1、圖書分類號：密 級：畢業設計(論文)電力變壓器繼電保護動作行為仿真分析系統Simulation and Analysis System for Power Transformer Relay Protection學生姓名學院名稱專業名稱指導教師年月日 徐州工程學院畢業設計(論文)徐州工程學院學位論文原創性聲明本人鄭重聲明： 所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用或參考的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標注。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。論文作

2、者簽名： 日期： 年 月 日徐州工程學院學位論文版權協議書本人完全了解徐州工程學院關于收集、保存、使用學位論文的規定，即：本校學生在學習期間所完成的學位論文的知識產權歸徐州工程學院所擁有。徐州工程學院有權保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的紙本復印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。徐州工程學院可以公布學位論文的全部或部分內容，可以將本學位論文的全部或部分內容提交至各類數據庫進行發布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。論文作者簽名： 導師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日I摘要電力變壓器作為電力系統中重要的主設備之一，在電力系統中承擔著變換電壓、

3、交換功率的重要作用，其運行情況直接影響整個電力系統安全穩定運行。但是近年來，變壓器保護的正確動作率遠低于線路保護，因此對變壓器故障仿真研究具有十分重要的理論意義和實用價值。本文針對變壓器保護中的一些問題，主要完成了以下工作:以電力系統中常見的三相變壓器為研究對象，介紹了變壓器主保護和后備保護基本原理，并重點分析了差動保護原理、勵磁涌流產生機理。根據變壓器微機繼電保護的基本原理、邏輯構成、保護算法及實現流程，利用MATLAB/Simulink里模塊，搭建了變壓器外部故障模型和內部故障模型。此模型能模擬變壓器繼電保護各功能模塊及其邏輯配合關系和時序，真實仿真變壓器繼電保護裝置的動作行為。利用此模型

4、對變壓器各種故障做了大量的仿真與研究，其仿真結果與理論分析一致，驗證了故障仿真模型的正確性與有效性。 結合電力變壓器繼電保護特點，在深入了解和研究國內外繼電保護數字仿真方法的基礎上，利用繼電保護數字仿真技術，基于MATLAB軟件開發設計了電力變壓器繼電保護動作行為仿真分析系統。此系統提供了差動保護、過電流保護、接地保護和過勵磁保護的仿真模型，用戶可以設置主設備參數、保護整定值和故障類型，各種故障類型下故障電流、電壓及動作信號等仿真結果以圖形形式顯示。該系統人機界面友好、操作簡單、仿真分析結果直觀，能滿足繼電保護人員熟悉保護原理和進行故障分析的需要，在繼電保護培訓與教學等方面也具有一定的實用價值

5、。關鍵詞 變壓器；繼電保護；MATLAB/Simulink；仿真分析AbstractPower transformer is one of the most important main equipment in the power system, and it plays an important role of transforming voltage and exchanging power in the power system. Its operating conditions affect the safety and stability of power system direc

6、tly. But in recent years, the correct operation ratio of transformer protection is far lower than the line protection, so the simulation study of power transformer fault has very important theoretical significance and practical value. This paper mainly does the following work aiming at some question

7、s of transformer protection.This paper chooses the common three-phase transformer in the power system as the research object, introduces the fundamental principle of main protection and back-up protection of transformer.This paper sets up the outside fault model and the internal fault model of trans

8、former based on the Matlab/Simulink according to the fundamental principle, the logical components, the protection algorithm and the implementation process of the transformer microcomputer relay protection. This model simulates each function module of the transformer relay protection, simulates the

9、actions of the transformer relay protection device. The model simulates and studies the transformer in all kinds of type of faults, the simulation results are in accord with the theoretic analysis, proving the correctness and validity of the simulation model.This paper deeply understands and studies

10、 domestic and foreign digital simulation methods of relay protection, and designs the simulation and analysis system of power transformer relay protection based on Matlab with the use of the relay protection digital simulation technique. The system provides the simulation model of differential prote

11、ction, over current protection, ground protection and over-excitation protection, the user can set the main equipment parameters, the setting value of protection and the type of faults, furthermore, the simulation results under all kinds of type of faults can show the failure current, the voltage, o

12、peration signals and so on in the form of graphics. The system has a friendly interface of man-machine, and it is easy to operate, its simulation results can be showed in graphics, which can meet the needs of knowing the protection principle well and making fault analysis for relay protection worker

13、s. It also has practical value in the relay protection training and teaching.Keywords Transformer Relay protection MATLAB/Simulink Simulation andanalysis目 錄摘要IIAbstractIII1 緒論51.1研究背景和意義51.2國內外研究動態和發展趨勢51.3 本文結構安排62電力變壓器保護原理72.1變壓器的工作原理及基本構造72.1.1變壓器的基本原理和構造72.1.2變壓器故障和異常運行狀態82.2變壓器的主保護原理分析82.2.1變壓器

