、基于參數(shù)識(shí)別原理、等值電路法、電壓突變量等;隨著小波變換、模糊數(shù)學(xué)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的蓬勃發(fā)展，這些新技術(shù)也隨之引入變壓器差動(dòng)保護(hù)。但是相對(duì)于現(xiàn)有的判別方法，它們不是獨(dú)立的提取特征量進(jìn)行涌流

26、識(shí)別，而是作為輔助手段滲透到傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)方法之中。小波變換由傅里葉變換發(fā)展而來(lái)，具有多尺度分析和良好的時(shí)頻局部特性可以準(zhǔn)確地提取信號(hào)的特征。小波變換用于差動(dòng)保護(hù)主要有三個(gè)方面:一是代替?zhèn)鹘y(tǒng)的傅利葉變換，精細(xì)地提取信號(hào)的幅值、相位等特性。二是利用小波變換來(lái)測(cè)量間斷角或是通過(guò)模局部極大值特性提取勵(lì)磁涌流的間斷角特性。三是檢測(cè)信號(hào)的突變點(diǎn)，用以判斷CT鐵心是否進(jìn)入飽和。</p><p>　　為了不使變壓器內(nèi)部故障引起所

27、連接電網(wǎng)的振動(dòng)，導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)不穩(wěn)定。在現(xiàn)實(shí)中要盡可能的保證變壓器穩(wěn)定的工作，不用在進(jìn)行繁瑣的實(shí)驗(yàn)預(yù)裝等前提工作。國(guó)內(nèi)外電氣工程人員圍繞著變壓器故障的在線監(jiān)測(cè)和絕緣進(jìn)行了大量數(shù)據(jù)的分析和研究。提出了以變壓器油氣相色譜實(shí)驗(yàn)和常規(guī)的電氣試驗(yàn)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)放在對(duì)各類(lèi)所獲得信息和數(shù)據(jù)的整理，分析和決策上一種方法。但是故障診斷的準(zhǔn)確度只能由工作人員的實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)樣本獲取，無(wú)法對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行具體的位置定位。而另一類(lèi)是圍繞電氣方法所展開(kāi)的研究，例如針對(duì)變壓器

28、內(nèi)部故障的沖擊試驗(yàn)法和工頻故障法。</p><p>　　1.3 在MATLAB、Simulink平臺(tái)上建模的步驟</p><p>　　在Simulink平臺(tái)上搭建新的系統(tǒng)模型的一般所需用到的步驟：</p><p>　　(1)先畫(huà)出要搭建的系統(tǒng)的草圖，將所要進(jìn)行仿真的系統(tǒng)根據(jù)功能劃分成子系統(tǒng)，然后在simulink中用一個(gè)個(gè)小模塊進(jìn)行每個(gè)子系統(tǒng)的搭建，這樣用戶就可以不

29、用再寫(xiě)那些復(fù)雜的程序語(yǔ)言，所以要搭建系統(tǒng)模型，必須對(duì)庫(kù)里的保存的模塊加以了解和熟悉。</p><p>　　(2)在模塊庫(kù)里找到搭建自己系統(tǒng)模型所需用到的模塊，將它拖到新建的模型窗口中，按照事先畫(huà)好的系統(tǒng)草圖連接各模塊。</p><p>　　(3)如果所搭建的系統(tǒng)很復(fù)雜，用到的模塊很多，就考慮用封裝子系統(tǒng)，使系統(tǒng)看起來(lái)更加的簡(jiǎn)單美觀。</p><p>　　(4)設(shè)置所

30、搭建系統(tǒng)模型中各模塊的位置以及與仿真有關(guān)的參數(shù)。</p><p>　　(5)模型，改變模型文件名，以.mdl結(jié)尾。</p><p>　　(6)對(duì)所搭建的模型進(jìn)行運(yùn)行仿真，觀察波形結(jié)果。看仿真中是否有參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤，如若不合理則加以修正。</p><p>　　(7)調(diào)試模型。如果仿真結(jié)果和自己預(yù)想的不一樣，而且各參數(shù)又都沒(méi)設(shè)置錯(cuò)，那么就有必要進(jìn)行調(diào)試，查看每個(gè)仿真步驟的

31、情況，直到結(jié)果符合自己所搭建的模型的要求，方可對(duì)它進(jìn)行保存。</p><p>　　2 變壓器空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流的仿真</p><p>　　2.1 變壓器勵(lì)磁涌流仿真分析</p><p>　　電力變壓器模型可分為電路模型和磁路模型兩部分，因?yàn)樽儔浩鞯膭?lì)磁涌流不是變壓器長(zhǎng)時(shí)間保持的狀態(tài)，只是一種暫態(tài)的過(guò)程，所以變壓器暫態(tài)仿真可以從磁路的角度和電路的角度來(lái)綜合考慮。在變壓

32、器空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流的仿真分析中，所用到的變壓器模型是建立變壓器鐵芯飽和的基礎(chǔ)上的電路模型，變壓器兩線圈之間磁的聯(lián)系是根據(jù)電磁感應(yīng)。當(dāng)電流流過(guò)初級(jí)線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生環(huán)繞兩個(gè)線圈，磁路是鐵芯的磁感應(yīng)線，再根據(jù)電磁感應(yīng)原理在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓。那么這個(gè)過(guò)程中最重要的就是鐵芯的磁飽和問(wèn)題。因此，變壓器勵(lì)磁涌流仿真的核心問(wèn)題是如何處理變壓器鐵芯的磁滯回環(huán)即鐵芯飽和的問(wèn)題。</p><p>　　圖2-1 變壓器鐵芯的磁滯

33、曲線</p><p>　　電力變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)的原理來(lái)制造的，由一二次側(cè)的線圈進(jìn)行電路聯(lián)系，由鐵芯進(jìn)行磁回路間的聯(lián)系。而變壓器的鐵芯主要有兩個(gè)損耗，分別是：磁滯損耗和渦流損耗。鐵磁材料除了磁導(dǎo)率很大以外，還有磁化特性的非線性，磁滯和渦流現(xiàn)象等特點(diǎn)。通過(guò)觀察圖2-1變壓器鐵芯的磁滯曲線不難發(fā)現(xiàn)，它的磁滯曲線表現(xiàn)出不單一性，即變壓器鐵芯上升和下降的磁滯曲線不會(huì)重合，而是一個(gè)回線形式。在這種情況下，雖然在不同的瞬間

