基于MATLAB的变压器故障仿真及保护分析.docx
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基于MATLAB的变压器故障仿真及保护分析
基于MATLAB的变压器故障仿真及保护分析
变压器主要用于稳压、电压变换、隔离。
按用途分种类多，主要有单相变压器、干式变压器、箱式变压器、防雷变压器、整流变压器、配电变压器、电力变压器等。
按铁心形状主要有E型和C型铁。
变压器是电力系统正常运行关键设备之一，由于变压器的长时间高效率运行，故障事故总不可避免的产生。
但其具有无可替代性，尤其是大型变压设备太过昂贵，没有办法经常更换，所以变压器的故障也很引起人们的高度重视。
对变压器内部故障电气量变化规律的认识是开发新的保护方案的前提，因此有必要进行变压器内部故障仿真。
本文在综合分析变压器内部故障及励磁涌流仿真现状的情况下采用simulink软件中的多路互感支路模型模拟故障变压器。
对于变压器的异常状态运行和常见故障进行仿真分析和经验总结，对于及时准确的把握故障原因，及时的采取处理方法确保设备的安全运行意义重大。
所以将变压器故障进行全面的总结以及将新流行的方法用于实际十分重要。
1绪论
变压器在常见电气设备中，属于构造相对简单实用的电器设备，却又是各个领域绝对不能缺少的。
应该做好经常性的故障工作，包括浸油等各个方面的常规检查，这样可以尽最大可能消除可能发生的故障。
变压器发生故障，轻则导致区域性用户用电供应不畅，造成生活不便，重则导致炼油厂，炼铁厂等大型工厂和大规模家电设备烧毁造成不可估量的损失。
对于大型变压器及超高压远距离输电线路在电力系统中的运行，恶化了变压器保护的工作环境，使得原有的保护判据正确动作率相对不高，对继电保护研究工作提出了新的要求。
对变压器内部故障电气量变化规律的认识是开发新的保护方案的前提，因此有必要进行变压器内部故障仿真。
本文在综合分析变压器内部故障及励磁涌流仿真现状的情况下采用simulink软件中的多路互感支路模型模拟故障变压器，目前的方法在参数计算方面存在简化过多的缺点，本文在这方面做了改进，提高了计算精度，并将该方法所得结果与动模实验结果进行了比较，验证了该方法的准确性，有效地提高算法的灵敏度。
这几种方法可以有效地检测变压器故障。
2变压器异常现象及分析
2.1变压器内部故障
2.1.1变压器线路故障
变压器内各种导线发生故障，主要原因有：
（1）漏油导致严重缺油，降低了内部线路的绝缘性能暴露在空气中造成内部闪路故障。
（2）水分进入变压器内部，水分不和油混合，油水分层导致绝缘线完全浸在水里，不光得不到油的保护，还由于水更加速了绝缘击穿。
2.1.2变压器内部异响
三相交流电的规律性随磁通变化而变化，引起铁芯均匀震动发出声响。
内部无端损毁，可能发出不均匀声音。
（1）过负载，导致发出比较刺耳的沉重声音。
（2）大功率设备的启动会导致变压器谐波发生大规模的紊乱，五次谐波分量的过分增大，导致变压器“哇哇”作响。
（3）变压器的规律震动总会导致个别零件慢慢的松动。
松动的零件会进一步加重变压器的内部怪响。
（4）系统发生了故障导致短路，可能使系统发出大量噪音。
（5）接触不良和击穿的地方，会发出噪音。
（6）铁磁谐振也可能导致噪音。
2.1.3爆炸事故及套管闪络故障
（1）套管结构不严实，进水使绝缘层损坏。
（2）套管上有各种导电灰尘，造成闪络。
（3）套管的电容芯子质量不好，导致游离放电闪络。
2.1.4变压器油箱温度和油管故障
要是外部负荷及输出输入电都很正常，而整个设备的温度不受控制，可能由于内部铁片摩擦短路导致了温度急剧升高。
铁芯可能着火，绝大多数由于铁芯未固定好导致摩擦绝缘损坏，使油的温度上升速度变快，所以修理时会发现底部沉淀的油有问题。
同时使其失去绝缘性能。
油浸变压器内部的各处油温不均匀。
当油温不断提高，造成铁芯温度无法控制，会导致油超过了自己的燃点，引起燃烧，导致更加灾难性的火灾。
