基于MATLAB的二次諧波制動變壓器差動保護仿真研究

摘 要：該文主要以電力系統變壓器差動保護為研究對象，通過闡述基本的變壓器差動保護工作原理，討論了差動保護誤動作的主要原因及存在的問題。利用Matlab中的Simulink程序搭建仿真電路，建立了二次諧波制動與電流差動速斷保護相配合的變壓器差動保護仿真模型，并對仿真結果進行有效分析。

關鍵詞：二次諧波 差動保護 仿真 MATLAB 繼電保護

中圖分類號：TM938 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-0-02

變壓器保護在電力系統安全運行中起著重要作用，當變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復的情況下，可能出現很大的勵磁涌流。這些過大的不平衡電流必然導致差動保護誤動作，從而影響電力系統的正常運行。另一方面，二次諧波制動方法在原理上也有其不足之處。在具有靜止無功補償裝置等電容分量比較大的系統中，變壓器內部故障時暫態電流會產生較大的二次諧波，本該啟動的差動保護卻被二次諧波制動功能閉鎖，這樣將不可避免的引起變壓器差動保護拒動或延遲動作。針對變壓器差動保護誤動作存在的這些問題，該文構建了引入電流差動速斷保護的二次諧波制動的變壓器差動保護。

1 二次諧波制動的變壓器差動保護

二次諧波制動的變壓器差動保護主要由基本變壓器差動保護、二次諧波制動保護和差動速斷保護三部分組成。其中，基本變壓器差動保護建立在基爾霍夫電流定律的基礎上對變壓器進行基本的差動保護。二次諧波制動保護利用二次諧波比作為區分變壓器勵磁涌流和內部故障的判據，防止變壓器差動保護的誤動作。差動速斷保護克服變壓器暫態電流高二次諧波的特性，能夠有效提高變壓器差動保護的速動性和靈敏性。

1.1 二次諧波制動保護

當變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復的情況下，可能出現很大的勵磁電流即勵磁涌流。由于變壓器勵磁涌流中含有大量諧波分量，而內部故障時不會產生如此多的二次諧波分量，因此利用利用差電流中二次諧波所占的比率作為制動系數來區分變壓器的勵磁涌流與內部故障。二次諧波制動比的值按躲過各種勵磁涌流下最小的二次諧波含量整定，整定范圍通常為15%～20%。

1.2 差動速斷保護

在變壓器嚴重內部故障時，如短路電流很大的情況下，變壓器嚴重飽和使交流暫態傳變嚴重惡化，高次諧波分量增大，反應二次諧波的判據有可能誤將比率制動原理的差動保護閉鎖，這樣二次諧波制動保護就失去了作用。因此在變壓器差動保護中還需要加入電流差動速斷保護功能。電流差動速斷保護作為輔助保護可以加快變壓器內部嚴重故障時的動作速度。差動速斷保護子系統中配置一個差動電流繼電器，其整定值按躲過最大不平衡電流和勵磁涌流來整定。此處的快速差動電流繼電器與二次諧波信號回路無關，只受輸入差動電流大小的控制。當變壓器空載合閘時，勵磁涌流數值小于該差動電流繼電器的整定值，所以保護不會誤動作。滿足了繼電保護快速可靠的要求。

2 Matlab仿真電路的設計

2.1 二次諧波制動保護仿真

首先，在電流差動保護電路基礎上，增加二次諧波制動保護，在該保護中，利用兩個傅里葉模塊分別濾出變壓器電源側電流中的二次諧波幅值與基波幅值，并將兩個幅值進行除法運算，所得商值送入一個欠量繼電器中，當二次諧波比例大于0.15時輸出為0。該輸出信號與差動保護出口信號進行“與”運算，從而實現制動的作用。當檢測到二次諧波制動比大于整定值時差動繼電器閉鎖，以防止勵磁涌流引起誤動。此子系統與不帶制動特性的差動保護一起構成二次諧波制動的差動保護系統，如圖1所示。

當變壓器區內故障時，差動保護由于空載合閘的勵磁涌流而啟動，差動電流繼電器輸出由0變1，二次諧波制動的動作判據K已經超過0.15，所以制動信號為0，跳閘出口信號取二者的“與”運算值，其結果為0，所以最終控制斷路器的跳閘信號為1（該信號從1變為0時，斷路器由合閘狀態變成分閘狀態）。因此該二次諧波制動子系統動作成功，防止了由于空載合閘勵磁涌流引起的差動保護誤動作。

2.2 增加差動速斷保護的二次諧波制動保護仿真

為了加快變壓器內部故障時縱差動保護的動作速度，糾正二次諧波制動的不利影響，仿真電路增加差動速斷保護的二次諧波制動環節，仿真系統模型如圖中虛線方框內部分所示。

該差動速斷保護中配置一個差動電流繼電器，其動作出口與帶二次諧波制動的差動保護出口進行“或”運算。此處的快速差動電流繼電器與二次諧波信號回路相互獨立，只受輸入差動電流大小的控制。通過研究分析實驗，當變壓器空載合閘時，勵磁涌流數值小于該差動電流繼電器的整定值，變壓器差動保護真正做到了不拒動、不誤動。仿真模型設置在0.05時刻發生區內故障，短路電流很大，差動速斷子系統啟動，經過一個極小的延時保護動作，基本上做到無延時切除區內故障。其中雖然也產生二次諧波，該二次諧波使差動保護不能動作，但是這并不影響差動速斷保護作用于最終跳閘信號切除故障。該仿真過程滿足繼電保護的選擇性、靈敏性、速動性、可靠性要求。

3 結語

該文把二次諧波制動的變壓器差動保護分成基本變壓器差動保護、二次諧波制動保護和差動速斷保護三部分，最終實現一個比較完善的變壓器差動保護仿真電路。同時，利用MATLAB模塊庫建立合理的變壓器仿真模型，使所建模型能對空載合閘的勵磁涌流暫態過程和變壓器內部短路電流進行有效仿真，輸出波形清晰明顯，數據結論與理論分析相吻合。該仿真模型能有效的提高變壓器差動保護的可靠性和靈敏性，并擁有廣泛的應用前景。

參考文獻

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