揚州大學 MATLAB 課程設計 變壓器

1、揚州大學專業(yè)軟件應用綜合設計報告 水能 學院 11 級 電氣 專業(yè)題目 變壓器綜合仿真設計一 學生 浦健 學號 111704222 指導教師 張建華 2014年 1 月 3日變壓器綜合仿真設計一摘要： 變壓器的穩(wěn)定運行對于電網設備的連續(xù)可靠運轉具有十分重要的意義。在正常情況下，變壓器的勵磁電流通常不會超過變壓器額定電流的 。但當變壓器空載合閘或外部故障切除恢復供電時，變壓器一次繞組內會產生數值極大的瞬態(tài)勵磁涌流，勵磁涌流一方面會導致繞組變形，減小變壓器的使用壽命；另一方面還會使變壓器差動保護裝置產生誤動作，此外勵磁涌流中包含的高次諧波以及直流分量，會降低電力系統(tǒng)的供電質量，在一定條件下可能會引

2、起電力系統(tǒng)諧振，產生過電壓。目前對勵磁涌流的研究包括兩方面：一是如何有效抑制勵磁涌流；二是如何鑒別勵磁涌流與故障電流。但可以鑒別只表明差動保護不會誤動作，并未減小變壓器的瞬態(tài)過渡過程對電網的沖擊以及對繞組的損傷。未來的發(fā)展方向還是在于提出更好地抑制涌流產生的方法和策略，而這又離不開對勵磁涌流產生的原理及過程進行正確的分析與測量。本文針對單相變壓器空載合閘勵磁涌流的暫態(tài)特性進行了建模和實驗研究。本文主要介紹單相變壓器的基本工作原理并在此基礎上結合MATLAB軟件，通過仿真測試介紹單相線性、非線性單相變壓器的空載及合閘過程的特性。同時，本文也會在仿真過程中結合事例，講解運用MATLAB及Simul

3、ink進行電路仿真的基本知識。關鍵字：MATLAB；Simulink；單相變壓器；空載運行1 引言設計背景設隨著科學技術進步，電工電子新技術的不斷發(fā)展，新型電氣備不斷涌現，人們使用電的頻率越來越高，人與電的關系也日益緊密，對于電性能和電氣產品的了解，已成為人們必需的生活常識。變壓器是一種靜止的電氣設備，它是利用電磁感應原理把一種電壓的交流電能轉變成同頻率的另一種電壓的交流電能，以滿足不同負載的需要。在電力系統(tǒng)中，變壓器是一個重要的電氣設備，它對電能的經濟傳輸，靈活分配和安全使用具有重要的作用，此外，也使人們能夠方便地解決輸電和用電這一矛盾。輸電線路將幾萬伏或幾十萬伏高電壓的電能輸送到負荷區(qū)后，

4、由于用電設備絕緣及安全的限制，必需經過降壓變壓器將高電壓降低到適合于用電設備使用的低電壓。當輸送一定功率的電能時，電壓越低，則電流越大，電能有可能大部分消耗在輸電線路的電阻上。為此需采用高壓輸電，即用升壓變壓器把電壓升高輸電電壓，這樣能經濟的傳輸電能。它的種類很多，容量小的只有幾伏安，大的可達到數十萬千伏安；電壓低的只有幾伏，高的可達幾十萬伏。如果按變壓器的用途來分類，幾種應用最廣泛的變壓器為：電力變壓器、儀用互感器和其他特殊用途的變壓器；如果按相數可以分為單相和三相變壓器。不管如何進行分類，其工作原理及性能都是一樣的。變壓器是通過電磁耦合關系傳遞電能的設備，用途可綜述為：經濟的輸送電能、合理

