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基于能耗比的移变变压器励磁涌流的识别研究
摘要
随着经济和工业的快速发展，各行各业对电力的需求与日俱增，国家电网在电力系统上的投资也是逐年增加，电力系统的容量不断发展和扩大。变压器在电力系统占有重要的地位，承担着电能的传输和电压等级的变换，在发电和输配电中都发挥着重要的作用，是电力系统安全稳定运行的关键设备，在电力系统安全保护上，电力变压器的保护的要求更高。由于变压器的励磁涌流是变压器差动保护中的一个关键性研究难点，所以对变压器励磁涌流的识别对变压器保护、电力系统的运行稳定有着重要的意义。
本文对变压器的结构做了详细介绍，对变压器励磁涌流产生的机理，从励磁涌流和故障电流的特征进行分析，根据常用的变压器励磁涌流识别方法的各自的优缺点特征，对励磁涌流和故障电流的不同做了分析，提出了基于能耗比的移变变压器励磁涌流的识别方法。通过对监测到的变压器的电压电流信号的变化，来识别励磁涌流。在Matlab中的Simulink环境中搭建了励磁涌流的仿真模型，设计了仿真实验，对空载闸、单相接地等条件下的验证，对获得的结果进行了分析，在电力系统各种运行状态和故障情况下，能够很好的识别出励磁涌流和故障电流，减少了变压器保护的错误判断引起的误动，提高了变压器保护的可靠性。

关键词：电力系统，变压器，励磁涌流，能耗比

Identification of Magnetizing Inrush Current of Transformer Transformer Based on Energy Ratio
Abstract
With the rapid development of economy and industry, the demand for electricity in all walks of life is increasing day by day. The investment of the national grid in the power system is also increasing year by year, and the capacity of the power system is continuously developing and expanding. The transformer occupies an important position in the power system. It undertakes the transmission of electric energy and the transformation of the voltage level. It plays an important role in power generation and transmission and distribution. It is the key equipment for the safe and stable operation of the power system. The requirements for protection of power transformers are higher. Since the magnetizing inrush current of the transformer is a key research difficulty in the transformer differential protection, the identification of the transformer inrush current has important significance for the transformer protection and the stable operation of the power system.
In this paper, the structure of the transformer is introduced in detail. The mechanism of the magnetizing inrush current of the transformer is analyzed from the characteristics of the magnetizing inrush current and the fault current. According to the advantages and disadvantages of the commonly used transformer inrush current identification method, the magnetizing inrush current and fault current are applied. The difference is analyzed, and the identification method of the magnetizing inrush current of the transformer based on the energy consumption ratio is proposed. The magnetizing inrush current is identified by a change in the monitored voltage and current signal of the transformer. The simulation model of the magnetizing inrush current is built in the Simulink environment in Matlab. The simulation experiment is designed. The verification is carried out under the conditions of no-load gate and single-phase grounding. The obtained results are analyzed in various operating states of the power system. In the case of a fault, the magnetizing inrush current and the fault current can be well recognized, the malfunction caused by the wrong judgment of the transformer protection is reduced, and the reliability of the transformer protection is improved.

Key Words: Power system, Transformer, Magnetizing inrush current, Energy ratio

目 录
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 励磁涌流识别发展趋势 2
1.4 论文主要研究内容及组织结构 2
第2章 变压器励磁涌流分析 4
2.1 变压器励磁涌流的产生原因 4
2.2 励磁涌流与变压器器保护关系分析 5
2.3 变压器涌流识别方法 6
2.3.1谐波识别法 6
2.3.2 波形特征识别法 7
2.3.3 等值电路识别法 7
2.3.4 有功功率识别法 8
2.4 本章小结 8
第3章 基于能耗比的变压器涌流识别方法 9
3.1 励磁涌流特征分析 9
3.2 变压器励磁涌流分析模型 9
3.3 基于能耗比的变压器励磁涌流识别 10
3.4 本章小结 11
第4章 基于能耗比的变压器涌流识别仿真 12
4.1 仿真模型建立 12
4.2 仿真结果分析 13
结论 14
参考文献 15
谢辞 18

