基于simulink的变压器故障仿真设计

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1、 . . . . 图书分类号：密 级：毕业设计(论文)电力变压器继电保护动作行为仿真分析系统Simulation and Analysis System for Power TransformerRelay Protection学生学院名称专业名称指导教师年月日49 / 50 . . . . 工程学院学位论文原创性声明本人重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承当。

2、论文作者签名： 日期：年月日工程学院学位论文协议书本人完全了解工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归工程学院所拥有。工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。工程学院可以公布学位论文的全部或部分容，可以将本学位论文的全部或部分容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名：日期：年月日 日期：年月日摘要电力变压器作为电力系统中重要的主设备之一，在电力系统中承当着变换电压、交换功率的重要作用，其运行情况直接影响整个电

3、力系统安全稳定运行。但是近年来，变压器保护的正确动作率远低于线路保护，因此对变压器故障仿真研究具有十分重要的理论意义和实用价值。本文针对变压器保护中的一些问题，主要完成了以下工作:以电力系统中常见的三相变压器为研究对象，介绍了变压器主保护和后备保护基本原理，并重点分析了差动保护原理、励磁涌流产生机理。根据变压器微机继电保护的基本原理、逻辑构成、保护算法与实现流程，利用MATLAB/Simulink里模块，搭建了变压器外部故障模型和部故障模型。此模型能模拟变压器继电保护各功能模块与其逻辑配合关系和时序，真实仿真变压器继电保护装置的动作行为。利用此模型对变压器各种故障做了大量的仿真与研究，其仿真结

4、果与理论分析一致，验证了故障仿真模型的正确性与有效性。 结合电力变压器继电保护特点，在深入了解和研究国外继电保护数字仿真方法的基础上，利用继电保护数字仿真技术，基于MATLAB软件开发设计了电力变压器继电保护动作行为仿真分析系统。此系统提供了差动保护、过电流保护、接地保护和过励磁保护的仿真模型，用户可以设置主设备参数、保护整定值和故障类型，各种故障类型下故障电流、电压与动作信号等仿真结果以图形形式显示。该系统人机界面友好、操作简单、仿真分析结果直观，能满足继电保护人员熟悉保护原理和进行故障分析的需要，在继电保护培训与教学等方面也具有一定的实用价值。关键词变压器；继电保护；MATLAB/Simu

5、link；仿真分析AbstractPower transformer is one of the most important main equipment in the power system, andit 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 directly. But in recentyears, th

6、e 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 significanceand practical value. This paper mainly does the following work aiming at some questions oftransformer protection.Thi

7、s paper chooses the common three-phase transformer in the power system as theresearch object, introduces the fundamental principle of main protection and back-up protectionof transformer.This paper sets up the outside fault model and the internal fault model of transformerbased on the Matlab/Simulin

8、k according to the fundamental principle, thelogical components, the protection algorithm and the implementation process of thetransformer microcomputer relay protection. This model simulates each function module of thetransformer relay protection, simulates the actions of the transformer relay prot

9、ection device.The model simulates and studies the transformer in all kinds of type of faults, the simulationresults are in accord with the theoretic analysis, proving the correctness and validity of thesimulation model.This paper deeply understands and studies domestic and foreign digital simulation

10、 methodsof relay protection, and designs the simulation and analysis system of power transformer relayprotection based on Matlab with the use of the relay protection digital simulation technique.The system provides the simulation model ofdifferential protection, overcurrent protection, ground protec

11、tion and over-excitation protection,the user can set the main equipment parameters, the setting value of protection and the type offaults, furthermore, the simulation results under all kinds of type of faults can show the failurecurrent, the voltage, operation signals and so on in the form of graphi

12、cs. The system has afriendly interface of man-machine, and it is easy to operate, its simulation results can be showedin graphics, which can meet the needs of knowing the protection principle well and making faultanalysis for relay protection workers. It also has practical value in the relay protect

13、ion trainingand teaching.KeywordsTransformerRelay protectionMATLAB/SimulinkSimulation andanalysis目 录摘要IIAbstractIII1 绪论51.1研究背景和意义51.2国外研究动态和发展趋势51.3 本文结构安排62电力变压器保护原理72.1变压器的工作原理与基本构造72.1.1变压器的基本原理和构造72.1.2变压器故障和异常运行状态82.2变压器的主保护原理分析82.2.1变压器差动保护82.2.2变压器差动回路不平衡电流分析103.鉴别励磁涌流的原理与方法133.1谐波识别法133.1.1

14、二次谐波电流鉴别励磁涌流133.1.2谐波电压鉴别励磁涌流133.2 波形特征识别法143.2.1基于间断角原理鉴别励磁涌流143.2.2基于波形对称原理鉴别励磁涌流143.2.3基于波形凹凸性识别励磁涌流153.3 磁通特性识别法153.4 等值电路识别法153.5 有功功率识别法164变压器仿真研究174.1仿真长线路末端电压升高174.1.1 仿真模型如图17 4.1.2仿真参数介绍与波形.174.2仿真三相变压器T2的励磁涌流214.2.1 仿真模型如图：214.2.2 仿真参数介绍与波形214.3仿真三相变压器外部故障264.3.1仿真模型如图:264.3.2 仿真参数介绍与波形27