轻则可使铁芯的使用年限降低，以致无法使用。
所以变压器的内部温度需要严密的监控。
当变压器位于外部的油管破裂漏油时，会导致变压器内的油面下降，导致保护器动作，要是此时保护器未动作，会导致浸在油中的线路露出油面，温度过高无法散热而烧毁。
扩大事故的发生。
预防措施：
温度过高问题的检测，可以用红外线检测技术。
在自然界中，红外线是针对任何温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体。
用这个技术可以清晰的看清变压器内部的温度分布，可以尽早的做出分析。
物体表面的温度变化引起物体的发热功率发生变化，红外线仪接收的信号也不断变化，可以看出变压器内部到底是什么位置发生了故障。
变压器正常运行时，内部的温度按照一定的规律变化，当规律不规则时，必定某些位置发生了故障。
变压器设备老化、损坏、和接触不良。
必将导致截至损耗、漏电、接触电阻的增大，从而引起温度上升。
可能发生的发热故障有：
（1）导电回路接头、连接处等接触不良导致接触电阻增大，发热。
P=I^2R。
（2）介质老化、受潮后损耗加大、发热功率变大：
P=U^2WCtan&,C为介质的等效电容，U为施加的电压，W为交变电压角频率，tan&介质损耗角正切值。
（3）铁芯等由于绝缘不良和设计结构不当，造成短路。
（4）电压型设备内部元件缺少引起电压分配异常，其相应的热功率也将发生改变。
（5）设备内部缺油导致不同的热现象，第一种是油面下降导致线路暴露在外面，无法散热，引起老化燃烧。
第二种情况是由于油面下降，油的上下层面温度不均匀导致产生很大的热场分布。
2.1.5匝间绝缘故障
匝间绝缘故障有下列原因：
（1）变压器出口短路导致受力变形引起短路。
（2）水分进入，导致受潮短路。
（3）外包装绝缘层可能发生膨胀，导致油道堵塞，引起老化造成匝间短路。
（4）过负荷运行，运行年限太久，造成老化短路。
2.2内部故障励磁涌流仿真
2.2.1仿真要求及目的
大部分变压器故障由绝缘故障引起，而绕组匝间或匝地绝缘水平降低导致的的故障又占多数。
这时匝间或匝地之间会经过电弧放电，燃烧的电弧加热绝缘油会放出大量气体，这是一个非常复杂的物理化学过程，而且故障后电气量的变化受很多不确定因素影响，绕组之间的漏感分布发生显著变化，因此做变压器内部故障仿真必须忽略一些次要因素。
仿真过程中关键是模型的建立，然后可以完美的模拟出所需要的数据。
下面是变压器T2的内部励磁涌流仿真模型的仿真过程。
图2-1三相变压器T2的内部励磁涌流模型
2.2.2仿真参数介绍及波形
模型窗口参数不变。
由励磁涌流的特性可知：
当变压器在电压过零点合闸时，产生最大的励磁电流；当变压器在电压最大值时合闸，不会产生励磁电流。
因此先仿真三相变压器的电压。
三相电源参数、Powergui参数不变。
分布参数导线长度设为300km。
QF3参数如图2-2所示。
图2-2QF3参数
万用表选择测量的量由上到下依次为Uag_w2:
T2、Ubg_w2:
T2、Ucg_w2:
T2。
多路分配器参数的输出量设为3。
示波器波形图如图2-3所示。
图2-3示波器的波形
由图2-3所示：
Uag_w2:
T2、Ubg_w2:
T2和Ucg_w2:
T2过零点时间分别为0.02s、0.0267s、0.0234s。
为峰值的时间可分别为0.025s、0.0317s、0.0384s。
图2-4改变后QF3参数
图2-4表示在0.02秒时断路器闭合。
万用表选择测量的量由上到下依次为Iexc_A:
T2、Iexc_B:
T2、Iexc_C:
T2。
其他模块参数不变。
图2-5改变为0.02s后示波器的波形
将QF3的Transitiontimes分别改为：
[0.0267]。
则输出波型如图2-6所示。
图2-6改变为0.0267s后波形
