柴濟(jì)民，葉飛，俞霖，蔡紀(jì)鶴

(常州工學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院，江蘇常州213002)

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基于Matlab的變壓器內(nèi)部故障及差動保護(hù)仿真

柴濟(jì)民，葉飛，俞霖，蔡紀(jì)鶴

(常州工學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院，江蘇常州213002)

摘要：變壓器內(nèi)部故障主要包括各相繞組之間相間短路和單相繞組的匝間短路。基于Matlab/Simulink建立變壓器內(nèi)部故障仿真模型，并搭建了具有制動特性的差動保護(hù)模塊。仿真結(jié)果表明，該模型能夠有效進(jìn)行變壓器內(nèi)部故障的仿真和繼電保護(hù)研究。

關(guān)鍵詞：變壓器；內(nèi)部故障；差動保護(hù)；仿真模型

電力變壓器油箱里發(fā)生的各種故障主要類型有各相繞組間發(fā)生的相間短路、單相繞組部分線匝之間發(fā)生的匝間短路、單相繞組或引出線通過外殼發(fā)生的單相接地故障等，這些內(nèi)部故障可以分為相間短路和單相匝間短路。針對變壓器內(nèi)部故障的繼電保護(hù)主要有變壓器的瓦斯保護(hù)和差動保護(hù)，其中瓦斯保護(hù)屬于變壓器獨有的非電量保護(hù)，差動保護(hù)是電力變壓器應(yīng)用的最多的主保護(hù)[1-3]。

長期以來對變壓器內(nèi)部故障的研究數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)場、物理仿真和數(shù)字仿真三方面?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)由于特殊性只能起事故分析作用，對于保護(hù)算法研究而言沒有靈活性；物理性仿真不具有仿真控制上的靈活性且代價高昂；隨著計算機(jī)仿真技術(shù)和電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的發(fā)展，數(shù)字仿真逐漸成為了變壓器內(nèi)部故障分析主要手段。

本文通過Matlab/Simulink搭建了一個可行的變壓器內(nèi)部故障仿真系統(tǒng)。通過仿真可以引出相應(yīng)的短路分量且搭建了具有制動特性的差動保護(hù)模塊，為電力變壓器的差動保護(hù)原理和算法的研究打好基礎(chǔ)。

1變壓器內(nèi)部故障建模

1.1　設(shè)計思路

在Matlab中常規(guī)的變壓器模塊無法進(jìn)行內(nèi)部故障仿真，用3個飽和型單相三繞組變壓器模塊進(jìn)行繞組重新連接來進(jìn)行內(nèi)部仿真的方法，通過2個次級繞組的連接來仿真內(nèi)部故障模塊。

1.2　仿真模型

通過利用單相三繞組的變壓器搭建了如圖1所示的內(nèi)部故障仿真模塊，其中Fault1模塊用來設(shè)置相間故障，F(xiàn)ault2用來設(shè)置單相匝間短路(圖1以A相為例)。

圖1　變壓器內(nèi)部故障仿真模型

1.3　仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

變壓器參數(shù)設(shè)置如圖2所示。電壓變比為110/10，容量200 MVA，采用飽和特性模型(saturable transformer)，通過2個二級線圈設(shè)置低壓側(cè)故障在每相的50%處。

Em和En為無窮大系統(tǒng)，QF1和QF2為三相斷路器，無窮大系統(tǒng)Em和En的參數(shù)設(shè)置分別如圖3(a)、(b)所示。

圖2　變壓器模塊參數(shù)設(shè)置

圖3　無窮大系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

2Matlab/Simulink中差動模塊建模

2.1　差動保護(hù)原理

差動保護(hù)模塊采用具有制動特性的保護(hù)原理，其中變壓器兩側(cè)的動作電流和制動電流(以A相為例)分別為：

(1)

(2)

式中Iqd為啟動電流，當(dāng)判據(jù)(1)、(2)同時滿足時判斷為內(nèi)部故障。

2.2　差動保護(hù)模塊建模

按照上述保護(hù)邏輯原理，在Matlab/Simulink中進(jìn)行保護(hù)邏輯建模如圖4所示。

圖4　差動保護(hù)邏輯模塊

針對圖2變壓器參數(shù)，將高壓側(cè)電流乘以變比110/10(即圖中的Gain1模塊)，相當(dāng)于把判據(jù)的運(yùn)算都折算到低壓側(cè)。制動系數(shù)K定為0.5。

輸入示波器的5個量分別為高低壓側(cè)電流、動作電流Id、制動電流Ires和啟動判據(jù)(1)的動作結(jié)果邏輯信號Sqd。其中Iqd模塊輸入的是判據(jù)(1)的啟動電流(設(shè)為13kA)，如果判據(jù)(1)成立則啟動1個上升沿信號并保持15s(遠(yuǎn)大于仿真時間)。

通過對Sqd信號的模擬來進(jìn)行判據(jù)(1)是否成立的判斷。

3仿真結(jié)果

3.1　相間故障仿真

3.1.1仿真設(shè)置

如圖1所示，設(shè)置Fault1來模擬變壓器AB相間故障，故障在仿真的0.3 s開始。仿真算法為ode23tb算法。

3.1.2仿真結(jié)果

通過圖4中示波器Scope模塊讀出的波形如圖5所示。

3.2　單相匝間故障仿真

3.2.1仿真設(shè)置

如圖1所示，設(shè)置Fault2來模擬變壓器A相匝間故障，故障在仿真的0.3 s開始。仿真算法為ode23tb算法。

3.2.2仿真結(jié)果

通過圖4中示波器Scope模塊讀出的波形如圖6所示。

圖5　相間故障仿真波形圖(單位：A)

圖6　單相匝間故障仿真波形圖(單位：A)

3.3　仿真結(jié)果分析

從圖5和圖6的仿真結(jié)果來看，無論是相間故障還是單相匝間故障，動作電流Id明顯大于制動電流Ires，判據(jù)(2)均可以成立。

通過Sqd動作信號看，半周波內(nèi)判據(jù)(1)均能有效動作。

4結(jié)語

通過模型搭建和仿真結(jié)果表明本模型能夠有

效地進(jìn)行變壓器內(nèi)部故障的仿真，差動保護(hù)模塊能夠有效動作。本仿真模型完全能夠進(jìn)行內(nèi)部故障仿真和繼電保護(hù)的研究。

在后續(xù)研究當(dāng)中，可以進(jìn)一步進(jìn)行判據(jù)的優(yōu)化。在仿真模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行內(nèi)部故障繼電保護(hù)原理和算法的深入研究，從模型當(dāng)中得到更好的保護(hù)判據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]于群，曹娜.MATALB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[2]張保會，尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M].北京:中國電力出版社，2005.

[3]鞠平.電力工程[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

責(zé)任編輯：陳亮

Research on the Simulation of Transformer Internal Fault and Differential Protection

CHAI Jimin,YE Fei,YU Lin,CAI Jihe

(School of Electrical and Photoelectronic Engineering,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002)

Abstract：The internal fault of transformer mainly includes single phase inter-turn short circuit and phase to phase short circuit.Based on Matlab/Simulink,this paper establishes a transformer internal fault simulation model and a differential module with braking characteristics.The simulation results show that the model can effectively simulate the internal fault of a transformer and relay protection.

Key words：transformer;internal fault;differential protection;simulation model

中圖分類號：TM734

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-0436(2015)04-0040-03

作者簡介：柴濟(jì)民(1983—)，男，講師。

基金項目：常州工學(xué)院校級科研基金項目(YN1315，YN1302)

收稿日期：2015-05-19