ATPDraw及其在变压器励磁涌流暂态仿真中的应用

刘 俊1，杨 伟1，刘广莉2

（1.南京理工大学，江苏 南京 210094；2.宝钢集团上海梅山钢铁股份有限公司，江苏 南京 210039）

摘 要：随着计算机技术和数值计算理论的不断发展，电力系统数字仿真已经成为电力网络规划、设计和研究中不可缺少的工具。本文首先介绍了ATPDraw的文件系统、库元件以及它的一些显著特点，然后通过ATPDraw对变压器暂态励磁涌流进行仿真，对仿真的结果进行了分析。结果表明ATPDraw为电力系统分析提供了一种新的手段。 关键词：变压器 励磁涌流 ATPDraw 仿真

0 引言

ATPDraw是电磁暂态程序EMTP中ATP版本下的一个图形预处理软件，它具有界面友好、操作简单等优点，尤其是ATPDraw提供的电气元件选择菜单能对复杂的动态电力系统建模，其中的ATP仿真程序可对已建立的电力系统模型进行快速仿真和分析，它最终生成一个基于“即见即所得”格式下的ATP数据输入文件[5]。目前ATPDraw支持70个标准元件和28个TACS（控制系统暂态分析）模块，同时也支持MODELS仿真语言用户，用户可以根据自己的需要创建所需要的电气元件模块[4]。

正是由于ATPDraw的图形化界面，使得用户在电力系统建模中不必像EMTP程序那样逐一填写电气元件的输入数据卡片，而仅仅从ATPDraw的元件模型库中选出所需的元件，从而方便地为暂态仿真做好数据输入准备。ATP仿真支持程序是ATPDraw软件中最为重要的部分。除此之外，其它的支持子程序也可通过ATPDraw的“命令编辑菜单”选项加入到ATPDraw软件中，例如图形化的输出程序WPCplot，它能够以曲线形式绘制电力系统离线或在线的时域和频域仿真结果。

变压器是一种由电磁感应原理制成的静止元件。在电磁能量的转换过程中，它必须首先建立一定的磁场，在建立过程中绕组将产生暂态励磁电流。在正常情况下，该电流很小，但在空载合闸时，该电流可能会很大，此时称该电流为励磁涌流。变压器铁芯的磁化特性决定该电流与磁场的关系，铁芯饱和程度越大，该电流越大，特别是当变压器在电压过零点合闸时，由于铁芯中磁通最大，铁芯严重饱和，因此产生最大励磁涌流，其最大峰值可达到变压器额定电流的6-8倍。如

此大的电流会造成继电保护装置动作，断路器跳

闸，从而不仅会给电力生产造成巨大损失，而且严重情况下使电力系统失去稳定，造成电网的瘫痪。因此对变压器励磁涌流的暂态仿真是电力系统数字仿真的重要内容。

1 ATPDraw简介

1.1 ATPDraw 文件系统

对于一个具体的电力系统而言，ATPDraw首先绘制该系统的工程文件，其文件扩展名为.adp，它位于ATPDraw安装目录下的Project文件夹中。然后通过ATP菜单下的Make File As命令将该工程文件转换为ATP数据文件，其文件扩展名为.atp，它位于ATPDraw安装目录下的Atp文件夹中。与工程文件相比，ATP数据文件可以利用ATP仿真程序直接输入运行，它的格式与EMTP程序手动填写的数据卡片相同，可通过ATP菜单下的Edit ATP-file命令查看。当仿真模型创建完成之后，单击 ATP菜单下的 Run ATP命令，ATP仿真程序就对该电力系统进行计算，其仿真文件扩展名为.pl4，计算结果可通过ATP菜单下的Edit LIS-file 以文本方式查看，也可以通过ATP菜单下的WPCplot命令以图形方式查看。

ATPDraw 的文件系统如图1所示[5]：

图1：ATPDraw文件系统

1.2 ATPDraw 库元件

(1) 检测元件。用来测量电力网络节点和支路电压、支路电流和TACS的数据值，可以选择

相的数量以及需要测量的相别。

(2) 线性支路元件。包括线性电阻、电感、电容、串联的RLC支路以及具有初始条件的电容和电感元件。

(3) 非线性支路元件。包括非线性的电阻和电感以及避雷器。除了TACS控制的电阻元件，其它元件都具有非线性特性，可通过分段线性插值的方法输入。

(4) 输电线路/电缆元件。包括π型RLC和具有耦合的RL集中参数模型、常参数（例如频率固定）分布参数线路、可变参数的线路和电缆（如贝瑞隆、PI等值、JMarti、Noda或Semlyen模型）。

