本發(fā)明涉及高壓輸變電領(lǐng)域，特別是一種空載合閘暫態(tài)計算的變壓器模型實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

電力變壓器作為電網(wǎng)中至關(guān)重要的設(shè)備，在輸配電環(huán)節(jié)中起著重要作用，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響到電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，變壓器由鐵芯和線圈繞組組成的，利用電磁感應(yīng)原理，實(shí)現(xiàn)電能和磁能的相互轉(zhuǎn)換?？蛰d合閘為變壓器的常規(guī)操作，正常工作時，變壓器運(yùn)行在磁化曲線的線性段，磁通未飽和，勵磁電流很小，通常在額定電流的10％以下，而在進(jìn)行空載合閘時，鐵芯飽和，產(chǎn)生幅值達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作電流幾倍甚至十幾倍的勵磁涌流。由于勵磁涌流幅值較大，變壓器繼電保護(hù)裝置無法區(qū)分其和故障電流導(dǎo)致保護(hù)裝置發(fā)信號使得斷路器誤動作跳閘，空載變壓器需重合多次才能成功，同時繼電保護(hù)裝置也會因勵磁涌流的存在無法識別故障電流導(dǎo)致變壓器故障擴(kuò)大。為提高保護(hù)裝置的正確動作率，需要提高勵磁涌流識別方法的準(zhǔn)確度，其中關(guān)鍵的一步是建立變壓器準(zhǔn)確的仿真模型。

在電磁暫態(tài)仿真計算中，變壓器是較難模擬的器件之一，變壓器暫態(tài)情況下的鐵心磁滯特性的準(zhǔn)確模擬是仿真的關(guān)鍵所在。目前，變壓器勵磁涌流仿真模型主要有以下幾種：

(1)基于磁場的數(shù)值模型

變壓器數(shù)值建模中采用有限元法，建立變壓器磁場模型包括2-d和3-d變壓器模型。

(2)基于基本磁化曲線的電路模型

采用基本電路結(jié)構(gòu)模擬變壓器繞組，變壓器鐵心特性采用基本磁化曲線描述?；敬呕€解決了磁滯回線上b與h的多值函數(shù)問題，在工程中得以廣泛應(yīng)用，但嚴(yán)格來講用基本磁化曲線代替磁滯回線是有誤差的。

(3)考慮鐵心磁滯特性的電路模型

對變壓器鐵心特性的描述中考慮到磁滯現(xiàn)象，采用磁滯回線模擬鐵心飽和。由于目前磁學(xué)的理論發(fā)展尚不完備，對磁滯現(xiàn)象的解釋模型并不多，preisach模型和ja模型為應(yīng)用較為廣泛的兩種。

綜上所述，在變壓器暫態(tài)模型的研究中，基于基本磁化曲線的電路模型易于實(shí)現(xiàn)且應(yīng)用方便，但是誤差大，無法模擬實(shí)際變壓器鐵心磁滯現(xiàn)象；采用preisach模型的主次磁滯回環(huán)擬合方法模擬變壓器暫態(tài)過程，準(zhǔn)確度高但該方法算法復(fù)雜，采用ja模型的動態(tài)磁滯模型由于對鐵心磁滯特性體現(xiàn)較好，成為目前勵磁涌流仿真的研究熱點(diǎn)，但模型中參數(shù)難于獲取。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種空載合閘暫態(tài)計算的變壓器模型實(shí)現(xiàn)方法，變壓器繞組看成各線圈組成的相互之間存在耦合的多條支路，采用線性阻抗矩陣描述變壓器繞組，變壓器鐵心采用考慮磁滯特性的非線性電感模擬。

本發(fā)明解決上述現(xiàn)有的技術(shù)問題，提供一種空載合閘暫態(tài)計算的變壓器模型實(shí)現(xiàn)方法，包括如下步驟：

根據(jù)變壓器在額定頻率下的空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括空載損耗p0和空載電流百分?jǐn)?shù)i0％；以及短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括短路損耗pk和短路阻抗百分?jǐn)?shù)uk％；計算變壓器的線性阻抗矩陣，包括線圈的電阻r、線圈自感抗xl和線圈互感抗xm；

