变压器低压侧并联电容器的励磁涌流抑制方法研究

变压器低压侧并联电容器的励磁涌流抑制方法研究

杜力民，曾耀吾

(国网湖南省电力公司怀化供电分公司，湖南怀化，418000 )

摘要：变压器空载合闸时，由于线圈绕组剩磁及铁芯非线性特性作用，导致变压器产生很大的励磁涌流。励磁涌流会经常导致差动保护误 动作，从而影响电力系统的运行可靠性及运行质量。建立并分析变压器低压侧并联电容器数学模型，在MATLAB/SIMUUNK中建立变压器 空载合闸的仿真模型，分析仿真结果与理论分析相符。为深入研究抑制变压器励磁涌流提供了一定的依据。关键词：变压器；空载合闸；励磁涌流；MATLAB/SIMUUNK;电容器

0前言

变压器空载投入运行或切除外部故障后重新恢复运行 过程时，绕组线圈中的剩磁所产生的磁场与流过线圈电流产 生的磁场会相互作用，两者将导致铁芯中的磁通量瞬间增 大，变压器铁芯将迅速达到饱和状态，变压器铁芯一旦达到 饱和状态，励磁电抗值将急剧减小，因而产生很大的励磁电 流，此过程称为励磁涌流。

当变压器不带负荷合闸时，在低压侧并联接入一个电容 器可以抑制变压器铁芯的饱和，阻止励磁电抗迅速变小。变 压器铁芯未能达到饱和状态，则励磁阻抗不会急剧减小，此 过程中产生的励磁电流不会急剧增大。

1变压器低压侧并联电容器的数学模型

通过对变压器数学模型分析可得出其高压绕组与低压 绕组电阻的T型等效电路图[1]，如图1 (a)所示。图中Lla 为一次侧高压漏电感，L2a为二次侧低压绕组折算到一次侧 高压侧的漏电感，LM为励磁电感，ri为一次侧绕组电阻，4为二次侧绕组折算到_次侧的电阻。Lla、L2a与LM相比， 可以忽略不计。因此，为了便于计算分析，忽略Lla、L2a， 同时铁心损耗比较小，不在数学模型中提现。在以上假设条 件下，可以得到简化后的等效电路图如图1 (b)所示。

如果在变压器二次侧并联一个电容器，如图2所示， 当电容器大小为某一值时，励磁电感与其在工频下发生并联 谐振，此时励磁阻抗相对于无穷大，以达到抑制励磁电流急 剧增大的目的。为了能得到电容值的大小，必须先计算出励 磁电感值。

根据图1 (a)的T型等效电路，可以列写出其一次侧

回路KVL方程如式（1)所示:

图2并联电容后的等效电路

Ul=rih+Ll设屮为一、二次绕组互感磁链，即：

则：

L，聲

(3)

变压器空载合闸时，在交流电源作用下，铁芯将运行于 饱和与非饱和状态交替出现的环境下，励磁电感LM的值将 随着不同运行状态而发生变化。文献[2]研究了从高压绕组 侧计算过去的等效瞬时励磁电感的方法。分析得出等效瞬时 电感值等于瞬时励磁电感值加上一次侧漏电感值。漏电感值 只与变压器结构有关，不会因电流值的改变而发生变化[3]， 因而由等效瞬时电感值可以推导出瞬时励磁电感值。

基于等效瞬时电感值理论可以得到：

u^rti,+Lt^

⑷

式（4)中，rt等效电阻，1^等效瞬时电感。

利用梯形法把连续的微分方程转变为离散的差分方程， 则kT和（k+1) T时刻，式（4)可以推导出其一般的数学实现形式[4]:

um

=禅)+a 禅+1)2/(卜 ”

(5)ux(k + \\) = rMk) + Lk 轉

+ $-増

(6)

式（5)、 （6)中T为采用周期。

由式（5)、 （6)得到kT时刻的等效瞬时电感为：

LW-2Tu(k)\\k+i) ~u(k+i)l(t)(7)

\\k) + \\k+\\) ~ \\k+\\)\\k-X) ~ \\k)\\k+2)www.elel69.com | 67

电子溷置

则，kT时刻瞬时励磁电感为:

L{m) '■ 2T-'\\k)\\k+Y) ~ U{k+Y)\\k)hk■La) \\k+l) ~ \\k+l)\\k-l) ~ \\k)\\k+T)(8)

式（8)中，La为一次侧漏感。则：

C^(l7tffLm

(9)

式（9)中，f为工频，取50Hz。在上述计算过程中忽 略了铁心损耗与二次侧绕组漏电感，且Lave取值为二次侧绕 组等效瞬时励磁电感的平均值，因而在实际情况下，计算所 得的电容值不可能与变压器励磁电感发生完全谐振，但在_ 定程度上可以大大减小励磁电流。

计算瞬时电感值时必须用到电流值与电压值，实际操作 中需要采集到真实的电流值和电压值，目前该采集技术还不 够完善，采集到的数据会有误差。因而，本文采用多次仿真 的方法，分析比较不同电容值下，该方法抑制励磁涌流的效果。