34、，磁通是一樣的，但是它卻對(duì)應(yīng)的是兩個(gè)不同的磁化電流，所以鐵磁材料的這種特點(diǎn)會(huì)引起損耗，被稱(chēng)為鐵芯的磁滯損耗.經(jīng)過(guò)證明，磁滯損耗的大小與磁滯回線所圍的面積成正比.因?yàn)榧釉谧儔浩魃系碾妷簽檎也?，所以產(chǎn)生的磁通也是交變的，交變的磁通在鐵芯中產(chǎn)生一個(gè)電流，但它一直在鐵芯中流通，一般稱(chēng)為渦流，同樣它也會(huì)在變壓器鐵芯中產(chǎn)生損耗，叫做渦流損耗。通常把鐵芯的磁滯損耗和渦流損耗合稱(chēng)為變壓器的鐵損損耗，它在運(yùn)行中都以熱能的形式消耗掉了。變壓器的鐵芯一般由

35、加入硅的鋼片疊加而成，因?yàn)樵阡撈屑尤牍枘芙档弯撈膶?dǎo)電性，增加鐵芯的電阻率，它可減少鐵芯中的渦流，使變壓器其損耗減少。理論上，磁滯過(guò)程是一個(gè)靜態(tài)磁化的過(guò)程，與勵(lì)磁的頻率</p><p>　　而本篇通過(guò)對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流的分析，搭建起變壓器空載合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流的系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)Matlab的Simulink平臺(tái)，對(duì)所搭建的系統(tǒng)的模型進(jìn)行仿真，并且通過(guò)示波器的到波形圖，對(duì)所得到的波形圖進(jìn)行分析[1]；然后通過(guò)改變模

36、型中的一些參數(shù)，來(lái)獲得微小變化的模型，并分析影響變壓器勵(lì)磁涌流現(xiàn)象的因素和勵(lì)磁涌流波形圖的特點(diǎn)。</p><p>　　2.2雙側(cè)電源雙繞組變壓器</p><p>　　在變壓器勵(lì)磁涌流系統(tǒng)模型的仿真中,我們使用雙繞組三相變壓器模型。規(guī)定在圖2-2中，由母線流向線路的電流方向?yàn)檎?，電源的電壓?5KV，變壓器是雙繞組的變壓器(鐵芯飽和)，容量為60MVA，一二次繞組的接線方式采用y/y型接線，

37、后在根據(jù)需要改變變壓器繞組的接線方式。最后用過(guò)示波器來(lái)觀察波形。</p><p>　　2.2.1 分析影響勵(lì)磁涌流大小的因素</p><p>　　(1)如圖2-3所示，以一臺(tái)單項(xiàng)變壓器空載合閘時(shí)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流為例來(lái)探尋產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的原因以及影響它的因素。</p><p>　　圖2-3 單相變壓器繞組模型</p><p>　　假定變壓器的電壓

38、為u和鐵芯中的磁通為Φ，并且通過(guò)學(xué)習(xí)知道電壓和磁通的關(guān)系為：</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　當(dāng)變壓器在t=0的瞬間進(jìn)行了合閘，加在變壓器的電壓為：</p><p>　　u= (2.2)</p><p>　　由公式(2.1)和(2.2)可得：&l

39、t;/p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　在公式(2.3)中為變壓器的穩(wěn)態(tài)磁通分量，其中=；為自由分量，如果帶著變壓器的損耗那么應(yīng)該是衰減的非周期分量，這里沒(méi)有帶損耗，所以是直流分量，因?yàn)樽儔浩鞯蔫F芯中的磁通不能發(fā)生突變，所以可得：</p><p><b>　　(2.4)</b></p>

40、<p>　　在公式(2.4)中為變壓器原來(lái)鐵芯中的剩磁，它的方向和大小和變壓器故障切除時(shí)的電壓有關(guān)系。</p><p>　　電力變壓器鐵芯的飽和磁通一般為=1.15-1.4，而變壓器的運(yùn)行電壓一般不會(huì)超過(guò)額定電壓的10%，所以相對(duì)應(yīng)的磁通不會(huì)超過(guò)飽和磁通[2]。若變壓器原有剩磁>0,>0，則變壓器在合閘大約半個(gè)周期后它鐵芯中的磁通就會(huì)達(dá)到最大值，即。最嚴(yán)重的情況是電壓過(guò)零時(shí)變壓器合閘a=

41、0，的最大值為，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵芯的飽和磁通，這就會(huì)造成變壓器鐵芯的過(guò)度飽和。此時(shí)磁通的波形圖如2-4所示：</p><p>　　圖2-4 變壓器暫態(tài)磁通</p><p>　　在分析變壓器產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的過(guò)程中，一般用為替代時(shí)間，這樣鐵芯中的磁通就以2為做周期性的變化，而在一個(gè)周期 (0, 2)中，當(dāng)<<2-時(shí)變壓器的鐵芯磁通超過(guò)了它的飽和磁通，并且當(dāng)時(shí)鐵芯飽和的最嚴(yán)重。讓?zhuān)蓤D2

42、-3可得公式(2.5):</p><p>　　， 0< < (2.5)</p><p>　　圖2-5表示的是變壓器鐵芯的的近似磁化曲線，當(dāng)變壓器鐵芯不飽和時(shí)，磁化曲線的斜率很大，勵(lì)磁電流的大小幾乎為零，可以忽略不計(jì)；當(dāng)變壓器鐵芯飽和后，它的磁化曲線的斜率就變的很小，而這時(shí)變壓器的勵(lì)磁電流卻大大增加，此時(shí)的勵(lì)磁電流就是勵(lì)磁涌流。</p>&l

43、t;p>　　圖2-5 變壓器近似磁化曲線</p><p>　　其波形與只差一個(gè)，所以在(0,2)周期內(nèi)有：</p><p><b>　　(2.6)</b></p><p>　　通過(guò)公式(2.6)可以看到變壓器空載合閘時(shí)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的波形圖如2-6所示，它的波形圖不是連續(xù)的，中間是斷開(kāi)的。而波形之間斷開(kāi)的寬度被稱(chēng)為變壓器勵(lì)磁涌流的間斷角其

44、與大小關(guān)系如式(2.7)：</p><p><b>　　(2.7)</b></p><p>　　變壓器故障時(shí)的電流波形圖是連續(xù)的，這也是故障電流和勵(lì)磁涌流最明顯的差別。并且變壓器的鐵芯飽和程度越深其波形的間斷角就會(huì)越小，間斷角的大小與變壓器鐵芯中原有的剩余磁通，變壓器合閘瞬間的相位角以及穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)磁通的幅值有很大的關(guān)系。</p><p>　　圖

