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摘 要：为了解决工程实际中继电保护装置的测试问题，针对变压器差动保护，利用Matlab软件，在建立单侧电源110kV双圈变压器简单电力系统模型的基础上，进行变压器微机继电保护装置的仿真分析。探究了励磁涌流与剩磁及合闸初相角之间的关系以及励磁涌流中的谐波含量情况。经实验验证：该方案能够有效进行变压器差动保护装置的测试，具有较好的工程实用性。
关键词：变压器；差动保护；动作特性；仿真研究
中图分类号：TM774文献标识码：A
1 变压器差动保护建模
1.1 变压器差动保护原理
差动电流定义为设备两端的电流之和(电流参考方向都指向被保护设备。当设备两端电流沿同一个方向流动时，差动电流最小。当设备两端电流都流向设备时，差动电流很大，据此可以区分区内故障与区外故障。当变压器正常运行或区外故障时，此时差动电流为零，保护不会动作。当变压器内部任一点发生故障时，流入差动继电器的差动电流等于故障点电流，只要故障电流大于差动继电器的动作电流，差动保护就能迅速动作。在实际使用中，由于有流过差动回路的不平衡电流影响，变压器纵差保护还需要躲过不平衡电流。不平衡电流产生的主要原因有：电流互感器的传变误差；变压器的励磁涌流；变压器带负荷调节分接头等。这就需要根据实际情况进行继电保护装置的整定配置。
1.2一次系统模型本文采用无穷大功率电源系统进行建模与仿真(如图1所示)，该仿真系统由无穷大功率电源，单回路输电线路、变压器和用电负荷组成。其中输电线路为110kV线路，其有名值参数为8.5、0.064H。无穷大系统由3000MVA系统电源和一个5MVA、1Mvar的系统负荷而成，其仿真模型如图2所示。
图2 Matlab仿真建模
考虑到变压器的暂态模型较稳态模型复杂，用于仿真的变压器模型，需要能够正确反映变压器铁芯励磁特性曲线，同时可以对剩磁进行模拟。本文选用“Three-PhaseTransformer(Twowindings)”，Yg/△接法，对变压器铁芯中的励磁动态过程进行仿真。
1.3 励磁涌流仿真分析
变压器稳态运行时，励磁电流只有其额定电流的2%-5%。在区外短路时由于电压降低，励磁电流更小。当变压器的投入或外部故障切除后电压恢复时，变压器电压从零或很小数值突然上升到运行电压。这个过程中将会产生非常大的励磁涌流，其峰值可达额定电流的4-8倍，且变压器容量越小，该倍数越大，该暂态电流的衰减可持续数秒。首先，设置三相断路器模块QF1的切换时间为0s，进行空载合闸，QF2的切换时间为1s，并设置故障模块Fault1，使系统在1.2-1.5s间发生区内三相短路，仿真结果如图3所示。从仿真波形可以看出励磁涌流幅值是额定电流的4倍左右，且远远小于短路电流。励磁涌流含有大量直流分量，使电流波形偏至时间轴的一侧。其次，考虑到合闸时刻的随机性，记录三相励磁涌流峰值随合闸初相角的变化关系。
图3 高压侧电流波形
由图3可以看出合闸之前，变压器铁芯中剩磁越大，励磁涌流就越大。剩磁mΦ的方向与合闸之后mΦcos方向相同时，励磁涌流就大。反之亦相反。
1.4 变压器差动保护的模型及算法
微机型变压器差动保护装置结构图如图4所示，需要说明，保护设备中DSP处理的是经过变换器变换的电压信号，为了说明问题本质，仿真中不再进行I-V变换。由于DFT有极好的滤波功能，使得差动电流测量装置对噪声和波形扭曲的灵敏度较低。保护装置中的差动电流将通过离散傅里叶变换(DFT)获得。
图4 微机型变压器差动保护装置结构图
1.5 励磁涌流闭锁及区内外差动保护仿真分析
考虑短路问题是电力技术方面的基本问题之一，且在发电厂、变电站以及整个电力系统的设计和运行中，都必须事先进行短路计算和仿真，以此作为合理选择电气接线、配置各种继电保护并整定其参数等的重要依据。这里，设置三相断路器模块QF1的切换时间为0s、QF2的切换时间为1s，并设置故障模块Fault1，使系统在1.5-1.7 s间发生区内三相短路，故障模块Fault2在2-2.5 s发生区外三相短路。
2 仿真验证
2.1 误动案例
在PSCAD/EMTDC仿真环境建立如下模型：220kV线路经220/35kV变压器变电，基于改进的JA理论表征CT铁心磁化特性，220kV侧CT变比500:1，35kV侧CT变比3000:1。在变压器中性点接入直流电压源模拟系统接地极间存在电位差，直流偏磁电流由变压器Y侧中性点引入，经测量ABC三相偏磁电流大小各为14A。
2.2 仿真结果
仿真结果显示，变压器差动保护先后在21.12s和21.42s发出2次跳闸信号，出口断路器动作。上述误动案例中，由于35kV侧采用三角形接线，CT能正常传变一次电流。图5所示为220kV侧A相CT2侧电流波形和差动电流波形(已折算为标幺值，下同)。由图5可知，故障前2侧电流已经出现了一定的幅值差异和相位偏移，差动电流不为0。经过分析，这是由于偏磁电流的注入，使CT铁心磁通不断累积上升，到达饱和点附近，励磁电感减小，励磁电流增大所导致的。又由图5(a)可得，A相电流突变量和差动电流出现时刻的时间差小于1/4周波，因此目前用于识别区外故障时CT饱和的时差法。在该案例中将失效。
图5 直流偏磁下的CT一二次侧电流及A相差动电流
实验结果表明，该方法有效解决了继电保护装置开发过程中系统测试的问题，为随后的基于DSP的微机差动保护装置的软件算法改进与单板测试打下坚实的基础，具有一定的工程实用价值。
参考文献：
[1]许路广.变压器纵联差动保护及励磁涌流特性研究[D].华北电力大学(北京)，2016.
[2]丁倞.基于时差法与故障分量的变压器差动保护[D].湖南科技大学，2016.
[3]张杰恺.电子式互感器的传变特性及对变压器差动保护适应性研究[D].重庆大学，2016.
论文作者:郝明华
论文发表刊物:《电力设备管理》2017年第3期
论文发表时间:2017/4/14
标签：变压器论文; 电流论文; 差动论文; 励磁论文; 故障论文; 波形论文; 保护装置论文; 《电力设备管理》2017年第3期论文;