基于MATLAB/SIMULINK的變壓器比率制動式縱差保護仿真

三峽大學電氣與新能源學院 李鑫燕

國網湖北省電力公司檢修公司宜昌運維分部 田慧雯

引言

常見的變壓器故障有相間短路、接地短路、繞組匝間短路等。針對這些故障，電力變壓器通常裝設作為非電量保護的瓦斯保護和作為電量保護的縱差保護[1,2]。變壓器比率制動式縱差保護原理簡單，且不需要其他元件的配合，可以實現無延時切除區內故障，因此為變壓器保護所青睞，常常作為變壓器保護的主保護。

1.變壓器比率制動式差動保護原理

本文借用單相變壓器說明變壓器比率制動式差動保護工作原理。假設電流參考方向取母線指向線路為正方向，流入差動繼電器KD的差動電流為，差動保護動作判據為，即當差動電流有效值Ir（）大于等于縱差動保護動作電流Iset時，保護動作，跳開變壓器兩側短路器；否則保護不動。對于擁有制動特性的差動保護而言，其動作電流Iset不再按照躲過最大穿越電流整定，而是根據制動電流Ires自動調整。

本文選用變壓器兩側（M、N側）平均電流作為制動電流（制動系數取1），則：

正常運行或區外故障時，制動電流大于差動電流，保護制動，不動作；當變壓器區內故障時，差動電流小于差動電流，保護可靠動作。

2.基于Matlab/Simulink的變壓器比率制動式縱差保護仿真模型

圖1 基于Matlab/Simulink的變壓器比率制動式縱差保護仿真模型

基于Matlab/Simulink的變壓器比率制動式縱差保護仿真模型如圖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）、三相負荷模塊（Three-Phase Parallel RLC Load）、比率制動式縱差動控制模塊（kcontrol）、三相斷路器控制模塊（SFunction）組成。其中三相電壓電流測量模塊負責測流經變壓器兩側（M、N側）工作電流；三相斷路器控制模塊負責形成斷路器控制信號，開斷斷路器；三相故障模塊用于設置區內外故障。

3.基于Matlab/Simulink的比率制動縱差保護模型

本文采用具有制動特性的縱差保護，制動系數取1。以a相為例說明，a相差動電流為M、N側電流向量差（參考方向為負荷流量方向），即；a相制動電流為M、N側電流和，即：

其中，K等于0，若考慮變壓器空載或低負荷運行時勵磁涌流的影響，K可以取大于0的相應實數。

3.1 基于Matlab/Simulink的比率制動式縱差控制模塊

根據上述動作條件，比率制動式縱差控制模塊如圖2所示：

圖2 基于Matlab/Simulink的比率制動式縱差控制模塊

本文制動系數取1，則增益K2取1。此外，比率制動式縱差保護動作條件只跟差動電流和制動電流差值的幅值有關，與其相位無關，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

根據可控三相斷路器控制特性可知，當控制端輸入為1時，斷路器閉合；當控制端輸入為0時，斷路器斷開。即當變壓器比率差動控制模塊輸出為正值時，意味差動電流大于制動電流，則斷路器控制端輸入值應為1；反之斷路器控制端輸入值應為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) 正常運行

圖4 (b) 區內故障

圖4 (c) 區外故障

利用Matlab/Simulink軟件進行仿真，變壓器故障設置如圖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、二次側等值阻抗取。電源相電壓取35kV，頻率50Hz。電源采用無窮大電源。分別設置三相故障模塊1、三相故障模塊2用于模擬變壓器區內故障和區外故障。并對以下情況進行仿真：

（1）正常運行，即雙繞組變壓器區內外均無故障；

（2）雙繞組變壓器0.5s時在k1位置發生區內短路故障；

（3）雙繞組變壓器0.5s時在k2位置發生區內短路故障；

仿真結果分別如圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)所示。

5.結論

本文根據變壓器比率制動式縱差保護工作原理，建立了基于Matlab/Simulink的仿真模型，該模型通過比率制動式縱差控制模塊和三相斷路器控制模塊，實現比率制動式縱差保護動作條件是否滿足的時時判斷和短路器控制參數的時時輸出。由仿真結果圖4可知，該模型既可以正確反應變壓器區內故障，實現內部故障的準確切除；又可以實現外部故障的制動，滿足變壓器主保護要求。

[1]張保會,尹項根.電力系統繼電保護(第二版)[M].北京:中國電力出版社,2009.12.

[2]于群,曹娜.電力系統建模與仿真[M].北京:機械工業出版社,2011.5.