45、2-6 勵(lì)磁涌流波形</p><p>　　(2)三相變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原理與單相變壓器原理基本相同。當(dāng)三相變壓器空載合閘時(shí)，三相線圈都會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。但三相變壓器空載合閘時(shí)，由于三相的接入初始相位角不同，所以每相所產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流嚴(yán)重程度也不同[3]。并且變壓器繞組連接方式及磁路結(jié)構(gòu)的不同，對(duì)線電流中勵(lì)磁涌流的大小和波形也有較大的影響。</p><p>　　以/△接線的變壓器為例，如圖

46、2-7所示</p><p>　　圖2-7 三相電路圖</p><p>　　圖2-8 單相電路數(shù)學(xué)模型</p><p>　　如圖2-8,當(dāng)變壓器Yn側(cè)空載合閘時(shí)，由于飽和相的勵(lì)磁電流流過(guò)非飽和相，非飽和相的二次△側(cè)必然感應(yīng)出電流來(lái)抵消該電流，該電流就是△側(cè)的環(huán)流，根據(jù)磁勢(shì)平衡原理，電流對(duì)非飽和相鐵芯柱起去磁作用，對(duì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的飽和相卻起助磁作用，稱(chēng)為“助增效應(yīng)”[4

47、]。環(huán)流助增會(huì)影響Y側(cè)涌流出現(xiàn)不一樣的波形特征，對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)產(chǎn)生影響,即：</p><p><b>　　(2.8)</b></p><p>　　由式(2.8)可知，Y側(cè)的三相勵(lì)磁涌流，，是由各自的鐵芯磁化電流，，和環(huán)流構(gòu)成，三相涌流相互影響?，F(xiàn)場(chǎng)的大量錄波也證明三相涌流并非全部偏向時(shí)間軸一側(cè)，往往有一相表現(xiàn)為對(duì)稱(chēng)性電流。所以說(shuō)三相變壓器的勵(lì)磁涌流將不同于單相變壓器

48、勵(lì)磁涌流，其中二次諧波與基波之間的比值也發(fā)生變化，可能不滿足常規(guī)給定的15%-20%的數(shù)值。</p><p>　　(3)鐵芯中的剩磁對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流的影響。為了準(zhǔn)確的分析剩磁對(duì)勵(lì)磁涌流的影響，變壓器暫態(tài)過(guò)程可以近似用(2.9)式表示：</p><p>　　+= (2.9)</p><p>　　其中，是變壓器磁通的瞬時(shí)值， , 和

49、分別是一次側(cè)的電阻、自感和匝數(shù)。若設(shè)t=0時(shí)，則中等于剩磁，上式可解得:</p><p>　　+ (2.10)</p><p>　　其中，/是穩(wěn)態(tài)磁通幅值，是與一次側(cè)電壓的相角差，當(dāng)時(shí)，(現(xiàn)代變壓器通常有此關(guān)系)，，則式(2.10)為:</p><p>　　— (2.11)</p><p>　　由式(2.11)

50、可知，合閘時(shí)的瞬態(tài)過(guò)程與合閘初相角；磁路中剩磁通；時(shí)間常數(shù)；線圈匝數(shù)有關(guān)。</p><p>　　2.3 建立仿真模型并分析得到的波形圖</p><p>　　圖2-9 變壓器器空載matlab仿真模型</p><p>　　圖2-10 變壓器器空載合閘(A相)勵(lì)磁涌流的波形圖</p><p>　　對(duì)圖2-9系統(tǒng)模型參數(shù)設(shè)置后進(jìn)行仿真,得到如圖

51、2-10所示的A相勵(lì)磁涌流波形圖, 不難看出A相涌流波形為尖頂波且在一開(kāi)始的時(shí)候衰減的很快；勵(lì)磁涌流的波形完全偏向于時(shí)間軸的一側(cè)，并且波形之間有中斷。</p><p>　　圖2-11 powergui模塊中的FFT Analysis對(duì)勵(lì)磁涌流(A相)的波形進(jìn)行諧波分析</p><p>　　并通過(guò)powergui中的FFT Analysis對(duì)勵(lì)磁涌流A相的波形進(jìn)行諧波分析。如圖2-11，

52、勵(lì)磁涌流中含有大量的高次諧波分量，其中以二次諧波居多。</p><p><b>　　(a)</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖2-12 B、C相勵(lì)磁涌流波形圖</p><p>　　從圖2-12中不難看到：B、C相勵(lì)磁涌流的波形也是偏于時(shí)間軸的一側(cè)，波形仍然

53、是間斷的；但是它們和A相勵(lì)磁涌流的波形并不一樣，這是因?yàn)槿嚯妷褐g有相位差造成三相勵(lì)磁涌流的波形圖不一樣。</p><p>　　通過(guò)改變變壓器電源EM的初相位,在不同合閘初相角a(A相)下作空載合閘分析,結(jié)果如表2-1和表2-2所示：</p><p>　　表2-1 不同合閘初相角下的勵(lì)磁涌流分析</p><p>　　表2-2 不同合閘初相角下的勵(lì)磁涌流分析&l

54、t;/p><p>　　由表2- 1和表2-2可知，在不同合閘初相角作空載合閘時(shí)，三相勵(lì)磁涌流都含有高次諧波，且都以二次諧波為主；由于三相之間有相位差這就會(huì)造成三相勵(lì)磁涌流中各諧波成分含量不同。</p><p>　　將變壓器的二次繞組的接線方式改為的“D11”型時(shí)，電源EM的A相的相位角不發(fā)生改變依然設(shè)置為0，對(duì)系統(tǒng)模型再一次進(jìn)行仿真后，得到三相變壓器空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流的波形如下圖2-11所示：

55、</p><p><b>　　(a)</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p><b>　　(c)</b></p><p>　　圖2-13 改變變壓器繞組方式后變壓器空載合閘時(shí)三相勵(lì)磁涌流波形</p><p>　　通過(guò)圖2-1

