方兴变压器微机继电保护仿真分析

1、学生姓名 学 号 所在院系 专业名称 届次指导教师毕业论文（设计）论文题目：变压器微机继电保护仿真分析方兴1008060209电气信息工程学院电气工程及其自动化2014 届徐小军1.绪论. . 31.1 课题研究背景及意义 . . 31.2 国内外研究现状及发展方向 . . 41.2.1 国内近年来发生的停电事故及影响 . 41.3 课题的主要研究内容 . . 52.三相电力系统电力变压器的保护方式 . . 52.1 瓦斯保护原理分析 . . 52.2 差动保护 . . 62.3 电流速断保护 . . 62.4 过电流保护 . 72.5 零序过电流保护 . . 72.6 变压器过负荷保护 .

2、. 83.线路继电保护的基本原理 . . 83.1 整定基本要求 . . 83.2 保护整定原则 . . 104. 线路继电保护仿真 . . 144.1 保护仿真软件概述 . . 144.2 仿真设计步骤 . . 144.3 仿真模型的建立 . . 154.4 距离保护模块建立 . 164.5距离保护S函数编程 .185.仿真结果 .195.1故障参数的设置 .195.2仿真结果 .206.结论与展望 .21变压器微机继电保护仿真分析学生：方兴(指导老师：徐小军)(淮南师范学院电气信息工程学院)摘要：电力变压器在整个电力系统中是一个极其重要的电气设备，它的作用是能量还有电压的转换。电力变压器能

3、不能够可靠安全的运行同时也直接关系到这个电力 系统是否能持续稳定的运行。因为电力变压器的重要性，电力变压器的保护的发展现在也正在逐渐的引起人们对它的关注，因为它的规模的扩大使得它在国民经济中地位的提高，所以对其我们也提出了严格的要求，特别是在可靠性和快速性 这两方面。在这篇文章中我们也是围绕变压器保护的要求进行微机保护系统的研 究还有展开仿真工作。关键词：微机保护；电力变压器；变送器ComputerComputer simulationsimulation analysisanalysis ofof transformertransformer protectionprotectionStud

4、e nt: Fang Xing (Guida nee Teacher: Xu Xiaoj un)(College of Electrical and In formatio n Engin eeri ng, Hua inan Normal Uni versity)Abstract:Abstract: power tran sformers throughout the power system is an extremely importa nt electrical equipme nt, en ergy as well as its role is to voltage conv ersi

5、 on. Power tran sformers can not be reliably safe operatio n but also directly related to whether this can be susta ined and stable power system operati on. Because of the importa nee of power tran sformers, power tran sformers to protect the developme nt is now being gradually attracted peoples att

6、e nti on to it, because of its scale makes it the adva nceme nt of the n ati onal economy, so we also made its strict requireme nts, especially in terms of both reliability and rapidity. I n this article we are surro un ded tran sformer protectio n requireme nts for computer protecti on systems as w

7、ell asexpa nd the simulatio n research work.Keywords:Keywords: computer protecti on; power tran sformer; Tran smitter、尸、 亠刖言在电力系统中输电线路也是非常重要的电气设备。在不同地区的不同类型发电和配 电设备基本都是通过它相连接起来的，形成电力系统网络。它能否安全运行也直接关系 到电力系统发电，供电以及配电的稳定运行。在当代电力系统继电保护的发展已经日趋 成熟，在现在基本上都是用计算机仿真来研究和分析电力系统，这也是现在解决这类问 题一个很好的手段。MATLAB语言是当前国际

8、上很流行的一种编程语言，因为他有强 大的矩阵分析和运算功能，而且又是一个开放的环境。在其中SIMULINK也是为MATLAB开发的一种控制系统仿真软件，也因为它具有模块化、可封装和可视化等特 点，能够在很大程度上提高系统仿真的效率以及可靠性。我们可以利用软件中的元件模 型，再与电力系统中的基本原理相结合，在软件中把相应的模型找到，把输电线路构建 好，然后在里面设置不同故障参数来进行调试跟分析，通过这些我们就能为电力系统线 路故障的故障仿真提供一下可靠的根据。我们再计算线路继电保护整定值的时候，我们使用了 SimuLink和SimPowerSystems工具箱，它在电力系统的仿真方面用的比较频繁