将QF3的Transitiontimes分别改为：
[0.0234]。
输出波形如图2-7所示。
图2-7改变为0.0234s后波形
从图2-7波形可以看出，变压器在某一相的电压过零点合闸时，此相产生最大的励磁电流约为1200A，且经过0.2s左右衰减至稳态运行时的励磁电流，峰值约为20A。
将QF3的Transitiontimes分别改为：
[0.025]、[0.0317]、[0.0384]，则示波器的波形如图2-8所示。
图2-8过渡时间为0.025s
图2-9过渡时间为0.0317s
图2-10过渡时间为0.0384s
图2-8、2-9、2-10所示，当变压器在某一相电压峰值时合闸，此相不会产生励磁涌流，而其他两相则一定会产生励磁涌流。
3变压器外部故障
外部故障主要是指绝缘套管和引出线上发生的相间短路，接地短路，匝间短路等。
如图3-1所示。
图3-1三相变压器外部短路故障仿真模型
图3-2仿真参数介绍及波形模型窗口参数
三相电源参数不变。
分布参数导线参数不变。
三相三绕组变压器T2参数不变。
三相RLC串联负载参数如图3-3所示。
图3-3三相RLC串联负载参数
图3-4三相RLC串联负载参数
万用表选择测量的量为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。
选择“Plotselectedmeasurements"。
图3-5Powergui的参数变化
图3-6三相故障的参数
4变压器保护动作处理
4.1基于变压器模型的保护原理
4.1.1基本原理
如图4-1双绕组单相变压器。
图4-1单相双绕组变压器
（4-1）
其中
、
为一、二次绕组的电压；
、
为一、二次绕组的电流；
、
为一、二次。
绕组的漏感；
、
为一、二次绕组的电阻；
为一、二次绕组的互感磁通；设变压器的变比为
。
将（4-1）式中的
消去得：
（4-2）
由于（4-2）式是根据变压器正常运行的模型得到的，所以它适合于外部故障、励磁涌流及过激磁情况，只有内部故障时，由于变压器模型本身的内部结构参数发生了变化，它才不再成立。
因此，可以通过判别（4-2）式是否成立，来决定保护的动作行为，因而，在励磁涌流、过激磁、外部故障情况下保护不会误动作。
4.1.2算法
下面给出两绕组和三绕组的动作方程，并根据动作方程提出改进型保护方案。
两绕组的动作方程如下，式中带“′”上标的表示该变量从三角侧归算到星形侧的。
，分别为现有差动保护中的三个差动电流。
因为公式（4-3）是依据两绕组变压器正常运行的模型推导得出的，所以在变压器正常运行时（包括产生励磁涌流和外部故障时），（4-3）式中的三个等式是成立的，而且三个等式中的
应为一个不变值；只有变压器发生内部故障时，（4-3）式中的三个等式是不成立的，越严重的故障等式两边的差别就会越大，而且三个等式中的
也会有较大差别。
这些是制定两绕组变压器保护判据的依据。
（4-3）
三绕组的动作方程为：
（4-4）
变压器在正常运行、外部故障、励磁涌流时（4-4）式成立，其中
为三相的差动电流，
，
，
由短路电抗求得，因此可以计算出
和
，且三相计算的结果应基本相同。
因为公式（4-4）是依据三绕组变压器正常运行的模型推导得出的，所以在变压器正常运行时（包括产生励磁涌流和外部故障时），（4-4）式中的六个等式应该是成立的，而且前三个等式中的
和前三个等式中的
应分别为一个不变值；只有变压器发生内部故障时，（4-4）式中的六个等式是不成立的，而且前三个等式中的
和前三个等式中的
应分别有较大差别。
这些是制定三绕组变压器保护判据的依据。
根据上面的推导，可以分别制定两绕组和三绕组变压器的保护判据。
（1）两绕组变压器的保护判据：
判据一：
当差动电流大于门坎值时，计算（4-4）式中的3个方程等式两边的差值，如果等式两边的差值超过门坎值，判定变压器发生内部故障，保护跳闸。
判据二：
当差动电流大于门坎值时，计算（4-4）式3个方程中