56、3可以知道，在變壓器空載合閘時(shí)，勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生與大小除了與變壓器鐵芯飽和、變壓器合閘時(shí)的初相角有關(guān)系外，也與變壓器二次繞組的接線方式有一定的關(guān)系。</p><p>　　通過(guò)對(duì)勵(lì)磁涌流的波形、含有諧波的分量以及改變合閘時(shí)初相角的大小分析，可以得到以下結(jié)論：</p><p>　　(1)由改變合閘時(shí)初相角的大小得到的數(shù)據(jù)可知，空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流中含有大量的高次諧波，其中二次諧波占有很大一部分。&

57、lt;/p><p>　　(2)勵(lì)磁涌流中包含有很大成分的非周期分量，這樣就是勵(lì)磁涌流的波形都在時(shí)間軸的一側(cè)。</p><p>　　(3)勵(lì)磁涌流的波形之間出現(xiàn)了間斷，而故障電流的波形是沒(méi)有間斷的，所以這也是區(qū)分它們的一個(gè)重要的依據(jù)。</p><p>　　(4)因?yàn)槔@組線圈是有電阻的，所以在暫態(tài)的時(shí)候勵(lì)磁涌流流過(guò)線圈其大小會(huì)逐漸衰減的，有的會(huì)在零點(diǎn)幾秒內(nèi)衰減到趨于零。&l

58、t;/p><p>　　2.4 故障電流波形圖特征分析</p><p>　　變壓器內(nèi)部故障主要是單相接地短路故障、相間短路故障、相間接地短路故障以及內(nèi)部繞組的匝間短路等[5]。由于當(dāng)變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，其短路電流會(huì)突然提升到非常大，而嚴(yán)重影響變壓器內(nèi)部鐵芯和繞組等的絕緣，甚至?xí)?dǎo)致鐵芯和繞組的不可逆損壞，同時(shí)產(chǎn)生的不均衡電磁力也會(huì)使變壓器鐵芯繞組形變，從而改變變壓器內(nèi)部的磁場(chǎng)路徑，影響鐵芯磁通

59、的平衡。同時(shí)變壓器內(nèi)部故障會(huì)使變壓器油受熱分解出大量烴類(lèi)氣體，容易導(dǎo)致爆炸事故[6]。</p><p><b>　　(a) </b></p><p><b>　　(b) </b></p><p><b>　　(c)</b></p><p>　　圖2-14 變壓器空載合閘時(shí)三相

60、勵(lì)磁涌流和短路電流的比較分析圖</p><p>　　如圖2-14是對(duì)變壓器空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流和短路電流大小和波形進(jìn)行了比較，在模型系統(tǒng)中設(shè)置故障模塊Fault1，使電路在0.3到0.5s間發(fā)生三相短路，再次系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，短路故障電流沒(méi)有類(lèi)似勵(lì)磁涌流的尖頂波特性，其次，內(nèi)部故障電流只含有非常小量的非周期分量和高次諧波等，相應(yīng)的電流衰減速度也不再受變壓器鐵心磁通飽和程度和容量大小的影響。并且由其波形圖直觀的比較可

61、知，故障電流和勵(lì)磁涌流最大的區(qū)別在于故障電流沒(méi)有間斷，在變壓器故障過(guò)程中其波形一直是連續(xù)的，而勵(lì)磁涌流的波形卻是帶有間斷角的。所以，變壓器的內(nèi)部故障電流波形往往近似于正弦波。</p><p>　　但是當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，短路電流較正常時(shí)的電流幅值很大，變壓器的保護(hù)會(huì)迅速動(dòng)作，而變壓器突然合閘時(shí)勵(lì)磁涌流的幅值也非常大，就極有可能導(dǎo)致變壓器保護(hù)的誤動(dòng)，因此分析變壓器的勵(lì)磁涌流最重要的就是分析勵(lì)磁涌流與故障短路電流

62、的區(qū)別，以起到保護(hù)變壓器的作用[7]。</p><p>　　有了以上的比較就可以針對(duì)故障電流和勵(lì)磁涌流差別來(lái)進(jìn)一步的優(yōu)化變壓器保護(hù)的準(zhǔn)確性和安全性。</p><p>　　2.5 勵(lì)磁涌流對(duì)變壓器縱差保護(hù)的影響和解決方法</p><p>　　變壓器的縱連電流差動(dòng)保護(hù)原理是建立在基爾霍夫電流定律(KCL定理)基礎(chǔ)之上的，因此它只是能夠反映被保護(hù)對(duì)象的內(nèi)部不平衡電流(如內(nèi)

63、部短路電流)。電流縱連差動(dòng)保護(hù)具有繼電保護(hù)要求的四個(gè)特性，能夠準(zhǔn)確的切除變壓器故障，所以這種保護(hù)被廣泛的應(yīng)用在兩端供電的大型發(fā)電機(jī)，變壓器，電動(dòng)機(jī)上[8]。</p><p>　　變壓器的縱差保護(hù)是當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)動(dòng)作。而當(dāng)變壓器正常和外部故障時(shí)，從變壓器一二次側(cè)流進(jìn)和流出的電流之和永遠(yuǎn)等于零，此時(shí)的縱連差動(dòng)保護(hù)繼電器是不會(huì)發(fā)生動(dòng)作的。當(dāng)變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，連接變壓器各側(cè)的電源都要向變壓器提供短路電流，各側(cè)

64、電源提供的短路電流在變壓器中匯合，進(jìn)入到保護(hù)變壓器的繼電器中，然后差動(dòng)保護(hù)繼電器就會(huì)發(fā)生動(dòng)作，進(jìn)而快速的切除變壓器的內(nèi)部故障[9]。但是由于變壓器空載合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流與內(nèi)部故障短路電流有太多的相似性，且都是流入到變壓器的繼電器中，這就會(huì)造成變壓器繼電保護(hù)的誤動(dòng)。</p><p>　　為了防止因勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的變壓器保護(hù)的誤動(dòng)，一般有兩種方法可行，一種就是從根本上抑制勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生；另一種就是對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行優(yōu)化

65、。</p><p>　　2.5.1 抑制勵(lì)磁涌流的方法</p><p>　　通過(guò)對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流的波形圖進(jìn)行的仿真分析，可以從產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的本質(zhì)上著手,從根本上采取一些措施來(lái)有效的抑制涌流的產(chǎn)生：</p><p>　　(1) 控制變壓器空載合閘時(shí)的初相角，使變壓器空載合閘時(shí)鐵芯內(nèi)部的磁通不發(fā)生突變，通過(guò)對(duì)初相角的改變得到表(2-1)中數(shù)據(jù)的分析可知，適當(dāng)?shù)母淖冏儔浩?/p>

