变压器励磁涌流识别及抑制的仿真研究大学本科毕业论文.doc
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1、广西大学毕业设计论文 摘 要变压器励磁涌流识别及抑制的仿真研究摘 要本文对变压器励磁涌流问题进行了深入的研究,从最基本的变压器磁路和电路结构出发,详细阐述变压器励磁涌流产生的基本原理,它的存在对常用的变压器保护性能的影响,以及如何在变压器保护中减弱和消除它的影响。文章在综述了励磁涌流的产生机理后,分析了励磁涌流的产生过程和波形特点,探讨利用电流作判据和现代数字信号处理技术与智能理论作涌流分析等识别励磁涌流进行了比较,并指出各种方法的优缺点。并对一些新的判别技术进行简单介绍和展望。此外,本文还介绍了目前使用得较为广泛、有效的几种抑制变压器励磁涌流的方法,并详细介绍了其中的选相投切技术的基本原理,
2、分析了变压器空载投切的暂态过程,同时分析了快速合闸策略、延迟合闸策略、同步合闸策略以及相控投切策略这四种控制策略。最后在仿真软件中搭建变压器模型,对单相变压器励磁涌流和三相变压器励磁涌流进行了PSCAD和MatLab仿真,同时还对带合闸电阻的单相变压器励磁涌流和中性点串电阻的三相变压器励磁涌流进行了对比仿真试验。通过对比分析,证明这两种方法的正确性和可行性。关键词:励磁涌流 选相投切技术 PSCAD MatLab 仿真55广西大学毕业设计论文 AbstractResearch for Identification and Inhibition of Transformer Inrush Cur
3、rent Via Simulation ABSTRACTIn this paper, issues of transformer inrush current is studied in some depth, The research will be begin from the analyzing basic structure of the magnetic circuit and circuit structure of transformer, and the more detailed principle of inrush current generated is stated,
4、 Further, the negative affection on differential protection of transformer by inrush current, and how to weaken and even eliminate its impact is also described in the paper.This paper reviews the inrush current after the formation mechanism, analysis of inrush current and waveform characteristics of
5、 the production process, Explore the use of current as the criterion for identification inrush current and the use of modern digital signal processing technology and intelligent theory of the inrush current surge of identification methods are analyzed and compared with the advantages and disadvantag
6、es of each method, and a number of The new identification technology brief and outlook.In addition, this article also describes the current use was more extensive and effective inhibition of transformer inrush current of several methods and gave details of the election in which controlled switching
7、technology the basic principle, analysis of transformer no-load switching transient process, while discussed rapid closing strategy discussed, delayed closing strategy, simultaneous closing strategy, and switching control strategy with the four control strategies.Last build transformer model, single
