应用MATLAB_SIMULINK仿真研究铁磁谐振

1、应用MAT LAB/SIMU L INK 仿真研究铁磁谐振杜志叶,阮江军,王伟刚(武汉大学电气工程学院,武汉430072摘要:鉴于中性点直接接地的电力系统中屡屡因投切断路器或隔离开关而激发铁磁谐振现象,分析了该现象产生的原因和条件,建立了母线电压互感器(T V 的仿真模型,利用M AT LAB 内建的仿真工具实现了铁磁谐振(由母线T V 非线性励磁电感同断路器均压电容和系统对地电容匹配所致暂态过程数字仿真。仿真结果表明,T V 的励磁电阻(铁损对铁磁谐振有重要影响。铁损越大,谐振越强烈。铁损减小,利于抑制谐振。最后,仿真比较了两种不同消谐方法的作用及效果,验证了消谐方案(通过间接降低T V 励

2、磁电阻来抑制铁磁谐振的切实可行。关键词:M AT LAB 仿真铁磁谐振铁损消谐中图分类号:T M864文献标识码:A 文章编号:100326520(20040920030203R esearch of R erroresonance Simulation Using MAT LAB/SIMU LINKDU Zhiye ,RUAN Jiangjun ,W ANG Weigang(School of E lectrical Engineering ,Wuhan University ,Wuhan 430072,China Abstract :In the neutral 2grounded pow

3、er system ,ferrores onance overv oltage caused by s witching circuit breakers or disconnectors occurs frequently.This simulation m odel of bus T V ,em ploys simulation im plement of M AT LAB to achieve digital calculation and simulation of the ferrores onance transient process due to matching of non

4、 2liner exciting inductance of the bus T V and the breakers grading capacitance and the capacitance to ground of system.I t is proved from the results that the value of core loss of T V is the im portant factor to ferrores onance.The greater the value is ,the intenser the res onance is.Decreasing th

5、e value is the key to sup 2pressing this kind of res onance.At last ,to testify the feasibility of suppressing the ferrores onance by indirectly decreasing the core loss of T V ,tw o ways about ferrores onance suppression and their effects are simulated and com pared.The feasible measures of pre 2ve

6、nting and suppressing ferrores onance are presented as well.K ey w ords :M AT LAB simulation ferrores onance core loss res onance suppression0引言电力系统中变压器、电磁式T V 等铁心电感器件具有非线性电磁特性,它们与系统内的容性元件在一定条件下会发生铁磁谐振,且会因其铁心深度饱和而产生极大谐振过电压和过电流,严重威胁电网的安全运行。近年来,铁损较低的节能型T V 的大量采用,使110kV 及以上中性点直接接地系统中铁磁谐振的发生率有所增加。因此,有必要

7、系统分析此现象,建立一个相对可靠、准确的系统仿真模型和仿真方法,以提高预测准确性1。1铁磁谐振的机理和特征111理论分析24某110kV 中性点直接接地系统见图1。两侧的隔离开关G 0、G 1闭合时,断口接有均压电容的断路器D L0、D L1任一只断开将会激发谐振,D L0、D L1断开时,G 0、G 1任一只断开或合上也会激发谐振。当母线处于空载状态时,由于断路器均压电容和系统对地电容的作用,任何引起母线电压波动的开关操作都可能引起谐振。考虑两段母线的对称性,对其中一段作等效简化(见图2 。图1110kV 变电站系统图Fig 11Diagram of a 110kV substation图2

8、等效简化电路Fig 12R educed equivalent circuit图2中E m sin t 为系统电源,C 1为均压电容,C 2为等效系统对地电容;R m 、L 、u 分别为T V 的铁心损耗、励磁电感、一次侧电压,i L 为线圈电流。忽略母线对地电导、相间电容,则此电路的微分方程为03第30卷第9期2004年9月高电压技术High V oltage EngineeringV ol.30N o.9Sep.2004d 2d t 2+d R m (C 1+C 2d t +i L C 1+C 2=C 1E m cos t C 1+C 2。令p =C 1C 1+C 2E m ,q =1R

9、m (C 1+C 2,u =d d t,代入上式,等式两边同除以后得:(1/d u/d t +qu +i L /(C 1+C 2=p cos t 。上式中,激励因子p 越大,越易于激发谐振,阻尼因子q 越大,越能抑制谐振。112铁磁谐振特征51中性点接地系统各相电源、电容、电感等自成独立回路,互相影响较小,谐振可发生于一、二或三相回路中,表现为正序或零序谐振。2开关操作激发谐振的强度、持续时间都随机。3谐振波的主频率与系统参数有关,基频最常见,分频(1/3其次,高频不常见。2仿真模型的建立利用MAT LAB (具有高精度数值计算的特点软件中的电力系统工具箱可准确、直观、高效地仿真电力系统的各种

