基于MATLAB/Simulink仿真的不同变压器组态铁磁谐振敏感性多指标评估研究

（编辑推荐）本研究通过MATLAB/Simulink仿真系统分析了D11-Yn/Yg-Yg/Yn-Yn/Y-D11四种200 kVA变压器在3/5铁芯结构下的铁磁谐振（Ferroresonance）特性，创新性引入总谐波畸变率（THDv/THDi）、峰值过电压/电流及振荡能量等多维度指标，揭示Y-D11组态抗谐振优势及1.5–2 km电缆长度的危险阈值，为电力系统变压器选型与防护提供数据支撑。

　　

1. 引言

铁磁谐振作为电力系统的隐形杀手，其引发的持续过电压和谐波畸变严重威胁配电网络稳定性。传统研究多聚焦于电力变压器本身，而本研究将视野拓展至变压器组态（Vector Group）与铁芯结构的交互影响，通过建立包含11 kV电缆、200 kVA变压器及负载的MATLAB/Simulink仿真模型，首次系统比较了D11-Yn、Yg-Yg、Yn-Yn和Y-D11四种组态在3/5铁芯下的谐振特性。特别关注电缆长度（0–4 km增量调节）对谐振的调制作用，突破传统波形分析的局限，引入能量含量计算与多参数归一化评估体系。

2. 配电系统中的铁磁谐振风险

加纳配电网络典型的地下电缆-架空线混合连接方式（电缆特征阻抗20–100 Ω vs 架空线300–600 Ω）成为谐振温床。仿真显示，电缆的高分布电容（1.27×10^?6 F/km）与变压器励磁电感形成的谐振回路，在单相开关操作时（如A相断路器分闸）最易激发基频模式谐振。值得注意的是，5铁芯变压器因磁路截面积更大，其饱和特性导致谐振持续时间较3铁芯延长30%。

3. 变压器组态与铁芯类型的影响机制

加纳电网主流采用的D11-Yn和Yn-Yn组态在实验中表现出截然不同的行为：

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  D11-Yn：△绕组的高压侧形成谐波电流（尤其是3次谐波）的"陷阱"，导致最高28.7 kV过电压和1.1 kWh的振荡能量，敏感指数达0.8；

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  Y-D11：△绕组置于低压侧时，零序电流被有效限制在△环内，峰值电压仅20.8 kV且THDi最低（10%），敏感指数仅0.15；

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  铁芯差异：5铁芯在Yg-Yg组态中电压波动较3铁芯高15%，但在Yn-Yn组态中差异不显著，这与磁通路径长度差异导致的饱和特性变化相关。

4. 电缆长度的非线性效应

关键发现颠覆了"电缆越长风险越高"的认知：

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  危险区间：1.5–2 km电缆引发最剧烈振荡，此时电压上升速率达5.8 kV/km，超过IEEE标准24 kV安全限值；

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  双峰现象：电流在0.9 km（6.4 kA）和2.3 km（7.7 kA）处出现双峰值，阻抗扫描揭示对应24 Hz和38 Hz两个谐振频率；

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  自限特性：超过3 km后分布式电容的"缓冲"作用使THDv上升速率从16%/km降至4%/km。

5. 多指标评估框架的创新价值

研究构建的敏感指数计算公式（式4）综合THDv、THDi、峰值电压/电流及能量五个维度，其中：

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  能量分析：D11-Yn组态振荡能量是其他组态的39倍，显著增加绝缘老化风险；

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  谐波特性：5铁芯在Yg-Yg组态中THDv平均10.66%，较3铁芯高1.38个百分点；

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  核心结论：Y-D11组态配合3铁芯设计，在1 km以下短电缆场景中可将过电压控制在安全阈值内。

6. 工程实践启示

研究成果直接指导配电网络规划：

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  对于必须采用长电缆的变电站，优先选择Y-D11组态变压器；

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  在1–2 km电缆段增设STATCOM或超导限流器（参照DFIG风电场的抑制方案）；

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  变压器规格中应强制标注铁芯类型，5铁芯慎用于Yg-Yg组态。

（注：全文数据均来自ECG加纳电力公司的实际设备参数，磁化曲线采用厂家提供的实测数据拟合方程i=0.56φ³+3.37φ²+1.1φ，并经MATLAB默认曲线验证一致性。）