基于全数字仿真系统对变压器和应涌流的影响因素及特性研究

张 悦，白 瑞，张 岚

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；2.国网太原供电公司，山西 太原 030012）

基于全数字仿真系统对变压器和应涌流的影响因素及特性研究

张 悦1，白 瑞1，张 岚2

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；2.国网太原供电公司，山西 太原 030012）

利用全数字仿真系统建立了变压器和应涌流电磁暂态仿真模型，对并联和级联和应涌流的产生机理做了详细分析，研究了电网以及变压器中各种因素对变压器和应涌流幅值和产生速度的影响，得出系统阻抗中电阻是和应涌流产生的主要因素以及和应涌流中二次谐波含量较高且稳定的特点，为进一步研究和应涌流对变压器差动保护影响奠定了基础。

全数字仿真系统；和应涌流；系统电阻

近年来，出现了多起和应涌流导致变压器保护误动的实例，已引起继电保护工作者的广为关注，和应涌流现象已成为变压器保护研究的热点问题。迫切需要开展变压器和应涌流的波形特征、产生机理以及相关影响因素的研究，提出完善合理的防误动措施和具体的识别方案，使变压器在发生和应涌流情况下仍能稳定运行，保障电力系统的安全稳定和可靠供电。

1 变压器和应涌流仿真模型的建立

基于山西电网仿真中心的INTO电磁暂态仿真程序建立三相三绕组并/级联变压器和应涌流电磁暂态仿真模型，在分析并/级联变压器和应涌流波形特征、产生机理基础上，开展合闸相位角、初始剩磁以及系统阻抗等因素对变压器和应涌流影响的电磁暂态仿真研究。

1.1 和应涌流产生情况

和应涌流是电网中一台变压器空载投入时在另一台串/级联变压器中产生和应作用的现象，其产生可大致分为并联和级联两种情况。并联变压器和应涌流就是2台变压器并联，一台正常运行，另一台空载合闸，运行变压器中产生和应涌流的现象；级联变压器和应涌流就是2台变压器级联，系统侧变压器正常运行，级联的变压器空载合闸，运行变压器中产生和应涌流的现象。两种情况的电气系统见图1，图中1号变压器正常运行，2号变压器空载合闸。

图1 两种产生和应涌流的电气系统图

下面以2台并联变压器为例对和应涌流的产生进行说明。在图1 a中2号变压器空载合闸时会产生励磁涌流，励磁涌流中非周期分量通过系统电阻造成压降的重新分配，使得母线电压产生偏移，进而导致正常运行的1号变压器铁芯磁通产生偏移。当磁通偏移导致铁芯饱和时，1号变压器将产生和应涌流；若2号变压器不产生励磁涌流或励磁涌流很小不足以使1号变压器铁芯饱和时就不会产生和应涌流。在2台变压器级联的接线方式下，同样可以得出上述结论。对于三相变压器而言，无论断路器在任何瞬间合闸，至少有两相要出现不同程度的励磁涌流，因此，在相邻并/级联变压器中仍有可能出现和应涌流。

1.2 变压器和应涌流仿真模型

利用INTO电磁暂态仿真程序分别建立如图1所示2台变压器并联或级联仿真模型，该模型可以对变压器和应涌流的产生机理和影响因素做定性分析。仿真并联和应涌流模型时，2号变压器参数与1号变压器一致，1号、2号变压器参数如表1所示；仿真级联和应涌流模型时，1号变压器参数同表1，2号变压器参数如表2所示。

表1 1号、2号变压器并联时参数

表2 2号变压器级联时参数

2 变压器和应涌流影响因素

通过上述分析可知，影响变压器和应涌流的主要因素有初始剩磁、合闸相位角、系统阻抗等。下面针对这些影响因素进行运行变压器和应涌流幅值及饱和速度的仿真分析。在以下仿真模型中，系统短路容量为2 000MVA，零序电阻与正序电阻之比为1.0，零序电抗与正序电抗之比为1.0，2号变压器投入时间3.02 s。

2.1 2号变压器不同初始剩磁对和应涌流的影响

在仿真试验时，电源相位角为0°，系统阻抗R/X为0.1。随着2号变压器初始剩磁从0p.u.逐渐增大到0.9p.u.时，从图2可以看出，当初始剩磁正向逐渐增加，相应励磁涌流也正向增加，和应涌流产生速度加快，和应涌流幅值负方向增加；当初始剩磁负向逐渐增加，相应励磁涌流也负向增加，和应涌流产生速度加快，和应涌流幅值正方向增加。由此可以得出，当合闸角一定时，空投变压器的初始剩磁越大，励磁涌流将越大，和应涌流也将越大，并且和应涌流出现及达到最大值的速度越快。图2为2号变压器初始剩磁为0p.u.和0.9p.u.时励磁涌流与1号变压器产生和应涌流波形对比图。

图2 不同初始剩磁时1号变压器和应涌流和2号变压器励磁涌流波形

2.2 2号变压器不同电源相位角合闸对和应涌流的影响

仿真试验时，2号变压器初始剩磁为0p.u.，系统阻抗R/X为0.1，改变电源相位角。图3为电源相位角为0°和90°时合闸产生的和应涌流和励磁涌流波形，可以看出在电源相位角为0°时合闸，2号变压器A相出现了较大的励磁涌流值，同时1号变压器也会产生较大峰值的和应涌流；如果在90°时合闸，则2号变压器A相出现峰值较小的励磁涌流，因而在1号变压器A相出现的和应涌流也较小，但在其他两相出现了峰值较大的励磁涌流和和应涌流。