14、差動保護82.2.2變壓器差動回路不平衡電流分析103.鑒別勵磁涌流的原理與方法133.1諧波識別法133.1.1二次諧波電流鑒別勵磁涌流133.1.2諧波電壓鑒別勵磁涌流133.2 波形特征識別法143.2.1基于間斷角原理鑒別勵磁涌流143.2.2基于波形對稱原理鑒別勵磁涌流143.2.3基于波形凹凸性識別勵磁涌流153.3 磁通特性識別法153.4 等值電路識別法153.5 有功功率識別法164變壓器仿真研究174.1仿真長線路末端電壓升高174.1.1 仿真模型如圖17 4.1.2仿真參數介紹及波形.174.2仿真三相變壓器T2的勵磁涌流214.2.1 仿真模型如圖：214.2.2 仿

15、真參數介紹及波形214.3仿真三相變壓器外部故障264.3.1仿真模型如圖:264.3.2 仿真參數介紹及波形274.4 仿真三相變壓器T3的勵磁涌流294.4.1仿真模型如圖：294.4.2 仿真參數介紹及波形304.5仿真三相變壓器T3的內部故障354.5.1 仿真T3相間短路（AB相）的模型如圖：354.5.2模型參數介紹及波形364.5.3 仿真T3匝間短路的模型如圖：394.5.4模型參數介紹及波形395 變壓器仿真波形分析425.1 對勵磁涌流進行FFT分析425.2 對外部故障進行FFT分析435.3 對內部故障進行FFT分析44結論46致謝47參考文獻481 緒論1.1研究背景

16、和意義電力系統由發電廠、變電所、輸電線路、配電線路以及電力用戶組成的整體，發電、輸電、變電、配電、用電幾乎同時進行。其中任何一個環節出現故障，都會導致用戶得不到合格的電能或失去電能，造成一定的經濟損失。電力系統通過變壓器實現升高電壓遠距離輸送和降低電壓供用戶使用，變壓器是電力系統重要的電氣主設備之一。大型變壓器結構復雜、造價昂貴、一旦發生嚴重故障而損壞，將給維修工作帶來很大困難，造成重大的經濟損失。為保證電力系統的安全穩定運行，防止事故的發生和擴大，必須給變壓器裝設動作可靠、性能良好的保護裝置。 隨著計算機通信技術的發展，微機技術在電力系統繼電保護領域得到了廣泛的應用，繼電保護裝置的正確動作率

17、也有較大的提高。但是變壓器保護的正確動作率與線路、發電機保護相比卻一直偏低，以2003年全國220kV及以上變壓器保護的運行情況為例，其正確動作率僅為76.2%，而同期全國電網輸電線路保護裝置的正確動作率為98.9%1。造成變壓器保護正確動作率偏低的原因是多方面的：(1)保護裝置質量不佳、設計制造不合理導致的誤動或拒動； (2)外部短路不平衡電流、勵磁電流過大導致差動保護誤動作； (3)繼電保護人員將TA極性接反、整定值有誤導致的誤動； (4)調度人員的錯誤判斷和處理不當。其中電力工作人員對變壓器保護原理及故障現象了解不夠是變壓器保護動作率偏低的原因之一，為了降低電力工作人員的主觀因素造成的保

18、護動作率偏低，電力工作人員必須具有良好的職業技能和豐富的現場經驗。但是“繼電保護”這門學科概念抽象、理論復雜，要理解和掌握“繼電保護”需要進行專業的培訓與刻苦的學習。因此有必要研究變壓器繼電保護的仿真技術，該技術可以實現變壓器保護的各種仿真，便于使用者更好地熟悉變壓器保護工作原理，減少工作失誤，提高工作效率。 1.2國內外研究動態和發展趨勢繼電保護裝置對電力系統的安全穩定運行起著至關重要的作用，因此在繼電保護裝置投入使用前有必要進行各種環境下的試驗。以前，這種試驗可以通過建立物理原型模擬仿真實驗室來實現，這些模型如發電機、變壓器、斷路器等，它們價格昂貴且體積大。因此建造動態模擬實驗室的缺點是占

19、地廣、投資大、周期長，而且一旦建成接線方式很難以改變，只能滿足特定試驗的要求。一般作為新產品的開發階段的各種實驗，以此來檢驗該產品是否滿足設計的要求，而無法用作大規模的產品出廠試驗。因此投資少、接線方式方便更改而且方便操作的實用仿真系統顯得十分重要，這就促使研制電力系統專用的數字仿真系統。 數字仿真是將真實系統的數學模型來代替真實系統進行研究和實驗的一種技術，它可以仿真電力系統各種運行工況2。繼電保護裝置的數字仿真的基本要求是真實性、適用性和靈活性3。真實性是指該仿真能根據實際系統建立各種模型，并能正確模擬故障后保護裝置的動作行為;適用性是指在不同環境下該仿真都能客觀的反映保護裝置的動態特性和