5、的分配電能、安全的使用電能。實際上，它在變壓的同時還能改變電流，還可改變阻抗和相數。小型變壓器指的是容量1000V.A以下的變壓器。最簡單的小型單相變壓器由一個閉合的鐵芯(構成磁路)和繞在鐵芯上的兩個匝數不同、彼此絕緣的繞組(構成電路)構成。這類變壓器在生活中的應用非常廣泛。設計目的：掌握SIMULINK仿真環(huán)境常用模塊庫和電力系統(tǒng)模塊庫；對變壓器運行進行仿真設計；了解變壓器空載特性、合閘及副邊短路過程中變壓器內部工作特性。2 設計依據及框圖變壓器在規(guī)定的使用環(huán)境和運行條件下，主要技術數據一般都都標注在變壓器的銘牌上。主要包括：額定容量、額定電壓及其分接、額定頻率、繞組聯結組以及額定性能數據（

6、阻抗電壓、空載電流、空載損耗和負載損耗）和總重。 A、額定容量（kVA）：額定電壓.額定電流下連續(xù)運行時,能輸送的容量。 B、額定電壓（kV）：變壓器長時間運行時所能承受的工作電壓.為適應電網電壓變化的需要,變壓器高壓側都有分接抽頭,通過調整高壓繞組匝數來調節(jié)低壓側輸出電壓. C、額定電流(A):變壓器在額定容量下,允許長期通過的電流. D、空載損耗（kW）: 當以額定頻率的額定電壓施加在一個繞組的端子上，其余繞組開路時所吸取的有功功率。與鐵心硅鋼片性能及制造工藝、和施加的電壓有關. E、空載電流（%）: 當變壓器在額定電壓下二次側空載時,一次繞組中通過的電流.一般以額定電流的百分數表示. F

7、、負載損耗（kW）: 把變壓器的二次繞組短路,在一次繞組額定分接位置上通入額定電流,此時變壓器所消耗的功率. G、阻抗電壓（%）：把變壓器的二次繞組短路,在一次繞組慢慢升高電壓,當二次繞組的短路電流等于額定值時,此時一次側所施加的電壓.一般以額定電壓的百分數表示. H、相數和頻率：三相開頭以S表示，單相開頭以D表示。中國國家標準頻率f為50Hz。國外有60Hz的國家（如美國）。 I、溫升與冷卻：變壓器繞組或上層油溫與變壓器周圍環(huán)境的溫度之差,稱為繞組或上層油面的溫升.油浸式變壓器繞組溫升限值為65K、油面溫升為55K。冷卻方式也有多種：油浸自冷、強迫風冷，水冷，管式、片式等。 J、絕緣水平：有

8、絕緣等級標準。絕緣水平的表示方法舉例如下：高壓額定電壓為35kV級，低壓額定電壓為10kV級的變壓器絕緣水平表示為 LI200AC85/LI75AC35，其中LI200表示該變壓器高壓雷電沖擊耐受電壓為200kV，工頻耐受電壓為85kV，低壓雷電沖擊耐受電壓為75kV，工頻耐受電壓為35kV.奧克斯高科技有限公司目前的油浸變壓器產品的絕緣水平為LI75AC35，表示變壓器高壓雷電沖擊耐受電壓為75kV，工頻耐受電壓為35kV，因為低壓是400V，可以不考慮。 K、聯結組標號：根據變壓器一.二次繞組的相位關系,把變壓器繞組連接成各種不同的組合,稱為繞組的聯結組。為了區(qū)別不同的聯結組,常采用時鐘表

9、示法,即把高壓側線電壓的相量作為時鐘的長針,固定在12上,低壓側線電壓的相量作為時鐘的短針,看短針指在哪一個數字上,就作為該聯結組的標號.如Dyn11表示一次繞組是（三角形）聯結，二次繞組是帶有中心點的（星形）聯結，組號為(11)點。2.1 設計平臺MATLAB是matrix&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算

10、的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，FORTRAN等語言

11、完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接調用，用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。 其主要功能有：數值分析、數值和符號計算、工程與科學繪圖、控制系統(tǒng)的設計與仿真、數字圖像處理、數字信號處理、通訊系統(tǒng)設計與仿真、財務與金融工程等MATLAB自產生之日起就具有方便的數據可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現出來，并且可以對圖形進行標注和打印