9、。举例来说我们把变压器、变压器以及 线路跟负荷那些元件的模型在 MATLAB中进行组合再仿真，在输电线路研究中，有利 用Matlab对输电线路进行故障定位数字仿真的研究。现在matlab的用途越来越多，我们再进行电学方面仿真的时候基本都能用到，比如这次的继电保护仿真系统。本论文主要是研究继电保护中的三段式电流保护，并且对其进行电路仿真。这里我 们将用到MATLAB里面的一个仿真软件来实现继电保护的仿真，我们可用SimuLink还有SimPowerSystems工具箱，然后组成一个线路仿真模型然后加一下整定计算来研究 故障情况。在仿真中我们可以选择不同的故障点，因为每个故障点所出现的情况是不一

10、样的，所以我们要对每一点都要进行相应的仿真，当然也可以选择一些有代表性的，然 后再和线路的整定计算值进行整合，通过对那些故障的分析我们要能做到有选择性的动 作，接着对仿真结果我们进行分析以便更好的应用于实际。1.绪论1.1课题研究背景及意义从现在来看电力系统也已经得到了很大的发展，同时因为电力系统的发展继电保护 技术也得到了发展。在电力系统中也时常会出现各种各样的问题。在如今的社会因为电 力系统的不断发展，我们平时的用电设备的额定功率也在不断提升、发电机的容量也增 大，还有发电厂、变电站和供电网它们的结线也在不断的走向复杂化，因为上面所说的 原因，也就导致现在电力系统的正常工作时候的电流还有短

11、路电流都呈现增大的趋势， 熔断器也已经不在能满足其选择性和快速性的要求，为了应对这样的问题，所以也就出 现了那些专门的断流装置。在上个世纪初的时候继电保护技术有了一定的发展，这也是 在电力系统发展的前提下。因此那个时期也可以被认为是继电保护技术的真正的开端。早在上个世纪的20年代就已经有了距离保护装置，同时在 50年代，微波通讯也开 始应用于电力系统继电保护中。大概经过 20多年的研究，发明了行波保护装置。因为 继电保护技术得到了很大的发展，所以它的一些元件还有材料自然也会有一定的进步。 从机电式保护装置到晶体管式继电保护装置的过度，一直到现在的集成电路保护装置。大约60年代末，微型计算机应用

12、到微机保护并且发现其拥有巨大的潜力。在电力系统不断发展情况下，继电保护技术也取得了相对来说很大的进步，计算机对电力系统运 行可靠性要求方面的持续提高关系密切。就拿过电流保护来说，它就是最初的熔断器， 发展到今天熔断器仍然还是被广泛应用在低压线路和用电设备中。因为电力系统的发 展，现在我们的用电设备、发电机容量都在加大，还有就是发电厂、变电站、供电网它 们结线的越来越复杂化，这也使得电力系统它的正常电流还有短路电流也在变大，自然,那些老派的熔断器也就不能满足选择性还有快速性这两个基本的要求，所以过电流继电器这样的专门的断流装置也就出现了。因此在这个世纪初因为电力系统的不断发展，也 带动了继电器在

13、电力系统的大量使用。所以这个时期可以说是微机保护技术发展的序 幕。至于说微机继电保护技术的成熟还有发展这也是继电保护领域取得的最大成果。在 经过人们不断的研究以及实践，如今我们也已经都认为微机保护在电网中有着不可替代 的优势。微机保护自己就已经具备自我检测的功能，也有强大逻辑处理能力、数值计算 能力和记忆能力，同时还具备很强的数字通信能力，以上说的都是电磁继电器、晶体管 继电器所难以与之可比的。对微机继电保护来说，计算机技术的提高，性能的提高、还有更高精度的数字外围器件的采用提供强有力的支持。1.2国内外研究现状及发展方向1.2.1国内近年来发生的停电事故及影响（1）美加大停电在当地时间200