10、运行方式。211饱和变压器模型的建立以前的数值仿真研究中铁磁谐振核心器件T V 的励磁电感和铜耗大多采用非线性电感串联电阻的模型代替,而未考虑T V 铁损、漏抗对此类铁磁谐振的影响,使仿真结果误差较大。本人分析MAT LAB/SI MU LI NK 内建的SI MPOWER 库中的元件后认为,采用磁饱和变压器模型能更准确、有效地模拟T V 的工作特点4。图3为两绕组磁饱和变压器模型(图左及内部等效电路(图右。其中L 1、R 1为高压侧线圈的漏感和直流电阻(铜耗,R m 为T V 的励磁电阻(铁损,L sat 为铁心线圈的非线性励磁电感,L 2、R 2是低压侧线圈的漏感和直流电阻。此模型充分考虑

11、了铁心电感的铁损(R m 及漏抗(L 1的作用,非常接近于铁心电感的真实情况 。图3饱和变压器模型及内部等效电路Fig 13Computational TV model准确设定T V 的励磁特性比较关键,T V 励磁参数源于两条途径:查资料,直接采用设备的出厂试验参数;实测法,将实测到的T V 二次侧电压、电流值转换到一次侧,利用u =d /d t (在单一频率正弦电压的激励下可得=U/,计算出值。第种方法所得结果较准确,误差较小;第种方法适用于工作年限较长、励磁特性变化较大或技术资料残缺的T V 。为降低绕组变比带来的误差,也可用图4的测量方式。试验电源加在T V 的A 相二次侧,耦合后的高

12、压加在B 相一次侧,则其电流可从电流表中读出,其电压可由两个电压表读数的平均值乘以T V 的绕组变比得到。由于T V 饱和时电感的非线性,线圈电流、电压的波形不再是50H z 正弦波,使实测值有一定误差,然而T V 的励磁电感从正常工作到深度饱和时变化极大(数十倍,因此测量误差对计算结果的影响往往不显著 。图4励磁特性试验接线图Fig 14T esting circuit diagram根据实际值换算出标幺值(一般仅37点后利用数值法适当插值,使曲线更平滑,接近于实际曲线。再按照曲线坐标法,将处理后的值填入互感器参数设置中的“饱和特性”一栏中。其他参数的设定均按T V 的实际标称值整定。212

13、仿真系统接线仿真系统(其原型见图2见图5。E s 为系统电图5仿真系统接线图Fig 15Simulation system diagram源,Z 1为等效线路阻抗,C 2、R 分别为等效线路对地电容和电阻,C 1为断路器均压电容,T 1是母线T V (三绕组。正常运行时开关B 1、B 2闭合,某一时刻(012s B 2断开,使母线电压波动,激发出铁磁谐振。万能测量模块测量T V 一次侧绕组的电压和电流;傅立叶变换模块测量电压中的谐波分量。仿真中采用的T V 是JCC 2110型,参数设定中的标幺值L 1=01008;R m =5;励磁特性按实测法设定。因L 1与L sat 串联,且L 1L s

14、at ,故即使铁心深度饱和,L 1的影132004年9月高电压技术第30卷第9期响也有限。而R m 同L sat 并联,则T V 轻载时R m 取值对结果影响很大,必须给予重视。3仿真计算结果及分析311铁磁谐振仿真计算结果分析C 1和C 2的组合不同,系统在断路器断开时激 发的铁磁谐振频率就不同,过电压幅值的变化也就很大,基本同美国人的试验结论相吻合5。R m 取值对铁磁谐振的发生影响极大。由q =1/R m (C 1+C 2知,C 1、C 2一定时,q 与R m 成反比。R m 较小时,谐振将在极大的损耗下很快衰减到正常水平,甚至不谐振。而当R m 很大时,谐振很强烈,且持续很长时间。典型

15、的谐振波形如下:1分频谐振波形见图6。开关动作后(012s 波形畸变,相电压幅值U m 117U n (U n 为额定相电压,相电流幅值I m 60I n (I n 为额定相电流,谐振频率主要是1/2次谐波。若R m 减小到1(标么值,则U m 114U n ,I m 30I n 。 图6分频谐振波形Fig 16Subh armonic ferroresonance w ave2基频谐振波形见图7。谐振时U m 4U n ,I m120I n ,谐振频率主要是基波。若R m 减小到1(标么值,则U m 113Un ,I m 10I n ,且衰减很快。 图7基频谐振波形Fig 17Fund am

