基于Matlab/Simulink的变压器运行仿真分析

田震

摘  要：文章简单介绍了变压器运行原理，在理论基础上，运用Matlab/Simulink中电气系统模块库中的仿真模型，对常见的双绕组三相变压器在空载合闸过程中产生励磁涌流的工况进行仿真建模，并通过模型获得了空载合闸时电流电压变化曲线及其变化规律，研究结果对提高变压器运行的可靠性、减少事故发生率具有一定的指导意义。

关键词：变压器;Matlab;仿真;励磁涌流

中图分类号：TM407        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）26-0009-03

Abstract： In this paper， the principle and mechanism of transformer operation are briefly introduced. On the basis of theory， the simulation model of electrical system module library in Matlab/Simulink is used. In this paper， the simulation modeling of the excitation inrush current produced by the common double-winding three-phase transformer in the process of no-load closing is carried out， and the current and voltage variation curve and its variation law during no-load closing are obtained through the model. The research results have certain guiding significance to improve the reliability of transformer operation and reduce the incidence of accidents.

Keywords： transformer; Matlab; simulation; excitation inrush current

引言

在電力系统运行中，变压器是重要设备之一，能够保证整个系统连续的、可靠的稳定运行，但它也是容易发生电力系统各种事故最多的设备之一，为了更好地研究变压器的结构特点和保护运行方式，对变压器进行仿真显得十分必要。本文利用Matlab/Simulink对常见的双绕组三相变压器在空载合闸的过程中电流电压变化曲线及其变化规律仿真分析，观察分析变压器电流电压变化的特性。

1 变压器励磁涌流特点

1.1 变压器工作原理

变压器的基本原理是借助于电磁感应，并且在相同的频率，通过两个或者更多的绕组之间，转换交流电压和电流，并将电能传输到另一端的一种静止型电器。其工作原理如图1所示。

当原绕组外加电压U1时，原边就有电流I1流过，并在铁芯中产生与U1同频率的交变主磁通Φm，主磁通同时链绕原、副绕组，根据电磁感应定律，会在原、副绕组中产生感应电势E1、E2，副边在E2的作用下产生负载电流I2，向负载输出电能。

1.2 励磁涌流产生原因

通常，正常运行的变压器中产生的励磁电流不是太大，但是在空载合闸的那一瞬间，将会产生很大的瞬间冲击电流，该值可能会达额定电流的3～4倍，是正常空载运行时电流的几十倍甚至百倍以上[1]。主要原因是因为当变压器进行空载投入时，变压器铁芯交变电流磁通量大于Φm，将瞬间达到瞬变磁通量Φx，导致变压器励磁涌流沿磁化特性曲线将迅速增大，产生了合闸励磁涌流。其过程如图2所示。

励磁涌流大小与变压器铁芯的材质及结构、瞬间合闸的初相角、变压器的等值阻抗、变压器铁芯剩磁大小、变压器绕组接线方式等诸多因素有关。变压器空载合闸会造成很多故障，比如产生的较大的励磁涌流，会造成控制变压器的相关继电保护装置误动作、电网电压骤降或骤升、一些敏感脆弱的电子电力器件损坏，有时还会导致电动机振动老化等不良后果[2]。

1.3 励磁涌流的影响及抑制措施

传统的抑制励磁涌流的方法包括采用谐波制动保护装置、放大保护动作电流定值方法来躲过励磁涌流，可这些方法只是治标不治本。目前抑制励磁涌流的方法主要有两种，一是通过变压器外部控制削减励磁涌流。二是通过内部控制改变变压器的内部结构达到削弱励磁涌流的目的[1，3-4]。

2 基于Matlab/Simulink的励磁涌流仿真

在实际现场中应用的各种变压器，其体积一般都比较庞大，并且价格比较昂贵，如果想直接通过在上面现场做试验的方法来研究空载合闸下的励磁涌流现象难度较大，但如果采用计算机软件仿真计算的方法，就可以解决这个难题了。