(5) 断路器元件。包括时间或电压控制开关、统计开关、系统开关以及电力电子电路中常用的二极管、晶闸管元件。除此之外，还有用户自己创建的控制开关。

(6) 电源元件。包括斜坡函数电源、电涌功能电源、指数电源、未接地的交直流电压源和用户自定义控制电源。

(7) 电机元件。包括同步电机和通用电机。ATPDraw不允许电机的并联以及背对背联结方式。同步电机可输入出厂铭牌参数，可选择是否有控制等，不包含饱和参数，同时也不计涡流损耗。通用电机可以输入d，q轴的饱和与励磁数据，还可计及机械转矩。在等值电网络中，通用电机的电磁转矩作为电流源出现。

(8) 变压器元件。包括理想变压器、自耦变压器、饱和变压器、频率相关的变压器和利用MODELS仿真语言创建的变压器。

(9) 控制系统暂态分析（TACS）元件。包括可控的电源如阶跃信号源、冲激信号源和锯齿信号源、传递函数模型、用Fortran定义的特殊装置、固有特殊模装置如累加器/计数器、受控积分器、简单微分器、继电开关、信号选择器、采样跟踪保持器、电压触发开关、多运算时序开关等。

(10) 除了以上标准元器件外，用户还可以利用MODELS仿真语言创建自己的元件模型。ATPDraw中创建一个仿真元件有两种可以选择的方式：

第一：手动方式

在ATPDraw的Object菜单下选择Model中的New sup-file命令，手动创建一个扩展名为.sup的仿真元件。为了对该仿真元件进行数据格式描述，仍可通过Model菜单下的New mod-file文件

实现，其文件扩展为.mod。扩展名为.sup和.mod文件都位于ATPDraw安装目录下的Mod文件夹中。

第二：自动方式

单击工程文件窗口的右键，出现“元件选择”菜单，选取MODEL下的Files（sup/mod）命令，弹出打开模型窗口，选择扩展名为.mod的文件，ATPDraw将自动创建一个仿真元件模型。

1.3 ATPDraw 特点

(1) 组功能。使得系统建模电路具有多层结构，这一功能大大增加电路的可读性，尤其适用于TACS模块的封装。

(2) 参数替换功能。用户可用字母变量替换完全相同的元件数值变量，可以大大提高建模的效率，可通过ATP菜单的Setting设置字母变量的替换数值。

(3) 使用集成的架空线路模型。用户首先描绘线路模型的几何特性和固定参数值，然后ATP将它转化成标准库文件形式，使用时通过ATP的包含调用命令加载该模型。

(4) 输电线路性能验证。有助于帮助用户在频域范围内得到线路的整体运行性能参数，使得就频率函数而言用精确的PI等值电路与输电线路模型作比较。

(5) 使用MODELS仿真语言。它是为时域系统研究而采用的一套仿真工具，是一般的描述性语言，重点在于对模型结构和功能的描述。

(6) 采用BCTRAN变压器矩阵模型。ATPDraw为变压器矩阵模型提供了良好的用户界面，用户输入变压器铭牌的开路和短路参数后，ATPDraw会调用ATP执行该支持程序运行。

(7) 非标准元件对话框。它允许用户改变元件的属性。

(8) 用户定义元件。既可自定义标准元件，也可为用户产生一个支持文件。

上述只是ATPDraw的部分特点，它的应用范围非常广泛，例如配电系统的暂态分析、雷击过电压暂态分析、机组轴系扭振分析等。它已成为电磁暂态分析中不可缺少的工具。

2 变压器励磁涌流暂态仿真算例

2.1 接线原理图

变压器绕组间的电磁耦合与绕组电抗的非线性特性是励磁涌流暂态分析中最重要的两个因素，为了模拟变压器空载时的励磁涌流暂态过程，以三相三绕组Yyn0d11联接的自耦变压器为例，

高压侧联接三相电源，中压侧和低压侧空载，仿真系统的原理如图2所示。其中三相对称电源额定线电压为400KV，额定功率为8000MVA，电源内电阻为200Ω，内电感为63.7mH，并联联结。自耦变压器高、中、低压侧额定电压分别为400/132/18KV，额定容量为250/75/250MVA，短路损耗为710/188/159KW，空载损耗为140KW，空载损耗电流百分数0.2%，电抗标幺值为15%/12.5%/7.2%。