图3 初始剩磁为零时不同电源相位角合闸时和应涌流与励磁涌流波形

2.3 系统电阻对和应涌流的影响

仿真试验时，2号变压器初始剩磁为0p.u.，电源相位角为0°，改变系统电阻由改变电阻与电抗的比例关系即R/X来实现。通过仿真结果图4可以看出，系统电阻越大，1号变压器和应涌流幅值增加越快，达到饱和的速度越快，但系统电阻的大小对和应涌流的衰减速度影响有限。从仿真试验结果可以得出如下结论：系统电阻在整个回路中所占比例对和应涌流幅值和衰减均有影响，在产生和应涌流的过程中，系统电阻起着重要作用，它的大小决定了暂态磁通重新分配的速度，也就是达到最大幅值的时间的快慢。当和应涌流达到最大值即分配完毕后，它对和应涌流衰减的影响可以忽略。因此，对于和应涌流而言，由于小系统的系统电阻相对较大，也就是说，小系统的和应涌流更应引起特别关注。图4为同一模型不同系统电阻时产生和应涌流的情况。在R/X=0.001时，1号变压器已没有和应涌流现象，因此可以认为在R/X≤0.001时，和应涌流的影响可以忽略，实际运行中可以以此为临界点考虑。

图4 不同R/X时和应涌流与励磁涌流随的变化比较

2.4 系统电抗和变压器阻抗对和应涌流的影响分析

由系统电阻对和应涌流的影响分析可知，在系统阻抗一定的情况下，R/X之比小于0.001时，1号变压器已没有和应涌流现象。也就是说，系统电阻越小或者系统电抗越大，和应涌流产生及达到饱和的速度越慢，和应涌流峰值越小或者基本没有和应涌流发生。

由于系统电抗一般较小且远小于变压器阻抗，因此，系统电抗增大对降低涌流峰值的效果可忽略，它不会导致母线电压偏移，它不是和应涌流产生的直接原因。变压器阻抗较大，因此其对励磁涌流和和应涌流的峰值及衰减速度均有影响。在两种产生和应涌流的情形中变压器原副边阻抗作用并不相同，在并联和应涌流中，变压器原边阻抗中电阻对励磁涌流及和应涌流衰减起重要作用，尤其是和应涌流，它是导致和应涌流衰减的重要途径。在级联和应涌流中，系统侧变压器原边阻抗与系统阻抗作用相同，其副边阻抗与级联变压器原边阻抗作用一致，对励磁涌流的大小有限制作用，其电阻是和应涌流衰减的主要因素。

2.5 变压器和应涌流的谐波分析

目前变压器差动保护中普遍装设二次谐波制动环节，为了分析现有差动保护的适用性，下面结合仿真试验数据，利用傅立叶谐波含量分析程序对和应涌流中谐波含量进行分析。图5和图6为2台变压器并联时，2号变压器初始剩磁不同时1号变压器高压侧二次电流二次谐波含量图，从图中可以看出其二次谐波含量一直都是比较高，而且相对稳定。

图5 2号变压器初始剩磁0p.u.时1号变压器高压侧二次电流二次谐波含量图

图6 2号变压器初始剩磁0.9p.u.时1号变压器高压侧二次电流二次谐波含量图

3 和应涌流的特性

通过上述仿真，可以得到和应涌流的如下特性。

a）在完全相同的初始条件下，无和应作用时，励磁涌流衰减快，有和应作用时，衰减速度缓慢（长时间保持在一定水平），但励磁涌流的最大幅值基本相同。如图7所示。

图7 有和应作用与无和应作用时的励磁涌流波形比较

b）从本质上讲，和应涌流的产生也是由于偏磁导致变压器饱和引起的。从图8可见，励磁涌流在合闸后第一周波达到峰值，然后衰减至稳态，和应涌流峰值出现在合闸后几周期，幅值先增大再减小，衰减速度比励磁涌流缓慢，两者幅值的变化趋势以及衰减速度不同。

图8 励磁涌流与和应涌流

c）当合闸变压器励磁涌流处于峰值附近时，不产生和应涌流；当励磁涌流处于间断期间，在励磁涌流的作用下，运行变压器将产生和应涌流。因此励磁涌流与和应涌流在时间轴上相互交错，并且峰值相反，如图9所示。

图9 和应涌流与励磁涌流出现形式（单相为例）

d）和应涌流中二次谐波含量较高且相对稳定，因此，如果电流互感器没有饱和现象而且传变正确的话，和应涌流的产生不会对差动保护中二次谐波制动、间断角闭锁、波形对称等原理的涌流检测环节产生直接影响。

Research on Influencing Factors on and Characteristics of Sym pathetic Inrush Current in Transformers Based on All Digital Simulation System

ZHANG Yue1，BAI Rui1，ZHANG Lan2
（1.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030001，China；2.State Grid Taiyuan Power Supp ly Com pany of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030012，China）

Themodelofsympathetic inrush phenomena in transformers isestablished based on alldigitalsimulation system,and the generationmechanism ofparalleland cascade sympathetic inrush current is analysed.The factors influencing on amplitude and generating velocity of sympathetic inrush currentare studied.It is concluded thatelectrical resistance is themain reason leading to the generation of sympathetic inrush and that the contentofsecond harmonic generation remainshigh and stable.The conclusion laysa foundation for further research on sympathetic inrush currentof transformerdifferentialprotection.

alldigitalsimulation system；sympathetic inrush current；system impedance

TM41

A

1671-0320（2015）02-0005-05

2014-11-20，

2015-02-09

张 悦（1965），女，山西太原人，1988年毕业于太原工业大学电力分校电力系统及其自动化专业，高级工程师，从事继电保护工作；

白 瑞（1969），男，山西五台人，1999年毕业于华北电力大学电力系统及其自动化专业，高级工程师，从事继电保护工作；

张 岚（1969），女，山西太原人，1991年毕业于太原电力专科学校电力系统及其自动化专业，工程师，从事电气工程管理工作。