20、靜態特性;靈活性是指該仿真可以方便的查詢和更改保護裝置的參數設置，也可以根據不同的保護原理編輯保護裝置的動作邏輯。繼電保護的數字仿真系統一般由測量部分、邏輯部分和執行部分組成4繼電保護原理結構框圖如圖1.1所示。圖1.1繼電保護原理結構框圖測量部分的作用是測量被保護對象的各類運行參數，在故障情況下測得的是故障參數，將它與給定的繼電保護整定值相比較，將比較結果輸出給邏輯部分。邏輯部分按照繼電保護預先設置的邏輯關系進行判斷，確定保護是否使斷路器跳閘或者發出信號，并將判斷結果輸出給執行部分。執行部分完成繼電保護發出的斷路器的跳閘命令或信號。所以，繼電保護仿真可以根據定值判別和邏輯判別的方法進行建模仿

21、真5。1.3 本文結構安排論文分為5章:第1章介紹了本論文的研究背景和意義，闡述了國內外繼電保護數字仿真技術的發展現狀，簡要分析了目前比較普遍的電力系統仿真軟件以及基于各種軟件的仿真系統。第2章介紹了變壓器的基本原理及構成，分析了變壓器差動保護、過流保護、接地保護和過勵磁保護的保護原理，并重點闡述了變壓器差動保護的特點。第3章介紹了變壓器磁化特性、勵磁涌流和 MATLAB/Simulink的相關知識，第4章介紹了利用MATLAB，以變壓器保護原理為基礎，搭建變壓器保護的數字保護仿真模型的方法，并對變壓器各種仿真模型進行仿真分析，對比仿真結果與理論分析是否一致，驗證仿真模型的正確性。 最后進行總

22、結，概括說明了本次實驗的情況和價值，分析其優點和特色，并指出了其中存在的問題和今后的改進方向。2電力變壓器保護原理2.1變壓器的工作原理及基本構造2.1.1變壓器的基本原理和構造 變壓器是一種靜止的電氣設備，它利用電磁感應原理，將一種交流電壓電能轉換成同頻率的另一種交流電壓電能。變壓器的工作原理可以總結為“動電生磁，動磁生電”八個字:當變壓器一次側通入變化的交流電時，這個變化的電流在以鐵芯構成的主磁通回路產生交變的主磁通，主磁通同時穿過一次繞組和二次繞組，由電磁感應原理可知，在變壓器的一次繞組中產生自感電動勢，同時二次繞組中也產生了互感電動勢。變壓器原理圖如圖2.1所示。圖2.1變壓器基本原理

23、假設一次側通入正弦電壓，則產生磁通，由電磁感應原理可知： （2-1） （2-2）有效值為： （2-3） （2-4）變壓器的電壓變比： （2-5）由以上的分析可知，變壓器是通過電磁感應原理制成的，磁路一般由磁導率比較高的鐵磁材料構成，為了減少交變磁通在鐵芯中產生的磁滯損耗和渦流損耗，變壓器鐵心由厚度為0.35mm的冷軋硅鋼片疊裝而成。繞組是變壓器的電路部分，它一般有由包有絕緣材料的高導電率材料如銅(或鋁)線繞制而成，各繞組之間應有良好的絕緣能力，保證為電力變壓器提供暢通的電流回路。裝配時低壓繞組靠近鐵芯，高壓繞組套在低壓繞組的外面，為加強絕緣和散熱，一般將鐵芯及繞組置于裝有變壓器油的油箱中。變壓

24、器的引線從油箱內穿過油箱蓋時，必須經過絕緣套管，以使高壓引線和接地油箱絕緣。2.1.2變壓器故障和異常運行狀態電力變壓器故障分為油箱內故障和油箱外故障。變壓器油箱內故障包括繞組之間發生的相間短路、單相繞組中發生的匝間短路、繞組與鐵芯或外殼之間發生的單相接地短路等;變壓器油箱外故障主要是套管和引出線上發生的接地短路和相間短路故障等。由于變壓器本身結構的特點，油箱內部發生故障是十分危險的，故障產生電弧可能引起變壓器油的劇烈氣化，而此氣體即為瓦斯，它可能導致變壓器外殼局部變形、甚至引起變壓器爆炸。因此，變壓器發生內部故障時，必須盡快將變壓器從電力系統切除。變壓器異常運行包括過負荷、油箱漏油造成的油面