15、4.4 仿真三相变压器T3的励磁涌流294.4.1仿真模型如图：294.4.2 仿真参数介绍与波形304.5仿真三相变压器T3的部故障354.5.1 仿真T3相间短路（AB相）的模型如图：354.5.2模型参数介绍与波形364.5.3 仿真T3匝间短路的模型如图：394.5.4模型参数介绍与波形395 变压器仿真波形分析425.1 对励磁涌流进行FFT分析425.2 对外部故障进行FFT分析435.3 对部故障进行FFT分析44结论46致47参考文献481 绪论1.1研究背景和意义电力系统由发电厂、变电所、输电线路、配电线路以与电力用户组成的整体，发电、输电、变电、配电、用电几乎同时进行。其中

16、任何一个环节出现故障，都会导致用户得不到合格的电能或失去电能，造成一定的经济损失。电力系统通过变压器实现升高电压远距离输送和降低电压供用户使用，变压器是电力系统重要的电气主设备之一。大型变压器结构复杂、造价昂贵、一旦发生严重故障而损坏，将给维修工作带来很大困难，造成重大的经济损失。为保证电力系统的安全稳定运行，防止事故的发生和扩大，必须给变压器装设动作可靠、性能良好的保护装置。 随着计算机通信技术的发展，微机技术在电力系统继电保护领域得到了广泛的应用，继电保护装置的正确动作率也有较大的提高。但是变压器保护的正确动作率与线路、发电机保护相比却一直偏低，以2003年全国220kV与以上变压器保护的

17、运行情况为例，其正确动作率仅为76.2%，而同期全国电网输电线路保护装置的正确动作率为98.9%1。造成变压器保护正确动作率偏低的原因是多方面的：(1)保护装置质量不佳、设计制造不合理导致的误动或拒动； (2)外部短路不平衡电流、励磁电流过大导致差动保护误动作； (3)继电保护人员将TA极性接反、整定值有误导致的误动； (4)调度人员的错误判断和处理不当。其中电力工作人员对变压器保护原理与故障现象了解不够是变压器保护动作率偏低的原因之一，为了降低电力工作人员的主观因素造成的保护动作率偏低，电力工作人员必须具有良好的职业技能和丰富的现场经验。但是“继电保护”这门学科概念抽象、理论复杂，要理解和掌

18、握“继电保护”需要进行专业的培训与刻苦的学习。因此有必要研究变压器继电保护的仿真技术，该技术可以实现变压器保护的各种仿真，便于使用者更好地熟悉变压器保护工作原理，减少工作失误，提高工作效率。 1.2国外研究动态和发展趋势继电保护装置对电力系统的安全稳定运行起着至关重要的作用，因此在继电保护装置投入使用前有必要进行各种环境下的试验。以前，这种试验可以通过建立物理原型模拟仿真实验室来实现，这些模型如发电机、变压器、断路器等，它们价格昂贵且体积大。因此建造动态模拟实验室的缺点是占地广、投资大、周期长，而且一旦建成接线方式很难以改变，只能满足特定试验的要求。一般作为新产品的开发阶段的各种实验，以此来检

19、验该产品是否满足设计的要求，而无法用作大规模的产品出厂试验。因此投资少、接线方式方便更改而且方便操作的实用仿真系统显得十分重要，这就促使研制电力系统专用的数字仿真系统。 数字仿真是将真实系统的数学模型来代替真实系统进行研究和实验的一种技术，它可以仿真电力系统各种运行工况2。继电保护装置的数字仿真的基本要真实性、适用性和灵活性3。真实性是指该仿真能根据实际系统建立各种模型，并能正确模拟故障后保护装置的动作行为;适用性是指在不同环境下该仿真都能客观的反映保护装置的动态特性和静态特性;灵活性是指该仿真可以方便的查询和更改保护装置的参数设置，也可以根据不同的保护原理编辑保护装置的动作逻辑。继电保护的数

20、字仿真系统一般由测量部分、逻辑部分和执行部分组成4继电保护原理结构框图如图1.1所示。图1.1继电保护原理结构框图测量部分的作用是测量被保护对象的各类运行参数，在故障情况下测得的是故障参数，将它与给定的继电保护整定值相比较，将比较结果输出给逻辑部分。逻辑部分按照继电保护预先设置的逻辑关系进行判断，确定保护是否使断路器跳闸或者发出信号，并将判断结果输出给执行部分。执行部分完成继电保护发出的断路器的跳闸命令或信号。所以，继电保护仿真可以根据定值判别和逻辑判别的方法进行建模仿真5。1.3 本文结构安排论文分为5章:第1章介绍了本论文的研究背景和意义，阐述了国外继电保护数字仿真技术的发展现状，简要分析

