張 悅，白 瑞，張 嵐

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.國網(wǎng)太原供電公司，山西 太原 030012）

基于全數(shù)字仿真系統(tǒng)對變壓器和應(yīng)涌流的影響因素及特性研究

張 悅1，白 瑞1，張 嵐2

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.國網(wǎng)太原供電公司，山西 太原 030012）

利用全數(shù)字仿真系統(tǒng)建立了變壓器和應(yīng)涌流電磁暫態(tài)仿真模型，對并聯(lián)和級聯(lián)和應(yīng)涌流的產(chǎn)生機理做了詳細(xì)分析，研究了電網(wǎng)以及變壓器中各種因素對變壓器和應(yīng)涌流幅值和產(chǎn)生速度的影響，得出系統(tǒng)阻抗中電阻是和應(yīng)涌流產(chǎn)生的主要因素以及和應(yīng)涌流中二次諧波含量較高且穩(wěn)定的特點，為進(jìn)一步研究和應(yīng)涌流對變壓器差動保護(hù)影響奠定了基礎(chǔ)。

全數(shù)字仿真系統(tǒng)；和應(yīng)涌流；系統(tǒng)電阻

近年來，出現(xiàn)了多起和應(yīng)涌流導(dǎo)致變壓器保護(hù)誤動的實例，已引起繼電保護(hù)工作者的廣為關(guān)注，和應(yīng)涌流現(xiàn)象已成為變壓器保護(hù)研究的熱點問題。迫切需要開展變壓器和應(yīng)涌流的波形特征、產(chǎn)生機理以及相關(guān)影響因素的研究，提出完善合理的防誤動措施和具體的識別方案，使變壓器在發(fā)生和應(yīng)涌流情況下仍能穩(wěn)定運行，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和可靠供電。

1 變壓器和應(yīng)涌流仿真模型的建立

基于山西電網(wǎng)仿真中心的INTO電磁暫態(tài)仿真程序建立三相三繞組并/級聯(lián)變壓器和應(yīng)涌流電磁暫態(tài)仿真模型，在分析并/級聯(lián)變壓器和應(yīng)涌流波形特征、產(chǎn)生機理基礎(chǔ)上，開展合閘相位角、初始剩磁以及系統(tǒng)阻抗等因素對變壓器和應(yīng)涌流影響的電磁暫態(tài)仿真研究。

1.1 和應(yīng)涌流產(chǎn)生情況

和應(yīng)涌流是電網(wǎng)中一臺變壓器空載投入時在另一臺串/級聯(lián)變壓器中產(chǎn)生和應(yīng)作用的現(xiàn)象，其產(chǎn)生可大致分為并聯(lián)和級聯(lián)兩種情況。并聯(lián)變壓器和應(yīng)涌流就是2臺變壓器并聯(lián)，一臺正常運行，另一臺空載合閘，運行變壓器中產(chǎn)生和應(yīng)涌流的現(xiàn)象；級聯(lián)變壓器和應(yīng)涌流就是2臺變壓器級聯(lián)，系統(tǒng)側(cè)變壓器正常運行，級聯(lián)的變壓器空載合閘，運行變壓器中產(chǎn)生和應(yīng)涌流的現(xiàn)象。兩種情況的電氣系統(tǒng)見圖1，圖中1號變壓器正常運行，2號變壓器空載合閘。

圖1 兩種產(chǎn)生和應(yīng)涌流的電氣系統(tǒng)圖

下面以2臺并聯(lián)變壓器為例對和應(yīng)涌流的產(chǎn)生進(jìn)行說明。在圖1 a中2號變壓器空載合閘時會產(chǎn)生勵磁涌流，勵磁涌流中非周期分量通過系統(tǒng)電阻造成壓降的重新分配，使得母線電壓產(chǎn)生偏移，進(jìn)而導(dǎo)致正常運行的1號變壓器鐵芯磁通產(chǎn)生偏移。當(dāng)磁通偏移導(dǎo)致鐵芯飽和時，1號變壓器將產(chǎn)生和應(yīng)涌流；若2號變壓器不產(chǎn)生勵磁涌流或勵磁涌流很小不足以使1號變壓器鐵芯飽和時就不會產(chǎn)生和應(yīng)涌流。在2臺變壓器級聯(lián)的接線方式下，同樣可以得出上述結(jié)論。對于三相變壓器而言，無論斷路器在任何瞬間合閘，至少有兩相要出現(xiàn)不同程度的勵磁涌流，因此，在相鄰并/級聯(lián)變壓器中仍有可能出現(xiàn)和應(yīng)涌流。

1.2 變壓器和應(yīng)涌流仿真模型

利用INTO電磁暫態(tài)仿真程序分別建立如圖1所示2臺變壓器并聯(lián)或級聯(lián)仿真模型，該模型可以對變壓器和應(yīng)涌流的產(chǎn)生機理和影響因素做定性分析。仿真并聯(lián)和應(yīng)涌流模型時，2號變壓器參數(shù)與1號變壓器一致，1號、2號變壓器參數(shù)如表1所示；仿真級聯(lián)和應(yīng)涌流模型時，1號變壓器參數(shù)同表1，2號變壓器參數(shù)如表2所示。

