基于 MATLAB的电力变压器比率制动式纵差保护仿真与研究

陈天胜 1 ，韩建孝 2

1. 兰州信息科技学院 甘肃兰州 730000

2.国网兰州供电公司兰州倚能电力设计咨询有限公司 甘肃兰州 730050

摘要：作为电力系统重要的元件，变压器起着电能分配的作用，其作用的得重要性不言而喻。本文主要介绍变压器比率制动式纵差保护原理、计算，借助MATLAB-SIMULINK仿真平台搭建仿真模型，进行变压器区内区外故障仿真。从仿真结果可知，在变压器内部故障时，该保护可靠动作；在变压器正常运行和外部故障时，该保护正确制动，满足保护要求。

关键词 ： 电力变压器；比率制动；差动保护

引言

继电保护系统技术主要是广泛指一种用来有效保障移动供电系统设备的安全与有效防止和暂时限制其在供电设备系统中长期或者较短时间内可能发生大或小面积突然停电的一种最基础、也是重要和有效的继电技术保护方法。继电器的保护器制动装置一旦正常启动而仍然无法正确地进行动作,就很有可能会严重增加交通事故,酿成甚至更多的其他严重后果。,是有效保障动力电网安全、稳定地正常运行的重中之必。这种能够实现交流继电保护直流功能的短路装置被我们称为直流继电短路保护器。

2设计内容及要求

2.1设计基本资料

已知两台直流变压器都用的是三绕组,分级式的绝缘。因为三绕组的电路相互关联,当运行时其中一个绕组短路电流的变化会影响另外两个绕组的电压。其参数： ，电压： ，接线： （三个绕组中通常情况下会有一个三角形连接的绕组，其作用是用于减少三次谐波分量）。短路电压： ； ，两台小型变压器不能同时正常工作,110kv侧中性连接点仅有可能同时连接一台小型变压器;同时若只有一台变压设备正常工作运行,因此，在此操作中共同工作的两个变压器的两个中性点必须同时接地,其余参数。

2.2 变压器选型

作为一种电气系统中进行电力传输的重要部件, 根据GB50052和《发电厂电气设备》手册在变电站中,用来给电力系统或者用户提供电源的变压器被称为主要变压器。当与变电站相同的一个电压线路上的变压器发生了故障,其它零配件不能超过应急通信额定值。对于装备相对较多的两台(组)变电所或一台主变,其中一台(组)因突发性事故而停止工作,另一台主变的容量必须能够保证整个变电站总负荷的70%不超载并合理地计入。必须保证在允许的时间内有第一和第二个用户的过载能力。

3电力变压器继电保护设计

3.1故障分析

不直接与高压侧架空线连接的架空电源线和在高压侧中性点上接地的电源变压器。就线路而言,主要的故障有四种:一个是单相接地,二个是双相接地,一个是三相接地。

电流互感器误差可分为两种:外部误差和内部误差。常见的变压器外部故障主要有高压套管和低压套管及其线路故障,这些外部故障都有可能会直接导致输入端的变压器相间短路或牵引线与外壳相连。变压器内部的故障类型有三种:相间短路,绕组短路及绝缘破坏。

继电器过载保护控制系统也有可能因为出现诸如电源变压器异常停止工作或误运行,过载,外部电源短路等多种原因而产生导致的大量超负荷过载和电流,机油温度升高,机油液位下降和气体产生等故障而被激活。

3.2本设计继电保护装置原理概述

电力变压器的主保护包括瓦斯保护、纵差动保护。

三绕组变压器的差动保护工作原理以循环电流为基础。三绕组变压器三侧电流矢量之和(与此转换为相同的三侧电压水平)均为零。它既可以从一侧直接流向另一侧,也同样可以从两侧直接流向第三侧。因此,将电流增加到任意两侧并将其与第三侧的电流相比较即可为三绕组的变压器提供一个纵向的差动保护。
3.3纵差保护的整定计算