其中，r是電阻，un是額定電壓，sn是額定容量，pk是短路損耗，xl是線圈自感抗，uk％是短路阻抗百分?jǐn)?shù)，xm是線圈互感抗,k是互感系數(shù)；

在變壓器的線性阻抗矩陣中，添加線圈對地等效電容與線圈之間雜散電容矩陣；

(s是變壓器容量，220v以下的變壓器，n＝3,k＝650)

變壓器的電壓u和磁通之間滿足關(guān)系式：

根據(jù)變壓器空載下測量得到的電壓電流伏安特性曲線，得到空載變壓器磁通與電流的關(guān)系曲線；

在emtp中，調(diào)用hysteresis程序，采用models語言編寫內(nèi)核文件，設(shè)置變壓器鐵心的硅鋼片類型、磁化曲線飽和點(diǎn)電流與磁通，計算得出鐵心的磁滯回線；

結(jié)合磁滯回線模塊和電路模塊，得到變壓器暫態(tài)計算模型。

本發(fā)明更進(jìn)一步的改進(jìn)如下所述。

在變壓器空載伏安曲線測量中，變壓器端電壓通過串聯(lián)在回路中的可調(diào)電阻調(diào)節(jié)；電壓電流通過萬用表和鉗形表測量。

磁滯回線的電流增加又減小兩條磁通曲線未重合且形成一個閉合曲線，電流為零時磁通非零即有剩磁。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果是：變壓器繞組看成各線圈組成的相互之間存在耦合的多條支路，采用線性阻抗矩陣描述變壓器繞組，變壓器鐵心采用考慮磁滯特性的非線性電感模擬。

附圖說明

圖1是變壓器暫態(tài)計算模型建模流程圖。

圖2是磁滯回線計算程序圖。

圖3是單相變壓器空載合閘試驗(yàn)勵磁涌流波形圖。

圖4是測量的變壓器伏安特性曲線。

圖5是計算得到的變壓器基本磁化曲線。

圖6是計算得到的變壓器磁滯回線。

圖7是計算得到的變壓器勵磁涌流波形。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖說明及具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

如圖1至圖7所示，一種空載合閘暫態(tài)計算的變壓器模型實(shí)現(xiàn)方法，包括如下步驟：

變壓器繞組看成各線圈組成的相互之間存在耦合的多條支路，根據(jù)變壓器在額定頻率下的空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)—空載損耗p0和空載電流百分?jǐn)?shù)i0％，以及短路試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)—短路損耗pk和短路阻抗百分?jǐn)?shù)uk％來計算代表變壓器的線性阻抗矩陣，包括線圈的電阻r、線圈自感抗xl和線圈互感抗xm；

其中，r是電阻，un是額定電壓，sn是額定容量，pk是短路損耗，xl是

線圈自感抗，uk％是短路阻抗百分?jǐn)?shù)，xm是線圈互感抗,k是互感系數(shù)；

考慮到變壓器暫態(tài)過程中電壓電流量的高頻特性，變壓器模型中繞組雜散電容不可忽略，在變壓器的線性阻抗矩陣中添加線圈對地等效電容與線圈之間雜散電容矩陣；

(s是變壓器容量，220v以下的變壓器，n＝3,k＝650)

變壓器鐵心飽和特性采用考慮磁滯的非線性電感模擬，其中磁滯回線根據(jù)變壓器空載試驗(yàn)的伏安特性測量曲線計算得到；變壓器是利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電壓水平變換的設(shè)備，其電壓u和磁通之間滿足關(guān)系式：

