变压器励磁涌流削弱方法及仿真分析

曾 亮，郭建炎，陈丽安，夏 拓，许 欢

（厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建厦门361024）

变压器励磁涌流削弱方法及仿真分析

曾 亮，郭建炎，陈丽安，夏 拓，许 欢

（厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建厦门361024）

为抑制变压器空载合闸时产生的励磁涌流，将零序电流算法和变压器中性点经电阻接地2种方法结合，利用MATLAB仿真软件建立仿真模型，分析断路器并联合闸电阻、中性点经电阻接地对励磁涌流的影响.仿真分析结果表明：并联合闸电阻励磁涌流衰减速度较快，中性点经电阻接地涌流衰减效果较好.

变压器；励磁涌流；MATLAB仿真

当变压器空载合闸时，变压器一次侧绕组产生很大的励磁涌流［1］.励磁涌流的幅值为正常励磁电流的6～8倍，常引起变压器产生较大的差流，导致差动保护误动作跳闸［2］，甚至造成变压器及断路器因电动力过大受损，如何削弱变压器励磁涌流成为了一个科研难题.目前抑制励磁涌流主要方法是改变变压器绕组分布增加暂态等效电感抑制励磁涌流［3］.由于改变变压器结构成本较大，调节不够灵活，实际应用性不强，所以其发展受到限制.虽然早期有文献提出断路器并联合闸电阻即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［4］来削弱变压器空载合闸时产生的励磁涌流，但是具体衰减值以及衰减时间没有具体论述和计算.本文将零序电流算法和变压器中性点经电阻接地这2种方法结合起来分析和研究削弱变压器空载合闸时的励磁涌流，利用MatLab建立仿真分析的系统模型，对抑制励磁涌流进行对比仿真.

1 断路器并联合闸电阻

仿真所用的变压器为三相三柱式双绕组接线，绕组接线方式为YnD11，容量为1 114 kV·A，额定电压为3.5 kV，绕组电阻标幺值为0.002，绕组漏感标幺值为0.08.由计算可得变压器高压侧额定电流为183.3 A.将三相电压源的合闸初相角设置为θ=0°和θ=90°，分别进行仿真得出变压器空载合闸波形如图1所示.

图1 变压器空载励磁涌流波形图Fig.2 Inrush current of no Ioad transformer

由图1（a）可知，当电压源和变压器其他参数不变时，θ=0°其最大涌流峰值约为1 100 A（约为额定电流的6～7倍），合闸后大约0.5 s后衰减到一个稳态值［5］.由图1（b）可知，当θ=90°最大涌流为500 A，即相当于没有产生励磁涌流，与理论相符.但是考虑到实际工作中，变压器会存在一定的剩磁，即使在θ=90°合闸也可能产生很大的励磁涌流峰值，损坏变压器.鉴于此提出了断路器并联合闸电阻的方法［6］，如图2所示.

图2 断路器并联合闸电阻仿真模型Fig.2 SimuIation modeI of circuit cIosing resistor in paraIIeI

用合适的电阻R与开关K1串联，再与合闸开关K2并联，合闸时先将K1闭合来削弱励磁涌流.当冲击电流在额定电流范围内时再断开开关K1，闭合K2，这样就能有效地削弱励磁涌流保护变压器［7］.为了使操作简便只在仿真模型中的A相并联一个单相断路器和串联一个100 Ω的电阻，其仿真波形如图3所示.

图3 并联合闸电阻的变压器空载励磁涌流仿真波形Fig.3 Inrush waveform of circuit breaker cIosing resistor in paraIIeI

由图3可知，并联合闸电阻的变压器空载励磁涌流峰值为300 A，削减了800 A，削减率为72.7%.励磁电流接近了其额定电流，并且在0.03 s时励磁涌流已经衰减到稳定值，比不带合闸电阻的变压器衰减快了许多，可见并联合闸电阻起到了很好地削弱励磁涌流的作用［8］.

2 变压器中性点经电阻接地

2.1 双绕组YgD11接线和YD11接线的励磁电流对比

计算所用的变压器绕组接线如图4所示.该变压器绕组采用YgD11接线，假设变压器变比为1∶1，变压器各相电压相等，大小等于额定电压.

图4 三相变压器YgD11接线Fig.4 Three-phase transformer with YgD11 connection

因电流互感器只能测出Δ侧线电流即电流互感器只能接于Δ外侧，由于计算需要用到相电流，通过测出Y侧入地电流即零序电流通过变压器变比折算到Δ侧，求出Δ侧零序环流，从而推导出相电流，设i0为零序电流，ia12为a相正序电流，i0=ia-ia12，i0=ib-ib12，i0=ic-ic12.

