变压器相间短路保护建模与仿真.docx-资料库

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变压器相间短路保护建模与仿真 1 前言 1.1 研究背景及意义近年来，电力系统行业得到了发展。例如国内的超高压变压器、大容量的大型变压器不断增加、在电力系统中远距离输电的应用越加普遍，表明电力变压器对电力系统的稳定性和可靠性的要求越来越高。一般来说，电力网络是由五大基本环节组成，其中发电、输电、变电环节是在发电厂和变电站完成的，配电和用电在用电单位得以体现，各个环节相互牵制，密切相关。变压器在变电环节中有着不可替代的地位，在实际的运行过程中变压器可能会发生各种故障，在一定程度上影响着电力系统的安全连续运行，以及整个电网的经济效益。所以研究变压器的继电保护有重要意义。现阶段电力网络运行的变压器广泛采用纵联差动保护作为主保护，差动保护在装置内部故障时能够体现出它的优越性，如灵敏的反应能力、时间上的速动性和断路器精准的选择性，故纵差动保护被广泛应用于电气主设备和输电线路主保护。由研究者的工作经验表明，多次的小故障以及不同的不平衡电流的暂态过程导致变压器损毁。例如，在短路故障中，谐振会引起二次谐波的含量比重增加，导致基于二次谐波含量增加，也可能导致延时基于二次谐波制动的差动保护动作，对于变压器端部接长线，这种情况更容易出现。综上所述，变压器保护能否正确动作是当前研究的重中之重。影响它的因素需要不断进行探索，变压器的技术和方法的革新也迫在眉睫。从根本上消除变压器保护的选择性、速动性和灵敏性的一些弊端。 1.2 国内外研究现状目前，变压器内部故障时的电力主保护均采用差动保护[1]。基尔霍夫电流定律（KCL）的应用在差动保护中占据核心地位，继电器能够正确动作的条件是流过设备的电流满足电流速断保护。传统线路上的差动保护中变压器一、二次侧绕组之间有直接电气联系，而现阶段的主保护是在稳态运行时将一、二次侧的电气量利用“平衡关系”联系起来。处在暂态过程中的变压器，在系统发生突变的故障或扰动时，将不再满足该平衡关系[2]。因此为防止变压器差动保护误动作，需要对一些变量的特性进行研究。当前，一些变压器的差动保护在实际应用过程中，

存在一些问题。例如，如何消除励磁涌流对变压器差动保护造成的影响[3]。针对以上问题，近几年国内外对变压器新技术和新方法已有许多专家学者对变压器新技术和新方法进行了大量的研究，并取得了成果。在国外 SIMULINK 为电力系统分析建立了专用库集 SPS（SimPowerSystems）,SPS 中包含了常用的电源、变压器、线路、负荷等电力系统元件，用户只需从模块中调用标准模块，将适当地连接起来以构成动态模型，利用其图形化的用户界面，可以方便的完成模块的建立、调试和仿真工作[4]。 2 系统与网络原始资料分析 2.1 原始资料 2.1.1 电力网络接线图在电力网络接线图的基础上加入纵差保护和过电流保护，对变压器的相间故障进行仿真。 2.1.2 电力网络参数说明图 1 电力网络接线图 35KV 单独运行的降压变压器的额定容量为 15MV·A，电压为 35/10.5KV，绕组接线为 Yd11，短路电压 Uk%=8。系统最大运行方式下归算至 35KV 母线侧的最小阻抗为 6  ，系统最小运行方式下对应的阻抗为 10  ，10.5KV 最大负荷电流为 700A，选用 BCH-2 型差动继电器构成差动保护。

