基于MatLab的电力变压器建模和仿真分析(1).pdf

1、 目 录 毕业设计（论文）任务书.4 标题.6 摘要.7 引言.9 第一章 变压器及 Matlab 介绍.10 1.1 变压器的磁化特性.10 1.2 变压器保护.11 1.3 励磁涌流.14 1.4 Matlab/Simulink 简介.15 第二章 变压器仿真研究.17 2.1 仿真长线路末端电压升高.17 2.1.1 仿真模型如图.17 2.1.2 仿真参数介绍及波形.17 2.2 仿真三相变压器 T2 的励磁涌流.20 2.2.1 仿真模型如图.21 2.2.2 仿真参数介绍及波形.21 2.3 仿真三相变压器外部故障.26 2.3.1 仿真模型如图:.26 2.3.2 仿真参数介绍及

2、波形.27 2.4 仿真三相变压器 T3 的励磁涌流.31 2.4.1 仿真模型如图.31 2 2.4.2 仿真参数介绍及波形.32 2.5 仿真三相变压器 T3 的内部故障.38 2.5.1 仿真 T3 相间短路（AB 相）的模型如图.38 2.5.2 模型参数介绍及波形.38 2.5.3 仿真 T3 匝间短路的模型如图.42 2.5.4 模型参数介绍及波形.42 第三章 变压器仿真波形分析.45 3.1 对励磁涌流进行 FFT 分析.45 3.2 对外部故障进行 FFT 分析.46 3.3 对内部故障进行 FFT 分析.47 总结.49 参考文献.50 附录：外文翻译 1.51 外文翻译

3、2.56 指导教师评语表.60 3 基于 MatLab/Simulink 的 电力变压器建模与保护仿真分析 Power transformer protection simulation analysis and modeling based on MatLab/Simulink 4 摘要 在电力变压器差动保护中，励磁涌流和内部故障电流的判别一直是一个关键问题。文章阐述了励磁涌流的产生及其特性，利用 MATLAB 对变压器的励磁涌流、内部故障和外部故障进行仿真，对实验的数据波形分析，以此来区分故障和涌流，目的是减少空载合闸产生的励磁涌流对变压器差动保护的影响，提高保护的灵敏性。关键字:变压器；

4、差动保护；励磁涌流；内部故障；外部故障；波形分析 5 Abstract In power transformer differential protection,discrimination between excitation inrush current and internal fault current has been a key issue.This paper expounds the production of excitation inrush current and its characteristics,and uses MATLAB for the simulation

5、 of transformer excitation inrush current,external and internal fault and analysis of the experimental data waveform,so as to distinguish between fault and inrush current,the purpose is to reduce to the influence which the excitation inrush current produced by no-load off have on the transformer dif

6、ferential protection,improve the sensitivity of the protection.Key word:transformer;Differential protection;Excitation inrush current;Internal fault;External fault;Waveform analysis 6 引言 变压器是电力系统的重要电气设备，广泛应用于电力系统的发电、配电和输电等各个环节，因而其安全运行关系到整个电力系统能否连续稳定的工作。随着超高压远距离输电线路在我国越来越多地建成和投入运行，大容量变压器的应用日益增多，对变压器保

7、护运行的可靠性和快速性提出了更高的要求。根据相关文献统计，目前 220kV 变压器差动保护正确动作率不到 70%，远低于其它设备保护的正确动作水平，因此有必要对现有的技术进行深入的研究。无论是传统的模拟式保护，还是目前崛起的微机保护，在变压器差动保护中主要解决两个问题：一是正确鉴别励磁涌流和内部故障短路电流；二是区分外部故障和内部故障。运行经验表明，差动保护能够准确区分内外故障，困此励磁涌流和故障电流的判别是变压器差动保护的关键问题。本文阐述了励磁涌流的产生及其特性，用 MATLAB 对变压器的励磁涌流、内部故障和外部故障进行仿真，对实验的数据波形分析，以此来区分故障和涌流，目的是减少空载合闸

8、产生的励磁涌流对变压器差动保护的影响，提高保护动作的准确性和灵敏性。本文由牛志鹏编写。第一章介绍了变压器磁化特性、励磁涌流和 MATLAB/Simulink的相关知识，第二章仿真模拟了变压器空载合闸、变压器内部故障、变压器外部故障对变压器的影响。第三章对仿真波形进行分析，以此区分故障和涌流。最后进行总结，概括说明了本次实验的情况和价值，分析其优点和特色，并指出了其中存在的问题和今后的改进方向。7 第一章 变压器及 Matlab 介绍 1.1 变压器的磁化特性 初始磁化曲线 当电流从 0 逐渐增加，线圈中的磁场强度 H 也随之增加，这样就可以测出若干组 B,H值。以 H 为横坐标，B 为纵坐标，

9、画出 B 随 H 的变化曲线，这条曲线称为初始磁化曲线。当 H 增大到某一值后，B 几乎不再变化，这时铁磁材料的磁化状态为磁饱和状态。此时的磁感应强度 Bs 叫做饱和磁感应强度。这种磁化曲线一般如下图中曲线所示：图 1-1 实验结果表明，铁磁物质的磁化规律具有如下特点：（1）磁化初期，随着 H 的增加，B 缓慢增加，如图中 0a 段所示；（2）之后，随着 H 的增加，B 迅速增加，如图中 ab 段所示；（3）再之后，随着 H 的增加，B 的增加又会慢下来，如段 bc 所示；（4）过 c 点之后，随着 H 的增加，B 基本不变。磁滞回线 图 1-2 B Bm A Br R He eH H-Hm

