基于Matlab的艦船中壓變壓器差動保護仿真研究分析

張洪志， 沈兵， 徐國順

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基于Matlab的艦船中壓變壓器差動保護仿真研究分析

張洪志， 沈兵， 徐國順

（海軍工程大學電氣工程學院電氣工程系，武漢 430033）

為了保證艦船中壓電網的安全運行，變壓器保護尤為重要。本文利用Matlab/Simulink建立了艦船中壓變壓器差動保護仿真模型，采用S函數進行差動保護算法編程，實現差動保護功能。仿真結果表明，該模型能夠正確實現其變壓器保護功能，并且具有較好的速動性和穩定性。

變壓器 Matlab仿真 差動保護 故障分析

0 引言

當前，艦船電力系統已逐漸由以前的低壓電力系統發展到具有大容量的中壓電力系統。在大型艦船的電力系統中，變壓器作為電力系統中的重要設備，其本身的安全工作是對系統正常運行的必要保證。因此，變壓器的保護受到高度重視[1]。

對于陸地上普通變壓器來說，其保護的原理和方法相對比較成熟。一般變壓器主保護會采用差動保護，而在保護中會遇到不平衡電流的問題。為保證變壓器差動保護的選擇性，差動保護的動作電流應躲開電路中可能出現的最大不平衡電流。變壓器差動保護中的不平衡電流的產生有以下幾個原因[2]：

1）變壓器的勵磁涌流。

【拓展與交流】（1）紅紅同學質疑：取少量（1）中所得溶液于試管中，加入少量的稀鹽酸，并未看到氣泡產生，說明猜想一正確。臻臻同學認為她的結論不正確，因為滴加的鹽酸的量少，都和NaOH反應了，于是進行了改進：取少量（1）中所得溶液于試管中，加入過量的稀鹽酸，發現一段時間后有氣泡產生，說明猜想二正確。

3）由于實際的電流互感器變比和計算變比不同產生的不平衡電流。

4）由于變壓器各側電流互感器型號不同而產生的不平衡電流。

5）由于改變變壓器調壓分接頭產生的不平衡電流。

目前艦船上變壓器保護設施并不完全，借鑒陸地上較為成熟的變壓器保護方法，并結合艦船特點，針對變壓器的相關技術特性進行研究分析，選出了適用于該變壓器的保護方式。通過利用Matlab中Simulink及SimPowerSystem工具箱建立該變壓器差動保護仿真模型，并對仿真結果進行分析。仿真結果表明，該模型能夠正確實現其變壓器保護功能，并且具有較好的速動性和穩定性。

1 比率制動式差動保護

比率制動式差動保護就是使差動電流的定值隨制動電流的增大而按某一比率提高，使制動電流在產生不平衡電流較大的外部故障時進行制動作用，而在內部故障時制動作用最小。目的是為了進一步減小不平衡電流對變壓器差動保護的影響,并提高變壓器差動保護的靈敏度[3]。

由于流入差動繼電器中的不平衡電流隨著變壓器兩側電流變化而變化，當發生區外故障時，流過變壓器的故障電流越大，不平衡電流就越大。比率制動式差動保護的動作電流是隨外部短路電流按比率增大，不僅能保證外部短路不會產生誤動作，而且能保證內部有較高的靈敏度[4]。

地暖采用不用熱源時，其運行費用到底如何，我們以一個20KW的采暖系統為例，分別采用空氣源熱泵和燃氣爐系統分析如表1。

比率制動式差動保護一般采用“兩折線”的方法[5]，制動特性如圖1所示，該坐標系縱軸為保護的差動電流Iop；橫軸為制動電流Ires，折線ACD的左上方為保護的動作區，折線右下方為保護的制動區。

這一動作特性曲線由縱坐標OA，拐點的橫坐標OB，折線CD的斜率S三個參數確定。OA表示無制動狀態下的動作電流，即保護的最小動作電流Iop.min；OB表示起始制動電流Ires.min。動作判據為：

2 仿真模型的建立

根據艦船實際特點，利用Matlab中Simulink模塊庫建立變壓器仿真系統模型[6]，如圖2所示。通過該仿真模型能夠實現對變壓器發生原副邊短路故障的模擬仿真。圖2中變壓器采用Δ/Y-11接線方式，Δ側為高壓側，原副邊變比為6300/400；所有模塊頻率都設置為50 Hz，三相斷路器初始狀態設置為合閘；三相電壓-電流測量器模塊可獲得原副邊兩側電流共六路模擬量。

