基于Matlab的舰船中压变压器差动保护仿真研究分析

张洪志， 沈兵， 徐国顺



基于Matlab的舰船中压变压器差动保护仿真研究分析

张洪志， 沈兵， 徐国顺

（海军工程大学电气工程学院电气工程系，武汉 430033）

为了保证舰船中压电网的安全运行，变压器保护尤为重要。本文利用Matlab/Simulink建立了舰船中压变压器差动保护仿真模型，采用S函数进行差动保护算法编程，实现差动保护功能。仿真结果表明，该模型能够正确实现其变压器保护功能，并且具有较好的速动性和稳定性。

变压器 Matlab仿真 差动保护 故障分析

0 引言

当前，舰船电力系统已逐渐由以前的低压电力系统发展到具有大容量的中压电力系统。在大型舰船的电力系统中，变压器作为电力系统中的重要设备，其本身的安全工作是对系统正常运行的必要保证。因此，变压器的保护受到高度重视[1]。

对于陆地上普通变压器来说，其保护的原理和方法相对比较成熟。一般变压器主保护会采用差动保护，而在保护中会遇到不平衡电流的问题。为保证变压器差动保护的选择性，差动保护的动作电流应躲开电路中可能出现的最大不平衡电流。变压器差动保护中的不平衡电流的产生有以下几个原因[2]：

1）变压器的励磁涌流。

【拓展与交流】（1）红红同学质疑：取少量（1）中所得溶液于试管中，加入少量的稀盐酸，并未看到气泡产生，说明猜想一正确。臻臻同学认为她的结论不正确，因为滴加的盐酸的量少，都和NaOH反应了，于是进行了改进：取少量（1）中所得溶液于试管中，加入过量的稀盐酸，发现一段时间后有气泡产生，说明猜想二正确。

3）由于实际的电流互感器变比和计算变比不同产生的不平衡电流。

4）由于变压器各侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流。

5）由于改变变压器调压分接头产生的不平衡电流。

目前舰船上变压器保护设施并不完全，借鉴陆地上较为成熟的变压器保护方法，并结合舰船特点，针对变压器的相关技术特性进行研究分析，选出了适用于该变压器的保护方式。通过利用Matlab中Simulink及SimPowerSystem工具箱建立该变压器差动保护仿真模型，并对仿真结果进行分析。仿真结果表明，该模型能够正确实现其变压器保护功能，并且具有较好的速动性和稳定性。

1 比率制动式差动保护

比率制动式差动保护就是使差动电流的定值随制动电流的增大而按某一比率提高，使制动电流在产生不平衡电流较大的外部故障时进行制动作用，而在内部故障时制动作用最小。目的是为了进一步减小不平衡电流对变压器差动保护的影响,并提高变压器差动保护的灵敏度[3]。

由于流入差动继电器中的不平衡电流随着变压器两侧电流变化而变化，当发生区外故障时，流过变压器的故障电流越大，不平衡电流就越大。比率制动式差动保护的动作电流是随外部短路电流按比率增大，不仅能保证外部短路不会产生误动作，而且能保证内部有较高的灵敏度[4]。

地暖采用不用热源时，其运行费用到底如何，我们以一个20KW的采暖系统为例，分别采用空气源热泵和燃气炉系统分析如表1。

比率制动式差动保护一般采用“两折线”的方法[5]，制动特性如图1所示，该坐标系纵轴为保护的差动电流Iop；横轴为制动电流Ires，折线ACD的左上方为保护的动作区，折线右下方为保护的制动区。

这一动作特性曲线由纵坐标OA，拐点的横坐标OB，折线CD的斜率S三个参数确定。OA表示无制动状态下的动作电流，即保护的最小动作电流Iop.min；OB表示起始制动电流Ires.min。动作判据为：