66、合閘時(shí)初相角的大小可以有效的抑制勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生。變壓器空載合閘時(shí)刻還與鐵芯中的原有剩磁有關(guān)，由于鐵芯中的剩磁有多種分布形式，與之相對(duì)應(yīng)也會(huì)有不同的合閘的方式[10]。利用改變變壓器合閘時(shí)相位角大小的方法使鐵芯飽和的狀況達(dá)到最低時(shí)，變壓器中的涌流要比一開(kāi)始消減絕大部分。但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于是機(jī)械開(kāi)合斷路器，在時(shí)間上總會(huì)存在一些偏差，所以斷路器的關(guān)開(kāi)的時(shí)間差，鐵芯中剩余磁通測(cè)量的不準(zhǔn)確，以及變壓器鐵芯材料、種類(lèi)和線圈繞組連接方式的變化

67、等多種因素都會(huì)影響這種辦法的準(zhǔn)確性。 </p><p>　　(2)通過(guò)改變變壓器繞組的纏繞的方法(如圖2-13)，由變壓器的近似磁化曲線可知，勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生是因?yàn)榇呕€的斜率很小，可以通過(guò)改變變壓器繞組的分布方式來(lái)等效的增加電感[11]，從而可以有效的抑制變壓器的勵(lì)磁涌。</p><p>　　2.5.2 差動(dòng)保護(hù)的優(yōu)化方法</p><p>　　除了從勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的

68、本質(zhì)上提出措施外，還可以從變壓器保護(hù)進(jìn)行分析，通過(guò)上面對(duì)波形圖的仿真和分析，可以知道變壓器勵(lì)磁涌流的特征，因此可以采取以下方法： </p><p>　　(1)二次諧波制動(dòng)法 在學(xué)習(xí)繼電保護(hù)課程中有過(guò)接觸這種方法，它主要是利用勵(lì)磁涌流中含有大量的二次諧波來(lái)進(jìn)行保護(hù)閉鎖的。設(shè)定一個(gè)二次諧波的整定值，超過(guò)它時(shí)，保護(hù)閉鎖不動(dòng)作，它所依據(jù)的公式為 其中分別為流入變壓器繼電器中的基波分量和二次諧波分量的幅值[12]；被稱(chēng)為二

69、次諧波的制動(dòng)比，它是按躲過(guò)變壓器勵(lì)磁涌流中最小的二次諧波含量進(jìn)行整定的，其整定的范圍通常為：=15%-20%,具體的數(shù)值根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)空載合閘實(shí)驗(yàn)或運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。二次諧波制動(dòng)保護(hù)的方法特別適用變壓器的保護(hù)，它的保護(hù)原理簡(jiǎn)單，運(yùn)行調(diào)試方便，靈敏度高，在實(shí)際生活中被大量的應(yīng)用。</p><p>　　(2)間斷角識(shí)別的方法 這種方法也應(yīng)用很廣泛。因?yàn)樵谇懊鎸?duì)勵(lì)磁涌流的分析可知，勵(lì)磁涌流的波形中會(huì)出現(xiàn)間斷角，而變壓器內(nèi)部故障

70、時(shí)流入差動(dòng)繼電器的穩(wěn)態(tài)差電流是正弦波，不會(huì)出現(xiàn)間斷角。間斷角鑒別的方法就是利用這個(gè)特征鑒別勵(lì)磁涌流和故障電流，即通過(guò)檢測(cè)差電流波形是否存在間斷角，當(dāng)間斷角大于整定值時(shí)將差動(dòng)保護(hù)閉鎖。其原理采用按相閉鎖的方法，在變壓器合閘于內(nèi)部故障時(shí)，能夠迅速動(dòng)作。這是比二次諧波制動(dòng)方法優(yōu)越的地方[13]。對(duì)于其他內(nèi)部故障，暫態(tài)高次諧波分量會(huì)使電流波形畸變，且波形畸變一般不會(huì)產(chǎn)生“間斷角”，但會(huì)影響電流的波寬。若波形畸變很?chē)?yán)重導(dǎo)致波寬減小于整定值，則差動(dòng)

71、保護(hù)也將被暫時(shí)閉鎖造成動(dòng)作延緩。因?yàn)槎沃C波制動(dòng)和間斷角原理是有差異的，因此對(duì)大型變壓器，可同時(shí)采用這兩種方法，能起到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，加快內(nèi)部故障的動(dòng)作速度，不失為一種好的配置方案。</p><p>　　3 變壓器繞組故障的仿真分析</p><p>　　通過(guò)對(duì)2000-2012年國(guó)家電網(wǎng)中110 kV及以上變壓器的92起故障案例的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，變壓器繞組故障共發(fā)生46起，占故障總數(shù)的5U0o，其

72、中繞組短路損壞故障發(fā)生37起、繞組縱絕緣故障9起，分別占故障總數(shù)的40. 22%和9.78%.</p><p>　　繼電保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行中起著非常大的作用，任何電力元件要加入電力系統(tǒng)中必須要有繼電保護(hù)裝置。變壓器內(nèi)部故障有很多種，包括變壓器繞組的匝間短路；繞組的接地短路；變壓器鐵芯的損壞[14]；還有相與相之間的短路故障等。在變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生電弧不但會(huì)損壞變壓器繞組的絕緣皮而且還會(huì)燒壞鐵芯；

73、而且在變壓器油箱內(nèi)發(fā)生故障產(chǎn)生的熱量很可能會(huì)使變壓器油進(jìn)行揮發(fā)以至于油箱的爆炸。對(duì)于變壓器內(nèi)部發(fā)生的各種故障都應(yīng)該及時(shí)的，迅速的，準(zhǔn)確的切除掉。實(shí)踐表明，變壓器套管和引出線上的繞組的匝間短路，繞組的接地短路，還有相與相之間的短路是電力變壓器內(nèi)部故障出現(xiàn)頻率較高的。而變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生相與相之間短路情況是少見(jiàn)的。</p><p>　　3.1 變壓器繞組故障原因分析</p><p>　　根據(jù)

74、近些年電網(wǎng)中變壓器繞組故障案例的統(tǒng)計(jì)歸納分析引起繞組短路損壞故障發(fā)生的原因如下：</p><p>　　(1) 短路事故中變壓器損壞的主要原因是變壓器本身的抗短路能力不足，尤其是變壓器承受短路動(dòng)穩(wěn)定能力不足。隨著電網(wǎng)不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)容量和短路電流不斷變化，當(dāng)變壓器發(fā)生外部短路時(shí)，電流值超過(guò)臨界值也就是變壓器繞組實(shí)際所能承受的最大短路電流值時(shí)，繞組發(fā)生變形造成變壓器損壞的概率就會(huì)明顯增大。</p><