21、了目前比较普遍的电力系统仿真软件以与基于各种软件的仿真系统。第2章介绍了变压器的基本原理与构成，分析了变压器差动保护、过流保护、接地保护和过励磁保护的保护原理，并重点阐述了变压器差动保护的特点。第3章介绍了变压器磁化特性、励磁涌流和 MATLAB/Simulink的相关知识，第4章介绍了利用MATLAB，以变压器保护原理为基础，搭建变压器保护的数字保护仿真模型的方法，并对变压器各种仿真模型进行仿真分析，对比仿真结果与理论分析是否一致，验证仿真模型的正确性。 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。2电力变压器保护原理2.1变压器的

22、工作原理与基本构造2.1.1变压器的基本原理和构造 变压器是一种静止的电气设备，它利用电磁感应原理，将一种交流电压电能转换成同频率的另一种交流电压电能。变压器的工作原理可以总结为“动电生磁，动磁生电”八个字:当变压器一次侧通入变化的交流电时，这个变化的电流在以铁芯构成的主磁通回路产生交变的主磁通，主磁通同时穿过一次绕组和二次绕组，由电磁感应原理可知，在变压器的一次绕组中产生自感电动势，同时二次绕组中也产生了互感电动势。变压器原理图如图2.1所示。图2.1变压器基本原理假设一次侧通入正弦电压，则产生磁通，由电磁感应原理可知： （2-1） （2-2）有效值为： （2-3） （2-4）变压器的电压变

23、比： （2-5）由以上的分析可知，变压器是通过电磁感应原理制成的，磁路一般由磁导率比较高的铁磁材料构成，为了减少交变磁通在铁芯中产生的磁滞损耗和涡流损耗，变压器铁心由厚度为0.35mm的冷轧硅钢片叠装而成。绕组是变压器的电路部分，它一般有由包有绝缘材料的高导电率材料如铜(或铝)线绕制而成，各绕组之间应有良好的绝缘能力，保证为电力变压器提供畅通的电流回路。装配时低压绕组靠近铁芯，高压绕组套在低压绕组的外面，为加强绝缘和散热，一般将铁芯与绕组置于装有变压器油的油箱中。变压器的引线从油箱穿过油箱盖时，必须经过绝缘套管，以使高压引线和接地油箱绝缘。2.1.2变压器故障和异常运行状态电力变压器故障分为油

24、箱故障和油箱外故障。变压器油箱故障包括绕组之间发生的相间短路、单相绕组中发生的匝间短路、绕组与铁芯或外壳之间发生的单相接地短路等;变压器油箱外故障主要是套管和引出线上发生的接地短路和相间短路故障等。由于变压器本身结构的特点，油箱部发生故障是十分危险的，故障产生电弧可能引起变压器油的剧烈气化，而此气体即为瓦斯，它可能导致变压器外壳局部变形、甚至引起变压器爆炸。因此，变压器发生部故障时，必须尽快将变压器从电力系统切除。变压器异常运行包括过负荷、油箱漏油造成的油面降低、外部短路引起的过电流等，变压器处于异常运行状态时，保护应发出信号。2.2变压器的主保护原理分析2.2.1变压器差动保护变压器差动保护

25、用来反映变压器绕组的相间短路故障、中性点接地侧绕组的接地故障以与引出线的相间短路故障等。但是应当注意，对于变压器部绕组很少的匝间短路故障，电流变化量不大，差动保护可能反应不了。所以一般把差动保护和瓦斯保护(非电量保护)作为变压器的主保护。本论文中以常见的双绕组变压器为对象进行研究分析。如图2.1以双绕组变压器为例，变压器原边绕组线圈匝数为、副边绕组线圈匝数为。设变压器的变比为，对一个单相变压器而言。设原边绕组的电流互感器变比为，副边绕组的电流互感器变比为。各侧电流以流入变压器的方向为正方向，电流互感器同名端都标在母线侧。把变压器两侧的电流互感器按差接法接线，在正常或外部故障时，流入继电器的电流

26、为两侧电流之差，其值接近为零，继电器不动作；部故障时，流入继电器的电流为两侧电流之和，其值为短路电流，继电器动作。1 变压器区外发生短路或正常运行状态此时变压器原边绕组和副边绕组的一次电流和的方向如图2(a)所示。由于励磁电流在正常情况下比较小，仅占额定电流的 2%10%，如果不计变压器的励磁电流，由此得到：（2-6）电流互感器的同极性端都取靠近母线侧，且互感器极性均按照减极性法标注，减极性法即：当一次电流从电流互感器的同名端流入时，其二次电流的方向为从同名端流出。因此，电流互感器的二次电流和的方向如图2(a)所示。其中，此时流入差动继电器中的电流为：（2-7）将(2.6)式代入(2.7)式可