根據(jù)變壓器空載下測量得到的電壓電流伏安特性曲線，得到空載變壓器磁通與電流的關(guān)系曲線，即基本磁化曲線；在emtp中，調(diào)用hysteresis程序，采用models語言編寫內(nèi)核文件，設(shè)置變壓器鐵心的硅鋼片類型和磁化曲線飽和點(diǎn)電流與磁通，硅鋼片類型決定了鐵心的磁滯損耗，計算得出鐵心的磁滯回線。

本發(fā)明的變壓器空載伏安曲線測量中，變壓器端電壓通過串聯(lián)在回路中的可調(diào)電阻調(diào)節(jié)；電壓電流通過萬用表和鉗形表測量。

本發(fā)明磁滯回線的電流增加又減小兩條磁通曲線不重合且形成一個閉合曲線，電流為零時磁通不為零即有剩磁。

本發(fā)明一種適用于空載合閘暫態(tài)計算的變壓器模型，其具體建模流程如圖1所示。

首先針對研究變壓器，若銘牌提供了空載和短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)，則可以省去試驗(yàn)測量步驟，否則進(jìn)行兩項(xiàng)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計算變壓器線性阻抗矩陣，對于一個單相雙繞組變壓器，可看作兩條存在互感的支路，并且互感對稱，其表達(dá)式為

[u]＝[r][i]+[l]d[i]/dt+[c]d[φm]/dt

其中參數(shù)矩陣[r]和[l]均為2×2的矩陣，r1、r2為線圈的電阻，l1、l2為線圈自感，m12＝m21為線圈互感。

對于一個三相雙繞組變壓器，可視為六條存在互感的支路，其中參數(shù)矩陣[r]和[l]均為6×6的矩陣，ri為線圈的電阻，li為線圈自感，mij＝mji為線圈互感。

[r]＝diag[r1,r2,r3,r4,r5,r6]

然后考慮到變壓器繞組的雜散電容，在線性矩陣中增加每條支路的對地電容和支路之間的電容矩陣。電容可以通過現(xiàn)場試驗(yàn)測量得到，也有通過等效計算得到。

對于單相雙繞組變壓器，電容矩陣為

同理可以得到三相雙繞組變壓器電容矩陣。

最后模擬變壓器鐵心的磁滯特性，采用非線性電感模擬。針對研究變壓器，進(jìn)行空載試驗(yàn)，改變試驗(yàn)電壓得到一組不同端電壓下的空載電流值，對電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到其空載伏安曲線。根據(jù)鐵心磁通和電壓的導(dǎo)數(shù)關(guān)系式，換算得到磁通和電流的關(guān)系，即基本磁化曲線。在emtp中，調(diào)用磁滯hysteresis程序，采用models語言編寫內(nèi)核文件，如圖2所示，設(shè)置變壓器鐵心的硅鋼片類型和磁化曲線飽和點(diǎn)電流與磁通，硅鋼片類型決定了鐵心的磁滯損耗，計算得出鐵心的磁滯回線。

結(jié)合磁滯回線模塊和電路模塊，得到變壓器暫態(tài)計算模型。

為驗(yàn)證本發(fā)明提出變壓器模型的準(zhǔn)確性，針對一220v，容量1kva的單相變壓器，進(jìn)行空載合閘試驗(yàn)，試驗(yàn)變壓器變比為1:1，原副邊繞組均為100匝，空載電流0.61a，空載損耗17w，阻抗電壓百分?jǐn)?shù)2.87％，負(fù)載損耗23w。通過示波器記錄斷路器合閘時電流波形，合閘多次得到多組勵磁涌流波形，其中一組波形如圖3所示。

按照本發(fā)明提出的變壓器模型實(shí)現(xiàn)方法，通過該變壓器空載和短路數(shù)據(jù)，得到變壓器線性阻抗矩陣為

根據(jù)廠商提供數(shù)據(jù)，電容矩陣為

測量得到其空載伏安曲線如圖4所示，經(jīng)計算得到基本磁化曲線如圖5所示，進(jìn)而得到磁滯回線如圖6所示。

按照以上模型，仿真得到勵磁涌流波形如圖7所示。和試驗(yàn)波形比較，吻合較好。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。