75、;p>　　(2)變壓器正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載率較高，當(dāng)變壓器承受外部短路沖擊時(shí)，形成的電動(dòng)力與理論計(jì)算值存在偏差，同時(shí)運(yùn)行中的部分變壓器由于制造質(zhì)量和維護(hù)不到位等原因，耐受動(dòng)、熱穩(wěn)定的能力下降，當(dāng)受到外部短路沖擊時(shí)，變壓器繞組失穩(wěn)發(fā)生變形等缺陷甚至導(dǎo)致絕緣損壞、內(nèi)部放電等事故[15]。</p><p>　　(3)變壓器運(yùn)行過(guò)程中，預(yù)防措施系統(tǒng)性差，硬件措施和管理手段不匹配，存在“短板效應(yīng)”，導(dǎo)致變壓器發(fā)生外部短路沖

76、擊損壞事故的概率較高，短路沖擊電流較大、時(shí)間長(zhǎng)。例如變電站內(nèi)設(shè)備存在絕緣防護(hù)水平低、線路防護(hù)不到位、保護(hù)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。出口短路時(shí)，在電動(dòng)力和機(jī)械力的作用下，繞組的尺寸或形狀發(fā)生不可逆的變化，產(chǎn)生繞組變形。繞組變形包括軸向和徑向尺寸的變化，器身位移，繞組扭曲、鼓包和匝間短路等，這是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的一大隱患。變壓器繞組變形后，有的會(huì)立即發(fā)生損壞事故，更多的則是仍能繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間[16]。當(dāng)運(yùn)行中的變壓器一旦產(chǎn)生繞組變形，會(huì)降低變壓器

77、繞組整體的機(jī)械強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致短路的累積效應(yīng)，出現(xiàn)惡循環(huán)，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，則變壓器發(fā)生損壞。</p><p>　　(4)在制造或檢修時(shí)，局部絕緣受到損害，遺留下缺陷;在運(yùn)行中因散熱不良或長(zhǎng)期過(guò)載，繞組內(nèi)有雜物落入，使溫度過(guò)高絕緣老化;制造工藝不良，壓制不緊，機(jī)械強(qiáng)度不能經(jīng)受短路沖擊，使繞組變形絕緣損壞;繞組受潮，絕緣膨脹堵塞油道，引起局部過(guò)熱;絕緣油內(nèi)混水分而劣化，或與空氣接觸而積過(guò)大，使油的酸價(jià)過(guò)高絕緣水平下降或油

78、而太低[17]，部分繞組露在空氣中未能及時(shí)處理。由于以上這些原因，在運(yùn)行中一經(jīng)發(fā)生絕緣擊穿，就會(huì)造成繞組的短路或接地故障。</p><p>　　3.2 變壓器繞組內(nèi)部故障模型的建立</p><p>　　搭建系統(tǒng)模型，如圖3-1 所示：</p><p>　　圖3-1 變壓器繞組內(nèi)部故障的仿真模型</p><p>　　如果再用上一章節(jié)的變壓器空

79、載合閘時(shí)的系統(tǒng)模型就無(wú)法進(jìn)行變壓器內(nèi)部故障的仿真。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以將上一節(jié)系統(tǒng)模型中的變壓器模型改為三個(gè)單相變壓器模型，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，選擇三繞組的模式，這就構(gòu)造出具有一個(gè)初級(jí)兩個(gè)次級(jí)的三個(gè)單相變壓器模型。在圖3-1中變壓器的容量60MVA(兩個(gè)次級(jí)繞組首尾連接當(dāng)一個(gè)次級(jí)使用)，電源的電動(dòng)勢(shì)為35kv。</p><p>　　3.2.1 變壓器保護(hù)區(qū)內(nèi)，外故障時(shí)的比率制動(dòng)模型的建立</p>

80、<p>　　當(dāng)互感器傳變誤差和電流互感器的匝數(shù)比不一樣時(shí)產(chǎn)生不平衡電流的討論可知，流入到變壓器差動(dòng)繼電器中的不平衡電流與變壓器外部發(fā)生故障時(shí)的穿越電流有一定的關(guān)系，其大小與不平衡電流大小成正比，穿越電流越大，不平衡電流也就越大[18]，帶制動(dòng)的差動(dòng)繼電器利用這個(gè)關(guān)系在繼電器中引入一個(gè)能反映外部故障時(shí)穿越電流大小的制動(dòng)電流，與此同時(shí)變壓器繼電器就只根據(jù)制動(dòng)電流自動(dòng)調(diào)整了。</p><p>　　變壓器比率制

81、動(dòng)建立在變壓器差動(dòng)保護(hù)的基礎(chǔ)上。變壓器差動(dòng)保護(hù)用來(lái)反映變壓器繞組的相間短路故障、中性點(diǎn)接地側(cè)繞組的接地故障以及引出線的相間短路故障等。但是應(yīng)當(dāng)注意，對(duì)于變壓器內(nèi)部繞組很少的匝間短路故障，電流變化量不大，差動(dòng)保護(hù)可能反應(yīng)不了。所以一般把差動(dòng)保護(hù)和瓦斯保護(hù)(非電量保護(hù))作為變壓器的主保護(hù)。如圖3-2為雙繞組變壓器區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障時(shí)的差動(dòng)原理圖。</p><p><b>　　(b)</b></

82、p><p>　　圖3-2 區(qū)內(nèi)外故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)原理圖</p><p>　　對(duì)于數(shù)字式保護(hù)運(yùn)算模塊如圖(3-3)，制動(dòng)電流通常是由各電流匯合而成，以簡(jiǎn)化整定計(jì)算和調(diào)試。常使用的方法是：平均電流制動(dòng)；復(fù)式制動(dòng)；標(biāo)積制動(dòng)。</p><p>　　圖3-3 變壓器故障仿真時(shí)的運(yùn)算模塊</p><p>　　這里只簡(jiǎn)單分析繞組內(nèi)部故障時(shí)A相的差動(dòng)和制動(dòng)電

