張洪志， 沈兵， 徐國(guó)順

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基于Matlab的艦船中壓變壓器差動(dòng)保護(hù)仿真研究分析

張洪志， 沈兵， 徐國(guó)順

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電氣工程系，武漢 430033）

為了保證艦船中壓電網(wǎng)的安全運(yùn)行，變壓器保護(hù)尤為重要。本文利用Matlab/Simulink建立了艦船中壓變壓器差動(dòng)保護(hù)仿真模型，采用S函數(shù)進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)算法編程，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)功能。仿真結(jié)果表明，該模型能夠正確實(shí)現(xiàn)其變壓器保護(hù)功能，并且具有較好的速動(dòng)性和穩(wěn)定性。

變壓器 Matlab仿真 差動(dòng)保護(hù) 故障分析

0 引言

當(dāng)前，艦船電力系統(tǒng)已逐漸由以前的低壓電力系統(tǒng)發(fā)展到具有大容量的中壓電力系統(tǒng)。在大型艦船的電力系統(tǒng)中，變壓器作為電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其本身的安全工作是對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要保證。因此，變壓器的保護(hù)受到高度重視[1]。

對(duì)于陸地上普通變壓器來(lái)說(shuō)，其保護(hù)的原理和方法相對(duì)比較成熟。一般變壓器主保護(hù)會(huì)采用差動(dòng)保護(hù)，而在保護(hù)中會(huì)遇到不平衡電流的問(wèn)題。為保證變壓器差動(dòng)保護(hù)的選擇性，差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作電流應(yīng)躲開(kāi)電路中可能出現(xiàn)的最大不平衡電流。變壓器差動(dòng)保護(hù)中的不平衡電流的產(chǎn)生有以下幾個(gè)原因[2]：

1）變壓器的勵(lì)磁涌流。

【拓展與交流】（1）紅紅同學(xué)質(zhì)疑：取少量（1）中所得溶液于試管中，加入少量的稀鹽酸，并未看到氣泡產(chǎn)生，說(shuō)明猜想一正確。臻臻同學(xué)認(rèn)為她的結(jié)論不正確，因?yàn)榈渭拥柠}酸的量少，都和NaOH反應(yīng)了，于是進(jìn)行了改進(jìn)：取少量（1）中所得溶液于試管中，加入過(guò)量的稀鹽酸，發(fā)現(xiàn)一段時(shí)間后有氣泡產(chǎn)生，說(shuō)明猜想二正確。

3）由于實(shí)際的電流互感器變比和計(jì)算變比不同產(chǎn)生的不平衡電流。

4）由于變壓器各側(cè)電流互感器型號(hào)不同而產(chǎn)生的不平衡電流。

5）由于改變變壓器調(diào)壓分接頭產(chǎn)生的不平衡電流。

目前艦船上變壓器保護(hù)設(shè)施并不完全，借鑒陸地上較為成熟的變壓器保護(hù)方法，并結(jié)合艦船特點(diǎn)，針對(duì)變壓器的相關(guān)技術(shù)特性進(jìn)行研究分析，選出了適用于該變壓器的保護(hù)方式。通過(guò)利用Matlab中Simulink及SimPowerSystem工具箱建立該變壓器差動(dòng)保護(hù)仿真模型，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明，該模型能夠正確實(shí)現(xiàn)其變壓器保護(hù)功能，并且具有較好的速動(dòng)性和穩(wěn)定性。

1 比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)

比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)就是使差動(dòng)電流的定值隨制動(dòng)電流的增大而按某一比率提高，使制動(dòng)電流在產(chǎn)生不平衡電流較大的外部故障時(shí)進(jìn)行制動(dòng)作用，而在內(nèi)部故障時(shí)制動(dòng)作用最小。目的是為了進(jìn)一步減小不平衡電流對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)的影響,并提高變壓器差動(dòng)保護(hù)的靈敏度[3]。