第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
电力系统是把多种设备相连在一块来实现实际生产中发电、变电、输电和用电四个过程，对于变电的这一过程通常是由变压器来实现的。变压器在电力系统中扮演着至关重要的角色，在电力传输过程中，其是电压高低之间变换的关键枢纽，在系统中能够实现能量传递。变压器的工作状况在一定程度上决定了系统能否稳定工作，若是突然之间发生了比较严重的故障，线路可能就无法实现通电。若变压器发生故障后，对其进行检修往往是比较麻烦的，而且在经济上一般也会造成难以估计的损失，所以在对变压器进行保护时，应尽可能满足继电保护的基本要求。
在实际生活中，电力设备可能会长时间处于持续运行的状况，在这样的情况下，可能会导致电力设备出现事故的概率增加。根据所查阅的资料发现，电力设备故障是造成电网故障最主要的原因，而变压器一般作为设备中比较重要的元件，如果变压器有故障发生时，不但会使电网瘫痪，而且状况严重时，会造成非常大的经济亏损甚至对人身安全造成伤害， 纵联差动保护一般作为变压器的主保护，在电力系统中得到了比较广泛的应用，在相同的基准值下，对变压器原边及副边的电流相位与幅值进行分析，可以判断有没有故障发生。变压器励磁涌流并不属于故障状态，但是会有非常大的差流出现导致保护误动作，特别是在变压器空载合闸或外部故障消除时涌流更容易产生。因此，针对变压器保护进行分析时，至关重要的问题就是准确有效的识别励磁涌流。
电力变压器作为电力系统中的重要设备，本身就是一个内部结构复杂的非线性元件，在各种运行状态的分析中，受到电流电压状态和磁路信息的影响，研究涌流对变压器故障信息的判断具有重要的作用。
1.2 国内外研究现状
目前国内外的许多研究人员和专家对于变压器的保护方面都做了大量深入的研究，包括软件与硬件的保护装置，同时对于鉴别励磁涌流的手段也提出了很多方法，进而可以很快的推进鉴别励磁涌流的方法的研究。利用电流间断角制动原理和二次谐波制动原理的差动保护是应用于变压器主保护的两个主要的原理。其中，当使用第一种原理方法进行制动的时候，应该尽可能的采用比较高的采用频率，这样的话才能尽可能的满足间断角的精度要求。一般间断角处的绝对值很小，但是A/D转换芯片恰恰在零点的附近处于转换误差最大的情况，鉴于这种情况，选用的转换芯片要有较高的分辨率，提高保护的灵敏度来准确判断电流是否出现间断的情况。然而要达到这样的目的，需要对硬件有更高的要求，无疑会增加保护装置的成本。因此在微机型变压器纵差动保护中使用的较多原理是二次谐波制动原理。但是这种原理也有很多不足之处:在某些情况下可能产生谐振，例如提高电网的电压等级、投入运行较大容量的变压器和无功补偿装置并联使用过程中产生的分布电容，从而增加短路电流中的二次谐波成分，造成保护延迟动作。在实际的工程应用中，比率制动是经常采用的方法，采用的目的是为了防治外部短路引起的不平衡电流导致的保护装置误动作，但是这种发放并不适用于高过渡电阻的故障发生的情况下。
1.3 励磁涌流识别发展趋势
变压器励磁涌流的识别方法现在很对哦，传统的有等值电路原理识别法。波形对称识别原理、磁路分析和对系统中的高频分量分析法。但是由于变压器器结构和电气性能的特殊性，每种方法都在实际应用中难以达到理论分析的准确性。例如等值电路法，首先是利用变压器的等值电路作为分析的基础，但是变压器是个非线性元件，电路分析时就是对其进行配线性化处理，这种处理就带有一定的偏差，变压器等值电路中的参数整定时，参数的准确性也会影响到该方法的正确性。波形对称法是基于变压器涌流的波形进行分析识别，但是如何能够获得涌流的波形，就是一大难题，在对波形的采集分析过程中也会导致偏差的存在。需要利用现在其他科学技术的进入共同研究涌流的识别，利用现在的计算机科学技术，综合算法学对变压器励磁涌流进行研究成为未来的发展趋势。
1.4 论文主要研究内容及组织结构
电力的应用在现代生活中、科学技术发展上发挥着不能替代的作用，在电力系统中变压器的作用越来越重要，但是在对变压器的保护中，对于励磁涌流的正确识别能够减少变压器保护的误动作，对于电力系统的稳定运行至关重要。随着电力系统的容量和安全性的提高，对变压器的励磁涌流和故障电流的识别也提出了更高的要求，本文在研究了变压器结构特性和保护基本原理的额基础上，研究了基于便器能耗比的励磁涌流识别方法，并对该方法做了系统分析和仿真，论文的结构和内容如下：
第一章首先讲述了本课题研究的背景及意义，分析了国内外的相关领域的研究现状，并励磁涌流识别的重要性和传统的方法存在的问题做了详细分析，并对未来的发展趋势做了一定预测。
第二章是变压器的励磁涌流的产生和识别方法做了大致的介绍，对变压器故障和空载合闸时做了详细的介绍，结合电路原理图进行了分析，对涌流与变压器的保护关系做了深入的说明，结合原来的每种方法的特点和原理都做了剖析，包括谐波识别法、波形特征识别法、等值电路识别法、有功功率识别法，对每种方法都给出了应用的原理，对优劣性也做了比较分析。
第三章主要对基于能耗比的移变比变压器的励磁涌流的识别进行了分析，首先分析了励磁涌流的特征，为下面对其识别提供了识别的额基本依据，建立了变压器=器励磁涌流分析的数学模型，在基于等效T型电路对单相变压器进行了分析，最后给出了基于变压器能耗比的励磁涌流识别方法。
第四章主要是基于能耗比的变压器励磁涌流识别仿真研究，搭建了变压器空载合闸于励磁涌流和变压器空载发生匝间短路故障下的模型，对仿真结果进行了分析。