2.2 纵联差动保护原理图 2 变压器分侧差动保护逻辑图为了防止设法减小不平衡电流对保护的影响，为此，在实现差动保护时，一般采用带比率制动特性的差动保护。常用的制动特性有两折线比率制动特性，其动作特性曲线如图所示 区： 区： I I d d   I I 且 op 0.  op 0. I ( K  res I res 图 3 比率制动特性图 I  res 0. I ) 且 res 0. I res  I res 0. 式中 I d -差流 I d   I  A  I ; a I res 制动电流 I  res  I  A  I a 2  I A  a I 、分别为变压器原边、副边绕组电流互感器的二次电流。  影响比率制动动作特性的因素有三个，即差动门槛值、拐点电流和比率制动系数。（1）差动门槛值提高。使差动保护动作区域缩小，降低了保护的灵敏度，

但使缓冲区域增加，躲区外故障不平衡电流的电流的能力增加，保护误动可能性降低。反之，若降低差动门槛值，躲区外故障不平衡电流的能力降低，但增加了保护的灵敏度。（2）拐点电流增加。使差动保护动作区域增加，增加了保护的灵敏度，但使缓冲区域减少，躲区外故障不平衡电流的能力减弱，保护误动可能性增大。反之，若降低拐点电流，降低了保护的灵敏度，但躲区外故障不平衡电流的能力增加。（3）比率制动系数值增加。使差动保护动作区域减少，降低了保护的灵敏度，但使缓冲区域增加，躲区外故障不平衡电流的增加，保护误动可能性降低。反之，若降低 K 值，躲区外故障不平衡电流的能力降低，保护误动的可能性加大，但增加了保护的灵敏度。 2.3 过电流保护原理过电流保护作为变压器的相间短路后备保护，适用于容量较小的单侧电源变压器。具体动作电流的整定过程见整定计算过程。为保证在正常运行情况下过流保护绝不动作，显然保护装置的启动电流必须整定得大于该线路上可能出现的最大负荷电流I L max . 。实际上确定保护装置的启动电流时，还必须考虑在外部故障切除后，保护装置是否能够返回的问题。 3.电力变压器整定计算 3.1 纵联差动保护的整定计算试为电力网络的差动保护进行整定计算（即求动作电流Iset ，差动线圈匝数，平衡线圈匝数W 1b 及最小灵敏系数Ksen ）。 Wd （1）基本侧的选择各元器件的参数选择如下表 3：和W 2b 数值名称变压器一次侧额定电流电流互感器接线方式表 1 基本侧的选择 35kV 15000 10 3  05.866 A  10kV 15000  4.03 Y  258 A

电流互感器一次电流电流互感器变比电流互感器二次额定电流 3  247  428 600  5 120 3  247 120  57.3 A 825A 1000  5 200 825 200  13.4 A 由表 1 可知，10.5KV 侧的电流互感器二次电流较大，因此确定 10.5KV 侧为基本侧。（2）确定保护的动作电流 躲开变压器投入，切除外部短路后及电压恢复时的励磁涌流： I set . c  IK rel L . max  3.1  700  (910 ) A 躲开电流互感器二次回路断线时变压器的最大负荷： I set . c  IK rel N 5.10(1. KV 3.1)   825  ( 1073 ) A 躲开变压器外部短路时的最大不平衡电流： I set . c  K rel 1.0( KK unp st  U f ) I ca k . max 此处I k max . 应取最大运行方式下，10.5KV 母线上三相短路电流。系统阻抗：变压器阻抗： X s . min 6  2    5.10 37     .0 (483  ) X T 08.0  2 5.10 15  .0 (588  ) 故 I k  . max 10500  483.0(3 )588.0  ( 5600 ) A 取 3.1K rel ，故 I set  05.01.01(3.1    )05.0  5660  1472 ( ) A 取上面三个计算结果的最大值作为一次动作电流计算值，即 I set  . c ( 1472 ) A （3）求差动线圈匝数基本侧求二次动作电流计算值为 I  set .. cr IK n con set . c  TA 2 1472 200  (36.7 ) A 由此，差动线圈的计算匝数为