27、得：（2-8）从上分析可知，理想情况下只要满足：变压器的励磁电流、。则可以实现流入差动继电器 KD 的电流为零。图 2 变压器差动保护原理图2 变压器区发生短路变压器在区发生短路时，一次短路电流和的方向均是流向短路点，如图 2(b)所示。此时由减极性标注法可知二次电流的方向如图2(b)所示。流入差动继电器 KD 中的电流为：（2-9）为了让区外短路时流入差动继电器的电流为零，已满足的条件。则上式演变为：（2-10）由上式可知区短路时流入差动继电器的电流为短路电流的二次值。综合以上分析，当变压器正常运行或者区外发生短路故障时，流入差动保护的电流在理想情况下可以为 0，现实中考虑到电流互感器的误差

28、、变压器的接线方式、有载调压变压器分接头调整等因素，使得正常运行和区外适时流入差动保护回路的电流不可能为 0，实际上是比较小的不平衡电流，一般差动保护的整定原则就是躲开此不平衡电流。当变压器部发生故障时，流入差动回路的电流为短路电流的二次值，此电流非常大，能使差动保护可靠动作。因此差动保护对其保护围的故障具有绝对的选择性和动作迅速的优点，所以差动保护一直作为大容量变压器保护的主保护之一。2.2.2变压器差动回路不平衡电流分析 变压器常见的不平衡电流包括:励磁涌流、电流互感器误差与变比未完全匹配、有载调压变压器改变分接头和变压器,接线导致变压器两侧电流不平衡。1.励磁涌流的产生机理与常用的闭锁措

29、施 变压器的一、二次侧是通过电磁联系起来的，在正常运行时励磁电流比较小，一般不超过额定电流的(2% 10%)31。在区外短路时由于电压降低，励磁电流更小，但是变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时，靠近电源一侧可能出现数值很大的励磁电流，数值可达额定电流的68倍，励磁电流如潮水一样涌来，故称作励磁涌流。所以差动保护回路中会流过很大的差动电流，可能引起保护误动作。励磁涌流产生的机理可以用如以下图2.3来说明。 在稳态工作情况下，铁芯中的磁通滞后于外加电压90，如图2.3(a)所示。如果空载合闸瞬间(t=0)正好发生在电压瞬时值为零(=0)时，此时本应磁通为-。根据楞次定律电感中磁通不能突变，所

30、以为了保证此时磁通为零，变压器将产生一个强制性的非周期分量磁通，该非周期分量磁通在t=0时的幅值为+。它与周期分量磁通合成后在t=0时的合成磁通保持为零。由于非周期分量磁通衰减很慢，所以半个周波后周期分量磁通和非周期分量磁通叠加使铁芯中的合成磁通达到2。如果铁芯中原先有剩余磁通，那么铁芯中的磁通将达到，如图2.3 (b)所示。这么大的磁通使铁芯严重饱和，由图2. 3 (c)的磁化曲线可见，励磁电流。急剧增大，成为励磁涌流。此后随着非周期分量磁通逐渐衰减，合成磁通幅值也逐渐衰减，励磁电流的幅值也逐渐衰减，直到稳态的励磁电流幅值。励磁涌流的波形如图2.3(d)所示。图2.3变压器励磁涌流的产生机理

31、2. 变压器励磁涌流的特点 1）励磁涌流很大，其中含有大量的直流分量； 2）励磁涌流中含有大量的高次谐波，其中以2次谐波为主，而短路电流中2次谐波成分很小。表2.1中列出了短路电流和励磁涌流中各次谐波分量的比例； 3）励磁涌流的波形有间断角，涌流越大，间断角越小； 4) 励磁涌流的衰减常数与铁芯的饱和程度有关，饱和越深，电抗越小，衰减越快。一般情况下，变压器容量越大，衰减的持续时间越长，但总的趋势是涌流的衰减速度往往比短路电流衰减慢一些。表2.1 变压器部短路电流和励磁涌流谐波分析结果谐波分量占基波分量的百分比（%）励磁涌流短路电流例1例2例3例4不饱和饱和基波1001001001001001

32、002次谐波36305023943次谐波76.99.41.04324次谐波96.25.4795次谐波542直流668062733803.励磁涌流的危害性 1）使变压器在投运时引发变压器的继电保护装置误动作，变压器的投运频频失败； 2）变压器出线短路故障切除时所产生的电压突增，诱发变压器保护误动，使变压器各侧负荷全部停电； 3）数值很大的励磁涌流会导致变压器与断路器因电动力过大而受损； 4）励磁涌流与其引起的操作过电压会对变压器与断路器等电气设备造成损坏； 5）励磁涌流中的直流分量导致电流互感器磁路被过度磁化而大幅降低测量精度和继电保护装置的正确动作率； 6）造成电网电压骤升或骤降，影响其他电气