25、降低、外部短路引起的過電流等，變壓器處于異常運行狀態時，保護應發出信號。2.2變壓器的主保護原理分析2.2.1變壓器差動保護變壓器差動保護用來反映變壓器繞組的相間短路故障、中性點接地側繞組的接地故障以及引出線的相間短路故障等。但是應當注意，對于變壓器內部繞組很少的匝間短路故障，電流變化量不大，差動保護可能反應不了。所以一般把差動保護和瓦斯保護(非電量保護)作為變壓器的主保護。本論文中以常見的雙繞組變壓器為對象進行研究分析。如圖2.1以雙繞組變壓器為例，變壓器原邊繞組線圈匝數為、副邊繞組線圈匝數為。設變壓器的變比為，對一個單相變壓器而言。設原邊繞組的電流互感器變比為，副邊繞組的電流互感器變比為。

26、各側電流以流入變壓器的方向為正方向，電流互感器同名端都標在母線側。把變壓器兩側的電流互感器按差接法接線，在正常或外部故障時，流入繼電器的電流為兩側電流之差，其值接近為零，繼電器不動作；內部故障時，流入繼電器的電流為兩側電流之和，其值為短路電流，繼電器動作。1 變壓器區外發生短路或正常運行狀態此時變壓器原邊繞組和副邊繞組的一次電流和的方向如圖2(a)所示。由于勵磁電流在正常情況下比較小，僅占額定電流的 2%10%，如果不計變壓器的勵磁電流，由此得到： （2-6）電流互感器的同極性端都取靠近母線側，且互感器極性均按照減極性法標注，減極性法即：當一次電流從電流互感器的同名端流入時，其二次電流的方向為

27、從同名端流出。因此，電流互感器的二次電流和的方向如圖2(a)所示。其中，此時流入差動繼電器中的電流為： （2-7）將(2.6)式代入(2.7)式可得： （2-8）從上分析可知，理想情況下只要滿足：變壓器的勵磁電流、。則可以實現流入差動繼電器 KD 的電流為零。圖 2 變壓器差動保護原理圖2 變壓器區內發生短路變壓器在區內發生短路時，一次短路電流和的方向均是流向短路點，如圖 2(b)所示。此時由減極性標注法可知二次電流的方向如圖2(b)所示。流入差動繼電器 KD 中的電流為： （2-9）為了讓區外短路時流入差動繼電器的電流為零，已滿足的條件。則上式演變為： （2-10）由上式可知區內短路時流入差

28、動繼電器的電流為短路電流的二次值。綜合以上分析，當變壓器正常運行或者區外發生短路故障時，流入差動保護的電流在理想情況下可以為 0，現實中考慮到電流互感器的誤差、變壓器的接線方式、有載調壓變壓器分接頭調整等因素，使得正常運行和區外適時流入差動保護回路的電流不可能為 0，實際上是比較小的不平衡電流，一般差動保護的整定原則就是躲開此不平衡電流。當變壓器內部發生故障時，流入差動回路的電流為短路電流的二次值，此電流非常大，能使差動保護可靠動作。因此差動保護對其保護范圍內的故障具有絕對的選擇性和動作迅速的優點，所以差動保護一直作為大容量變壓器保護的主保護之一。2.2.2變壓器差動回路不平衡電流分析 變壓器

29、常見的不平衡電流包括:勵磁涌流、電流互感器誤差及變比未完全匹配、有載調壓變壓器改變分接頭和變壓器,接線導致變壓器兩側電流不平衡。1.勵磁涌流的產生機理及常用的閉鎖措施 變壓器的一、二次側是通過電磁聯系起來的，在正常運行時勵磁電流比較小，一般不超過額定電流的(2% 10%)31。在區外短路時由于電壓降低，勵磁電流更小，但是變壓器空載投入或外部故障切除后電壓恢復時，靠近電源一側可能出現數值很大的勵磁電流，數值可達額定電流的68倍，勵磁電流如潮水一樣涌來，故稱作勵磁涌流。所以差動保護回路中會流過很大的差動電流，可能引起保護誤動作。勵磁涌流產生的機理可以用如下圖2.3來說明。 在穩態工作情況下，鐵芯中

30、的磁通滯后于外加電壓90，如圖2.3(a)所示。如果空載合閘瞬間(t=0)正好發生在電壓瞬時值為零(=0)時，此時本應磁通為-。根據楞次定律電感中磁通不能突變，所以為了保證此時磁通為零，變壓器將產生一個強制性的非周期分量磁通，該非周期分量磁通在t=0時的幅值為+。它與周期分量磁通合成后在t=0時的合成磁通保持為零。由于非周期分量磁通衰減很慢，所以半個周波后周期分量磁通和非周期分量磁通疊加使鐵芯中的合成磁通達到2。如果鐵芯中原先有剩余磁通，那么鐵芯中的磁通將達到，如圖2.3 (b)所示。這么大的磁通使鐵芯嚴重飽和，由圖2. 3 (c)的磁化曲線可見，勵磁電流。急劇增大，成為勵磁涌流。此后隨著非周