由于变压器变比为1∶1，所以i0=（IA+IB+IC）/3.

由以上各式可得

三相变压器YD11接线如图5所示，其Y侧为中线点不接地.其中Ua，Ub，Uc为Δ侧电压，上图中YgD11接线的电压大小相等，为UA，UB，UC.Y侧电压大小和图4的Y侧电压大小相等.由于Y侧中线点没有接地所以其Y侧没有零序电流，即在Δ侧不会感应出环流，所以I0为零.由公式2同理可得公式3.

对比式 （2）和式 （3） 可知，两式中的ibb1，iaa1相等，所以式 （2）中的iaa明显大于式 （3）中的iaa，YnD11接线中的零序电流是导致YnD11接线中的励磁电流大于YD11接线中的励磁电流大的原因［9］.所以三相变压器绕组的接线方式对于励磁涌流有很大的影响.表1为YgD11和YD11接线方式A相励磁涌流比较.表1中的基准值为变压器额定电流，由表1可以清晰地对比得出YgD11接线的励磁涌流比YD11接线励磁涌流的标幺值大很多，从而验证了理论的准确性.

图5 三相变压器YD11接线Fig.5 Three-phase transformer with YD11 connection

表1 YgD11接线和YD11接线A相励磁涌流比较TabIe 1 A phase inrush current in YgD11 connection and YD11 connection

2.2 MATLAB仿真结果及分析

通过在MATLAB仿真软件上改变变压器绕组的接线方式，通过示波器得出仿真波形对比YD11接线和YnD11接线中励磁涌流的大小.为了对比变压器YgD11绕组接线和YD11接线中励磁涌流的不同，改变变压器绕组的接线方式，其他参数保持不变，仿真波形如图6所示.

图6 变压器不同接线三相励磁涌流波形图Fig.6 Inrush current in different connection to three-phase transformer

比较图6可知，在其他参数相同的条件下，变压器YgD11接线的绕组中a相励磁涌流明显大于YD11接线绕组中a相励磁涌流，对于变压器YgD11绕组接线中的b，c两相涌流绝对大于YD11接线中的b，c相涌流峰值流，只是在波形图中不是十分明显.为减轻YgD11绕组接线的变压器在空载合闸时产生过大的励磁涌流对变压器造成损害，须在变压器中性点串接一个电阻［10］.

2.3 YgD11接线绕组中性点串接电阻

电源与变压器其他参数不变，取内插接地电阻200 Ω，在最严重的情况下合闸 （合闸初相角为0°）.用MATLAB对中性点串接电阻的变压器进行仿真，验证其准确性和实用性.

在YnD11中性点端接一个阻值为200 Ω的电阻，其他参数和YgD11绕组仿真模型相同.仿真结果波形如图7所示，由仿真波形可知励磁涌流的峰值由1 200 A减少到了500 A，合闸时的涌流衰减率最大可达到58.3%，在0.2 s即衰减到了额定值，可见中性点串接电阻能有效削弱励磁涌流.

图7 变压器中性点经电阻接地仿真波形Fig.7 SimuIation waveform of transformer with neutraI grounding resistors

3 结论

本文在合闸初相角θ=0°时，即在变压器产生励磁涌流最大时合闸，通过断路器并接合闸电阻来削弱励磁电流.通过分析可知此种方法起到了很好的抑制励磁电流的作用，也加快了励磁电流的衰减时间.通过零序电流算法对比了变压器绕组YgD11接线和YD11接线a相绕组的励磁电流，算出零序电流对增大励磁涌流有重要影响.通过对YgD11绕组中性点经电阻接地来削弱空载合闸时产生的励磁涌流，MATLAB仿真分析验证了这两种的方法对削弱励磁涌流起到了很好的作用.

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Transformer Inrush Current Suppression and Simulation Analysis

ZENG Liang，GUO Jian-yan，CHENG Li-an，XIA Tuo，XU Huan
（School of Electrical Engineering&Automation，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China）

In order to suppress the inrush current generated in transformer off-load switching，for two example，two MATLAB simulation models were built with circuit closing resistor in parallel and neutral grounding resistors respectively.Simulation results show that the inrush current decays faster with parallel closing resistors and better with neutral grounding resistors.

transformer；excitation inrush current；MATLAB simulation

TM401.1

A

1673-4432（2015）03-0047-04

（责任编辑 李 宁）

2014-12-08

2015-05-07

福建省自然科学基金项目 （2013J05102）

曾亮 （1989-），男，硕士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术.通讯作者：郭建炎 （1982-），男，副教授，博士，研究方向为电磁场分析与综合.E-mail：guojianyan@xmut.edu.cn