的差值，如果
之间的差值超过门坎值，判定变压器发生内部故障，保护跳闸。
此判据在通过判据一判断为未发生内部故障时使用。
说明如下：
判据一主要是判别比较明显的内部故障（例如相间故障，接地故障），等式中的
采用估算值，而且将3个方程等式两边差值设定为较高的门坎值，目的是保证躲过励磁涌流。
判据二主要是判别轻微故障，此判据对区分励磁涌流和轻微内部故障效果很好。
（2）三绕组变压器的保护判据：
判据一：
当差动电流大于门坎值时，计算（4-4）式中的6个方程等式两边的差值，如果等式两边的差值超过门坎值，判定变压器发生内部故障，保护跳闸。
判据二：
当差动电流大于门坎值时，计算（4-4）式前三个等式中的
和前三个等式中的
的差值，如果
之间的差值或
之间的差值超过门坎值，判定变压器发生内部故障，保护跳闸。
此判据在通过判据一判断为未发生内部故障时使用。
4.2瓦斯保护
图4-2瓦斯保护原理图
4.2.1瓦斯保护动作
继电器是用于瓦斯保护的最关键部件，其一般存在于油箱和油管之间的连接位置。
为了保证灵敏必须让变压器内产生的所有的气体通过继电器，由此，才可以正确的判断出变压器发生的是何种故障，才能够真正意义上保证瓦斯保护系统的灵敏与可靠。
体现瓦斯保护存在的意义。
轻瓦斯保护作用于信号，重瓦斯保护作用于跳闸。
在轻瓦斯发生变化以后，一定要查看信号，分清楚轻重保护。
要是在瓦斯继电器里的气体不是空气，又不能燃烧，那必须检测油的闪光点，要是闪光点比记录的低4%以上的时候，那么变压器内部必定已经出现了故障，此时完全可以用备用变压器替换，检查故障变压器。
要是瓦斯继电器发出的信号是由于油分解的空气动作的，那么工作人员应该将继电器里面的空气放掉，并且记录号两次信号动作之间的时间。
要是信号反应越来越慢了，接近消失了，则说明变压器没有问题。
要是间隔的时间缩短了，那么说明变压器即将跳闸。
4.2.2瓦斯保护在跳闸时的作用
瓦斯保护导致变压器跳闸的原因包括：
（1）变压器有严重问题；
（2）变压器漏油，或者耗油太快；（3）保护装置的回馈过程有问题；（4）可能由于之前未处理好油，在刚使用的时候气体大量产生导致跳闸。
当变压器由于保护的原因跳闸时，首先要仔细观测变压器的外部设备。
看看是不是外部的故障导致的，包括油枕、防爆门、导油管等是否有油外流。
变压器的外壳有没有由于油的膨胀或者是外部的碰撞导致鼓起，要是前面没有问题，再考虑变压器内部存在的故障，通过气体的性质，燃烧特点，色谱分析，来确定故障。
通过研究的结果显示：
（1）不准合闸。
也就是说只要变压器发现存在故障，那么坚决不允许合闸。
变压器外壳坚硬，内部要是出现故障，即使故障相当的严重，那么外部也可能什么也表现不出来。
万一合闸，可能发现重大事故。
（2）允许合闸。
内部原因是由于空气的进入，或者内部的故障已经确定搞定，可以直接合闸让变压器正常工作。
要是变压器经常流过过电流，有过电流保护或者存在差动保护，则完全可以先将瓦斯保护关闭掉。
进行合闸。
要是变压器没有上述的那些保护方法，那么此时什么方法也不能用，直到把问题完全搞定。
变压器有过电流保护或者差动保护，要是这两种保护有一种突然动作，导致变压器停电，但是另一个保护完全没有动作，说明事故并不是很严重，此时可以再把变压器给合上闸。
要无危险，则可继续使用。
4.3零序电流保护
在三相四线电路中，三项电流的相量和等于零，即Ia+Ib+Ic=0。
如果在三相四线中接入一个电流互感器，这时感应电流为零。
当电路中发生触电或漏电故障时，回路中有漏电电流流过，这时穿过互感器的三相电流相量和不等零，其相量和为：
Ia+Ib+Ic=I（漏电电流）。
这样互感器二次线圈中就有一个感应电流，此电压加于检测部分的电子放大电路，与保护区装置预定动作电流值相比较，如大于动作电流，即使灵敏继电器动作，作用于执行元件跳闸。
这里所接的互感器称为零序电流互感器，三相电流的相量和不等于零，所产生的电流即为零序电流。