31、期分量磁通逐漸衰減，合成磁通幅值也逐漸衰減，勵磁電流的幅值也逐漸衰減，直到穩態的勵磁電流幅值。勵磁涌流的波形如圖2.3(d)所示。圖2.3變壓器勵磁涌流的產生機理2. 變壓器勵磁涌流的特點 1）勵磁涌流很大，其中含有大量的直流分量； 2）勵磁涌流中含有大量的高次諧波，其中以2次諧波為主，而短路電流中2次諧波成分很小。表2.1中列出了短路電流和勵磁涌流中各次諧波分量的比例； 3）勵磁涌流的波形有間斷角，涌流越大，間斷角越小； 4) 勵磁涌流的衰減常數與鐵芯的飽和程度有關，飽和越深，電抗越小，衰減越快。一般情況下，變壓器容量越大，衰減的持續時間越長，但總的趨勢是涌流的衰減速度往往比短路電流衰減慢一

32、些。表2.1 變壓器內部短路電流和勵磁涌流諧波分析結果諧波分量占基波分量的百分比（%）勵磁涌流短路電流例1例2例3例4不飽和飽和基波1001001001001001002次諧波36305023943次諧波76.99.41.04324次諧波96.25.4795次諧波542直流668062733803.勵磁涌流的危害性 1）使變壓器在投運時引發變壓器的繼電保護裝置誤動作，變壓器的投運頻頻失敗； 2）變壓器出線短路故障切除時所產生的電壓突增，誘發變壓器保護誤動，使變壓器各側負荷全部停電； 3）數值很大的勵磁涌流會導致變壓器及斷路器因電動力過大而受損； 4）勵磁涌流及其引起的操作過電壓會對變壓器及斷路

33、器等電氣設備造成損壞； 5）勵磁涌流中的直流分量導致電流互感器磁路被過度磁化而大幅降低測量精度和繼電保護裝置的正確動作率； 6）造成電網電壓驟升或驟降，影響其他電氣設備正常工作； 7）勵磁涌流中的大量諧波對電網電能質量造成嚴重的污染； 8）引起臨近正在運行的變壓器產生和應涌流而跳閘 因此，必須對勵磁涌流采取相應的措施，把危害降到最低。 3.鑒別勵磁涌流的原理與方法 如前所述，變壓器差動保護的主要矛盾集中在鑒別勵磁涌流和內部故障上。近十多年來，國內外專家學者致力于變壓器繼電保護的研究，提出了多種鑒別勵磁涌流的原理與方法，下面簡要的概述一下這些原理與方法。3.1諧波識別法 諧波識別法是通過電流或電

34、壓中諧波含量的多少來區分內部故障和勵磁涌流。可以分為兩種，一是利用二次諧波電流鑒別勵磁涌流；二是通過分析變壓器端電壓中的諧波分量而形成的電壓制動式保護。3.1.1二次諧波電流鑒別勵磁涌流分析表明，勵磁涌流中含有較大的二次諧波分量，通過計算差動電流中的二次諧波電流與基波電流的幅值之比可判別是否存在勵磁涌流。當出現勵磁涌流時應有，式中、為差流中基波和二次諧波模值；是二次諧波制動比，可以調整，一般整定為15%17% 。二次諧波制動原理簡單明了，目前在國內外變壓器的常規保護中運用較普遍，有較多的運行經驗，微機保護已經實現了該種原理。3.1.2諧波電壓鑒別勵磁涌流其基本思想是當變壓器因勵磁涌流出現嚴重飽

35、和時，端電壓會出現嚴重畸變，其中包含較大的諧波分量，可以用來鑒別勵磁涌流。其原理簡述如下，如果變壓器的三相電壓滿足： (3.1)或 (3.2)此時判為勵磁涌流，保護閉鎖。其中是電壓基波分量的幅值；、分別是門檻值；是一個監視量，目的是為了克服在涌流時端電壓畸變引起的電壓的下降導致保護誤動作， (3.3)其中 基波分量計算采樣值； 電壓原始采樣值。分析和實驗表明，在涌流情況下，雖然某些項可能出現，但均可由對應的可靠制動。對于各種內部短路，一般總有和，保護能夠快速跳閘。與二次諧波電流制動相比，諧波電壓制動原理對于LC的振蕩相對不敏感，二次諧波電流制動的某些不足得以一定的改善。但電壓制動原理與電源阻抗

36、的大字密切相關，如果采用一個習慣性的假設，認為系統總阻抗為零，那么在故障時一定滿足，即保護拒動，因此，在構成該原理的保護時必然要求對系統阻抗有比較精確的了解，這導致了在整定上的復雜。3.2 波形特征識別法 根據變壓器在勵磁涌流和內部故障時，差動電流波形所具有的不同特征來區分勵磁涌流和內部故障的方法3.2.1基于間斷角原理鑒別勵磁涌流通過檢測差流間斷角的大小來實現鑒別涌流的目的，一般采用的判據為：65°；140° (3.4)式中：是涌流間斷角；是涌流波寬。只要65°就判為勵磁涌流，閉鎖差動保護；而當65°且140°時，則判為故障電流，開放差動保護