14、3年8月14日那天，美国的俄州有几条超高压线路也相继出现故障， 因为报警系统失灵的原因，控制人员在当时没有发现故障而且也没能及时想到方法来制 止事态的进一步恶化，导致输电系统发生了一系列的连锁反映，一段时间过后停电的情 况也已经蔓延到包括纽约在内的美国东北部地区的八个州而且连加拿大的南部也都出 现了很严重的停电事故，导致美加中东部地区电力供应瘫痪，一天之后才逐渐的恢复正 常的供电。（2）英国伦敦大停电在某年的8月28日英国电网也有一跳超高压输电线路也发生了故障，这次的影响， 波及到温布尔顿还有赫斯特等地的电力供应，紧接着伦敦还有肯特郡的电力也出现中 断，停电大约对超过25万英国人的工作和生活造

15、成了严重影响。和本月初北美纽约等 地的大停电事故差不多，伦敦的交通系统在停电事故中也遭到严重的影响，大约60%的地铁车次停运。因为没电，所以铁路信号系统也就不能正常的运行，列车也就无法再进 行运行，而被滞留的旅客的人数竟达到了25万人。在停电的地方路灯还有交通信号等不能运行的情况下，再加上当时天降大雨，伦敦的地面上交通也出现一片混乱的状况。 市内的人分别在出租车和巴士停靠站排起了长长的队伍，有些英国人为了能挤上巴士而不惜大打手。在这种情况下，它们的消防队紧急支援，先后救出了大约100多名被困于电梯中的市民，在伦敦桥等中心商业区，商店和住宅也陷入黑暗之中。持续到晚上，它 们的国家电网的代表人才发

16、言，伦敦等地的电力供应情况在经过几十分钟的停滞后，已 经正在逐渐恢复当中。1.2.2国内近年来发生的停电事故及影响南方电网和云南电网解列事故在我们的南方电网中500KV的天平I线因为温度过高，从而引起了保护的误动，使 得开关跳闸，与此同时天平U线天侧阻抗川段保护也发生了误动跳闸，使有安装自动装 置断掉了天生桥的几台机组并联的跳鲁马线，导致云南电网与南方电网解列。 华北电网神候村变电站事故我们的华北电网的500KV神候U线出现了接地故障，然后这段线路上的保护做出正 确的动作，C相跳闸，然后故障消除，但是后来候村的侧的开关却保护失灵，把神候I 线还有U线跳开了，造成侯村变电站 500kV系统的瘫痪

17、。我们可以从上面的事故中可以得出，因为继电保护装置发生误动或着拒动，将严重 的影响电网安全运行。这不仅间断了我们的正常供电，同时也会因此而造成巨大的、我 们难以估算的经济上的损失。1.3课题的主要研究内容在这片论文中首先向大家介绍了微机继电保护的一些基本要求、集中重要的微机保 护重点在电力变压器的距离保护。随后在三相电力变压器的保护方式中以瓦斯保护、差 动保护、电流速断保护、变压器过负荷保护还有过励磁保护中对电力电压器的保护来做 出具体的仿真分析。在整定计算的详细分析和保护配置、研究带时限的过电流保护整定 计算及电流速断保护整定值计算的具体算法；从在实际运行的变压器发生的各种故障以及不正常状态

18、为出发点，向大家介绍变压器保护的一些基本要求和配置，在此基础上确 定电力系统距离保护所需要的一些保护配置，并且也说明了保护的原理以及我们所设定的参数。2.三相电力系统电力变压器的保护方式2.1瓦斯保护原理分析瓦斯保护是一种能够反应变压器油箱内部的气体的数量和流动的速度而动作的保护，它是用来防止在变压器油箱的内部发生故障，特别是对绕组的相间和匝间短路。在 短路点电弧的作用下，可以使变压器与其他绝缘材料发生分解，因为分解产生的气体会 流到油枕里面，瓦斯保护就是利用气体的数量还有流速原理来实现的。在下图上面的那个触电它表示的是“轻瓦斯保护”，在发生动作后会延时一定的时间 再发出报警信号。在图1下面的