16、ental frequency ferroresonance312消谐措施仿真计算结果分析消谐作用仿真分析中,比较两种不同的消谐措施(即T V 一次侧经消谐电阻接地和基于R m 越小越能抑制谐振的特性而在T V 测量副边绕组接自动消谐装置,并分别找出最佳的消谐元件取值。自动消谐装置原理见图8。3组消谐电阻即阻尼电阻Z 2=Z 3=Z 4=Z 串联半导体开关器件接入T V 副边,谐振发生时,晶闸管G T 0、G T 1、G T 2同时(012s 导通投入阻尼电阻,持续一段时间(0.4、0.5、0.6s 陆续退出,既能很好地抑制谐振的发生,又能避免因阻尼电阻的退出而激发新的谐振6。图8自动消谐装置

17、Fig 18Auto suppressing ferroresonance device图9消谐效果仿真结果比较Fig 19Comp arison of the simulation results仿真结果(见图9表明,第种措施(其电压为u 1抑制谐振效果不显著,仅在Z >100k时才有作用,且会使测量回路的测量误差极大。第种措施(其电压为u 2消谐效果极佳,且不影响T V 正常工作。Z =(1050时,副边绕组近似瞬间短路,震荡几乎未形成,但此时电阻功率损耗太大,T V 易烧毁;Z =(50800时,因其退出对电路状态影响很大而又激发谐振;Z =(15k时,电路状态较理想,回路阻尼恰当

18、,功耗也不大,实为最佳消谐值。Z >10k 时,基本上无阻尼作用,相当于开路。4结论a 1T V 铁损对铁磁谐振影响很大,一般铁损越大,越有可能激发谐振。外加阻尼电阻可在谐振瞬(下转第40页 图5现场检测系统接线图Fig 15Connection of test circuit in site2.2现场检测结果图6是现场采集到的工频周期放电信号,可见超高频检波信号幅值较大,一般可达300mV ,小的也有100mV ,而背景噪声<30mV ,故信噪比很高。由图6可知,方向传感器与UHF 传感器测到的信号在时域上的对应性很好,在一个周期内都同时测到了6个放电信号 。图6现场检测到的放电

19、波形Fig.6PD w aveform in field表1是50个工频周期的统计结果,在224个发电机内部的放电信号中有92.4%能被方向传感器和UHF 传感器同时检测到,其余7.6%的信号只能被前者检测到。初步研究表明,那些同时被两个传感器检测到的信号是发电机内部的局放信号,其余未被UHF 传感器检测到的信号究竟是什么信号还有待于进一步研究。表1方向传感器信号与超高频检波信号的比较T able 1Comp arison of directional sensorsignal and UHF signal 统计项目方向传感器和UHF 传感器同时测到方向传感器测到而UHF传感器未测到UHF 传

20、感器测到而方向传感器未测到放电脉冲个数207173结论a.UHF 传感器可测各类发电机定子局放;b.UHF 信号在空气中传播衰减很大,传播90cm 约衰减11db ,而在金属导体中的衰减较小,传播5m 的衰减<4db 。c.现场测量表明,UHF 法可准确地检测到发电机中的局放信号,且信噪比极高。UHF 法检测发电机应用前景很好,此项技术已申请专利。参考文献1覃剑,王昌长,邵伟民1特高频在电力设备局部放电在线监测中的应用J 1电网技术,1997,21(6:33.2Judd M D ,Farish O ,Ham pton B F.Exctation of UHF signals by par

21、tial dischargesin GISJ .IEEE T rans on Dielectrics and Electrial Insulation ,1996,3(2:2132228.3Rutgers W R ,Fu Y H.UHF P D -Detection in a power trans formerC.10t h ISH 24.M ontreal ,1997:2192222.4王伟,李成榕,王泽忠,等1发电机定子绝缘局部放电故障模式的试验研究J 1现代电力,2001,18(1:1519.(收稿日期2003211210万伟江1978年生,硕士,从事电气设备在线监测与故障诊断方面的研究。王伟1960年生,教授,从事高电压与绝缘技术方面的教学与研究工作。电话:(01080795842(上接第32页间提高T V 能耗,有效抑制谐振。b 1MAT LAB 内建的饱和变压器模型充分考虑了铁心线圈的铁损、漏抗的作用,