基于Matlab的变压器差动保护仿真设计

吴巧媚(广东技术师范学院天河学院，广东 广州 510540)

1 引言

当前，微机型继电保护装置逐步代替了常规的模拟式继电保护，在电力系统中获得了越来越广泛的应用［1］。由于微机保护的原理是用软件实现，我们难以得知继电保护装置的内部动作行为，也难以直观判断保护装置误动或拒动时，保护装置中究竟哪个模块出现故障、或保护逻辑错误导致了保护的不正确动作。因此我们需要建立相应的仿真模型，通过仿真模拟实验对电力系统继电保护动作行为进行检验。本文利用Matlab中的Simulink及SimPowerSystem工具箱建立变压器差动保护仿真模型，用S函数编写保护算法。根据微机保护原理，实现变压器差动保护的闭环仿真，并对仿真结果进行分析。仿真结果表明，该差动保护各模块均能正确实现其保护的功能，并且具有较好的可靠性与速动性。

2 变压器差动保护

2.1 比率制动式差动保护

纵联差动保护是反应被保护变压器各端流入和流出电流的相量差而决定保护是否动作的一种保护［2］。为保证保护正确动作，差动保护的动作电流应大于最大不平衡电流。但是，由于励磁电流等原因，在正常运行时及保护范围外部故障时，流入差动保护回路的不平衡电流较大，从而使保护的灵敏度降低。而比率制动式差动保护的动作电流是随外部短路电流按比率增大，既能保证外部短路不误动作，又能保证内部短路有较高的灵敏度。

图1 两折线比率制动特性

式中:S为BC为制动斜率，即S=tanα。

本文中比率制动参数整定方法亦参照文献［2］。

3 变压器差动保护仿真模型建立

3.1 一次系统建模

根据如图2所示的电网接线图，利用Matlab模块库建立变压器保护一次仿真系统模型如图3所示。其中，电源、变压器参数根据系统所给参数设置。输电线路模块采用分布参数模型，用电流、电压测量模块再配合一个增益模块用以设置互感器的变比。断路器用‘Three－Phase Breaker’模块，设置“1”为断路器闭合状态，“0”为断开状态。

图2 电网接线图

3.2 二次系统建模

变压器差动保护二次系统应实现包括对一次系统的数据采集、监视、控制以及保护功能，仿真模型如图4所示。

CT:为电流互感器模块。1.L和1.H分别是变压器两侧的测量电流。

图3 一次系统接线图

图4 二次系统接线图

Converter:为变换器模块。包含了变压器低压侧(△型接线)、高压侧(Y型接线)电流的变换算法，相位校正采用文献［3］所述的三角形侧变换，同时还设置了零序电流的输出，主要是用以进行故障时的故障类型判断。

Jibo和xiebo:为傅里叶级数变换模块。该模块直接用Simulink Library Browser自带的模块‘Fourier’，它输出的是各相电流的直流分量或n次谐波分量的幅值I和相角φ。

GZXX:为故障选相模块。用S函数编程实现故障相的判别。S函数输出值所表示的含义如表1所示。

表1 故障选相模块输出值含义表

CDSD:为差动电流速断模块。此模块用S函数编写。

CTDX:为二次绕组断线模块。当任一相差动电流大于0.1IN，则启动 CT断线判别程序，满足下列条件［5］:一本侧三相电流中一相无电流;二其他两相与启动前电流相等。即认为是CT断线。

CLYX:为差流越限警告模块。用S函数编写，用以监视各相差动电流。如果任一相差动电流大于越限的启动门槛，发出告警信号。门槛值一般设为最小动作电流的1/2。

4 仿真实例分析

为分析各种故障时保护的动作情况，如图3所示的系统，以下给出仿真系统参数:

(1)两折线比率制动整定参数:最小启动电流=1.0736A，最小制动电流 =2.3857A，最大制动电流 =8.5579A，最大不平衡电流 =2.5674A，斜率 =0.3668。

(2)二次谐波制动系数K2=15%。

(3)差动电流速断的瞬时电流为12A;越限的启动门槛电流为0.5368A仿真中使用具有励磁特性的变压器模块，同时在变压器两侧增加另外增加两个断路器，模拟励磁涌流情况。以下给出空载合闸及二次回路断线情况下电流波形。

图5 变压器高压侧空载合闸的励磁涌流

图6 高压侧CT二次回路断线

各运行状态下，断路器动作行为信号，故障选相，闭锁信号见表2。

表2 各运行状态下，断路器动作行为信号，故障选相，闭锁信号

5 结论

仿真结果表明，两折线比率制动能正确识别保护区内故障电流，并迅速切除故障。同时对于保护区外部故障与系统中的不平衡电流，差动保护能可靠不动作。在识别励磁涌流的问题上，使用了二次谐波综合相制动方式，较好的识别励磁涌流，并且提高了保护的速动性。至于变压器两侧电流互感器二次回路断线模块利用S函数编写，作为故障录波的一部分，可以正确识别故障的类型与故障相的判别。

总体来说，该差动保护各模块均能正确实现其保护的功能，并且具有较好的可靠性与速动性，为观察微机变压器保护中各模块的动作情况提供便利。

［1］徐建安.电力系统微机继电保护［M］.北京:中国水利水电出版社，2008.

［2］张保会.电力系统继电保护［M］.2版.北京:中国电力出版社，2009.

［3］毕大强，王祥珩，杨恢宏，等.变压器差动保护中电流相位补偿方式的分析［J］.电力系统自动化，2006，9:33 －37.

［4］何越，熊元新，姜山，等.变压器空载合闸励磁涌流的仿真分析研究［J］.电力学报，2010，2:33 －36.

［5］徐明珠，岳圣将，杨志立，等.变压器差动保护CT二次回路断线闭锁分析［J］.电气工程，2009，5:49 －51.