37、。間斷角原理利用了涌流時會產生很大的間斷角，通過測量間斷角的大小可以實現鑒別涌流。得到了廣泛的應用，但面臨著因TA傳變引起的間斷角變形問題。當TA飽和時，間斷角區域產生反向電流，飽和越嚴重，反向電流越大，使得間斷角消失；內部故障電流則可能會產生間斷角，這些必然會使差動保護拒動或誤動。此外，目前保護均是利用微機來實現的，為了準確的測量間斷角，需要很高的采樣率，這就對CPU的運算速度提出了很高的要求；同時由于涌流間斷角處的電流非常小，幾乎為零，而A/D轉換在零點附件的轉換誤差很大，因此，必須用高分辨率的A/D轉換芯片，這些都使得間斷角原理所需的硬件成本提高了。3.2.2基于波形對稱原理鑒別勵磁涌流

38、波形對稱原理目前主要有積分型波形對稱原理和微分型波形對稱原理兩種。積分型波形對稱原理是將一個周波采樣信號的波形經過旋轉和平移變換后，進行積處分理，定義波形對稱系數，根據內部故障電流和勵磁涌流的不同特征，加入模糊識別法，設置一個出口計數器，計數器對不同的波形對稱系數采取不同的計數方法，當計數器累加值大于某一閥值時，判斷為勵磁涌流，閉鎖保護出口。對積分型波形對稱原理來說，只要勵磁涌流有明顯的特征，故障電流畸變較小，諧波含量較小，該方法就可以實現快速出口和可靠閉鎖于涌流。但是，當故障電流畸變嚴重時，則有可能延時出口，其實用性還有待作進一步的研究。微分性波形對稱原理首先將差流進行向前微分，濾除直流分量

39、，將微分后差流的前半波與后半波作對比比較，根據比較結果判斷是否發生了勵磁涌流，有以下來兩種實現途徑：方法一： (3.5)為差電流導數前半波第i點的數值，為后半波對應第i點的數值，K為比較閉值。當第i點的數值滿足上式時稱為對稱，否則為不對稱。連續比較半個周波，對于內部故障上式恒成立；對于勵磁涌流，至少有周波以上的點不成立。方法二：其實現方法是利用 (3.6)代替上式，滿足條件則出口跳閘，不滿足則判為涌流，保護閉鎖。微分型波形對稱原理的這兩種方法都是基于對勵磁涌流導數波寬及間斷角的分析。然而涌流波形與多種因素相關，具有不確定性、多樣性，如果K值取的太大，保護可能誤動，而且故障電流也并非總是正弦波，

40、實際情況中必須考慮故障情況的多樣性和故障波形的復雜性，當系統有分布電容較大的電纜線路存在時，故障波形中含有大量的諧波，此時，如果K值選的過小，保護可能拒動作。所以該原理的應用也不是很理想。3.2.3基于波形凹凸性識別勵磁涌流由于在故障發生半周波內，無論故障發生時刻如何變化，故障波形均可達到一次峰值，而對于涌流波形來說大多數情況下也均可在空投后半周波內達到一次峰值，即使個別情況下峰值出現在半周波以后，取半周波時刻的差流值作為差流峰值也不影響前半周波內差流波形的凹凸性。所以可以用啟動時刻和差流達到峰值時刻之間這段差流波形的凹凸性來區分勵磁涌流和內部故障電流。在發生空投勵磁涌流時，勵磁涌流波形前半部

41、分的始部呈凹弧的尖頂波特性，而故障電流基本屬基頻正弦波呈現凸弧特性。依此原理構造判據，通過計算三個連續的采樣點是否符合凹弧的數學特性來判斷波形是否為勵磁涌流。這一原理只需要半個周波的采樣點即可判斷出波形的凹凸性，在時間上可以達到快速判別的目的。但是該方法的運算需要高的采樣率，在實際應用中受到采樣頻率的限制。3.3 磁通特性識別法磁通特性原理是通過綜合利用變壓器電壓和電流的信息來鑒別勵磁涌流的。磁通特性原理考慮的是變壓器的勵磁特性，以變壓器每個繞組的電壓回路方程為基礎，如下式所示，理論上可以完全消除勵磁涌流的影響。 (3.7)式中，R，L分別為該繞組的電阻和漏感，為該繞組電壓、電流和磁通的瞬時值

