三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院 李鑫燕

國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司宜昌運(yùn)維分部 田慧雯

引言

常見(jiàn)的變壓器故障有相間短路、接地短路、繞組匝間短路等。針對(duì)這些故障，電力變壓器通常裝設(shè)作為非電量保護(hù)的瓦斯保護(hù)和作為電量保護(hù)的縱差保護(hù)[1,2]。變壓器比率制動(dòng)式縱差保護(hù)原理簡(jiǎn)單，且不需要其他元件的配合，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)延時(shí)切除區(qū)內(nèi)故障，因此為變壓器保護(hù)所青睞，常常作為變壓器保護(hù)的主保護(hù)。

1.變壓器比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)原理

本文借用單相變壓器說(shuō)明變壓器比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)工作原理。假設(shè)電流參考方向取母線指向線路為正方向，流入差動(dòng)繼電器KD的差動(dòng)電流為，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為，即當(dāng)差動(dòng)電流有效值Ir（）大于等于縱差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作電流Iset時(shí)，保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)變壓器兩側(cè)短路器；否則保護(hù)不動(dòng)。對(duì)于擁有制動(dòng)特性的差動(dòng)保護(hù)而言，其動(dòng)作電流Iset不再按照躲過(guò)最大穿越電流整定，而是根據(jù)制動(dòng)電流Ires自動(dòng)調(diào)整。

本文選用變壓器兩側(cè)（M、N側(cè)）平均電流作為制動(dòng)電流（制動(dòng)系數(shù)取1），則：

正常運(yùn)行或區(qū)外故障時(shí)，制動(dòng)電流大于差動(dòng)電流，保護(hù)制動(dòng)，不動(dòng)作；當(dāng)變壓器區(qū)內(nèi)故障時(shí)，差動(dòng)電流小于差動(dòng)電流，保護(hù)可靠動(dòng)作。

2.基于Matlab/Simulink的變壓器比率制動(dòng)式縱差保護(hù)仿真模型

圖1 基于Matlab/Simulink的變壓器比率制動(dòng)式縱差保護(hù)仿真模型

基于Matlab/Simulink的變壓器比率制動(dòng)式縱差保護(hù)仿真模型如圖1所示，主要由三相變壓器模塊（Three-Phase Transformer）、三相電壓電流測(cè)量模塊（Three-Phase V-I Measurement）、三相斷路器模塊（Three-Phase Fault）、三相電源模塊（Three-Phase Source）、三相負(fù)荷模塊（Three-Phase Parallel RLC Load）、比率制動(dòng)式縱差動(dòng)控制模塊（kcontrol）、三相斷路器控制模塊（SFunction）組成。其中三相電壓電流測(cè)量模塊負(fù)責(zé)測(cè)流經(jīng)變壓器兩側(cè)（M、N側(cè)）工作電流；三相斷路器控制模塊負(fù)責(zé)形成斷路器控制信號(hào)，開(kāi)斷斷路器；三相故障模塊用于設(shè)置區(qū)內(nèi)外故障。

3.基于Matlab/Simulink的比率制動(dòng)縱差保護(hù)模型

本文采用具有制動(dòng)特性的縱差保護(hù)，制動(dòng)系數(shù)取1。以a相為例說(shuō)明，a相差動(dòng)電流為M、N側(cè)電流向量差（參考方向?yàn)樨?fù)荷流量方向），即；a相制動(dòng)電流為M、N側(cè)電流和，即：

其中，K等于0，若考慮變壓器空載或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁涌流的影響，K可以取大于0的相應(yīng)實(shí)數(shù)。

3.1 基于Matlab/Simulink的比率制動(dòng)式縱差控制模塊

根據(jù)上述動(dòng)作條件，比率制動(dòng)式縱差控制模塊如圖2所示：

圖2 基于Matlab/Simulink的比率制動(dòng)式縱差控制模塊

本文制動(dòng)系數(shù)取1，則增益K2取1。此外，比率制動(dòng)式縱差保護(hù)動(dòng)作條件只跟差動(dòng)電流和制動(dòng)電流差值的幅值有關(guān)，與其相位無(wú)關(guān)，因此此處用Fourier模塊提取幅值。

3.2 基于Matlab/Simulink的三相斷路器控制模塊

根據(jù)可控三相斷路器控制特性可知，當(dāng)控制端輸入為1時(shí)，斷路器閉合；當(dāng)控制端輸入為0時(shí)，斷路器斷開(kāi)。即當(dāng)變壓器比率差動(dòng)控制模塊輸出為正值時(shí)，意味差動(dòng)電流大于制動(dòng)電流，則斷路器控制端輸入值應(yīng)為1；反之?dāng)嗦菲骺刂贫溯斎胫祽?yīng)為0。由SFunction模塊建立三相斷路器控制模塊。

4.仿真

圖3 變壓器故障示意圖

圖4 (a) 正常運(yùn)行

圖4 (b) 區(qū)內(nèi)故障

圖4 (c) 區(qū)外故障

利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真，變壓器故障設(shè)置如圖3所示。其中變壓器采用“飽和鐵心”雙繞組三相變壓器，額定有功功率取50MVA，頻率50Hz，一、二次側(cè)等值阻抗取。電源相電壓取35kV，頻率50Hz。電源采用無(wú)窮大電源。分別設(shè)置三相故障模塊1、三相故障模塊2用于模擬變壓器區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障。并對(duì)以下情況進(jìn)行仿真：

（1）正常運(yùn)行，即雙繞組變壓器區(qū)內(nèi)外均無(wú)故障；

（2）雙繞組變壓器0.5s時(shí)在k1位置發(fā)生區(qū)內(nèi)短路故障；

（3）雙繞組變壓器0.5s時(shí)在k2位置發(fā)生區(qū)內(nèi)短路故障；

仿真結(jié)果分別如圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)所示。

5.結(jié)論

本文根據(jù)變壓器比率制動(dòng)式縱差保護(hù)工作原理，建立了基于Matlab/Simulink的仿真模型，該模型通過(guò)比率制動(dòng)式縱差控制模塊和三相斷路器控制模塊，實(shí)現(xiàn)比率制動(dòng)式縱差保護(hù)動(dòng)作條件是否滿足的時(shí)時(shí)判斷和短路器控制參數(shù)的時(shí)時(shí)輸出。由仿真結(jié)果圖4可知，該模型既可以正確反應(yīng)變壓器區(qū)內(nèi)故障，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部故障的準(zhǔn)確切除；又可以實(shí)現(xiàn)外部故障的制動(dòng)，滿足變壓器主保護(hù)要求。

[1]張保會(huì),尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)(第二版)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2009.12.

[2]于群,曹娜.電力系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.5.