2 仿真模型的建立

根据舰船实际特点，利用Matlab中Simulink模块库建立变压器仿真系统模型[6]，如图2所示。通过该仿真模型能够实现对变压器发生原副边短路故障的模拟仿真。图2中变压器采用Δ/Y-11接线方式，Δ侧为高压侧，原副边变比为6300/400；所有模块频率都设置为50 Hz，三相断路器初始状态设置为合闸；三相电压-电流测量器模块可获得原副边两侧电流共六路模拟量。

差动保护子系统内部结构如图3所示。比例调整模块主要由放大器模块构成，分别对高低压六路电流按比例进行调整。基波傅里叶模块和二次谐波傅里叶模块采用的是Simulink Library Browser中固有模块“Fourier”，其作用是输出各相电流的幅值和相角，以便在之后的S函数中把电流转换成复数形式进行计算。

比率差动保护的S函数的编写依据为“两折线”动作特性曲线，即公式（1）。由于变压器原副边为Δ/Y-11接线方式，所以两侧电流会存在30°相位差，因此在差动保护时需要进行相位补偿。在程序中对低压侧进行转角：

差动电流及制动电流为（以A相为例）：

为了防止变压器空载合闸时造成的励磁涌流，舰船变压器一般会在原边接入预励磁变压器对主变压器进行预充磁，以减小励磁涌流对电力系统的影响。由于变压器在空载合闸时瞬间电流过大有可能造成误动，出于安全考虑，在差动保护中加入二次谐波制动以减少保护误动。与此同时，保护中还具有差流速断和CT二次断线等功能。S函数模块输出后的信号经过逻辑判断来决定差动保护子系统是否输出跳闸信号。

3 故障仿真分析

为了分析在变压器发生故障时，变压器差动保护的动作情况，根据图2所示的系统，在差动保护子系统的程序中设定相应的仿真参数：

1）两折线比率制动整定参数：最小动作电流为2 A，起始制动电流为5A，比率制动系数为0.5。

2）二次谐波制动系数为15%。

3）差动速断保护电流设置为50 A。

在整个仿真过程中要对多种故障方式进行仿真，本文仅就变压器副边发生单相接地故障进行分析。当变压器副边差动保护区域内突然发生单相接地故障时，该相电流会突然变小趋近于0，其余两相电流随之增大。在仿真中，A相电流在0.05 s发生接地故障，在0.15 s时故障消除，仿真模型检测的三相电流波形图如图4所示。

从仿真图形4中，可以清晰的看到，当变压器副边发生单相接地故障时，电压和电流会在产生故障时发生剧烈震荡。A相故障电流近似为零，B、C两相电压近似增大为原来的两倍左右。

在图2所示的仿真模型中，差动保护是否动作是通过Display模块观察得出的。仿真结果如图5所示，在仿真时间0.0685 s（即故障发生后的0.0185 s）时，差动保护动作，模型中差动保护输出Display显示为1。故障结束后，在仿真时间0.1555 s（即故障结束后0.0055 s）时，差动保护返回，Display显示为0。图6为发生三相接地故障时的电流波形图。

4 结论

本文通过建立舰船中压变压器差动保护仿真模型，利用Matlab中S函数进行差动保护算法编程，实现差动保护功能。仿真结果表明，该模型能够正确反应变压器接地故障特性，及时对变压器进行跳闸保护，具有较好的速动性和稳定性。该差动保护模型能够为观察分析变压器故障提供重要依据，并且对今后舰船变压器保护装置的研究设计具有一定的指导作用。

[1] 王维俭．电气主设备继电保护原理及应用（第二版）[M]．北京：中国电力出版社，2002．

[2] 陈曾田．电力变压器保护（第二版）[M]．北京：水利电力出版社，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] 许建安．变压器比率制动式差动保护灵敏度分析[J]．水电能源科学，2009，27（1）：194-197．

[5] 华北电力设计院，东北电力设计院，清华大学．大型发电机变压器继电保护整定计算导则（DLT 684-2012）[S]．北京：中国电力出版社，2000．

[6] 韩笑，徐曦，陈卓平．基于Matlab与VB数据交换的继电保护仿真[J]．电力自动化设备，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

张洪志（1990-），男，硕士研究生。研究方向：电力系统安全运行。