19、触点自然就是表示“重瓦斯保护”，由于油流不稳定， 有时候会造成干簧触点发生的抖动，这个时候为了是断路器能够可靠的跳闸，我们就要 选择一个伴有自保持线圈的中间继电器 KM，发生动作后由断路器上的辅助触点来去除 出口回路的自保持。同时，在为了防止我们对变压器换油或者我们进行试验时而引起重 瓦斯保护发生误动作跳闸，为了能够调换到信号回路我们可以安装一个切换片XB。2.2差动保护差动保护的原理其实是源于基尔霍夫电流定理，在这种保护下的正常工作或者当发 生区外故障的时候，我们就能把它看作是一个理想变压器，这个时候变压器的流入电流 还有输出电流（折算后的电流）就相等，差动继电器就不会发生动作。当变压器发生

20、内 部故障的时候，其他侧都可能会向故障点提供短路电流，差动保护它所感受到的是二次 电流正比于故障点的电流，这样差动继电器就会发生动作。图2变压器差动保护的原理接线图2.3电流速断保护变压器电流速断保护是电流的增大再瞬间发生动的保护。在一般情况下在电源侧安装变压器，对变压器上用引出线上各种类型的短路电流进行保护。有时为了验证电流速 断保护它的选择性，速断保护也就只是能保护变压器的一部分，一般情况下会保护变压 器的原绕组，通常情况下对10MVA以下容量的变压器我们都采用电流速断保护，当电 流保护的动作时限大于0.5 S时，那么我们可以在电源侧安装电流速断保护，其接线原理如下面图3所示：2.4过电流

21、保护在正常的情况下变压器的相间保护即是该变压器的主保护的后备保护，而且也是它那条线路的相邻线路或者母线的后备保护。根据变压器容量大小和系统短路电流的大 小，对于变压器相间短路的后备保护也可以采用过电流保护。图3电流速断保护接线图图4过电流保护接线图2.5零序过电流保护在大电流接地的系统中，一般在变压器上装设接地保护。接地保护它即是那台变压 器的主保护也作为与它相邻的器件有短路故障的后备保护。当系统发生接地短路的情况下，系统中变压器的个数还是他们的位置都是影响零序 电流分布及大小的原因。对于有一台变压器的升压变电站，变压器的运行方式一般都是 采用中性点接地的方式。不过，对那些有并联运行的变压器的

22、变电站，他们的运行方式I至信号&章T|年絵一般采用一部分变压器中性点接地方式，而其他一部分的变压器都是中性点不接地运行 方式。图5中性点直接接地零序电流保护原理接线图2.6变压器过负荷保护当变压器上流过的是三相对称的过负荷电流的时候，用一个电流继电器把它接在一 相电流的回路里就成为过负荷保护装置，在经过较长的时间延时后就会发出信号。对于 三绕组变压器，三侧都装有过负荷启动元件；但是当是双绕组的变压器时，保护要装在 电源那一侧。它的原理如下面的图 6所示。on3.线路继电保护的基本原理3.1整定基本要求在电力系统的日常的运行中，不知道什么时候就会出现故障又或者是其他的原因状 况，在这些情况当中估

23、计短路的情况是经常发生的也是比较危险的故障。而当发生故障 的时，可能都会对系统安全产生影响，更有可能会引发事故，严重的情况还可能会造成 人身和设备安全事故。当电力系统一旦故障发生，就必须迅速而且能够有选择性地切除 图6变压器过负荷保护接线图故障元件，为了避免情况的发生，这些都是依赖于继电保护装置能够正确动作。或者当 系统出现不正常运行状态的时候，也就应该只发出警告信号，或者根据其危害程度然后 规定经过一定的延时再切除故障元件， 避免短暂运行的波动引起的不必要的动作以及干 扰而引起的误动。因此，这就要求我们选择最优的保护方式还有整定计算，这些对保证 电力系统能够安全可靠的运行具有重要的意义。选择