33、设备正常工作； 7）励磁涌流中的大量谐波对电网电能质量造成严重的污染； 8）引起临近正在运行的变压器产生和应涌流而跳闸 因此，必须对励磁涌流采取相应的措施，把危害降到最低。 3.鉴别励磁涌流的原理与方法 如前所述，变压器差动保护的主要矛盾集中在鉴别励磁涌流和部故障上。近十多年来，国外专家学者致力于变压器继电保护的研究，提出了多种鉴别励磁涌流的原理与方法，下面简要的概述一下这些原理与方法。3.1谐波识别法 谐波识别法是通过电流或电压中谐波含量的多少来区分部故障和励磁涌流。可以分为两种，一是利用二次谐波电流鉴别励磁涌流；二是通过分析变压器端电压中的谐波分量而形成的电压制动式保护。3.1.1二次谐波

34、电流鉴别励磁涌流分析说明，励磁涌流中含有较大的二次谐波分量，通过计算差动电流中的二次谐波电流与基波电流的幅值之比可判别是否存在励磁涌流。当出现励磁涌流时应有，式中、为差流中基波和二次谐波模值；是二次谐波制动比，可以调整，一般整定为15%17% 。二次谐波制动原理简单明了，目前在国外变压器的常规保护中运用较普遍，有较多的运行经验，微机保护已经实现了该种原理。3.1.2谐波电压鉴别励磁涌流其基本思想是当变压器因励磁涌流出现严重饱和时，端电压会出现严重畸变，其中包含较大的谐波分量，可以用来鉴别励磁涌流。其原理简述如下，如果变压器的三相电压满足： (3.1)或 (3.2)此时判为励磁涌流，保护闭锁。其

35、中是电压基波分量的幅值；、分别是门槛值；是一个监视量，目的是为了克服在涌流时端电压畸变引起的电压的下降导致保护误动作， (3.3)其中 基波分量计算采样值；电压原始采样值。分析和实验说明，在涌流情况下，虽然某些项可能出现，但均可由对应的可靠制动。对于各种部短路，一般总有和，保护能够快速跳闸。与二次谐波电流制动相比，谐波电压制动原理对于LC的振荡相对不敏感，二次谐波电流制动的某些不足得以一定的改善。但电压制动原理与电源阻抗的大字密切相关，如果采用一个习惯性的假设，认为系统总阻抗为零，那么在故障时一定满足，即保护拒动，因此，在构成该原理的保护时必然要求对系统阻抗有比较精确的了解，这导致了在整定上的

36、复杂。3.2 波形特征识别法根据变压器在励磁涌流和部故障时，差动电流波形所具有的不同特征来区分励磁涌流和部故障的方法3.2.1基于间断角原理鉴别励磁涌流通过检测差流间断角的大小来实现鉴别涌流的目的，一般采用的判据为：65；140 (3.4)式中：是涌流间断角；是涌流波宽。只要65就判为励磁涌流，闭锁差动保护；而当65且140时，则判为故障电流，开放差动保护。间断角原理利用了涌流时会产生很大的间断角，通过测量间断角的大小可以实现鉴别涌流。得到了广泛的应用，但面临着因TA传变引起的间断角变形问题。当TA饱和时，间断角区域产生反向电流，饱和越严重，反向电流越大，使得间断角消失；部故障电流则可能会产生

37、间断角，这些必然会使差动保护拒动或误动。此外，目前保护均是利用微机来实现的，为了准确的测量间断角，需要很高的采样率，这就对CPU的运算速度提出了很高的要求；同时由于涌流间断角处的电流非常小，几乎为零，而A/D转换在零点附件的转换误差很大，因此，必须用高分辨率的A/D转换芯片，这些都使得间断角原理所需的硬件成本提高了。3.2.2基于波形对称原理鉴别励磁涌流波形对称原理目前主要有积分型波形对称原理和微分型波形对称原理两种。积分型波形对称原理是将一个周波采样信号的波形经过旋转和平移变换后，进行积处分理，定义波形对称系数，根据部故障电流和励磁涌流的不同特征，加入模糊识别法，设置一个出口计数器，计数器对

38、不同的波形对称系数采取不同的计数方法，当计数器累加值大于某一阀值时，判断为励磁涌流，闭锁保护出口。对积分型波形对称原理来说，只要励磁涌流有明显的特征，故障电流畸变较小，谐波含量较小，该方法就可以实现快速出口和可靠闭锁于涌流。但是，当故障电流畸变严重时，则有可能延时出口，其实用性还有待作进一步的研究。微分性波形对称原理首先将差流进行向前微分，滤除直流分量，将微分后差流的前半波与后半波作对比比较，根据比较结果判断是否发生了励磁涌流，有以下来两种实现途径：方法一： (3.5)为差电流导数前半波第i点的数值，为后半波对应第i点的数值，K为比较闭值。当第i点的数值满足上式时称为对称，否则为不对称。连续比