8、-phase transformer inrush current and three-phase transformer inrush current simulation with PSCAD, while also closing resistor with a single-phase transformer inrush current and neutral series resistor to simulate three-phase transformer inrush current compared test. By comparison, the two methods
9、from which to prove the correctness and feasibility.KEYWORDS:Inrush Current Controlled Switching PSCAD MatLab simulation广西大学毕业设计论文 目 录目 录第一章 绪论11.1 课题的研究背景与意义11.2 变压器励磁涌流研究的现状21.3 本文的主要工作2第二章 变压器励磁涌流分析42.1 变压器励磁涌流的产生及特点42.1.1 单相变压器的励磁涌流42.1.2 三相变压器的励磁涌流72.2 励磁涌流的危害82.3 空载合闸时变压器磁通的变化92.3.1 合闸瞬间电压为最大值
10、时的磁通变化92.3.2 合闸瞬间电压为零时的磁通变化102.4 本章小结11第三章 变压器励磁涌流的识别123.1 短路故障电流及其特征123.2 利用电流波形特征识别励磁涌流的方法133.2.1 二次谐波制动原理133.2.2 间断角闭锁原理143.2.3 波形对称原理153.2.4 采样值差动153.2.5 波形比较法163.2.6 波形上下对称系数法163.2.7 周波面积法163.2.8 波形正弦度特征法183.3 数字信号原理的识别方法193.3.1 波形相关性分析法193.3.2 数学形态法203.3.3 误差估计法203.4 磁通特性识别法213.5 等值电路法223.6 功率
11、差动法223.7 变压器回路方程法233.8 励磁涌流识别中现代信号处理技术与智能技术的应用233.8.1 模糊逻辑的多判据法233.8.2 神经网路法233.8.3 联合时频分析法243.9 本章小结25第四章 几种常用的抑制励磁涌流的方法274.1 空载变压器选相投切274.2 内插接地电阻274.3 改变变压器绕组的分布284.4 在变压器低压侧并联电容器284.5 本章小结29第五章 选相分合闸的基本原理与控制策略305.1 选相分合闸投切技术的基本原理305.2 选相分合闸投切三相变压器305.2.1 快速合闸策略315.2.2 延迟合闸策略325.2.3 同时合闸策略335.2.4
12、 相控投切策略335.3 本章小结33第六章 系统仿真346.1 PSCAD/EMTDC在电力系统仿真中的应用346.2 单相变压器励磁涌流仿真分析346.2.1 无合闸电阻的单相变压器励磁涌流仿真356.2.2 带合闸电阻的单相变压器励磁涌流仿真376.3 三相变压器励磁涌流仿真386.3.1 中性点直接接地的三相变压器励磁涌流仿真406.3.2 中性点串电阻三相变压器的励磁涌流仿真416.3.3 选相分合闸三相变压器的励磁涌流仿真436.4 本章小结43总 结45参考文献46致 谢48附 录49广西大学毕业设计论文 第一章 绪 论第一章 绪论1.1 课题的研究背景与意义随着我国经济近些年来
13、的迅速发展,人们对电力的需求日益增长。为了适应经济快速发展的要求,我国电力工业一直处于飞速发展的阶段,特别是国家出台的“十一五”计划中,提出要建设超高压直流输电线路和特高压交流输电线路以加快西电东送步伐,预计我国2020年电网的总装机容量将达9亿kW,其中西电东送达1亿kW,整个电力系统的规模越来越大,全国电网互联已是必然趋势,联网后对电网安全稳定运行的要求也提到了一个更高的层面。电力系统规模不断扩大,使大容量变压器在电力系统中的作用日显突出,作为电网安全稳定运行的哨兵,继电保护及安全装置将承担更大的责任,如何提高保护的动作的性能和安全性,给继电保护工作者提出了新的任务和要求。变压器一般采用差
14、动保护作为其主保护,其理论根据是基尔霍夫电流定律,对于纯电路设备,差动保护无懈可击。但是,对于变压器而言,变压器励磁电流成了差动保护不平衡电流的一种来源。然而,大型电力变压器正常运行时的励磁电流通常低于额定电流的1%,所以适当设定差动保护动作值仍可以准确区分变压器内部故障与外部故障。但是,电力变压器运行条件复杂,过励磁时励磁电流可达额定电流的水平。空载合闸或者变压器外部短路被突然切除而端电压突然恢复时,暂态励磁电流(即励磁涌流)的大小有时可与短路电流比拟。目前,针对变压器保护,对各种保护原理主要有两个方面的要求:一是要能够区分内、外部故障;二是能够鉴别内部故障与励磁涌流。其中,如何区分励磁涌流
15、和内部故障是核心问题。因此,励磁涌流仿真分析在变压器的保护研究中不可或缺,对变压器励磁涌流的抑制研究也有非常重要的意义。1.2 变压器励磁涌流研究的现状一直以来大量国内外学者们对变压器励磁涌流现象做了大量的分析与理论研究,通过数值仿真和对励磁涌流特点研究提出了一些可行性方案。1941年,CDHayward首次提出了利用谐波制动的差动保护,将谐波分析引入到变压器纵差保护中,并逐渐成为国外研究励磁涌流制动方法的主要方向。1958年,RLSharp,WEGlassBurn提出了利用二次谐波鉴别变压器励磁涌流的方案,在模拟式保护中加以实现。在当前的应用研究中,根据鉴别原理的不同特点,按照判别励磁涌流所