零序电流保护是以后备保护被使用的，他主要作为变压器绕组及引出线的单相接地保护和主保护的后备保护。
在中性点接地的变压器线路中，变压器的中性点位置，直接影响了零序电流的大小及分布。
在整个系统没有失去必须存在的直接与地面相接的中性点情况下，可以接地的原则如下:
（1）只有一台变压器，则其中性点可以直接接地。
（2）有两台变压器的变压站，应该让其中的一台中性点直接接地，另一台不接地。
当接地的一台由于故障停止运行的时候，应该把另一台由不接地改为接地。
（3）要是有3台或者是3台以上的变压器存在，应该把其中的任意两台接在不同的两个母线上进行中性点接地。
要是有一台出现了故障，则应该再找一台进行接地。
（4）绝缘变压器的中性点可以直接进行接地处理。
可以根据国家的调度命令，用自由增加或者是减少变压器中性点接地数目的方法来消除运行中的线路停止使用对保护装置零序电流分配的影响。
4.4气相色谱分析法的使用判断
当变压器里面出现故障的时候，特别是里面的油，在高温高压的情况下出现蒸发的情况。
油气要是完全饱和了，那么可以直接从变压器的瓦斯继电器处看出来，但是按照之前的检查方法，有时候无法查出故障原因，导致无法处理好问题，引起错误判断。
这时候气相色谱分析法就起到了很好的作用，它可以在变压器的外面就知道变压器里面的气体属性。
从而正确的分析出内部故障的原因和位置。
变压器内部的各种气体含量是有一定的数值规范的，就可以查询合理的数据，进行对比分析出故障原因。
变压器内部是有空间的，里面的气体性质不同，所以相对于空气比重不同，在变压器的各个位置，各种气体所占的比重存在本质的差异。
所以施工人员应该从变压器的各个方位各取几瓶测试气体，通过分析对比。
看看各种气体的含量，以及是否多出了很多由于故障才可能存在的气体。
要是故障刚发生，就是说变压器处于故障的初期时段。
可以使用气相色谱法，对里面各种气体的微量变化做出图像显示。
当里面的异常气体含量急剧增加的时候，说明故障在变压器里面发展很快，这时候应该赶快用备用的变压器，主变压器要立马停止使用，并且要用专门的设备把故障的变压器保护起来，方便检修人员进行故障处理。
同时，产生的气体要是存在于液体中，那么他们移动速度的快慢直接关系到这种气体的浓度大小。
不同的气体在相同的液体中运行速度差别很大。
底部的气泡运行速度比顶上的运行速度快，因为他们产生的多，所以得出总的结论：
故障位置气体比较多，气体在液体中移动的就快，并且距离产生气体的位置越远，扩散速度越慢。
气体色谱分析法用以判断故障的依据都有：
（1）直接比较变压器里面的各种气体和应该存在的气体的含量差别。
变压器里面一般存在的气体包括（C1~C2）、C2H2、H2、CO、CO2等等。
当发生故障时，不同的故障导致的各种气体含量是不一样的，跟据这个可以判断设备哪里出了故障。
表4-1气相色谱法气体分析依据
变压器故障类型
产生气体成分
变压器油过热
H2、CH4、C2H2、C2H6
油和绝缘纸过热
CO、CO2、H2、CH4、C2H2、C2H6
油中有电弧
H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6
油中局部放电
H2、CH4、C2H4、C2H6
油和纸绝缘中电弧
CO、CO2、H2、C2H2、CH4、C2H4、C2H6
油中存在火花放电
H2、C2H2
变压器进水或受潮
H2
（2）直接根据气体产生速率判断故障位置。
但是要通过气体色谱法分析，只能分析故障前期中期，当气体含量都接近于饱和的时候，此方法完全不可用。
当产生少量气体的时候，虽然没有超过故障的安全值，但是要是气体产生的速率完全不符合要求，也就是说速度很快的话，要引起重视。
气体的产生速度，尤其是绝对产生气体的速率，比里面气体的数量，更能够反应变压器是否发生故障。
（3）用三比值法进行判断故障。