39、较半个周波，对于部故障上式恒成立；对于励磁涌流，至少有周波以上的点不成立。方法二：其实现方法是利用 (3.6)代替上式，满足条件则出口跳闸，不满足则判为涌流，保护闭锁。微分型波形对称原理的这两种方法都是基于对励磁涌流导数波宽与间断角的分析。然而涌流波形与多种因素相关，具有不确定性、多样性，如果K值取的太大，保护可能误动，而且故障电流也并非总是正弦波，实际情况中必须考虑故障情况的多样性和故障波形的复杂性，当系统有分布电容较大的电缆线路存在时，故障波形中含有大量的谐波，此时，如果K值选的过小，保护可能拒动作。所以该原理的应用也不是很理想。3.2.3基于波形凹凸性识别励磁涌流由于在故障发生半周波，无

40、论故障发生时刻如何变化，故障波形均可达到一次峰值，而对于涌流波形来说大多数情况下也均可在空投后半周波达到一次峰值，即使个别情况下峰值出现在半周波以后，取半周波时刻的差流值作为差流峰值也不影响前半周波差流波形的凹凸性。所以可以用启动时刻和差流达到峰值时刻之间这段差流波形的凹凸性来区分励磁涌流和部故障电流。在发生空投励磁涌流时，励磁涌流波形前半部分的始部呈凹弧的尖顶波特性，而故障电流基本属基频正弦波呈现凸弧特性。依此原理构造判据，通过计算三个连续的采样点是否符合凹弧的数学特性来判断波形是否为励磁涌流。这一原理只需要半个周波的采样点即可判断出波形的凹凸性，在时间上可以达到快速判别的目的。但是该方法的

41、运算需要高的采样率，在实际应用中受到采样频率的限制。3.3 磁通特性识别法磁通特性原理是通过综合利用变压器电压和电流的信息来鉴别励磁涌流的。磁通特性原理考虑的是变压器的励磁特性，以变压器每个绕组的电压回路方程为基础，如下式所示，理论上可以完全消除励磁涌流的影响。 (3.7)式中，R，L分别为该绕组的电阻和漏感，为该绕组电压、电流和磁通的瞬时值。该式在变压器正常运行、外部短路、空载合闸和过励磁情况下等均满足，但在部故障时不满足，从而可以区分部故障和励磁涌流。目前，利用磁通特性原理鉴别励磁涌流仍是一个比较活跃的研究方向，磁通特性制动原理的判断和计算过程都比较简洁，检测速度较快，适宜用微机保护实现。

42、但是该原理需要知道变压器绕组的漏感和磁制动曲线，这在实际中不太可能行得通，还有待继续研究。3.4 等值电路识别法 等值电路原理是一种基于变压器导纳型等值电路的励磁涌流判别方法，该方法是通过监测对地等值导纳的参数变化来鉴别变压器的部故障，铁芯线圈的漏抗和空心线圈的接近，故此时变压器的等值导纳参数的互导纳几乎与变压器的铁芯饱和程度无关。铁芯未饱和时，变压器各侧对地导纳几乎为零，当铁芯饱和时，变压器各侧对地导纳明显增大，当铁芯严重饱和时，变压器各侧对地导纳几乎与空芯变压器的对地导纳一致，且是一个不等于零的常数。因此可以计算出变压器各侧的对地导纳，通过其值的变化来判别变压器是否发生部故障。 这种算法计

43、算速度快，即使在部故障叠加励磁涌流的情况下，也能快速的识别是发生部故障还是励磁涌流。但是该算法是建立在变压器等值电路的基础上，因此变压器等值参数的精度必然会影响到该算法的精确程度，微机保护的可实现性还需要做进一步的研究。 3.5 有功功率识别法由于变压器部故障时消耗大量有功功率这一特性，提出了基于有功功率消耗总量的保护方案，通过计算从各个端口流进变压器的有功功率的总和，来区分变压器的部故障电流和励磁涌流。由于励磁涌流时的平均功率几乎为零，而部故障时消耗大量有功功率，通过设置一个流进变压器的平均功率的阀值，便可检测出变压器的部故障。该方法物理感念明确，算法为积分值，稳定性好，但在具体应用的过程中

44、还有需要完善的地方。由以上分析可以看出，目前广泛使用的鉴别励磁涌流的方法在理论上效果较理想，但真正用到实际中还有一定距离。由于变压器运行的复杂性和故障的类型的多样性，为了改善保护性能，满足电力系统不断发展的需要 ,近十多年国外学者对变压器保护的原理从各方面进行了深入的研究和试验 ,提出了许多不同的方案。其多数进行的动摸试验和仿真证明具有较高的灵敏度和可靠性 ,但离微机保护的实现还有一段距离。而原来已用于实际的一些方法随着电力系统的发展也面临着新的考验。因此 ,为适应未来电力系统的发展要求 ,尽快研制出新原理的微机变压器保护已成为一个非常现实和迫切的要求。4变压器仿真研究4.1仿真长线路末端电压