24、保护方式时，希望每种都能满足继电保护可靠性、灵敏性、选择性和速动性的 这四项最基本的要求。继电保护的可靠性是指继电保护装置在其规定的保护范围内发生 故障时它就能够动作的，并不是不动作，而且也要在其他的保护都动作时，则不应该误 动作。继电保护的选择性则是指首先由故障设备或者这一段线路的自己能把故障解决， 而当故障设备或者线路自身的保护的断路器在拒动的情况下，这个时候又要要求与它相邻线路的保护还有设备来切除故障。所以为了确保电力系统保护的选择性，就要要求相 邻的设备还有线路要能能够配合的保护和在同一级的保护内需要有配合要求的两元件， 对于他们灵敏系数还有动作时间，也就应该要相互配合。继电保护的灵敏

25、性严格的来说 也就是保护范围内发生故障和出现不正常运行状态的反应能力。为了符合灵敏性要求的保护装置是在原先它设定的范围内有故障时，不管短路点的位置、短路的类型如何，或 者短路点有是不是过度电阻它都能马上感知再做出反应。我们一般用灵敏度系数来显示装置的灵敏性。继电保护的速动性指发生故障时，我们也应当能够保证保护装置可以迅 速动作切除故障。继电保护的整定，主要考虑继电保护的选择性和灵敏性。再者我们看 方向保护，那么其相邻线路的相配合动作值以及它们的动作时间都应当相互配合，以便 能够满足选择性和灵敏性的要求。我们来看电力系统的安全运行，其实它是一个综合的整体，继电保护在与电网的链 接还有调度这些方面

26、都有紧密的关系。对于电力系统来说，安全运行的基础是具有合理 的电网结构，但是继电保护装置能不能有有效的作用，也与电网结构还有电力设备的布 置的合理性也有紧密联系，所以将其当成一个统一的整体来考虑再进行全面安排，所以 我们对保护装置有重大影响的电力设备以及电网结构的布置，应限制使用。对于继电保护在电力系统的安装我们要按断路器的配置，在整定继电保护上我们要按照断路器的分级来整定。那么继电保护又是如何来分级的呢，通常我们的划分是按照 保护的正方向，要求我们在正方向每个相邻的上、下级保护能够协调配合，这么做的目 的也是为了可以满足选择性的要求。这也是我们上面说的保护整定的总原则。继电保护一般的整定原则

27、：在 3到110kV之间的电网的继电保护，必须满足四项基 本要求。3.2保护整定原则A相间距离I段保护：a为了保证继电保护在动作的时候具有选择性，我们的保护线路中没有分路的时 候，相间距离I段保护在计算是我们按躲过本线路末端故障整定，在一般情况下我们可 按被保护线路正序阻抗的80%85来进行整定计算。Z 1 set = K 1 rel Z1 LAB（式中：Zet距离保护|段的整定阻抗；K 1 rel可靠系数我们可以采用0.80.85 ；乙为本线路的正序阻抗，LAB是线路的距离。动作时限：t=0s。b对于只有一条回线送变压器终端这种方式，它的送电侧的保护深入受端变压器的整定。IIZ set =

28、KI rel Z1 + K ret Z T（ 2）式中：zGt距离保护I段的整定阻抗；K I rel可靠系数我们用0.80.85 ；KIret 0.7 ；ZT我们称之为终端变压器并联时的等值正序阻抗动作时限：t -0s。B 而相间距离U段则要求它要能保护线路的全长，它的整定计算方法:a 这个时候我们要求它能够相邻的线路相间距离 I段配合Zset1 = KIIrel( Z+Kb.min Z.t.2)式中：K rel可靠系数我们采用0.80.85 ；ZA出被保护线路的那段的阻抗；Z set.2为相邻线路距离段保护的整定阻抗。灵敏系数校验：Ksen = Zset.l/ZAB -1.25.（ 4）动作

29、时限：ti = h动作时，X我们取到0.30.5。b如果按保证本线路末端发生故障那么保护灵敏系数计算ZSet= klm 乙（5）式中：km我们称为被保护线路末端故障时保护灵敏度。当线路长度在20km以下时，klm的取值应当不小于1.5 ；当线路长度为2050km时，km的取值应当不小于1.4 ；当线路长度在50km以上时，km的取值应当不小于1.3。动作时限计算同a。c当它要和相邻变压器的速断保护进行相配合；Z set.1 = K rel （ ZA_B+Kb.min Zt）（ 6）式中：K rel可靠系数采用0.80.85 ；ZAB称为被保护线路的阻抗；乙我们称为相邻变压器阻抗。IIIIZse