由于流入差動(dòng)繼電器中的不平衡電流隨著變壓器兩側(cè)電流變化而變化，當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，流過(guò)變壓器的故障電流越大，不平衡電流就越大。比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作電流是隨外部短路電流按比率增大，不僅能保證外部短路不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，而且能保證內(nèi)部有較高的靈敏度[4]。

地暖采用不用熱源時(shí)，其運(yùn)行費(fèi)用到底如何，我們以一個(gè)20KW的采暖系統(tǒng)為例，分別采用空氣源熱泵和燃?xì)鉅t系統(tǒng)分析如表1。

比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)一般采用“兩折線”的方法[5]，制動(dòng)特性如圖1所示，該坐標(biāo)系縱軸為保護(hù)的差動(dòng)電流Iop；橫軸為制動(dòng)電流Ires，折線ACD的左上方為保護(hù)的動(dòng)作區(qū)，折線右下方為保護(hù)的制動(dòng)區(qū)。

這一動(dòng)作特性曲線由縱坐標(biāo)OA，拐點(diǎn)的橫坐標(biāo)OB，折線CD的斜率S三個(gè)參數(shù)確定。OA表示無(wú)制動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)作電流，即保護(hù)的最小動(dòng)作電流Iop.min；OB表示起始制動(dòng)電流Ires.min。動(dòng)作判據(jù)為：

2 仿真模型的建立

根據(jù)艦船實(shí)際特點(diǎn)，利用Matlab中Simulink模塊庫(kù)建立變壓器仿真系統(tǒng)模型[6]，如圖2所示。通過(guò)該仿真模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變壓器發(fā)生原副邊短路故障的模擬仿真。圖2中變壓器采用Δ/Y-11接線方式，Δ側(cè)為高壓側(cè)，原副邊變比為6300/400；所有模塊頻率都設(shè)置為50 Hz，三相斷路器初始狀態(tài)設(shè)置為合閘；三相電壓-電流測(cè)量器模塊可獲得原副邊兩側(cè)電流共六路模擬量。

差動(dòng)保護(hù)子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。比例調(diào)整模塊主要由放大器模塊構(gòu)成，分別對(duì)高低壓六路電流按比例進(jìn)行調(diào)整?；ǜ道锶~模塊和二次諧波傅里葉模塊采用的是Simulink Library Browser中固有模塊“Fourier”，其作用是輸出各相電流的幅值和相角，以便在之后的S函數(shù)中把電流轉(zhuǎn)換成復(fù)數(shù)形式進(jìn)行計(jì)算。

比率差動(dòng)保護(hù)的S函數(shù)的編寫(xiě)依據(jù)為“兩折線”動(dòng)作特性曲線，即公式（1）。由于變壓器原副邊為Δ/Y-11接線方式，所以兩側(cè)電流會(huì)存在30°相位差，因此在差動(dòng)保護(hù)時(shí)需要進(jìn)行相位補(bǔ)償。在程序中對(duì)低壓側(cè)進(jìn)行轉(zhuǎn)角：

差動(dòng)電流及制動(dòng)電流為（以A相為例）：

為了防止變壓器空載合閘時(shí)造成的勵(lì)磁涌流，艦船變壓器一般會(huì)在原邊接入預(yù)勵(lì)磁變壓器對(duì)主變壓器進(jìn)行預(yù)充磁，以減小勵(lì)磁涌流對(duì)電力系統(tǒng)的影響。由于變壓器在空載合閘時(shí)瞬間電流過(guò)大有可能造成誤動(dòng)，出于安全考慮，在差動(dòng)保護(hù)中加入二次諧波制動(dòng)以減少保護(hù)誤動(dòng)。與此同時(shí)，保護(hù)中還具有差流速斷和CT二次斷線等功能。S函數(shù)模塊輸出后的信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯判斷來(lái)決定差動(dòng)保護(hù)子系統(tǒng)是否輸出跳閘信號(hào)。