45、升高4.1.1 仿真模型如图图4-1 长线路仿真模型4.1.2仿真参数介绍与波形模型窗口参数如以下图:图4-2仿真模型参数窗口Three-Phase Source参数如以下图：图4-3 Three-Phase Source参数Three-Phase Breaker（QF4）的参数：图4-4 Three-Phase Breaker（QF4）的参数Distributed Parameters Line的参数：图4-5 Distributed Parameters Line的参数：Multimeter的参数如以下图：图4-6 Multimeter的参数其中，Us_ph1_gnd代表Scope中的实线

46、，Ur_ph1_gnd代表虚线。Powergui的参数：将Simulation type选为Continuous,将Lond flow frequency改为50Hz即可。Scope的波形如下：（长度为300km）图4-7 Scope的波形将Distributed Parameters Line参数中的Line Length改为500km,则Scope的波形为：图4-8 Scope的波形改为1000km，波形为：图4-9 Scope的波形可见，分布参数导线长度越长，其末端电压Us升高越明显。4.2仿真三相变压器T2的励磁涌流4.2.1 仿真模型如图：图4-10三相变压器T2的励磁涌流模型4.2

47、.2 仿真参数介绍与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。QF3参数如以下图：图4-11 QF3参数三相变压器T2的参数如以下图：图4-12 三相变压器T2的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。Demux参数的输出量设为3 。则示波器的波形为：图4-13 示波器的波形由上图可得：Uag_w2: T2、Ubg_w2: T2和Ucg_w

48、2: T2过零点时间可分别为0.02、0.0267、0.0234。为峰值的时间可分别为0.025、0.0317、0.0384。改变QF3的参数，如以下图：图4-14 QF3的参数上图表示在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。则示波器的波形为：图4-15 示波器的波形将QF3的Transition times分别改为：0.0267，则示波器波形为：图4-16 示波器的波形改为0.0234，则波形如以下图：图4-17 示波器的波形从上述波形可以看出，变压器在某一相的电压过零点合闸时，此相产生最大

49、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Transition times分别改为：0.025、0.0317、0.0384，则示波器的波形分别为:图4-18过渡时间为0.025s图4-19过渡时间为0.0317s图4-20过渡时间为0.0384s从上述波形可以看出，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。4.3仿真三相变压器外部故障4.3.1仿真模型如图:图4-21 三相变压器外部故障模型4.3.2 仿真参数介绍与波形模型窗口参数如以下图图2-22 模型窗口参数三相电源参数不变。分布参数导线参

50、数不变。三相三绕组变压器T2参数不变。三相RLC串联负载参数如以下图：图4-23 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“Plot selected measurements。Powergui的参数变化如以下图：图4-24 Powergui的参数变化仿真变压器A相接地短路Three-Phase Fault的参数如以下图： 图4-25 Three-Phase Fault的参数4.4 仿真三相变

51、压器T3的励磁涌流4.4.1仿真模型如图：图4-26 三相变压器T3的励磁涌流4.4.2 仿真参数介绍与波形模型窗口参数如以下图：图4-27 仿真模型窗口三相电源参数不变。分布参数导线参数不变。三相三绕组变压器参数不变。三相RLC并联支路的参数如以下图：图4-28 三相RLC并联支路的参数三相两绕组变压器T3的参数如以下图：图4-29 三相两绕组变压器T3的参数Powergui的参数：将Simulation type选为Continuous,将Lond flow frequency改为50Hz即可。先仿真三相变压器T2的电压和稳态励磁电流。断路器QF6的参数如以下图:图4-30 断路器QF6的

52、参数万用表测量的量为Uag_w1: T3、Ubg_w1: T3、Ucg_w1: T3、Iexc_A: T3。选择“Plot selected measurements。万用表绘制的波形如下：图4-31 万用表绘制的波形由上图可得：Uag_w1: T3、Ubg_w1: T3和Ucg_w1: T3的过零时间分别为0.02s、0.0267s、0.0333s;为峰值的时间分别为0.025s、0.0318s、0.0383s。Iexc_A: T3为峰值是0.7A的正弦波。改变QF6的参数如以下图：图4-32 QF6的参数万用表测量的量为Iexc_A: T3、Iexc_B: T3、Iexc_C: T3图4-

53、33 万用表测量的量将QF6的过渡时间依次改为0.0267s、0.0333s、0.025s、0.0318s、0.0383s，则波形为：图4-34 过渡时间为0.0267s图4-35 过渡时间为0.0333s图4-36 过渡时间为0.025s图4-37 过渡时间为0.0318s图4-38 过渡时间为0.0383s从上述图中可得: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15A，且经过0.1s左右衰减至稳态运行时的励磁电流，峰值约为0.7A。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。与图4-16、4-17、4-18比较，变压器的容量越大

54、，其空载合闸所产生的励磁涌流的幅度越大，衰减的时间越长。4.5仿真三相变压器T3的部故障4.5.1 仿真T3相间短路（AB相）的模型如图：图4-39 三相变压器T3的部故障模型4.5.2模型参数介绍与波形模型窗口参数如以下图：图4-40 模型窗口参数三相电源参数不变。分布参数导线参数不变。三相三绕组变压器参数不变。三相RLC并联支路的参数不变。Powergui的参数：将Simulation type选为Continuous,将Lond flow frequency改为50Hz即可。三相RLC串联负载2的参数如以下图：图4-41 三相RLC串联负载2的参数Saturable Transforme