30、t.1 = K 冋(ZAB+ Kb.minzset.2zset.1= K：(ZABKb.min Zset.2 )(8)动作时限：tn _.江d当其要与相邻线路相间距离U段相配合的时候。式中：K II rel可靠系数我们采用0.80.85 ；ZAB为本线路阻抗；KIrel 4t4-SL?J.a4t4-SLtinltinl i-tatusi-tatus ofof bTeakercbTeakerc SoEedSoEedSwitchrnESwitchrnE wfwf ziiaEieziiaEie A ASwitctajiESwitctajiE cfcfC CSntchlJiiSntchlJii cic

31、i nH54nH54 E EEitai=jlEitai=jl caatTolcaatTol atat E EI IV1V1TCTCI1!.I1!.E E. .E E -L-LBAIBAI.517一它:IJ:ErbEddTIErbEddTI r&EltAr&EltA： & & H HJ JZE.ZE. : : DhjDhjkwiSuhbdyiSuhbdyi* * ftp-ftp- lOhajjlOhajjSmjbbtTiC CD D (FiridJanfOKCancelelpArrplArrplr r E xk Parameters: ThrH-PEase Parallei RLC Branch

32、Tliree-FtizjieTliree-Ftizjie P PEIEEIEZ Z总歪沁二勺=： flizifliziLsplEZEnzzLsplEZEnzz E E zhree-phazezhree-phaze parzllelparzllel EECEEC L LIHECIHECL Lli&Eli&E iheihe EranhEranh typetype pHzazeterpHzazeter tc-tc- aiiaii cici xea:-xea:- 工msctmmsctm fr-:afr-:a nrEnth.nrEnth.H E xk ?aramet?rs; 7hre?-Phse Par

33、a ；e- RLC Branchi* _ _ _ _ThT-FtiaeThT-Ftiae PaiallelPaiallel EXEX 旺口土 ：耳之：lliiulliiu hEzenhEzen：E E s s :hzee:hzee_ _ph3zeph3ze parallelparallel ELCELC tiancLtiancLT TEEEE -he-he EranrhEranrh typetypeI I IIII paraLeteiparaLetei tc-tc- addadd c-ic-i IKKIKK- -TETE 二0二1515 fr:ofr:o thth teanrh.teanrh.

34、FarazefetJFarazefetJBiaiicb.Biaiicb. typei?!Ctypei?!Cdistancedistance B.B. :加.1.1: :5.55.5: :ndirStantndirStant电 L L ：l l:.01C5C3J.01C5C3Jaiitaiuzeaiitaiuze t t : :F F:IIII UlfUlf r r 5 5图15线路的参数设置图16变压器的参数设置5.2仿真结果图17故障电流波形感CancelCancelhelphelpAjplyAjplyCoosl屈pJkpph图18故障电压波形当发生相间短路的时候，比如C相正常工作，A与B之

35、间发生短路时，A相与B相 的电流大小相等，方向相反。线路发生故障的电压要比正常的要偏小6.结论与展望在这一次的仿真研究中，在变压器发生故障的时候，理论上是能够进行相关的动作。 但是我认为理论上不能完全反应实际的运行情况的，在真实的运行环境中会出现什么样 的情况我们还不能充分的掌握。是否能准确的动作二次回路也是一个未知的问题。同时该保护只是运用了传统的继电器保护，我们仿真的这种控制虽然也可以在发生故障的时 候动作，但其自动化的程度、信号的处理能力不够高，最主要的还是灵敏性和可靠性都 偏低。另一方面，当确定继电保护装置的配置和构成方案时，我们也要从经济的角度来 看它的合理性。我们再用元件的时候，要把它电力网的结构特点，运行的特点，还有故 障出现的机率，以及发生后可能会有的影响，