16、用的信号特征,将其分为以下几类:1.谐波含量识别法;2.波形特征识别法;3.磁通特性识别法;4.等值电路法等。近代,随着人们研究的领域逐渐扩大,现代数学开始越来越多的融入到变压器保护的研究领域。模糊控制、神经网络、小波分析等开始成为研究领域中的常用工具,有大量文献已经提出了基于模糊集的多判据算法的数字式变压器保护方案;给出了利用人工神经网络区分变压器励磁涌流和内部故障电流的方法;提出基于小波分析的变压器励磁涌流识别与抑制的新方法。现代数学的应用,一方面为传统的变压器保护方法提供了更有效的工具,另一方面,可提高变压器保护的智能化程度,改善可靠性。1.3 本文的主要工作围绕变压器励磁涌流研究的各个
17、环节,本为做了如下一些工作。1. 从基本的变压器磁路和电路结构出发,详细阐述变压器励磁涌流产生的基本原理,它的存在对常用的变压器保护性能的影响和对电力系统产生的危害,以及如何在变压器保护中减弱和消除它的影响。2. 分析单相变压器励磁涌流和三相励磁涌流的产生过程和波形特点,并与内部故障电流进行区分。探讨利用电流作判据,利用电流电压作识别判据和利用现代数字信号处理技术与智能理论作涌流分析三大类识别励磁涌流方法的优缺点,对一些新的判别技术进行简单介绍和展望。3. 通过控制合闸相角,利用接地电阻承受不平衡电流,改变变压器绕组的分布和抑制变压器绕组饱和等方面分别介绍了抑制变压器励磁涌流的各种方法,简单分
18、析了各种方法的优缺点并详细介绍了通过控制断路器合闸时电压相角抑制励磁涌流的基本原理以及在变压器绕组内的磁通变化规律及原始剩磁的状态下的控制策略。4. 利用PSCAD、MatLab搭建变压器模型对励磁涌流进行仿真,并采用其中三种方法进行实际仿真,从中证明该方法的正确性和可行性。广西大学毕业设计论文 第二章 变压器励磁涌流分析第二章 变压器励磁涌流分析2.1 变压器励磁涌流的产生及特点变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止电器,用于把低电压变成高电压或把高电压变成低电压,是交流电输配系统中的重要电气设备。当变压器合闸时,变压器一次侧绕组在外电压的作用下,其绕组磁场将会发生变化,基于绕组在合闸前后瞬
19、间磁链守衡原理,该绕组在磁路中将产生单极性的偏磁。由于铁心材料的非线性特性,为抵消外磁场的变化,其铁心线圈可能会流过很大的励磁电流来抵消这种磁场的变化。如果变压器原来就有剩磁并且偏磁的极性和剩磁的极性相同时,这种饱和程度会更加严重,从而大幅度降低变压器绕组的励磁电抗,引起很大的励磁涌流。2.1.1 单相变压器的励磁涌流考虑空载合闸最严重的条件,设电源内阻及合闸回路阻抗为零,加在变压器上得电压为: (2-1) 由于电压和磁通之间的关系为,将式2-1代入,解微分方程,可得 (2-2)式中,为稳态磁通分量,其中,为自由分量,如计及变压器的损耗,应该是衰减的非周期分量,这里没有考虑损耗,所以是直流分量
20、。由于铁芯的磁通不能突变,可求得 (2-3)式中,是变压器铁芯的剩磁,其大小和方向与变压器切除时刻的电压有关。电力变压器的饱和磁通一般为,而变压器的运行电压一般不会超过额定电压的10%,相应的磁通不会超过饱和磁通。所以在变压器稳态运行时,铁芯时不会饱和的。但在变压器空载合闸时产生的暂态过程中,由于的作用使可能会大于,造成变压器铁芯的饱和。若铁芯的剩磁,合闸半个周期()后达到最大值,即。最严重的情况是在电压过零时刻(),达到最大值为,远大于饱和磁通,造成变压器的严重饱和。在励磁涌流分析中,通常用来代替时间,这样是以为周期变化的。在周期内,时发生饱和,而时饱和最严重。令,由图2-1可得 (2-4)
21、图2-1 变压器暂态磁通图2-2所示的是变压器的近似磁化曲线,铁芯不饱和时,磁化曲线的斜率很大,励磁电流近似为零;铁芯饱和后,磁化曲线的斜率很小,大大增加,形成励磁涌流。图2-2 变压器近似磁化曲线在周期内有 (2-5)其中,。单相变压器励磁涌流的波形如图2-3所示,波形完全偏离时间轴的一侧,且是间断的。图2-3 单相变压器励磁涌流波形综合以上分析和研究表明,单相变压器励磁涌流具有以下特点1:1. 在变压器空载合闸时,涌流是否产生以及涌流的大小与合闸角有关,合闸角和时励磁涌流最大;往往使涌流偏向时间轴的一侧;2. 波形完全偏离时间轴的一侧,并且出现间断角。涌流越大,间断角越小;3. 含有很大成
22、分的非周期分量,间断角越小,非周期分量越大;4. 含有大量的高次谐波分量,而以二次谐波为主。间断角越小,二次谐波也越小。2.1.2 三相变压器的励磁涌流目前各国电力系统均采用三相制,所以电力系统中的变压器大多是三相变压器。三相变压器的磁路结构和绕组的连接方式很多,它们对励磁涌流的大小和波形有较大的影响。大型变压器一般都是由三个单相变压器组成的变压器组,由于三个铁芯的磁路完全独立,所以以上单相变压器励磁涌流的分析方法也适用于这种三相变压器。当三相变压器空载合闸时,三相绕组都会产生励磁涌流。对于Y,d11接线的三相变压器,引入每相差动保护的电流为两个变压器绕组的电流之差,其励磁涌流也应该是两个绕组
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