55、r（简写为ST）的参数如以下图：图4-42 Saturable Transformer（简写为ST）的参数图4-43ST1、ST2的参数与ST的相同。三相故障的参数如以下图：图4-44 三相故障的参数万用表参数设置如以下图：图4-45 万用表参数设置4.5.3 仿真T3匝间短路的模型如图：图4-46 仿真T3匝间短路的模型4.5.4模型参数介绍与波形模型窗口参数如以下图：图4-47 模型窗口参数三相电源参数不变。分布参数导线参数不变。三相三绕组变压器参数不变。三相RLC并联支路的参数不变。Powergui的参数：将Simulation type选为Continuous,将Lond flow f

56、requency改为50Hz即可。三相RLC串联负载2的参数不变。饱和变压器(ST、ST1、ST2)的参数不变。Three-Phase Fault的参数如以下图：图4-48 Three-Phase Fault的参数Three-Phase Fault1、Three-Phase Fault2与Three-Phase Fault的参数相同。万用表的参数如以下图：图4-49万用表的参数5 变压器仿真波形分析5.1 对励磁涌流进行FFT分析选择变压器T2的励磁涌流波形进行FFT分析，如以下图：图5-1变压器T2的励磁涌流波形进行FFT分析图5-1分析了input 1：图2-16的Iexc_A: T2的波

57、形。从0.02s开始分析，分析两个周波。以柱形图显示，横轴坐标为频率，最大值为300Hz。图5-2 变压器T2的励磁涌流波形进行FFT分析图5-2分析了input 2：Iexc_B:T2的波形。从0.02s开始分析，分析两个周波。以柱形图显示，横轴坐标为频率，最大值为300Hz。图5-3 变压器T2的励磁涌流波形进行FFT分析图5-3分析了input 3：Iexc_C: T2的波形。从0.02s开始分析，分析两个周波。以柱形图显示，横轴坐标为谐波次数，最大值为6。由此可得：励磁涌流含有大量高次谐波分量，且以二次谐波为主。5.2 对外部故障进行FFT分析任选一个短路电流（图2-30的Iag_w3

58、: T2）进行FFT分析，如以下图：图5-4 变压器T2的励磁涌流波形进行FFT分析图5-4分析了Iag_w3: T2的波形。从0.2s开始分析，分析两个周波。以柱形图显示，横轴坐标为频率，最大值为150Hz。由图可知：外部故障时的不正常运行电流是标准的正弦波，不含有二次谐波。5.3 对部故障进行FFT分析任选一个短路电流（图2-57的Iw2: Saturable Transformer）进行FFT分析，如以下图：图5-5 变压器T2的励磁涌流波形进行FFT分析图5-5分析了Iw2: Saturable Transformer的波形。从0.2s开始分析，分析两个周波。以柱形图显示，横轴坐标为频

59、率，最大值为150Hz。由图可知：部故障时的不正常运行电流含有非周期分量，不含有大量二次谐波。对于图5-4，由于仿真时用的离散算法，而FFT分析是离散傅立叶变换的快速算法，所以产生的波形是标准的正弦波。外部故障产生的不正常运行电流也应含有非周期分量。对比图5-1、5-2、5-3、5-4、5-5可得：判断故障和涌流的关键在于是否含有大量的二次谐波。对于外部故障和部故障，变压器差动保护可以正确判定，所以是否含有大量的二次谐波是励磁涌流和部短路故障判定的关键。结论本次设计利用MATLAB 软件中的Simulink 进行变压器仿真，模拟了变压器在空载合闸时产生的励磁涌流现象以与、外部故障。在Simul

60、ink 环境中，只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统；而且本次仿真中用到的模块库SimPowerSystems，在电机分析、电路分析、电力电子分析与大系统分析中都有令人满意的表现。 在变压器空载合闸瞬间，由于剩磁和初相角的影响，产生幅值很大的励磁涌流。励磁涌流含有大量高次谐波分量（以二次谐波为主），使涌流波形偏于时间轴的一侧，波形含有间断角为q j。变压器的容量越大，涌流的幅度越大，持续的时间越长。当变压器在电压过零点合闸时，产生最大的励磁电流，其峰值最大可达额定电流的68 倍。如果在合闸瞬间，电压正好达到最大值时，则变压器不会产生励磁涌流。 因此使用同步投入技术，使电网设备在恰当的相位点接入电网，可以有效地降低涌流，最大限度地降低对电网的干扰。 励磁涌流和部短路故障区分的关键在于是否含有大量二次谐波，因此可以利用二次谐波制动法来判定是否为涌流，即计算差流的二次谐波分量，若其值较大，则判定为涌流。常用的判