基于simulink的变压器故障仿真

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目 录

摘要 ............................................................................................................................................ II Abstract .................................................................................................................................... III 1 绪论 ........................................................................................................................................ 6 1.1研究背景和意义 ........................................................................................................... 6 1.2国内外研究动态和发展趋势 ....................................................................................... 6 1.3 本文结构安排 .............................................................................................................. 7 2电力变压器保护原理 ............................................................................................................. 8 2.1变压器的工作原理及基本构造 ................................................................................... 8 2.1.1变压器的基本原理和构造 ................................................................................. 8 2.1.2变压器故障和异常运行状态 ............................................................................. 9 2.2变压器的主保护原理分析 ........................................................................................... 9 2.2.1变压器差动保护 ................................................................................................. 9 2.2.2变压器差动回路不平衡电流分析 ................................................................... 11 3.鉴别励磁涌流的原理与方法 .............................................................................................. 14 3.1谐波识别法 ................................................................................................................. 14 3.1.1二次谐波电流鉴别励磁涌流 ........................................................................... 14 3.1.2谐波电压鉴别励磁涌流 ................................................................................... 14 3.2 波形特征识别法 ........................................................................................................ 15 3.2.1基于间断角原理鉴别励磁涌流 ....................................................................... 15 3.2.2基于波形对称原理鉴别励磁涌流 ................................................................... 15 3.2.3基于波形凹凸性识别励磁涌流 ....................................................................... 16 3.3 磁通特性识别法 ........................................................................................................ 16 3.4 等值电路识别法 ........................................................................................................ 16 3.5 有功功率识别法 ........................................................................................................ 17 4变压器仿真研究 ................................................................................................................... 18 4.1仿真长线路末端电压升高 ......................................................................................... 18 4.1.1 仿真模型如图 .................................................................................................. 18 4.1.2仿真参数介绍及波形........................................................................................17 4.2仿真三相变压器T2的励磁涌流 .............................................................................. 22 4.2.1 仿真模型如图： .............................................................................................. 22 4.2.2 仿真参数介绍及波形 ...................................................................................... 22 4.3仿真三相变压器外部故障 ......................................................................................... 27 4.3.1仿真模型如图: .................................................................................................. 27 4.3.2 仿真参数介绍及波形 ...................................................................................... 28 4.4 仿真三相变压器T3的励磁涌流 ............................................................................. 30 4.4.1仿真模型如图： ............................................................................................... 30 4.4.2 仿真参数介绍及波形 ...................................................................................... 31 4.5仿真三相变压器T3的内部故障 .............................................................................. 36 4.5.1 仿真T3相间短路（AB相）的模型如图： ................................................. 36 4.5.2模型参数介绍及波形 ....................................................................................... 37 4.5.3 仿真T3匝间短路的模型如图： ................................................................... 40

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4.5.4模型参数介绍及波形 ....................................................................................... 40 5 变压器仿真波形分析 .......................................................................................................... 43 5.1 对励磁涌流进行FFT分析 ....................................................................................... 43 5.2 对外部故障进行FFT分析 ....................................................................................... 44 5.3 对内部故障进行FFT分析 ....................................................................................... 45 结论 .......................................................................................................................................... 47 致谢 .......................................................................................................................................... 48 参考文献 .................................................................................................................................. 49

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1 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、配电线路以及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及以上变压器保护的运行情况为例，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及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国内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

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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求是真实性、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，阐述了国内外继电保护数字仿真技术的发展现状，简要分析了目前比较普遍的电力系统仿真软件以及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及构成，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。

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