12、。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達式作圖?？捎糜诳茖W計算和工程繪圖。新版本的MATLAB對整個圖形處理功能作了很大的改進和完善，使它不僅在一般數據可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數據的表現等），MATLAB同樣表現了出色的處理能力。同時對一些特殊的可視化要求，例如圖形對話等，MATLAB也有相應的功能函數，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。MATLA

13、B對許多專門的領域都開發(fā)了功能強大的模塊集和工具箱。一般來說，它們都是由特定領域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學習、應用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。領域，諸如數據采集、數據庫接口、概率統(tǒng)計、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經網絡、小波分析、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)設計、LMI控制、魯棒控制、模型預測、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設計、實時快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。MATLAB包括擁有數百個內部函數的主包和三十幾種工具包。工具包又可以分為功能性

14、工具包和學科工具包。功能工具包用來擴充MATLAB的符號計算，可視化建模仿真，文字處理及實時控制等功能。學科工具包是專業(yè)性比較強的工具包，控制工具包，信號處理工具包，通信工具包等都屬于此類。開放性使MATLAB廣受用戶歡迎。除內部函數外，所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件，用戶通過對源程序的修改或加入自己編寫程序構造新的專用工具包。常見工具包Matlab Main Toolboxmatlab主工具箱Control System Toolbox控制系統(tǒng)工具箱Communication Toolbox通訊工具箱Financial Toolbox財政金融工具箱System Id

15、entification Toolbox系統(tǒng)辨識工具箱Fuzzy Logic Toolbox模糊邏輯工具箱Higher-Order Spectral Analysis Toolbox高階譜分析工具箱Image Processing Toolbox圖象處理工具箱computer vision system toolbox-計算機視覺工具箱LMI Control Toolbox線性矩陣不等式工具箱Model predictive Control Toolbox模型預測控制工具箱-Analysis and Synthesis Toolbox分析工具箱Neural Network Toolbox神經網

16、絡工具箱Optimization Toolbox優(yōu)化工具箱Partial Differential Toolbox偏微分方程工具箱Robust Control Toolbox魯棒控制工具箱Signal Processing Toolbox信號處理工具箱Spline Toolbox樣條工具箱Statistics Toolbox統(tǒng)計工具箱Symbolic Math Toolbox符號數學工具箱Simulink Toolbox動態(tài)仿真工具箱Wavele Toolbox小波工具箱DSP system toolbox-DSP處理工具箱Simulink此次課程設計過程中我們主要運用到的Simulink是M

17、atlab最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現動

18、態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結果。Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Si

19、mulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執(zhí)行和測試。.構架在Simulink基礎之上的其他產品擴展了Simulink多領域建模功能，也提供了用于設計、執(zhí)行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數和測試數據的定義。主要特點：豐富的可擴充的預定義模塊庫交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖以設計功能的層次性來分割模型，實現對復雜設計的管理通過Model Explorer 導航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數、屬性，生

20、成模型代碼提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成使用Embedded MATLAB 模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調用MATLAB算法使用定步長或變步長運行仿真，根據仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)來決定以解釋性的方式運行或以編譯C代碼的形式來運行模型圖形化的調試器和剖析器來檢查仿真結果，診斷設計的性能和異常行為可訪問MATLAB從而對結果進行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號參數和測試數據模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯誤Simulink組件中包括了連續(xù)模塊（continuous）塊、非連續(xù)模塊（

21、Discontinuous）、離散模塊（Discrete）、邏輯和位操作模塊（Logic and Bit Operation）、查找表模塊（Lookup Table）、數學模塊（Math Operations）、模型檢測模塊（Model Verification）、模型擴充模塊（Model-Wide Utilities）、端口和子系統(tǒng)模塊（Prot & Subsystems）、信號屬性模塊（Signal Attributes）、信號路線模塊（Signal Routing）、接收

