基于MATLAB软件的三相变压器空载合闸励磁涌流仿真与分析

王斌 魏颖* 沈阳工学院信息与控制学院

引言：变压器是电力设备供电系统中很重要的器件，如果变压器发生了硬件性故障将会对整个电力运行系统的稳定运行带来严重的影响，特别是在变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复到正常值时，因为铁芯饱和产生很大的励磁涌流。由于对变压器励磁涌流的原理分析比较复杂，涉及到电路原理、电机学、电磁场、微积分，并且包含大量的计算和画图。MATLAB的引入，可以使励磁涌流的分析更加统、简便和直观。本文运用MATLAB软件, 对变压器空载合闸这一瞬变过程进行计算机软件仿真分析。

1 MATLAB 电力系统模块简介

MATLAB是一种吧可视化程序设计融合在一个各种模块交互工作状态的软件。通过仿真运算，以及数据分析，对电气系统中的电气元器件进行可视化建模和仿真，即使很复杂的电力系统运算都可以进行仿真。

在以Simulink 为运行环境的状态下，包含了电路，电力电子，电气传动等常用的基本元件和系统的仿真模型。在本文中的仿真中主要由4个模块构成：电源模块，断路器模块，测量模块，变压器模块。

2 仿真模型

2.1 系统模型

利用MATLAB PSB 所建立的用于变压器空载合闸瞬变过程仿真分析的系统模型如图1所示, 图中的变压器、等效电源、负荷、断路器、Fourier(傅里叶)分析以及测量模块等都是MATLAB PSB模块库中的标准模型。按图1建立带有等效电源，断路器以及测量模块的三相饱和变压器标准模型。

图1 系统模型

2.2 参数设置

在图1中，三相电源Equivalent的参数设置如图2所示，电压源选用66000V电源，频率为50Hz。变压器采用三相两绕组变压器模型，选择“饱和铁芯”。为简化仿真，变压器两侧的绕组接线方式相同，电压等级也相同，变压器的参数设置如图3所示。

图2 电源模块参数设置

图3 变压器参数设置

三相断路器模块如图4所示，用来控制变压器的投入，仿真时，主要改变它们的切换时间。本文设计的仿真实验断路器开断时间选用 0.06s。

3 仿真分析

利用图1所示的模型分析出变压器空载合闸过程时，设置三相断路器模块的切换时间为0s，仿真时间为0.5 s，仿真算法器为Ode23t。将电源E的A 相初相位设为0°，运行仿真，得到空载合闸后依次显示出的电压，电流以及三相励磁涌流的波形如图5所示。

图5 三相励磁涌流波形

观察空载合闸后的三相励磁涌流的仿真结果，由图3知, 变压器空载合闸时出现三相程度不同的励磁电流。即A、B相的励磁电流为励磁涌流, 由于外加电压相位的不同、铁芯中剩磁的大小和方向的不同,而C相只为正常的励磁电流。由图5可知, 励磁涌流包含有很大成分的非周期分量, 致使涌流偏于时间轴的一侧,且波形之间出现间断。励磁涌流属于正常工作状态下的电流, 但它却是诱发保护动作的差动电流。因此,在变压器保护中,必须鉴别出励磁涌流,防止差动保护误动。励磁涌流的电流值往往比短路电流大,大型变压器的励磁涌流衰减比较慢, 若采用提高保护的动作电流值,会降低保护的灵敏度, 会延长保护时间。

4 结论

本文利用MATLAB的电气系统模块库，为分析研究变压器空载合闸瞬变过程建立了仿真模型, 建模简单方便, 并可在Simulink环境中高效地进行仿真分析，为系统设计和分析提供了一种有力手段。