42、。該式在變壓器正常運行、外部短路、空載合閘和過勵磁情況下等均滿足，但在內部故障時不滿足，從而可以區分內部故障和勵磁涌流。目前，利用磁通特性原理鑒別勵磁涌流仍是一個比較活躍的研究方向，磁通特性制動原理的判斷和計算過程都比較簡潔，檢測速度較快，適宜用微機保護實現。但是該原理需要知道變壓器繞組的漏感和磁制動曲線，這在實際中不太可能行得通，還有待繼續研究。3.4 等值電路識別法 等值電路原理是一種基于變壓器導納型等值電路的勵磁涌流判別方法，該方法是通過監測對地等值導納的參數變化來鑒別變壓器的內部故障，鐵芯線圈的漏抗和空心線圈的接近，故此時變壓器的等值導納參數的互導納幾乎與變壓器的鐵芯飽和程度無關。鐵芯

43、未飽和時，變壓器各側對地導納幾乎為零，當鐵芯飽和時，變壓器各側對地導納明顯增大，當鐵芯嚴重飽和時，變壓器各側對地導納幾乎與空芯變壓器的對地導納一致，且是一個不等于零的常數。因此可以計算出變壓器各側的對地導納，通過其值的變化來判別變壓器是否發生內部故障。 這種算法計算速度快，即使在內部故障疊加勵磁涌流的情況下，也能快速的識別是發生內部故障還是勵磁涌流。但是該算法是建立在變壓器等值電路的基礎上，因此變壓器等值參數的精度必然會影響到該算法的精確程度，微機保護的可實現性還需要做進一步的研究。 3.5 有功功率識別法由于變壓器內部故障時消耗大量有功功率這一特性，提出了基于有功功率消耗總量的保護方案，通過

44、計算從各個端口流進變壓器的有功功率的總和，來區分變壓器的內部故障電流和勵磁涌流。由于勵磁涌流時的平均功率幾乎為零，而內部故障時消耗大量有功功率，通過設置一個流進變壓器的平均功率的閥值，便可檢測出變壓器的內部故障。該方法物理感念明確，算法為積分值，穩定性好，但在具體應用的過程中還有需要完善的地方。由以上分析可以看出，目前廣泛使用的鑒別勵磁涌流的方法在理論上效果較理想，但真正用到實際中還有一定距離。由于變壓器運行的復雜性和故障的類型的多樣性，為了改善保護性能，滿足電力系統不斷發展的需要 ,近十多年國內外學者對變壓器保護的原理從各方面進行了深入的研究和試驗 ,提出了許多不同的方案。其中大多數進行的動

45、摸試驗和仿真證明具有較高的靈敏度和可靠性 ,但離微機保護的實現還有一段距離。而原來已用于實際的一些方法隨著電力系統的發展也面臨著新的考驗。因此 ,為適應未來電力系統的發展要求 ,盡快研制出新原理的微機變壓器保護已成為一個非常現實和迫切的要求。4變壓器仿真研究4.1仿真長線路末端電壓升高4.1.1 仿真模型如圖圖4-1 長線路仿真模型4.1.2仿真參數介紹及波形模型窗口參數如下圖:圖4-2 仿真模型參數窗口Three-Phase Source參數如下圖：圖4-3 Three-Phase Source參數Three-Phase Breaker（QF4）的參數：圖4-4 Three-Phase Br

46、eaker（QF4）的參數Distributed Parameters Line的參數：圖4-5 Distributed Parameters Line的參數：Multimeter的參數如下圖：圖4-6 Multimeter的參數其中，Us_ph1_gnd代表Scope中的實線，Ur_ph1_gnd代表虛線。Powergui的參數：將Simulation type選為Continuous,將Lond flow frequency改為50Hz即可。Scope的波形如下：（長度為300km）圖4-7 Scope的波形將Distributed Parameters Line參數中的Line Leng

47、th改為500km,則Scope的波形為：圖4-8 Scope的波形改為1000km，波形為：圖4-9 Scope的波形可見，分布參數導線長度越長，其末端電壓Us升高越明顯。4.2仿真三相變壓器T2的勵磁涌流4.2.1 仿真模型如圖：圖4-10 三相變壓器T2的勵磁涌流模型 4.2.2 仿真參數介紹及波形模型窗口參數不變。由勵磁涌流的特性可知：當變壓器在電壓過零點合閘時，產生最大的勵磁電流；當變壓器在電壓最大值時合閘，不會產生勵磁電流。因此先仿真三相變壓器的電壓。三相電源參數、Powergui參數不變。分布參數導線長度設為300km。QF3參數如下圖：圖4-11 QF3參數三相變壓器T2的參數