差動保護子系統內部結構如圖3所示。比例調整模塊主要由放大器模塊構成，分別對高低壓六路電流按比例進行調整。基波傅里葉模塊和二次諧波傅里葉模塊采用的是Simulink Library Browser中固有模塊“Fourier”，其作用是輸出各相電流的幅值和相角，以便在之后的S函數中把電流轉換成復數形式進行計算。

比率差動保護的S函數的編寫依據為“兩折線”動作特性曲線，即公式（1）。由于變壓器原副邊為Δ/Y-11接線方式，所以兩側電流會存在30°相位差，因此在差動保護時需要進行相位補償。在程序中對低壓側進行轉角：

差動電流及制動電流為（以A相為例）：

為了防止變壓器空載合閘時造成的勵磁涌流，艦船變壓器一般會在原邊接入預勵磁變壓器對主變壓器進行預充磁，以減小勵磁涌流對電力系統的影響。由于變壓器在空載合閘時瞬間電流過大有可能造成誤動，出于安全考慮，在差動保護中加入二次諧波制動以減少保護誤動。與此同時，保護中還具有差流速斷和CT二次斷線等功能。S函數模塊輸出后的信號經過邏輯判斷來決定差動保護子系統是否輸出跳閘信號。

3 故障仿真分析

為了分析在變壓器發生故障時，變壓器差動保護的動作情況，根據圖2所示的系統，在差動保護子系統的程序中設定相應的仿真參數：

1）兩折線比率制動整定參數：最小動作電流為2 A，起始制動電流為5A，比率制動系數為0.5。

2）二次諧波制動系數為15%。

3）差動速斷保護電流設置為50 A。

在整個仿真過程中要對多種故障方式進行仿真，本文僅就變壓器副邊發生單相接地故障進行分析。當變壓器副邊差動保護區域內突然發生單相接地故障時，該相電流會突然變小趨近于0，其余兩相電流隨之增大。在仿真中，A相電流在0.05 s發生接地故障，在0.15 s時故障消除，仿真模型檢測的三相電流波形圖如圖4所示。

從仿真圖形4中，可以清晰的看到，當變壓器副邊發生單相接地故障時，電壓和電流會在產生故障時發生劇烈震蕩。A相故障電流近似為零，B、C兩相電壓近似增大為原來的兩倍左右。

在圖2所示的仿真模型中，差動保護是否動作是通過Display模塊觀察得出的。仿真結果如圖5所示，在仿真時間0.0685 s（即故障發生后的0.0185 s）時，差動保護動作，模型中差動保護輸出Display顯示為1。故障結束后，在仿真時間0.1555 s（即故障結束后0.0055 s）時，差動保護返回，Display顯示為0。圖6為發生三相接地故障時的電流波形圖。

4 結論

本文通過建立艦船中壓變壓器差動保護仿真模型，利用Matlab中S函數進行差動保護算法編程，實現差動保護功能。仿真結果表明，該模型能夠正確反應變壓器接地故障特性，及時對變壓器進行跳閘保護，具有較好的速動性和穩定性。該差動保護模型能夠為觀察分析變壓器故障提供重要依據，并且對今后艦船變壓器保護裝置的研究設計具有一定的指導作用。

[1] 王維儉．電氣主設備繼電保護原理及應用（第二版）[M]．北京：中國電力出版社，2002．

[2] 陳曾田．電力變壓器保護（第二版）[M]．北京：水利電力出版社，1988.

[3] M.S.Sachdev. A digital relaying algorithm for decting transformer winding faults, IEEE Transaction on power Delivery, 1999,4(3):32-34.

[4] 許建安．變壓器比率制動式差動保護靈敏度分析[J]．水電能源科學，2009，27（1）：194-197．

[5] 華北電力設計院，東北電力設計院，清華大學．大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則（DLT 684-2012）[S]．北京：中國電力出版社，2000．

[6] 韓笑，徐曦，陳卓平．基于Matlab與VB數據交換的繼電保護仿真[J]．電力自動化設備，2006，26（5）：92-95．

Simulation Research and Analysis of Transformer Differential Protection in Shipboard Medium Voltage Based on Matlab

Zhang Hongzhi, Shen bing, Xu Guoshun

（College of Electrical Engineering of Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM422

A

1003-4862（2015）01-0013-03

2014-07-14

張洪志（1990-），男，碩士研究生。研究方向：電力系統安全運行。