3 故障仿真分析

為了分析在變壓器發(fā)生故障時(shí)，變壓器差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作情況，根據(jù)圖2所示的系統(tǒng)，在差動(dòng)保護(hù)子系統(tǒng)的程序中設(shè)定相應(yīng)的仿真參數(shù)：

1）兩折線比率制動(dòng)整定參數(shù)：最小動(dòng)作電流為2 A，起始制動(dòng)電流為5A，比率制動(dòng)系數(shù)為0.5。

2）二次諧波制動(dòng)系數(shù)為15%。

3）差動(dòng)速斷保護(hù)電流設(shè)置為50 A。

在整個(gè)仿真過(guò)程中要對(duì)多種故障方式進(jìn)行仿真，本文僅就變壓器副邊發(fā)生單相接地故障進(jìn)行分析。當(dāng)變壓器副邊差動(dòng)保護(hù)區(qū)域內(nèi)突然發(fā)生單相接地故障時(shí)，該相電流會(huì)突然變小趨近于0，其余兩相電流隨之增大。在仿真中，A相電流在0.05 s發(fā)生接地故障，在0.15 s時(shí)故障消除，仿真模型檢測(cè)的三相電流波形圖如圖4所示。

從仿真圖形4中，可以清晰的看到，當(dāng)變壓器副邊發(fā)生單相接地故障時(shí)，電壓和電流會(huì)在產(chǎn)生故障時(shí)發(fā)生劇烈震蕩。A相故障電流近似為零，B、C兩相電壓近似增大為原來(lái)的兩倍左右。

在圖2所示的仿真模型中，差動(dòng)保護(hù)是否動(dòng)作是通過(guò)Display模塊觀察得出的。仿真結(jié)果如圖5所示，在仿真時(shí)間0.0685 s（即故障發(fā)生后的0.0185 s）時(shí)，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，模型中差動(dòng)保護(hù)輸出Display顯示為1。故障結(jié)束后，在仿真時(shí)間0.1555 s（即故障結(jié)束后0.0055 s）時(shí)，差動(dòng)保護(hù)返回，Display顯示為0。圖6為發(fā)生三相接地故障時(shí)的電流波形圖。

4 結(jié)論

本文通過(guò)建立艦船中壓變壓器差動(dòng)保護(hù)仿真模型，利用Matlab中S函數(shù)進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)算法編程，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)功能。仿真結(jié)果表明，該模型能夠正確反應(yīng)變壓器接地故障特性，及時(shí)對(duì)變壓器進(jìn)行跳閘保護(hù)，具有較好的速動(dòng)性和穩(wěn)定性。該差動(dòng)保護(hù)模型能夠?yàn)橛^察分析變壓器故障提供重要依據(jù)，并且對(duì)今后艦船變壓器保護(hù)裝置的研究設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。

[1] 王維儉．電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理及應(yīng)用（第二版）[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2002．

[2] 陳曾田．電力變壓器保護(hù)（第二版）[M]．北京：水利電力出版社，1988.

[3] M.S.Sachdev. A digital relaying algorithm for decting transformer winding faults, IEEE Transaction on power Delivery, 1999,4(3):32-34.

[4] 許建安．變壓器比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)靈敏度分析[J]．水電能源科學(xué)，2009，27（1）：194-197．

[5] 華北電力設(shè)計(jì)院，東北電力設(shè)計(jì)院，清華大學(xué)．大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則（DLT 684-2012）[S]．北京：中國(guó)電力出版社，2000．

[6] 韓笑，徐曦，陳卓平．基于Matlab與VB數(shù)據(jù)交換的繼電保護(hù)仿真[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2006，26（5）：92-95．

Simulation Research and Analysis of Transformer Differential Protection in Shipboard Medium Voltage Based on Matlab

Zhang Hongzhi, Shen bing, Xu Guoshun

（College of Electrical Engineering of Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM422

A

1003-4862（2015）01-0013-03

2014-07-14

張洪志（1990-），男，碩士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。