48、如下圖：圖4-12 三相變壓器T2的參數萬用表選擇測量的量由上到下依次為Uag_w2: T2、Ubg_w2: T2、Ucg_w2: T2。Demux參數的輸出量設為3 。則示波器的波形為：圖4-13 示波器的波形由上圖可得：Uag_w2: T2、Ubg_w2: T2和Ucg_w2: T2過零點時間可分別為0.02、0.0267、0.0234。為峰值的時間可分別為0.025、0.0317、0.0384。改變QF3的參數，如下圖：圖4-14 QF3的參數上圖表示在0.02秒時斷路器閉合。萬用表選擇測量的量由上到下依次為Iexc_A: T2、Iexc_B: T2、Iexc_C: T2。其他模塊參數不

49、變。則示波器的波形為：圖4-15 示波器的波形將QF3的Transition times分別改為：0.0267，則示波器波形為：圖4-16 示波器的波形改為0.0234，則波形如下圖：圖4-17 示波器的波形 從上述波形可以看出，變壓器在某一相的電壓過零點合閘時，此相產生最大的勵磁電流約為1200A，且經過0.2s左右衰減至穩態運行時的勵磁電流，峰值約為20A。將QF3的Transition times分別改為：0.025、0.0317、0.0384，則示波器的波形分別為:圖4-18 過渡時間為0.025s圖4-19 過渡時間為0.0317s圖4-20 過渡時間為0.0384s從上述波形可以看

50、出，當變壓器在某一相電壓峰值時合閘，此相不會產生勵磁涌流，而其他兩相則一定會產生勵磁涌流。4.3仿真三相變壓器外部故障4.3.1仿真模型如圖:圖4-21 三相變壓器外部故障模型4.3.2 仿真參數介紹及波形模型窗口參數如下圖圖2-22 模型窗口參數三相電源參數不變。分布參數導線參數不變。三相三繞組變壓器T2參數不變。三相RLC串聯負載參數如下圖：圖4-23 三相RLC串聯負載參數萬用表選擇測量的量為Iag_w1: T2、Ibg_w1: T2、Icg_w1: T2、Iag_w2: T2、Ibg_w2: T2、Icg_w2: T2、Iag_w3: T2、Ibg_w3: T2、Icg_w3: T2。

51、選擇“Plot selected measurements"。Powergui的參數變化如下圖：圖4-24 Powergui的參數變化仿真變壓器A相接地短路Three-Phase Fault的參數如下圖： 圖4-25 Three-Phase Fault的參數4.4 仿真三相變壓器T3的勵磁涌流4.4.1仿真模型如圖：圖4-26 三相變壓器T3的勵磁涌流4.4.2 仿真參數介紹及波形模型窗口參數如下圖：圖4-27 仿真模型窗口三相電源參數不變。分布參數導線參數不變。三相三繞組變壓器參數不變。三相RLC并聯支路的參數如下圖：圖4-28 三相RLC并聯支路的參數三相兩繞組變壓器T3的參數如

52、下圖：圖4-29 三相兩繞組變壓器T3的參數Powergui的參數：將Simulation type選為Continuous,將Lond flow frequency改為50Hz即可。先仿真三相變壓器T2的電壓和穩態勵磁電流。斷路器QF6的參數如下圖:圖4-30 斷路器QF6的參數萬用表測量的量為Uag_w1: T3、Ubg_w1: T3、Ucg_w1: T3、Iexc_A: T3。選擇“Plot selected measurements"。萬用表繪制的波形如下：圖4-31 萬用表繪制的波形由上圖可得：Uag_w1: T3、Ubg_w1: T3和Ucg_w1: T3的過零時間分別為

53、0.02s、0.0267s、0.0333s;為峰值的時間分別為0.025s、0.0318s、0.0383s。Iexc_A: T3為峰值是0.7A的正弦波。改變QF6的參數如下圖：圖4-32 QF6的參數萬用表測量的量為Iexc_A: T3、Iexc_B: T3、Iexc_C: T3圖4-33 萬用表測量的量將QF6的過渡時間依次改為0.0267s、0.0333s、0.025s、0.0318s、0.0383s，則波形為：圖4-34 過渡時間為0.0267s圖4-35 過渡時間為0.0333s圖4-36 過渡時間為0.025s圖4-37 過渡時間為0.0318s圖4-38 過渡時間為0.0383s 從上述圖中可得:變壓器在某一相的電壓過零點合閘時，此相產生最大的勵磁電流約為15A，且經過0.1s左右衰減至穩態運行時的勵磁電流，峰值約為0.7A。當變壓器在某一相電壓峰值時合閘，此相不會產生勵磁涌流，而其他兩相則一定會產生勵磁涌流。與圖4-16、4-17、4-18比較，變壓器的容量越大，其空載合閘所產生的勵磁涌流的幅度越大，衰減的時間越長。4.5仿真三相變壓器T3的內部故障4.5.1 仿真T3相間短路（AB相）的模型如圖：圖4-39 三相變壓器T3的內部故障模型4.5.2模型參數介紹及波形模型窗口參數如下圖：圖4-40 模型窗口參數三相電源參數不變。分布參數導線參數不變