表1 1號、2號變壓器并聯(lián)時參數(shù)

表2 2號變壓器級聯(lián)時參數(shù)

2 變壓器和應(yīng)涌流影響因素

通過上述分析可知，影響變壓器和應(yīng)涌流的主要因素有初始剩磁、合閘相位角、系統(tǒng)阻抗等。下面針對這些影響因素進(jìn)行運行變壓器和應(yīng)涌流幅值及飽和速度的仿真分析。在以下仿真模型中，系統(tǒng)短路容量為2 000MVA，零序電阻與正序電阻之比為1.0，零序電抗與正序電抗之比為1.0，2號變壓器投入時間3.02 s。

2.1 2號變壓器不同初始剩磁對和應(yīng)涌流的影響

在仿真試驗時，電源相位角為0°，系統(tǒng)阻抗R/X為0.1。隨著2號變壓器初始剩磁從0p.u.逐漸增大到0.9p.u.時，從圖2可以看出，當(dāng)初始剩磁正向逐漸增加，相應(yīng)勵磁涌流也正向增加，和應(yīng)涌流產(chǎn)生速度加快，和應(yīng)涌流幅值負(fù)方向增加；當(dāng)初始剩磁負(fù)向逐漸增加，相應(yīng)勵磁涌流也負(fù)向增加，和應(yīng)涌流產(chǎn)生速度加快，和應(yīng)涌流幅值正方向增加。由此可以得出，當(dāng)合閘角一定時，空投變壓器的初始剩磁越大，勵磁涌流將越大，和應(yīng)涌流也將越大，并且和應(yīng)涌流出現(xiàn)及達(dá)到最大值的速度越快。圖2為2號變壓器初始剩磁為0p.u.和0.9p.u.時勵磁涌流與1號變壓器產(chǎn)生和應(yīng)涌流波形對比圖。

圖2 不同初始剩磁時1號變壓器和應(yīng)涌流和2號變壓器勵磁涌流波形

2.2 2號變壓器不同電源相位角合閘對和應(yīng)涌流的影響

仿真試驗時，2號變壓器初始剩磁為0p.u.，系統(tǒng)阻抗R/X為0.1，改變電源相位角。圖3為電源相位角為0°和90°時合閘產(chǎn)生的和應(yīng)涌流和勵磁涌流波形，可以看出在電源相位角為0°時合閘，2號變壓器A相出現(xiàn)了較大的勵磁涌流值，同時1號變壓器也會產(chǎn)生較大峰值的和應(yīng)涌流；如果在90°時合閘，則2號變壓器A相出現(xiàn)峰值較小的勵磁涌流，因而在1號變壓器A相出現(xiàn)的和應(yīng)涌流也較小，但在其他兩相出現(xiàn)了峰值較大的勵磁涌流和和應(yīng)涌流。

圖3 初始剩磁為零時不同電源相位角合閘時和應(yīng)涌流與勵磁涌流波形

2.3 系統(tǒng)電阻對和應(yīng)涌流的影響

仿真試驗時，2號變壓器初始剩磁為0p.u.，電源相位角為0°，改變系統(tǒng)電阻由改變電阻與電抗的比例關(guān)系即R/X來實現(xiàn)。通過仿真結(jié)果圖4可以看出，系統(tǒng)電阻越大，1號變壓器和應(yīng)涌流幅值增加越快，達(dá)到飽和的速度越快，但系統(tǒng)電阻的大小對和應(yīng)涌流的衰減速度影響有限。從仿真試驗結(jié)果可以得出如下結(jié)論：系統(tǒng)電阻在整個回路中所占比例對和應(yīng)涌流幅值和衰減均有影響，在產(chǎn)生和應(yīng)涌流的過程中，系統(tǒng)電阻起著重要作用，它的大小決定了暫態(tài)磁通重新分配的速度，也就是達(dá)到最大幅值的時間的快慢。當(dāng)和應(yīng)涌流達(dá)到最大值即分配完畢后，它對和應(yīng)涌流衰減的影響可以忽略。因此，對于和應(yīng)涌流而言，由于小系統(tǒng)的系統(tǒng)電阻相對較大，也就是說，小系統(tǒng)的和應(yīng)涌流更應(yīng)引起特別關(guān)注。圖4為同一模型不同系統(tǒng)電阻時產(chǎn)生和應(yīng)涌流的情況。在R/X=0.001時，1號變壓器已沒有和應(yīng)涌流現(xiàn)象，因此可以認(rèn)為在R/X≤0.001時，和應(yīng)涌流的影響可以忽略，實際運行中可以以此為臨界點考慮。