22、器模塊（Sinks）輸入源模塊（Sources）、用戶自定義函數模塊（User-Defined Functions）等模塊。Simpowersystems課程設計過程中我們用到的另一個主要的模塊是simpowersystems模塊。它是在Simulink環(huán)境下進行電力電子系統(tǒng)建模和仿真的先進工具。SimPowerSystems中模塊的數學模型基于成熟的電磁和機電方程，用標準的電氣符號表示。它在發(fā)電輸變電系統(tǒng)和電力分配計算方面提供了強有力的解決方法，尤其是當設計開發(fā)內容涉及控制系統(tǒng)設計時，優(yōu)勢更為突出。對于具有復雜自給型供電裝置，如汽車、飛機、制造設備上的電氣系統(tǒng)和普通用電裝置而言，用

23、SimPowerSystems進行分析和設計非常理想。 SimPowerSystems是Simulink的一個專用模塊集，由電氣仿真專家TEQSIMInternational最初開發(fā)。該模塊集包含電氣網絡中常見的元器件和設備，以直觀易用的圖形方式對電氣系統(tǒng)進行模型描述。模型可與其它Simulink模塊相連接，進行一體化的系統(tǒng)級動態(tài)分析主要特點：使用標準電氣符號進行電力系統(tǒng)的拓撲圖形建模和仿真為建立詳細的電力系統(tǒng)模型提供了廣泛全面的模塊庫標準的AC和DC電機模型模塊、變壓器、傳輸線、信號和脈沖發(fā)生器、HVDC控制、IGBT模塊和大量設備模型，有斷路器、二極管、IGBT、GTO、MOSFET和晶閘

24、管等電力電子器件使用功能強大的Simulink變步長積分器和過零檢測功能，給出高度精確的電力系統(tǒng)仿真計算結果為快速仿真和實時仿真提供了離散化和信息矢量化方法提供多種分析方法，可以計算電路的狀態(tài)空間表達、電流和電壓的穩(wěn)態(tài)解 提供了擴展的電氣系統(tǒng)網絡設備模塊，如電力機械，功率電子元件，控制測量模塊和三相元器件。SimPowerSystems擁有130多個模塊，分別位于6個子模塊庫中。用戶可以同標準的Simulink模塊一起使用建立包含電氣系統(tǒng)和控制回路的模型，附加的測量模塊可以對電路進行傅立葉分析和三相序列分析。SimPowerSystems模塊庫包含下列6個子模塊庫: 電源 包括AC和DC電壓源

25、，受控電壓源和受控電流源。 電流回路元器件包含RLC支路和負載、線性和飽和變壓器、電路分離器、傳輸線模型電力機械 包含完整或簡化形式的異步電機，同步電機，永磁同步電機，直流電機，激磁系統(tǒng)和水力和蒸氣渦輪-調速系統(tǒng)模型電子元器件 包括二極管，簡化/復雜晶閘管，GTO，開關，MOSFET，IGBT和通用型橋接管模型控制和測量模塊 包括電壓、電流和電抗測量，RMS測量，有效和無功功率計算，計時器，萬用表，傅立葉分析，HVDC控制，總諧波失真，abc到dq0和dq0到abc軸系變換，三相V-I測量，三相脈沖和信號發(fā)生，三相序列分析，三相PLL和連續(xù)/離散同步6-，12-脈沖發(fā)生器三相網絡元器件 三相R

26、LC負載和支路，斷路器和故障點，三相電抗，型傳輸線，電壓源，6-脈沖二極管和晶閘橋管，整流二極管，Y-/Y-/Y-/Y-Y-可配置三相變壓器，分析器和測量。由于SimPowerSystems是與MATLAB無逢結合在一起的，用戶可以充分利用MATLAB表達式，工作空間中的變量以及MATLAB的腳本文件，以簡化復雜的仿真計算。利用 SimPowerSystems，用戶可以修改系統(tǒng)的初始狀態(tài)以便可以從任意的初始條件進行仿真。圖形用戶界面能夠顯示測量的電流值和電壓值以及所有的狀態(tài)變量（電感電流和電容電壓）。 2.2 設計思想變壓器的損耗是變壓器的重要性能參數，一方面表示變壓器在運行過程中的效率，另一