2变压器低压侧并联电容器仿真分析

变压器空载合闸所产生的励磁涌流最大值出现在剩磁 屮r=0.9，合闸角a=0°的情况下[5]。利用Matlab/simulink 中搭建仿真电路如图3所示，设定参数绕组剩磁ip,=0.9, 合闸角c^O11，低压侧电容器不同的电容值，可以得出其相 应的励磁涌流波形图如图4所示。

图3搭建的仿真电路图

从图4中可以看出，在变压器二次侧并联电容器能很 好地抑制励磁消流。电容值在一定范围内时，励磁涌流幅值 随电容值的增大而减小，然而电容值超出该范围继续增容 时，励磁涌流峰值也随着增大。具体参数如表1所示。

表1不同电容值下空载合闸仿真得到的各参数值

电容值(HF)

励磁涌流幅值(I/A)

磁通幅值(p.u)

二次谐波峰值(I/A)

C 二 15

5842.41480304052.03122045

3261.6103C=60

402

2

117

68丨电子制作2018年1月

3结语

变压器二次侧并联电容器是通过流过电容器的电流产 生的磁场与流过变压器绕组电流所产生的磁场相抵消，使变 压器铁芯不易达到饱和状态。从上述仿真结果可以得出，电 容值比较小吋，流过电容器的电流产生的磁场不足以抵消流 过变压器绕组电流所产生的磁场，该过程相对于欠补偿，而 当电容值比较大时，流过电容器电流产生的磁场大于流过变 压器绕组电流所产生的磁场，该过程相当于过补偿。然而此 两种情况下的励磁电抗都会远大于低压侧没有接电容器的 励磁电抗，因此，在变压器低压侧并联电容器能够很好的抑

(下转第51页）

信息工程

以我们在CK610上移植了 nucleus嵌入式操作系统，充分 发挥CPU的性能优势。软件流程图如图2所示。在程序中， 我们首先初始化了比如SD卡或者无线网卡等系统外设，然 后建立了需要用到的几个任务，比如Socket通信任务和音 频解码播放任务，负责和STM32通信的程序则放在相应的 中断中运行。音频解码播放模块主要负责音频文件的解码和 播放任务，具体通过一个操作系统任务来实现。在任务中循 环检测是否有播放任务，如果没有就将任务挂起，等待之后 调用。如果发现播放任务，则首先对解析出音频数据的采样 率等参数，然后根据这些参数来配置AIC3104芯片，配置 完成后将数据文件解码为PCM格式的数据输送到AIC3104 芯片，最后打开TPA3118功放芯片开关，开始播放音频。

幵机初始化

不如说物联网是业务和应用。因此，应用创新是物联网发 展的核心，以用户体验为核心的创新是物联网发展的灵魂。 在这种大趋势下，智能音响系统以其良好的用户体验以及网 络通信基础的优势，将设备在局域网内互联，符合物联网的 模型，整个设计不但适应信息化发展潮流，而且响应了国家 智慧城市建设的号召，有着良好的应用前景。我们设计的校 园音响系统，相比现有的校园音响系统拥有局域网互联以及 个性化设置的优势，现有音响系统往往分工明确但设备繁 多，而且只能统一设置所有的设备，这就限制了学校针对不 同的教学任务做出独立的调整，造成教学资源的严重浪费。 本文根据校园的实际需求，设计开发了基于网络通信的智能 音箱，音箱能够实现校园广播，上下课打铃，讲课扩音，时 钟显示，四六级听力等多种校园实用功能，采用SMT32与

CK610相结合的双CPU设计，提高性能的同吋大大的削减

了生产成本，具有较强的应用价值和发展前景。

检测是否接收到数据

Y

r

N

参考文献

氺[1]刘翔.基于用户体验的家用智能音响系统设计与研究[D].华 南理工大学，2015.

氺[2]杨为民.基于ARM和Android平台的无线音响系统的设计与 实现[D].华南理工大学，2014.

分祈数据并执行命

图3 CK610处理器软件框图

3结语

现在互联网技术已经相当成熟，而信息化作为当今时代 发展的大趋势，代表着人类最先进的生产力。物联网技术是 新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重 要发展阶段，它是互联网的应用拓展，与其说物联网是网络，

木[3]梁月开.现代家居设计与家居智能系统的应用研究[D].南京 林业大学，2008.

氺[4]王磊.基于ARM7的嵌入式系统在智能家庭网络网关中的应 用以及嵌入式ucLinux的研究[D].浙江大学，2005.

氺[5]叶雷.基于ARM的嵌入式系统设计[D].电子科技大学,2005. 氺[6]王凯明.智能家居系统的研究[D].西安科技大学,2005.

(上接第68页)

制变压器励磁涌流。

变压器励磁涌流很容易造成变压器差动保护误动作[6]， 如果能抑制励磁电流的产生，将大大提高电力系统的稳定 性。在变压器低压侧并联电容器能很好的抑制励磁涌流，本 文对该方法进行了分析并通过仿真得出其可行性，为进一步 研究励磁涌流提供了一定的理论基础。

氺[2]葛明宝，苏鹏声，王祥晰等.基于瞬时励磁电感频率特性判 别变压器励磁涌流[J].电力系统自动化.2002.26(17): 35-40.氺[3]熊小伏，邓祥力，游波.基于参数辨识的变压器微机保护[J].电力系统自动化.1999.23(11): 18-21.

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