圖4 不同R/X時和應(yīng)涌流與勵磁涌流隨的變化比較

2.4 系統(tǒng)電抗和變壓器阻抗對和應(yīng)涌流的影響分析

由系統(tǒng)電阻對和應(yīng)涌流的影響分析可知，在系統(tǒng)阻抗一定的情況下，R/X之比小于0.001時，1號變壓器已沒有和應(yīng)涌流現(xiàn)象。也就是說，系統(tǒng)電阻越小或者系統(tǒng)電抗越大，和應(yīng)涌流產(chǎn)生及達(dá)到飽和的速度越慢，和應(yīng)涌流峰值越小或者基本沒有和應(yīng)涌流發(fā)生。

由于系統(tǒng)電抗一般較小且遠(yuǎn)小于變壓器阻抗，因此，系統(tǒng)電抗增大對降低涌流峰值的效果可忽略，它不會導(dǎo)致母線電壓偏移，它不是和應(yīng)涌流產(chǎn)生的直接原因。變壓器阻抗較大，因此其對勵磁涌流和和應(yīng)涌流的峰值及衰減速度均有影響。在兩種產(chǎn)生和應(yīng)涌流的情形中變壓器原副邊阻抗作用并不相同，在并聯(lián)和應(yīng)涌流中，變壓器原邊阻抗中電阻對勵磁涌流及和應(yīng)涌流衰減起重要作用，尤其是和應(yīng)涌流，它是導(dǎo)致和應(yīng)涌流衰減的重要途徑。在級聯(lián)和應(yīng)涌流中，系統(tǒng)側(cè)變壓器原邊阻抗與系統(tǒng)阻抗作用相同，其副邊阻抗與級聯(lián)變壓器原邊阻抗作用一致，對勵磁涌流的大小有限制作用，其電阻是和應(yīng)涌流衰減的主要因素。

2.5 變壓器和應(yīng)涌流的諧波分析

目前變壓器差動保護(hù)中普遍裝設(shè)二次諧波制動環(huán)節(jié)，為了分析現(xiàn)有差動保護(hù)的適用性，下面結(jié)合仿真試驗數(shù)據(jù)，利用傅立葉諧波含量分析程序?qū)蛻?yīng)涌流中諧波含量進(jìn)行分析。圖5和圖6為2臺變壓器并聯(lián)時，2號變壓器初始剩磁不同時1號變壓器高壓側(cè)二次電流二次諧波含量圖，從圖中可以看出其二次諧波含量一直都是比較高，而且相對穩(wěn)定。

圖5 2號變壓器初始剩磁0p.u.時1號變壓器高壓側(cè)二次電流二次諧波含量圖

圖6 2號變壓器初始剩磁0.9p.u.時1號變壓器高壓側(cè)二次電流二次諧波含量圖

3 和應(yīng)涌流的特性

通過上述仿真，可以得到和應(yīng)涌流的如下特性。

a）在完全相同的初始條件下，無和應(yīng)作用時，勵磁涌流衰減快，有和應(yīng)作用時，衰減速度緩慢（長時間保持在一定水平），但勵磁涌流的最大幅值基本相同。如圖7所示。

圖7 有和應(yīng)作用與無和應(yīng)作用時的勵磁涌流波形比較

b）從本質(zhì)上講，和應(yīng)涌流的產(chǎn)生也是由于偏磁導(dǎo)致變壓器飽和引起的。從圖8可見，勵磁涌流在合閘后第一周波達(dá)到峰值，然后衰減至穩(wěn)態(tài)，和應(yīng)涌流峰值出現(xiàn)在合閘后幾周期，幅值先增大再減小，衰減速度比勵磁涌流緩慢，兩者幅值的變化趨勢以及衰減速度不同。

圖8 勵磁涌流與和應(yīng)涌流

c）當(dāng)合閘變壓器勵磁涌流處于峰值附近時，不產(chǎn)生和應(yīng)涌流；當(dāng)勵磁涌流處于間斷期間，在勵磁涌流的作用下，運行變壓器將產(chǎn)生和應(yīng)涌流。因此勵磁涌流與和應(yīng)涌流在時間軸上相互交錯，并且峰值相反，如圖9所示。

圖9 和應(yīng)涌流與勵磁涌流出現(xiàn)形式（單相為例）

d）和應(yīng)涌流中二次諧波含量較高且相對穩(wěn)定，因此，如果電流互感器沒有飽和現(xiàn)象而且傳變正確的話，和應(yīng)涌流的產(chǎn)生不會對差動保護(hù)中二次諧波制動、間斷角閉鎖、波形對稱等原理的涌流檢測環(huán)節(jié)產(chǎn)生直接影響。

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

張 悅（1965），女，山西太原人，1988年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)電力分校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，高級工程師，從事繼電保護(hù)工作；

白 瑞（1969），男，山西五臺人，1999年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，高級工程師，從事繼電保護(hù)工作；

張 嵐（1969），女，山西太原人，1991年畢業(yè)于太原電力?？茖W(xué)校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，工程師，從事電氣工程管理工作。