（1）计算变压器差动臂中电流，110kV侧差动臂中的电流最大，故110kV侧为计算的基本侧。

（2）确定制动绕组的接线方式，制动绕组接入38.5kV侧，因为，该侧的外部发生故障时，穿越变压器的短路电流很大。

（3）计算差动保护的一侧动作电流。

1）按躲过110kV外部故障的最大不平衡电流整定，即

2）按躲过变压器励磁涌流计算，即

3）按躲过电流互感器二次回路断线，即

4）取上述各条件中最大的作为基本侧一次动作电流即 ,差动继电器基本侧动作电流为

确定差动绕组匝数： 匝

取整定匝数 匝，则继电器动作电流为 A，保护装置实际动作电流为： 。

5）其他各侧工作绕组和平衡绕组的匝数。

38.5kV侧的平衡绕组为

匝

11kV侧的平衡绕组为

匝

取平衡绕组整定匝数： 匝

取工作绕组匝数: 匝

6）整定匝数与计算匝数不等引起的相对误差为

7）制动系数和制动绕组匝数计算。由于系单侧电源，故制动系数计算为

=

制动绕组的计算匝数: 匝

取整定匝数： 匝

8）校验灵敏系数

k1点最小短路电流折算到110kV基本侧为

对11kV侧工作安匝 匝

匝

由继电器特性曲线查得 匝， 安匝时，动作安匝整定为 安匝，则灵敏性 满足要求。

4基于MATLAB/SIMULINK的变压器比率制动总差保护仿真

4.1变压器比率制动式差动保护原理

变变压器的差动防护制动方式主要依靠于变压器自身的特殊性。即变压器进行空载时合闸或电源短路解除后电压恢复时再次合闸。变速器制动器必须采用适当的限制措施,因为变速器差动保护会导致故障。如果外部由于短路所引起的直通电流流过被保护装置设备,作为保护实现的一部分,比例制动判据,即两侧的电流片,需要先计算被保护装置两侧短路元件的基本相量,然后建立动作判据.关于制动比。可以从突变原理的保护中推导出根据损坏分量(也称为增量)保护的比例差异原则。

4.2基于MATLAB/SIMULINK变压器比率制动式差动保护仿真模型

基以设计matlab/simulinkki为设计基础的直流变压器的大比率电流制动式高压差动电流保护电路仿真系统模型基本结构。主要部件包括由具有三相交流变压器控制模块(three-phasetransformer),三相交流电压并联电流差动测量控制模块(three-phasev-imeasureurment),三相电压短路器控制模块(three-phasefault),三相交流电源模块(three-phase),三相电流负荷控制模块(three-phaseparallelrlcload),比率电压制动式三相纵联电压差动短路控制系统模块,三相电压短路器并联控制系统模块等部分部件构成。其中三相工作电压值和电流故障测量报警模块主要分别负责专门检测测量流经三相变压器两侧的三相工作稳压电流,三相三项短路器故障控制报警模块主要专门负责控制生产三项三相短路器故障控制报警信号,三项短路故障报警控制检测模块主要专门负责检测设置区内外的短路故障。

4.3仿真结果与分析

观察三相空载电流合闸后三相励磁直流启动机对电流的周期仿真分析结果,可以清楚地明显看出这种周期波形主要是它具有以下几个重要特性:(1)非线性周期波的分量初始比较大,容易对励磁启动机的电流运行产生不良影响。在这个时间方向轴的一侧,(2)它们中通常包含许多重要的高次谐波频率电磁谐波。(3)在各个信号波形间可能会同时出现连续。影响三相交电变压器励磁电路输入输出电流的频率波形流动特征的因素影响流动因素主要有很多,铁芯的主体材料、合金晶闸前输入铁芯的容量大小等以及其流动方向。电压源的初始相位终止角。通过对参数的设置进行改变。

由波形可知当变压器在某一相电压峰值合闸时该相不产生励磁涌流，但其他两相必须产生励磁涌流。 本文档中，制动因数设为1，增益也设为1。另外，带比率制动器的中心差动保护的运行条件仅与故障电流幅值和制动电流差值有关，两者是相互独立的 相位，所以这里我们使用傅立叶模块来表示幅度。则可知正常运行时，变压器区内外均无故障。

4.4仿真结论

在本文中,我们依托垂直差动保护机构的工作原理,建立了一个基于 matlab / simulink 的变压器制动仿真模型。该机型采用独立的纵差差控制模块和三相断路器控制模块。垂直隔离保护制动跳闸评估并给出短路控制参数所需的时间。该制动模型不仅正确地直观反映了一个小型变压器制动区域的部件故障,而且不仅能够有效实现内部部件故障的精确制动排除,还而且能够有效实现外部部件故障的精确排除制动,满足了对整个变压器自身安全保护的精确需求。

参考文献：

[1] 《工业与民用工配电设计手册》[M].北京.中国电力出版社

[2] 《电力工程电气设计手册》[M]（电气一次部分）水利电力部西北电力设计院编

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[4] 赵先德. 输电线路基础[M].北京.中国电力出版社.2009