当前两种方法发现可能存在故障的时候，可以使用第三种方法三比值法来判断故障。
这种比较的方法，所有的比较数据都是十分典型的，每一种，都算是特定的对应于一种故障发生时的数值。
所以也存在一定的局限性。
可能同时发生两三种故障，导致完全无法比对出问题的所在。
再则特殊的故障，或者严重程度，导致数据严重失衡无法判断。
但是一般的重复性或者是重合故障还是可以判断的。
表4-2判断故障性质的三比值法
序号
故障性质
比值范围编码
典型例子
C2H2CH4C2H4
C2H4H2C2H6
0
无故障
0
0
0
正常老化
1
低能量密度的局部放电
0
1
0
含气室中的放电，这种放电是由于不完全接触，气体过饱和或高湿度等原因造成的
2
高能量密度的局部放电
1
1
0
同上，但已导致固体绝缘的放电痕迹或穿孔
（4）接下来分析的是故障的严重程度和发展速度了。
前面三种分别确定了故障的位置、类型。
但是三比值法只能发现故障可能严重，却无法确定有多么严重，气相色谱法能发现故障前期速率，但是重要的故障后期发展速度，却是没有办法确定的。
只有这些都确定了以后，才能够相对性的找出解决问题的方法。
可以用IEC来判断故障的严重程度和发展速度。
（5）目前中国经常实用的检测方法常用气体色谱仪，GC-900SD型，惠普HP-6890型气相色谱仪灵敏度相对较高。
还有一些只可以发现烃类物质的异常，比如BSZ变压器油在线装置。
所以这种类似的设备，正在不断的被加以改进。
5跳闸及冷却器故障分析及处理
5.1变压器负荷承载过量
以使变压器的负荷不超过规定值为目的，那么最先需要知道变压器的最高可以流过的电流大小。
一直处于平稳状态下存在的变压器，它应该流过的电流一直在额定电流以下。
但是，实际情况有时候总会变化，不可能由于一次的过电压，或者过负荷，就使整个设备发生不可逆转的事故。
所以，变压器在设计的时候有一个稳定的数值，一般情况下不会超过这个值，但是允许在顿时间内过负荷操作一段时间，这是有积极的实际意义的。
（1）对于正常的负荷过载情况分析
所谓的正常情况，是因为在整个中国电网里，电压峰值等一直不稳。
中晚用电高峰等时段，有时候会导致负荷过载，这都是正常存在的现象。
变压器必须有一定的设备判断基础，能够正确的分辨出故障和正常过负荷。
同时，环境温度和变压器的负荷都在不停的变化，这些变化改变了变压器内部组件的化学损坏。
比如，线路绝缘的老化和破坏，以及金属部件的磨损，过热融化。
变压器日运行负荷曲线的填充系数和最大负荷持续的时间，决定了一个变压器可以承受的过负荷数值大小。
所谓填充系数就是：
sav/smax。
其中sav为变压器的平均负荷，smax是变压器的最大负荷。
要是比例系数sav/smax的值等于0.6，那么意味着变压器可以运行4个小时，此时的负荷过载率为20%。
表5-1自然循环油冷双绕组变压器的允许过负荷百分数
日负荷曲线填充系数a
最大负荷在下列持续小时下，变压器的过负荷百分数
2小时
4小时
6小时
8小时
10小时
12小时
0.5
28
20
20
16
12
7
0.6
23
17
17
14
10
6
0.7
17.5
12.5
12.5
10
7.5
5
0.75
14
10
10
8
6
4
0.8
11.5
8.5
8.5
7
5.58
3
0.85
8
6
6
4.5
3
2
0.9
4
2
2
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按照变压器的设计原理可知，当其夏季的时候处于负荷比较低的运行状态下的时候，则当冬季来临的时候可相对的过负荷运行一段时间，这是全世界变压器设计的一个通用准则。
一般的适用情况为，夏季低百分之多少，那么冬季就会相应的高百分之多少。
不过有最大的限制存在。
但是这种情况的变
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