文中以一个三相变压器为例搭建仿真模型，进行空载合闸励磁涌流的仿真分析[5-9]，为了验证仿真模型和计算方法的正确性和有效性，通过获得空载合闸的过程中电流电压变化曲线及其变化规律直观分析变压器励磁涌流的特征和影响因素。其基本参数的设置见表1。

2.1 变压器仿真模型构建

在通过Matlab进行仿真分析中，Simulink是最重要的仿真组件之一，是Matlab中的一种利用可视化手段进行仿真的强大工具，它基于框图式的设计环境，来实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，它被广泛应用于到各种非线性系统、线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。在创建动态系统模型的时候，Simulink利用一个图形用户接口（GUI），它采用模型方块图的方式来建立各种仿真模型，只需点击和拖曳鼠标等操作就能完成所有的创建过程，这种快捷、直接明了的建模仿真方式，可以让用户立即看到系统的仿真结果。本文中变压器励磁涌流的仿真分析模型构建运用到的主要各模块及功能简介见表2。

表2 变压器仿真模型构建运用到的主要各模块

2.2 变压器励磁涌流的仿真

根据需要，从Matlab/Simulink电力系统ToolBoxs中选取相关元件来建立仿真模型，根据表1中基本参数设定元件的初始值，然后点击运行，对变压器励磁涌流的过程进行仿真，图3就是建立好的对应的Simulink仿真分析模型，为了方便，设置其中的三相断路器模块QF的切换时间为0s，仿真过程的时间为0.5s，仿真的算法Ode23t。

运行仿真，得到空载合闸后的三相励磁涌流的电压、电流波形如图4、图5所示。

由图可见变压器空载合闸瞬间，由于剩磁和初相角的影响，产生幅值很大的励磁涌流。励磁涌流含有大量高次谐波分量（以二次谐波为主），变压器的容量越大，涌流的幅度越大，持续的时间越长。当变压器在电压过零点合闸时，产生最大的励磁电流，其峰值最大可达额定电流的6～8倍。

2.3 增加电容器抑制的仿真建模

根据变压器励磁涌流的特点可知，若在变压器低压侧连接电容器，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。为了验证该方式，改变Simulink仿真模型，如图6所示。

设置三相断路器模块QF的切换时间为0s，仿真时间为0.5s，仿真算法Ode23t，進行仿真。空载合闸后的三相励磁涌流电流波形如图7。

比较图5和图7可见，加装电容器后三相变压器空载合闸时的涌流的幅度变小，持续的时间变短。

3 结论

本文运用Matlab/Simuli-

nk仿真软件对变压器空载合闸时励磁涌流进行了仿真分析，通过对比仿真分析可以很直观的在波形上就看出励磁涌流的危害，可以避免某些情况下对电网中变压器的错误操作，仿真的结果也验证消除励磁涌流方法的有效性和可行性，该结果对实际运用和研究有一定的指导意义，尤其是为理论分析变压器保护措施提供了帮助，是一种不错的分析手段。

参考文献：

[1]谢明琛，张广溢.电机学[M].重庆：重庆大学出版社，2010：53-55.

[2]彭静英，张俊芳，杨伟.一种新的变压器励磁涌流抑制技术[J].河海大学常州分校学报，2007，21（4）：72-74，90.

[3]顾春阳，王爱元，李健，等.一种有效抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法[J].变压器，2015，52（11）：33-36.

[4]陈仁云，梁娇兰.基于Matlab的抑制变压器励磁涌流仿真研究[J].南方电网技术，2012，6（3）：86-89.

[5]李其莹，吴遨，韩金林，等.基于MATLAB的1000kV特高压变压器仿真[J].山东电力技术，2018，247（45）：10-13.

[6]胡义军，程超.基于MATLAB-Simulink的稳压变压器建模与仿真[J].船电技术，2012，32（7）：54-55，60.