第2章 变压器励磁涌流分析
2.1 变压器励磁涌流的产生原因
变压器在空载的状态在，进行合闸时，或是在故障恢复到正常运行状态时，变压器的励磁电流就会发生巨大的增加。在电力系统中就会存在变压器投切的情况，当合变压器的瞬间就会在合闸时产生较大的涌流。变压器正常的情况下励磁涌流较小，但是发生故障就会导致励磁涌流变大，造成变压器的不平衡电流增加，导致而保护装置动作。
对单相变压器的励磁涌流进行分析，在单相变压器中接入电压为，假设在讨论分析时，对变压器的楼阻抗做为0处理，绕组匝数分为1。当变压器进行空载合闸时，则有：
（2.1）
对式（2.1）的微分方程进行求解有：
（2.2）
变压器磁通在合闸时不能突变，即是当时，变压器合闸，变压器的应该是等于变压器里面的铁芯的剩磁，式（2.2）中的常数就是与剩磁有关，其关系式为：
（2.3）
代入式（2.2）可以得到：
（2.4）
在式（2.4）中，，代表变压器中的稳态磁通分量，在变压器单相磁通涌流分析中，不考虑变压器的损耗，这样就相当于磁通中的直流分量。由上述分析可以看出，变压器的电压和磁通的在相角上差的相位角，在合闸的瞬间，电压处于最大值，磁通量为0，如图2-1所示，这时候变压器中的励磁涌流为0，没有励磁涌流的产生。

图2-1 合闸瞬间变压器暂态磁通
另外的情况，在合闸的瞬间电压为0，变压器中的铁芯磁通正好相反，为最大值，产生磁通就会和铁芯的剩磁就会相互叠加，如果假设剩磁通，产生的感应的磁通为，在方向预剩磁的方向正好相反，这样的在铁芯中的总磁通也是0，过了半个周期后，由于磁通叠加就会达到最大的，这就会产生合闸瞬间很大的励磁涌流，如图2-2就是单相励磁涌流波形。

图2-2 合闸瞬间单相励磁涌流产生波形
2.2 励磁涌流与变压器器保护关系分析
变压器的保护主要是现在的差动保护，保护对象主要包括变压器绕组中的线圈及铁芯的各个电气量，对也铁芯及线圈中的磁路的保护在对电气线路的保护时考虑较少，常用的变压器单相差动保护的原理图如2-3所示。

图2-3 单相变压器差动保护原理图
对原理图分析可知，变压器正常运行的情况下，没有发生任何故障，电路和磁路的两端的电流的相量恒等于0，用式子表示为：
（2.5）
如果变压器中有故障发生，原来的平衡就会被打破，产生的故障电流就会在变压器电气回路中难以抵消，就会出现：
（2.6）
在式（2.6）中，是流出故障点的短路电流。如果保护的变压器中的有条电路和一条磁路，就可以得到空载合闸有：
（2.7）
在式（2.7）中，是变压器中的励磁涌流。在正常的稳态励磁的过程中，变压器铁芯容易磁饱和，当发生过励磁时，产生的稳态涌流高达，变压器差动保护的一般最小的保护动作电流约设为（），这样的话就会产生变压器保护误动作。
2.3 变压器涌流识别方法
2.3.1谐波识别法
谐波识别法是在涌流识别中常用的一种方法，主要是计算电流中的二次谐波的含量俩识别涌流。利用的判别式的比较来做出识别的结论。
（2.8）
在式中，、分别代表谐波中的基波幅值和二次谐波幅值，表示二次谐波的制动比。这种识别方法原理相对较简单，对系统采样的硬件要求也低，在一般的场合使用较为广泛。但是该方法存在着较大的问题，励磁涌流是暂态的，在提取基波和二次谐波幅值时容易由于时间的而延迟产生误差，造成保护的误动作。在确定值制动比时较难。制动比的值选取的不当选取较小容易误动作，选取较大，会降低保护动作的可靠性。