27、方面表明變壓器在設計制造的性能是否滿足要求。變壓器空載損耗和空載電流測量、負載損耗和短路阻抗測量都是變壓器的例行試驗。變壓器的空載試驗就是從變壓器任一組線圈施加額定電壓，其它線圈開路的情況下，測量變壓器的空載損耗和空載電流?？蛰d電流用它與額定電流的百分數表示進行空載試驗的目的是：測量變壓器的空載損耗和空載電流；驗證變壓器鐵心的設計計算、工藝制造是否滿足技術條件和標準的要求；檢查變壓器鐵心是否存在缺陷，如局部過熱，局部絕緣不良等。變壓器的短路試驗就是將變壓器的一組線圈短路，在另一線圈加上額定頻率的交流電壓使變壓器線圈內的電流為額定值，此時所測得的損耗為短路損耗，所加的電壓為短路電壓，短路電壓是以

28、被加電壓線圈的額定電壓百分數表示的，此時求得的阻抗為短路阻抗，同樣以被加壓線圈的額定阻抗百分數表示，變壓器的短路電壓百分數和短路阻抗百分數是相等的，并且其有功分量和無功分量也對應相等。進行負載試驗的目的是：計算和確定變壓器有無可能與其它變壓器并聯運行；計算和試驗變壓器短路時的熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定；計算變壓器的效率；計算變壓器二次側電壓由于負載改變而產生的變化。試驗要求和注意事項 試驗電壓一般應為額定頻率、正弦波形，并使用一定準確等級的儀表和互感器。如果施加電壓的線圈有分接，則應在額定分接位置。 試驗中所有接入系統(tǒng)的一次設備都要按要求試驗合格，設備外殼和二次回路應可靠接地，與試驗有關的保護應投入，保護

29、的動作電流與時間要進行校核。三相變壓器，當試驗用電源有足夠容量，在試驗過程中保持電壓穩(wěn)定。并為實際上的三相對稱正弦波形時，其電流和電壓的數值，應以三相儀表的平均值為準。 聯結短路用的導線必須有足夠的截面，并盡可能的短，連接處接觸良好。變壓器綜合仿真設計空載運行空載合閘副邊突然短路2.3 設計結構框圖或流程圖 圖1變圖1壓器綜合仿真設計方框圖仿真調試設計仿真模型搭建仿真電路設置仿真參數波形數據是否理想觀察分析數據 圖2變壓器綜合仿真設計流程圖 N Y 2.4各模塊功能簡介 圖3常用simulink模塊Out提供一個輸出Scope示波器AC Voltage Source正弦交流電壓源Current

30、 Measurement用于檢測電路電流大小，使用時串聯在電路中Voltage Measurement用于檢測電路電壓大小，使用時并聯在電路中Powergui超級人機交互模塊Saturable Transformer飽和單相變壓器Linear Transformer線性單相變壓器 表1 常用simulink模塊功能3 軟件調試分析3.1單相變壓器空載運行 仿真電路圖 圖3單相變壓器空載運行仿真電路圖 數據波形圖 圖4但想變壓器空載電流波形圖 實驗步驟 1）按照圖3 在simulink中搭建并連接電路 2）設置仿真時間0.2秒，執(zhí)行仿真 3) 回到MATLAB主界面，輸入命令plot(tout,