83、流的大小關(guān)系，所以把由變壓器兩側(cè)流入到差動(dòng)繼電器中的B相和C相電流的信號(hào)屏蔽。</p><p>　　3.3 設(shè)置參數(shù)并對(duì)波形圖進(jìn)行分析</p><p>　　設(shè)置參數(shù)進(jìn)行仿真，對(duì)系統(tǒng)模型中的斷路器的模塊QF1和QF2的切換時(shí)間都設(shè)置為0秒，設(shè)置故障模塊Fault1使其在0.3到0.5s之間發(fā)生AB兩相短路，而故障模塊Fault2不動(dòng)作，對(duì)該系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，就會(huì)得到在變壓器二次繞組50%處發(fā)

84、生短路故障時(shí)的波形圖。參數(shù)設(shè)置如圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4 參數(shù)設(shè)置</p><p>　　對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到變壓器副邊繞組50%處發(fā)生三相短路時(shí)A相的電流的波形圖 ：</p><p><b>　　(a)</b></p><p><b>　　(b)</b></p>

85、<p><b>　　(c)</b></p><p><b>　　(d)</b></p><p>　　圖3-5 變壓器內(nèi)部繞組故障時(shí)的電流波形圖</p><p>　　由仿真得到的波形圖3-5可知,變壓器出現(xiàn)短路時(shí)短路電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變壓器正常運(yùn)行時(shí)的電流。變壓器二次側(cè)繞組50%處出現(xiàn)斷路故障時(shí),流入變壓器繼電器的A相

86、差動(dòng)電流的幅值大于變壓器A相制動(dòng)電流的整定值。</p><p>　　由以上分析可知，當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí),流入差動(dòng)繼電器中的短路電流比制動(dòng)電流的整定值要大,變壓器保護(hù)能迅速切除故障,保證變壓器不受短路電流損壞。而當(dāng)變壓器恢復(fù)正常時(shí)，兩側(cè)流入到變壓器的差動(dòng)電流恒為零，這也保證了變壓器在沒(méi)有故障時(shí)防止保護(hù)誤動(dòng)作。</p><p>　　當(dāng)變壓器出現(xiàn)短路故障時(shí)，流入到繞組中的短路電流要比正常運(yùn)行

87、時(shí)的電流大很多，這就極易造成變壓器繞組的形變，破壞變壓器的絕緣。因此，從仿真得到的波形圖我們可以看出差動(dòng)保護(hù)能及時(shí)的切除變壓器短路故障，消除隱患，為變壓器正常工作提供了一個(gè)可靠地保障。</p><p>　　3.4 變壓器繞組故障的防范措施及建議</p><p>　　據(jù)以上對(duì)變壓器繞組故障的原因分析，提出以下幾條有效的防范措施及建議：</p><p>　　(1)重點(diǎn)加

88、強(qiáng)油色譜分析和繞組變形測(cè)試。在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生短路后，不論電流是否達(dá)到變壓器可以耐受的短路電流，都應(yīng)立即進(jìn)行油色譜分析[19]，并根據(jù)色譜數(shù)據(jù)決定是否要立即停電進(jìn)行繞組變形試驗(yàn)，判斷繞組的變形情況。結(jié)合每次停電檢修，采用繞組電容量、低電壓阻抗和頻響法進(jìn)行繞組變形試驗(yàn)，判斷繞組的變形情況。</p><p>　　(2)在運(yùn)行中應(yīng)加強(qiáng)變壓器運(yùn)行維護(hù)及檢測(cè)，比如變壓器是否受潮、檢測(cè)局部放電量是否超標(biāo)[20]，以便及早發(fā)現(xiàn)潛

89、伏性故障及早做相應(yīng)處理，從而保證變壓器安全運(yùn)行。</p><p>　　(3)在變壓器設(shè)計(jì)階段，運(yùn)行單位應(yīng)取得所訂購(gòu)變壓器的抗短路能力計(jì)算報(bào)告及抗短路能力計(jì)算所需詳細(xì)參數(shù)。應(yīng)開(kāi)展變壓器抗短路能力的校核工作，根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況有選擇性地采取加裝中性點(diǎn)小電抗、限流電抗器等措施[21]，對(duì)不滿足要求的變壓器進(jìn)行改造或更換。</p><p>　　(4)為提高變壓器低壓繞組抗短路能力，在變壓器技術(shù)合同

90、中應(yīng)明確寫(xiě)明對(duì)低壓繞組的要求，應(yīng)采用半硬銅自粘性換位導(dǎo)線。在繞組“s”彎換位處加換位紙板與紙槽、包絕緣紙加強(qiáng)絕緣，并在所有與換位處相鄰的線餅之間應(yīng)增加扇形墊塊;合理提高導(dǎo)線厚度[22];適當(dāng)降低電流密度;低壓內(nèi)側(cè)加硬紙筒，硬紙筒與鐵芯間加木撐條，使內(nèi)繞組形成硬支撐;低壓繞組不宜采用螺旋式結(jié)構(gòu);采用整體壓板和整體套裝、恒壓干燥等工藝，對(duì)墊塊進(jìn)行密化處理，調(diào)整繞組安匝平衡，提高軸向穩(wěn)定性。</p><p>　　(5)

91、改善變壓器外部運(yùn)行環(huán)境，在變壓器的低壓側(cè)各主母線和分支母線、裸露導(dǎo)線加裝絕緣熱縮套;電纜的出線故障多為永久性的，因此不宜采用重合閘，對(duì)于電纜或短架空出線多，且發(fā)生短路事故次數(shù)多的(2次以上)變電站，可考慮臨時(shí)停用線路自動(dòng)重合閘，防止變壓器連續(xù)遭受短路沖擊;容性電流超過(guò)10 A的l0 kV或超過(guò)30 A的35 kV不接地系統(tǒng)[23]，應(yīng)裝設(shè)有自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償功能的消弧繞組，防止單相接地發(fā)展成相間短路;變壓器兩側(cè)在任何方式下都不應(yīng)該失去避雷器的

92、保護(hù)。</p><p>　　(6)加強(qiáng)變壓器選型、定貨、驗(yàn)收及投運(yùn)的全過(guò)程管理，特別要加強(qiáng)變壓器的監(jiān)造工作，從源頭上控制變壓器的質(zhì)量[24]。變壓器在制造階段的質(zhì)量抽檢工作，應(yīng)進(jìn)行電磁線抽檢。根據(jù)供應(yīng)商生產(chǎn)批量情況，應(yīng)抽樣進(jìn)行突發(fā)短路試驗(yàn)驗(yàn)證。</p><p>　　(7)加強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行方式管理，完善相關(guān)保護(hù)和自動(dòng)裝置[25]，對(duì)雙回路和雙主變的變電站，要實(shí)現(xiàn)互為備用，提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。&l