( W  . cad ) set  AW I set .. cr 60 36.7  (15.8 ) 匝为 BCH 型继电器的动作磁势，一般取 60 安匝。根据计算安式中，）（AW set 匝数，应取比计算匝数偏小的整数，由于计算值接近 8 匝，因此可取 8 匝，在整定匝数下，继电器的实际动作电流为（4）求平衡线圈匝数 I  set . r 60 8  (5.7 ) A 对双绕组变压器，仅使用一个平衡线圈，采用 W  .1 b ca I I N 5.10(2. KV ) N 35(2. KV ) WW  set d .  d . set 13.4 57.3 25.188  式中 I N 5.10(2. KV )  基本侧，即 10.5KV 侧的二次额定电流； I N 35(2. KV )  35KV 侧的二次额定电流。确定平衡线圈的整定匝数为 11 W b 匝。（5）由于整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差 WWf   ca WW  ca ca .1 b .1 b  25.1 25.1   1 8 b 1 . set  .0 027 d 由于 0.027<0.05，故不需要重算动作电流。（5）灵敏性校验应按照系统最小运行方式下，10.5KV 侧两相短路计算最小灵敏系数。最小运行方式下，系统阻抗归算至 10.5KV 侧，即 X s . max  10  2    5.10 37     .0 (805  ) 短路回路总阻抗为 X  故 10KV 侧三相短路电流为 I K )3(  X s  max  X T  39.1    10500 39.13   4361 ( ) A 对应的最小运行方式下两相短路电流为 )2( K I  3 2 )3( K I  3777 ( ) A 将此电流折算到 35KV（电源侧），对 Yd11 接线变压器，一侧两相短路时折

算到电源的最大一相电流为三相短路电流折算值，另外两相流过电流为最大一相的一半，因此最大一相电流为 I K )35(  4361   1238 ( ) A ，此电流通过 35KV 侧电流互感器变换到继电器处，则进入继电器的最大一相电流。 5.10 37 I K ).35( r 故得 K  sen K TA  )35( 5.1  3 2 WWI I n ( AW  ) ( ).35( 1 b K 1 r  1238 120  (5.15 ) A ) d . set  )81(5.15  60  3.2 set 式中 WWI ).35(  1 b ( K r ) 为由 35KV 折算到二次侧的故障电流在继电器中 d . set 产生的工作磁势。灵敏系数大于 2，故满足要求。 3.2 电力变压器过电流保护整定计算电流继电器的动作电流按躲开变压器最大负荷电流整定，即 KI  act rel IK re  1.1 85.0 L . max  700  88.905 ）（A 按躲过电动机自启动时可能出现的最大工作电流来整定。保护整定计算结果为 IKKI  set rel ss 5.12.11   N  35  (63 ) A 按相邻元件后备保护相配合整定 IKI  set rel 2.11.  set  1472  1766 4. ）（A 电流原件的灵敏度校验： K sen K I  I . min  set 3777 4. 1766  3.2 I k min . 为最大运行方式下，保护范围末端的最小短路电流。 4 基于 MATLAB 电力变压器相间短路保护的建模与仿真 4.1 纵联差动保护建模与仿真纵联差动保护建模与仿真如下图 13 所示，案例中的基本参数设置到所用的 SPS 模块中，将过电流保护和纵联差动保护模块分别接在变压器左侧和两侧。并在线路上设置三个故障点，其中 Fault1 可设置为变压器保护区内相间短路。Fault2 与 Fault1 对称，理论上输出的波形是一致，所以只分析 Fault1 故障点。Fault3 为保护区外故障，为区分 Fault 2 和 Fault3 两个故障不是同一电压值，在电流电压

提取元件中加入一定的阻值。图 4 保护仿真图在 2.2 节具体介绍了过电流保护的原理，结合两折线的差动曲线和逻辑图，建立了图 5 原理仿真图，两端的输入端口，分别是原边和副边电流；输出端口输出三种波形分别为纵差保护动作信号、差动电流、制动电流。理论上，在电力系统正常运行时，纵差保护是不会动作的，在波形显示上是低电平即“0”；反之，只要变压器保护区内发生故障，纵联差动保护就会动作，在波形显示上是从“0” 到“1”的变化过程。而差动电流和制动电流满足两折线比率特性曲线包含的数学关系，在 2.2 节中有具体体现。

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