31、yout) 4）觀測輸出波形是否滿足預期要求，若不滿足，則重復步驟2），若滿足則記錄波形 理論分析在外加電壓為正弦規(guī)律變化時，原邊電流將畸變?yōu)榧忭敳ㄖ饕且驗橛袆畲庞苛鞯脑?，當合上斷路器給變壓器充電時，也就是空載運行的時候，開始的時候可以看到變壓器電流表的指針擺得很大，然后很快返回到正常的空載電流值，這個沖擊電流通常稱之為勵磁涌流，特點如下：1)涌流含有數值很大的高次諧波分量(主要是二次和三次諧波)，因此，勵磁涌流的變化曲線為尖頂波。2)勵磁涌流的衰減常數與鐵芯的飽和程度有關，飽和越深，電抗越小，衰減越快。因此，在開始瞬間衰減很快，以后逐漸減慢，經0.51s后其值不超過(0.250.5)In

32、。3)一般情況下，變壓器容量越大，衰減的持續(xù)時間越長，但總的趨勢是涌流的衰減速度往往比短路電流衰減慢一些。4)勵磁涌流的數值很大，最大可達額定電流的810倍。當整定一臺斷路器控制一臺變壓器時，其速斷可按變壓器勵磁電流來整定。3.2單相變壓器空載合閘 仿真電路圖 圖5單相變壓器空載合閘主電路圖 圖6單相變壓器空載合閘測輸入端電流電路圖 圖7單相變壓器空載合閘測輸出端電壓電路圖 圖8單相變壓器空載合閘測電路主磁通 數據波形圖 圖9單相變壓器空載合閘輸入電流波形圖 圖10單相變壓器空載合閘輸出端電壓波形圖 圖11單相變壓器空載合閘鐵芯內主磁通波形圖 實驗步驟1）按照圖3 在simulink中搭建并連

33、接電路2）設置仿真時間0.2秒，執(zhí)行仿真3) 回到MATLAB主界面，輸入命令plot(tout,yout)4）觀測輸出波形是否滿足預期要求，若不滿足，則重復步驟2），若滿足則記錄波形 理論分析 所謂的空載合閘就是在變壓器二次側不帶負載的情況下，將一次側合閘接入額定電壓。如果變壓器一次側合閘瞬間正好是電壓過零時，由于變壓器鐵芯中的磁通相位落后電壓90度，所以此時鐵芯中的磁通為最大，但是磁通是不能突變的，所以鐵芯中會產生一個方向相反隨時間衰減速的直流磁通來抵消這個最大值，經過半個周期后，這個直流磁通又與交流磁通方向相同，二者相加，就使得鐵芯飽和，就會產生很大的激磁涌流。經過若干個周期以后，直流磁

34、通完全衰竭，鐵芯中就是正常工作的額定交流磁通了。3.3單相變壓器副邊突然短路 仿真電路圖 圖12副邊突然短路測原邊電流電路圖 圖13副邊突然短路測副邊電流電路圖數據波形圖 波形數據 圖14 副邊突然短路原邊電流波形圖 圖15 副邊突然短路副邊電流波形圖 實驗步驟 1）按照圖3 在simulink中搭建并連接電路 2）設置仿真時間0.2秒，執(zhí)行仿真 3) 回到MATLAB主界面，輸入命令plot(tout,yout) 4）觀測輸出波形是否滿足預期要求，若不滿足，則重復步驟2），若滿足則記錄波形4 結語 變壓器是根據電磁感應原理制成的一種靜止電器，用于把低電壓變成高電壓或把高電壓變成低電壓，是交流

35、電輸配系統(tǒng)中的重要電氣設備。當變壓器合閘時，可能產生很大的電流。當合上斷路器給變壓器充電時，有時可以看到變壓器電流表的指針擺得很大，然后很快返回到正常的空載勵磁電流值，這個沖擊電流通常稱之為勵磁涌流。變壓器勵磁電流的大小取決于勵磁電感L。的數值，也就取決于變壓器鐵芯是否飽和，正常運行和外部故障時變壓器不會飽和，勵磁電流一般不會超過額定電流的2 oA5，對變壓器的縱差動保護的影響常常略去不計。當變壓器空載投入或者外部故障切除后電壓恢復時，變壓器電壓從零或很小的值突然上升到運行電壓。在這個電壓上升的暫態(tài)過程中，變壓器可能會嚴重飽和，產生很大的暫態(tài)勵磁電流。這個暫態(tài)勵磁電流就是勵磁涌流。勵磁涌流的最

