基于Matlab的变压器内部故障及差动保护仿真

柴济民，叶飞，俞霖，蔡纪鹤

(常州工学院电气与光电工程学院，江苏常州213002)



基于Matlab的变压器内部故障及差动保护仿真

柴济民，叶飞，俞霖，蔡纪鹤

(常州工学院电气与光电工程学院，江苏常州213002)

摘要：变压器内部故障主要包括各相绕组之间相间短路和单相绕组的匝间短路。基于Matlab/Simulink建立变压器内部故障仿真模型，并搭建了具有制动特性的差动保护模块。仿真结果表明，该模型能够有效进行变压器内部故障的仿真和继电保护研究。

关键词：变压器；内部故障；差动保护；仿真模型

电力变压器油箱里发生的各种故障主要类型有各相绕组间发生的相间短路、单相绕组部分线匝之间发生的匝间短路、单相绕组或引出线通过外壳发生的单相接地故障等，这些内部故障可以分为相间短路和单相匝间短路。针对变压器内部故障的继电保护主要有变压器的瓦斯保护和差动保护，其中瓦斯保护属于变压器独有的非电量保护，差动保护是电力变压器应用的最多的主保护[1-3]。

长期以来对变压器内部故障的研究数据来源于现场、物理仿真和数字仿真三方面。现场数据由于特殊性只能起事故分析作用，对于保护算法研究而言没有灵活性；物理性仿真不具有仿真控制上的灵活性且代价高昂；随着计算机仿真技术和电力系统数学模型的发展，数字仿真逐渐成为了变压器内部故障分析主要手段。

本文通过Matlab/Simulink搭建了一个可行的变压器内部故障仿真系统。通过仿真可以引出相应的短路分量且搭建了具有制动特性的差动保护模块，为电力变压器的差动保护原理和算法的研究打好基础。

1变压器内部故障建模

1.1　设计思路

在Matlab中常规的变压器模块无法进行内部故障仿真，用3个饱和型单相三绕组变压器模块进行绕组重新连接来进行内部仿真的方法，通过2个次级绕组的连接来仿真内部故障模块。

1.2　仿真模型

通过利用单相三绕组的变压器搭建了如图1所示的内部故障仿真模块，其中Fault1模块用来设置相间故障，Fault2用来设置单相匝间短路(图1以A相为例)。

图1　变压器内部故障仿真模型

1.3　仿真系统参数设置

变压器参数设置如图2所示。电压变比为110/10，容量200 MVA，采用饱和特性模型(saturable transformer)，通过2个二级线圈设置低压侧故障在每相的50%处。

Em和En为无穷大系统，QF1和QF2为三相断路器，无穷大系统Em和En的参数设置分别如图3(a)、(b)所示。

图2　变压器模块参数设置

图3　无穷大系统参数设置

2Matlab/Simulink中差动模块建模

2.1　差动保护原理

差动保护模块采用具有制动特性的保护原理，其中变压器两侧的动作电流和制动电流(以A相为例)分别为：

(1)

(2)

式中Iqd为启动电流，当判据(1)、(2)同时满足时判断为内部故障。

2.2　差动保护模块建模

按照上述保护逻辑原理，在Matlab/Simulink中进行保护逻辑建模如图4所示。

图4　差动保护逻辑模块

针对图2变压器参数，将高压侧电流乘以变比110/10(即图中的Gain1模块)，相当于把判据的运算都折算到低压侧。制动系数K定为0.5。

输入示波器的5个量分别为高低压侧电流、动作电流Id、制动电流Ires和启动判据(1)的动作结果逻辑信号Sqd。其中Iqd模块输入的是判据(1)的启动电流(设为13kA)，如果判据(1)成立则启动1个上升沿信号并保持15s(远大于仿真时间)。

通过对Sqd信号的模拟来进行判据(1)是否成立的判断。

3仿真结果

3.1　相间故障仿真

3.1.1仿真设置

如图1所示，设置Fault1来模拟变压器AB相间故障，故障在仿真的0.3 s开始。仿真算法为ode23tb算法。

3.1.2仿真结果

通过图4中示波器Scope模块读出的波形如图5所示。

3.2　单相匝间故障仿真

3.2.1仿真设置

如图1所示，设置Fault2来模拟变压器A相匝间故障，故障在仿真的0.3 s开始。仿真算法为ode23tb算法。

3.2.2仿真结果

通过图4中示波器Scope模块读出的波形如图6所示。

图5　相间故障仿真波形图(单位：A)

图6　单相匝间故障仿真波形图(单位：A)

3.3　仿真结果分析

从图5和图6的仿真结果来看，无论是相间故障还是单相匝间故障，动作电流Id明显大于制动电流Ires，判据(2)均可以成立。

通过Sqd动作信号看，半周波内判据(1)均能有效动作。

4结语

通过模型搭建和仿真结果表明本模型能够有

效地进行变压器内部故障的仿真，差动保护模块能够有效动作。本仿真模型完全能够进行内部故障仿真和继电保护的研究。

在后续研究当中，可以进一步进行判据的优化。在仿真模型的基础上，进行内部故障继电保护原理和算法的深入研究，从模型当中得到更好的保护判据。

[参考文献]

[1]于群，曹娜.MATALB/Simulink电力系统建模与仿真[M].北京:机械工业出版社,2014.

[2]张保会，尹项根.电力系统继电保护[M].北京:中国电力出版社，2005.

[3]鞠平.电力工程[M].2版.北京:机械工业出版社,2014.

责任编辑：陈亮

Research on the Simulation of Transformer Internal Fault and Differential Protection

CHAI Jimin,YE Fei,YU Lin,CAI Jihe

(School of Electrical and Photoelectronic Engineering,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002)

Abstract：The internal fault of transformer mainly includes single phase inter-turn short circuit and phase to phase short circuit.Based on Matlab/Simulink,this paper establishes a transformer internal fault simulation model and a differential module with braking characteristics.The simulation results show that the model can effectively simulate the internal fault of a transformer and relay protection.

Key words：transformer;internal fault;differential protection;simulation model

中图分类号：TM734

文献标志码：A

文章编号：1671-0436(2015)04-0040-03

作者简介：柴济民(1983—)，男，讲师。

基金项目：常州工学院校级科研基金项目(YN1315，YN1302)

收稿日期：2015-05-19