93、t;/p><p><b>　　4 結(jié)論</b></p><p>　　本文雖然通過(guò)建立模型對(duì)勵(lì)磁涌流和變壓器內(nèi)部繞組故障做了簡(jiǎn)單地仿真，通過(guò)分析仿真得到的波形圖進(jìn)行了分析得到了一些結(jié)論和提出了怎樣減少這些現(xiàn)象和解決出現(xiàn)的故障。但是這些仿真大都是在設(shè)置好的環(huán)境下進(jìn)行的，這就依然會(huì)有大量的不足的地方需要研究和分析，例如以下幾個(gè)方面：</p><p>　　

94、(1)雖然本文對(duì)提出的變壓器模型主要做了理論說(shuō)明和仿真分析，但是尚需要用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步充實(shí)和驗(yàn)證;而且所建的模型也沒(méi)考慮高頻響應(yīng)問(wèn)題，所以系統(tǒng)模型中的問(wèn)題還需進(jìn)一步的研究。</p><p>　　(2)本文以電力系統(tǒng)最常用的雙繞組三相變壓器為研究對(duì)象，進(jìn)行了大量的仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流的波形圖進(jìn)行了分析，但是電力系統(tǒng)中包含各種類(lèi)型的變壓器，而且變壓器繞組的接線形式也多種多樣，所以此系統(tǒng)還需要完善。</p&g

95、t;<p>　　(3)隨著大電網(wǎng)戰(zhàn)略的實(shí)施，電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大與發(fā)展，變壓器容量、制作工藝都相應(yīng)發(fā)展，而且變壓器內(nèi)部構(gòu)造更加復(fù)雜，所以變壓器的仿真模型要與實(shí)際運(yùn)行中的變壓器相一致，這還需進(jìn)一步的研究。</p><p>　　(4)還需繼續(xù)深入研究變壓器主保護(hù)新原理。探索能夠包含多方面信息的方案，利用多個(gè)信息參量進(jìn)行綜合判別，避免變壓器受到內(nèi)部故障的沖擊損壞，使變壓器繼電保護(hù)的準(zhǔn)確性進(jìn)一步的提高。&

96、lt;/p><p>　　(5)系統(tǒng)模型的故障仿真實(shí)與運(yùn)行中故障有一定的差距，所以在完全滿足實(shí)際運(yùn)行條件下的仿真還需要進(jìn)一步的努力。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 于群，曹娜.MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013.163-171.</p>&l

97、t;p>　　[2] 張保會(huì),尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M].北京：中國(guó)電力出版社,2010.166-194.</p><p>　　[3] 翟亮，凌民，傅昱，蔡立軍等.基于MATLAB的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社,2006.190-210.</p><p>　　[4]尚濤，謝龍漢，杜如虛等.MATLAB工程計(jì)算及分析[M].北京,清華大學(xué)出版社.

98、390-411.</p><p>　　[5]康小寧，何璐，焦在濱，等.基于勵(lì)磁電感參數(shù)識(shí)別的變壓器勵(lì)磁涌流判別方法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,41(10):1214-1218.</p><p>　　[6]宗洪良，金華鋒，朱振飛，等.基于勵(lì)磁阻抗變化的變壓器勵(lì)磁涌流判別方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2001,21(7):91-94.</p><p>　　[7]

99、崔芳芳.基于MATLAB的三相變壓器勵(lì)磁涌流仿真分析[J].安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2010,15(1):60-64.</p><p>　　[8] Patrick BASTRARD, Pierre BERTRAND, Michel MEL7NIER. A transformer model far winding fault studies[J] .IEEE Transactions on Power De

100、livery, 2002, 13 (3):738-744.</p><p>　　[9] 李波.變壓器勵(lì)磁涌流的仿真及識(shí)別算法研究[D].湖南大學(xué)碩士學(xué)術(shù)論文,2010.</p><p>　　[10] Xusheng Chen. Negative inductance and numerical instability of the saturable transformer compone

101、nt in EMTP [J] .IEEE Transactions on Power Delivery,2000,15 (4)1199-1204.</p><p>　　[11] 姚森敬，陳忠東，曾德枝.幾種判斷變壓器繞組變形的輔助方法[J].廣東電力,2005,18(12):19-21.</p><p>　　[12]曾剛遠(yuǎn).測(cè)量短路電抗是判斷變壓器繞組變形的有效方法[J].變壓器,2004

102、,35 (8):15-19.</p><p>　　[13]張勇.變壓器突發(fā)短路故障的分析和預(yù)防措施[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù),2012(S321);14-21.</p><p>　　[14]劉擁軍.變壓器繞組常見(jiàn)故障分析及處理方法[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2010(21):46-50.</p><p>　　[15]劉連睿，馬繼先，郭東升.應(yīng)用頻響法診斷變壓器繞組變形的應(yīng)

103、用研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,23(5):35-38.</p><p>　　[16]王鍵.基于計(jì)算校驗(yàn)的變壓器短路事故分析及建議措施[J].變壓器，2013,50(4);65-68.</p><p>　　[17]郭穎娜，王世山.變壓器縱絕緣設(shè)計(jì)中沖擊響應(yīng)電壓分布的仿真分析[J].變壓器,2007,27(3):452-456.</p><p>　　[18]董其國(guó).

104、電力變壓器故障與診斷[M].北京;中國(guó)電力出版社,2007.56-67.</p><p>　　[19] Vandermaar A J, Srivastava K D. Review of condition assessmerit of power transformers in service [J].IEEE Electrical Insulation Magazine ,2002,18 (6):12-25.

105、</p><p>　　[20]王維儉. 變壓器保護(hù)運(yùn)行不良的反思[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2001,21(10);1～3.</p><p>　　[21] Dick E P,Erven C C.Transformer diagnostic testing by frequency response analysis [J].</p><p>　　IEEE Transa

106、ctions on Power Apparatus and Systems,2006,97(6):2144-2153.</p><p>　　[22]王增平,徐巖,王雪等.基于變壓器模型的新型變壓器保護(hù)原理的研究[J].中國(guó)</p><p>　　電機(jī)工程學(xué)報(bào),2003,23(12);54-58.</p><p>　　[21]白全林.電力變壓器勵(lì)磁涌流的分析與研究[D]