36、大值可以達到額定電流的48倍，并與變壓器的額定容量有關。 勵磁涌流的特點 1)涌流含有數值很大的高次諧波分量(主要是二次和三次諧波)，因此，勵磁涌流的變化曲線為尖頂波。 2)勵磁涌流的衰減常數與鐵芯的飽和程度有關。飽和越深，電抗越小，衰減越快。因此，在開始瞬間衰減很快，以后逐漸減慢，經051 s后其值不超過(025-，05)iN。一般情況下，變壓器容量越大，衰減的持續(xù)時間越長，但總的趨勢是涌流的衰減速度往往比短路電流衰減慢一些。 3)勵磁涌流的數值很大，最大可達額定電流的810倍。 4)波形完全偏離時間軸的一側，并且出現間斷。涌流越大，間斷角越小。 5)含有很大成分的非周期分量，間斷角越小，非

37、周期分量越大。 6)變壓器空載合閘時，涌流是否產生以及涌流大小跟很多因素有關，主要受到變壓器鐵芯剩磁、合閘角的影響 目前，在勵磁涌流的數值仿真方面，主要集中在以下集中比較成熟的方法上：使用變壓器鐵芯的基本磁化曲線進行擬合，即不考慮變壓器在重新合閘后，變壓器鐵芯中的磁滯現象對勵磁涌流的影響。還有就是借助變壓器的磁滯模型，但仍然借用變壓器鐵芯的基本磁化曲線進行擬合計算口。同時，有的文獻提出可以在變壓器基本磁化曲線的基礎上，進過適當的修正，同樣可以反映變壓器的磁滯特性。雖然上述方法都已經比較成熟，但是通過實際檢驗，發(fā)現各種數值算法對初始值的依賴性很大，如果初始數據不合適，很有可能在程序中出現錯誤，甚

38、至可能計算出來的結果是發(fā)散的，而導致程序陷入死循環(huán)。其實，更多的文獻集中在對依托諸如Matlab等強大數值計算軟件對涌流進行計算，充分利用了Matlab的模塊化優(yōu)勢。同時有的文獻分析了變壓器勵磁涌流的衰減機理，根據變壓器等效電路，推導出衰減勵磁涌流的遞歸計算方法。通過曲線擬合的方法，提出了涌流幅值和間斷角隨時間變化的實用計算公式，為變壓器差動保護和后備保護的原理研究、整定計算提供了分析計算的工具口。其實，過去研究者對勵磁涌流的計算分析都是著眼于更加精確的計算，從而為繼電保護的正確精確整定奠定基礎。但是實際上，變壓器空載合閘的失敗率還是相當高，完全可以另辟蹊徑，只要對勵磁涌流的基本特征進行分析，

39、然后尋找突破口，最終抑制掉涌流，可能是一條更有前途的道路。4.1 結論與討論這次的課程設計我們組的課題是變壓器仿真設計一，一共進行了三個變壓器的模擬仿真：第一個是單相變壓器的空載運行仿真。單相變壓器空載運行時，原邊電流主要用來產生主磁場，而電路損耗和鐵芯損耗很小，因此即使外加電壓很大，空載電流仍然很小。由于鐵磁材料的非線性，在外加電壓為正弦規(guī)律變化時，原邊電流將畸變?yōu)榧忭敳?。第二個是單相變壓器的副邊突然短路仿真實驗。變壓器副邊突然短路時，原副邊電流將瞬間大幅度增加。然后隨過渡過程的進行逐漸達到穩(wěn)態(tài)值。這是因為當變壓器副邊短路時，將產生一個高于額定電流2O3O倍的短路電流。根據磁勢平衡式可知，副邊電流是與原邊電流反相的，副邊電