10、O Hm R rB A 图 1 磁滞回线 8 当铁磁质达到磁饱和状态后，如果减小磁化场 H，介质的磁感应强度 B 并不沿着起始磁化曲线减小，B 的变化滞后于 H 的变化。这种现象叫磁滞。在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作周期的变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线。磁滞现象的产生：由于铁磁材料中的磁畴在外磁场的作用下发生扩大和倒转时，彼此之间产生“摩擦”的结果。由于这种“摩擦”的存在，当外磁场停止作用后，磁畴与外磁场方向一致的排列便被保留下来，不能恢复原状，因此形成了磁滞现象和剩磁。基本磁化曲线 同一铁磁材料在不同

11、的 Hm值下有不同的磁滞回线，因此，用不同的 Hm值可测出许多不同的磁化曲线。把所有磁滞回线的顶点连接起来而得到的磁化曲线称为铁磁材料的基本磁化曲线或平均磁化曲线，工程上通常采用的正是这种磁化曲线。1.2 变压器保护 变压器的故障 电力变压器是电力系统中大量使用的重要电气设备，他的故障给供电可靠性和系统的正常运行带来严重的后果，同时大容量变压器也是非常贵重的元件，因此，必须根据变压器的容量和重要程度装设性能良好的、动作可靠的保护元件。电力变压器的故障分为内部和外部两种故障。内部故障指变压器油箱里面发生的各种故障，主要靠瓦斯和差动保护动作切除变压器；外部故障指油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各

12、种故障，一般情况下由差动保护动作切除变压器。速动保护（瓦斯和差动）无延时动作切除故障变压器，设备是否损坏主要取决于变压器的动稳定性。而在变压器各侧母线及其相连间隔的引出设备故障时，若故障设备未配保护（如低压侧母线保护）或保护拒动时，则只能靠变压器后备保护动作跳开相应开关使变压器脱离故障。因后备保护带延时动作，所以变压器必然要承受一定时间段内的区外故障造成的过电流，在此时间段内变压器是否损坏主要取决于变压器的热稳定性。因此，变压器后备保护的定值整定与变压器自身的热稳定要求之间存在着必然的联系。变压器的保护方式 1)瓦斯保护 对变压器油箱内部的各种故障及油面的降低应装设瓦斯保护。容量为 800KV

13、A 及以上的油浸式变压器，对于容量为 400KVA 及以上的车间内油浸式变压器，匀应装设瓦斯保护。当油箱内部故障产生轻微瓦斯或油面下降时，；保护装置应瞬间动作于信号：当产生大量瓦斯时，瓦斯保护宜动作于断开变压器各电源侧断路器。对于高压侧未装设断路器的线路-变压器组，未采取使瓦斯保护能切除变压器内部故障的技术措施时，瓦斯保护可仅动作与信号。2)纵差保护或电流速断保护 容量在 10000KVA 及以上的变压器应装设纵差保护，用以反应变压器内部绕组、绝缘套管及引出线相间短路、中性点直接接地电网侧绕组和引出线的接地短路以及绕组匝间短路。3)过流保护 变压器的过流保护用作外部短路及变压器内部短路的后备保

14、护。9 4)零序过流保护 变压器中性点直接接地或经放电间隙接地时，应补充装设零序过流保护。用以提高保护在单相接地时的灵敏度。零序过流保护主要用作外部电网接地短路的后备保护。5)过负荷保护 变压器过负荷时，应利用过负荷保护发出信号，在无人值班的变电所内可将其作用于跳闸或自动切除一部分负荷。灵敏度高、结构简单，并能反应变压器油面内部各种类型的故障。特别是当绕组短路匝数很少时，故障点的循环电流虽然很大，可能造成严重的过热，但反应在外部电流的变化却很小，各种反应电流量的保护都难以动作，因此瓦斯保护对保护这种故障有特殊的优越性。纵联差动保护 差动保护是一种依据被保护电气设备进出线两端电流差值的变化构成的

15、对电气设备的保护装置，一般分为纵联差动保护和横联差动保护。变压器的差动保护属纵联差动保护，横联差动保护则常用于变电所母线等设备的保护。纵差动保护是变压器的电气主保护，由于变压器在电力系统中占有重要地位，纵差动保护必须满足如下要求：1)能反应保护区内各种相间和接地短路故障。2)动作速度快，一般动作时间不能大于 30ms。3)在变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复期间产生励磁涌流时不应误动作。4)在变压器过励磁时，纵差动保护不应该动作。5)发生外部故障时电流互感器饱和应可靠不动作。6)保护区内故障时，电流互感器饱和，纵差动保护不应拒动或延时动作。7)保护区内发生短路故障，在短路电流中含有谐波分量

16、时，纵差动保护不应拒动或延时动作。变压器纵差保护的原理要求变压器在正常运行和纵差保护区（纵差保护区为电流互感器 TA1、TA2 之间的范围）外故障时，流入差动继电器中的电流为零，保证纵差保护不动作。但由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同，因此，为了保证纵差保护的正确工作，就须适当选择两侧电流互感器的变比，使得正常运行和外部故障时，两个电流相等。差动保护的原理接线图：图 1-3(a)双绕组变压器正常运行时的电流分布(b)三绕组变压器内部故障时的电流分布 10 以单相双绕组变压器为例，变压器高、低压侧分别装设电流互感器 TA1 和 TA2 并按图中所示极性相连。设变压器变比为nT=U1/U2，nTA1、nTA2分别为两侧电流互感器变比。I1、I2分别为变压器高、低压侧一次电流，正方向设为从母线流向变压器。I1、I2分别为相应电流互感器二次电流。流入差动继电器的差流为 Id=I1/nTA1+I2/nTA2=I1+I2 (1-1)如图 1-3(a)所示极性关系，变压器正常运行或外部故障时，流过变压器两侧电流互感器的一次侧电流大小相等、相位相反，即I1=-I2。为使差动保护可靠不动作，应使差流