图2：单相接线原理图

2.2 创建仿真模型

ATPDraw创建的仿真模型如图3所示：

图3：变压器励磁涌流仿真模型

图3中，U是三相电源模块，用ATPDraw中14类型的三相电源表示；选择集中参数的RLC元件通过并联电感元件模拟三相电源的内阻抗；DL1和DL2为时控的三相开关模型，其中DL2在零时刻前闭合，可通过设置DL2的关闭时刻为-1来实现，选择开关属性对话框中的测量电流选项，可在仿真结果文件中得到流入变压器励磁绕组的电流；V为电压测量探头，可以测量节点的电压值；变压器模型包括两部分：一部分是变压器的磁滞特性曲线模型，另一部分是变压器的互感支路模型。变压器的磁滞曲线是通过96类型准非线性磁滞电感元件来模拟，它的磁通-电流特性由ATP仿真程序的HYSDAT支持子程序计算获得。变压器的互感支路模型是通过BCTRAN支持子程序直接计算得到，只要输入变压器空载和短路的正序和零序试验数据即可计算出该支路的R和L矩阵，它是建立在变压器空载和短路铭牌数据上的，因此该支路模型比较准确。 2.3 仿真结果

仿真过程中步长Δt取为5μs，DL2断路器

零时刻前已合上，由于此前系统一直处于通路，因而整个电路处于稳定状态，变压器各相绕组中只有很小的励磁电流，仿真波形如图4所示。

图4：正常运行时励磁电流

图4可以看出正常运行时变压器绕组的励磁电流相当小，最大幅值不超过1A。稳态时变压器的励磁电流不超过额定电流的1%-2%。由于电路中绕组的非线性特性的存在，使得变压器各相励磁电流发生畸变。

当t=45ms时DL2断开，此时DL1和DL2都处于断路状态，流入绕组的励磁电流为零，这种状态一直到DL1合闸为止。当t=78.5ms时，DL1断路器合上，由于实际三相断路器每相合闸时间不同，因此仿真中取DL1的A相合闸时间为73.5ms，其余两相取为78.5ms，这可以从励磁涌流仿真图中看出，在合闸瞬间有一个衰减的扰动。仿真最终时刻t取为150ms，仿真波形如图5所示。

由图5可以看出最大励磁涌流峰值达到450A，从曲线也可看出励磁涌流具有以下特点：

(1) 含大量的非周期分量，使励磁涌流偏于时间轴一侧；

(2) 含以二次谐波为主的大量高次谐波，使励磁涌流的变化曲线为尖顶波；

(3) 与短路电流最大区别是涌流波形之间存在间断角；

(4) 由于变压器三相电压相量有120°相角差，因此各相励磁涌流曲线不同；

图5：空载合闸时励磁涌流

变压器在发生励磁涌流瞬间，高压侧节点电压会相应迅速下降。图6所示为仿真模型中节点2的三相电压曲线。

图6：变压器高压侧节点电压曲线

在自耦变压器的仿真模型中，第三方绕组中加入了非线性特性。a、b、c三相绕组中的电流如图7、图8所示。可以看出在绕组中也产生了幅值很大的暂态电流。

图7：非线性绕组T3中a、c相电流

图8：非线性绕组T3中b相电流

3 结束语

空载合闸瞬间变压器绕组中产生了很大的励磁涌流，它对绕组的绝缘造成了较大的威胁。通过仿真可以得到励磁涌流相对于额定电流的倍数，相对于现场试验来讲，节省了大量的试验成本。如果采取措施限制绕组磁通饱和、削弱励磁涌流，工程实际可能要做很多工作，但通过调整变压器仿真模型的一些参数，就可以达到目的，这大大简化了试验步骤。而且ATPDraw软件可以多次对模型进行仿真，通过它能够找到减小励磁涌流的最佳方案，这在实际工程中是不容易实现的。因而ATPDraw软件在电力系统电磁暂态分析中将有广泛的应用前景。

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利电力出版社，1995：1-12

作者简介：

刘俊（1979-），男，陕西，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电力系统分析、运行、控制与规划。Email：ljxky@yahoo.com.cn 杨伟（1965-），男，江苏，汉族，副教授，主要从事电力系统及其自动化方面的教学和研究工作。Email：yangwei807@126.com 刘广莉（1980-），女，陕西，汉族，工程师，主要从事电力系统能源管理和运行方式调度方面的工作。Email：lglbaosteel@163.com ATPDraw及其在变压器励磁涌流暂态仿真中的应用

作者：作者单位：

刘俊， 杨伟， 刘广莉

刘俊,杨伟(南京理工大学,江苏南京,210094)， 刘广莉(宝钢集团上海梅山钢铁股份有限公司,江苏南京,210039)

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6541169.aspx