基于MATLAB的高壓廠用變壓器空載合閘仿真

王青亞,陳靈峰

(華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責任公司，浙江 天臺　317200)

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基于MATLAB的高壓廠用變壓器空載合閘仿真

王青亞,陳靈峰

(華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責任公司，浙江 天臺317200)

摘要：二次諧波制動方式作為防止變壓器差動保護誤動的一種可靠方式.利用MATLAB軟件的simulink對華東桐柏抽水蓄能電站高壓廠用變壓器建立仿真模型，對廠變空載合閘時的勵磁涌流進行了仿真，并用powergui模塊對空載合閘時不同合閘初相角下勵磁涌流中的二次諧波含量進行分析，從而為變壓器差動保護中的二次諧波制動定值的整定提供理論依據(jù)，避免了變壓器空載合閘、外部短路故障切除電壓突然恢復(fù)時或廠變有很大勵磁涌流流過時差動保護的誤動.

關(guān)鍵詞：廠用變；空載合閘；勵磁涌流；二次諧波

高壓廠用變壓器(以下簡稱廠變)在各個發(fā)電廠中都是十分重要的設(shè)備，負責向電廠的廠用電系統(tǒng)供電，為機組的啟停、直流系統(tǒng)、照明系統(tǒng)及各類輔機提供可靠的交流電源.一旦廠變發(fā)生故障，就會對廠用電系統(tǒng)的可靠性和整個電廠的正常工作帶來嚴重的影響.因此，當廠變發(fā)生故障時，廠變的繼電保護裝置必須迅速作出反應(yīng)，及時動作跳閘或告警，切除故障以保護廠變.其中，比率差動保護是廠變的主保護，它除了應(yīng)滿足繼電保護的要求外，還應(yīng)解決廠變空載合閘、外部短路故障切除電壓突然恢復(fù)時或廠變有很大勵磁涌流流過時，差動保護不誤動.

比率差動保護采用二次諧波制動原理[1]，利用流過差動元件差電流中的二次諧波電流作為制動量，區(qū)分出差流是內(nèi)部故障的短路電流還是勵磁涌流，實現(xiàn)勵磁涌流閉鎖的.本文通過廠變空載合閘仿真試驗，分析空載合閘時不同合閘初相角下勵磁涌流中的二次諧波含量，為變壓器差動保護中的二次諧波制動定值的整定提供理論依據(jù)，從而有效避免變壓器空載合閘、外部短路故障切除電壓突然恢復(fù)時或廠變有很大勵磁涌流流過時差動保護的誤動.

1勵磁涌流的特點

當變壓器空載投入或變壓器外部故障切除后電壓恢復(fù)時，勵磁涌流高達額定電流的6～8倍[2]，若不采取措施將造成差動保護誤動.

在變壓器差動保護中，對差電流進行勵磁涌流特征的判別，曾得到應(yīng)用的有[3]：二次諧波含量高，波形不對稱和波形間斷角比較大三種原理.且勵磁涌流具有如下特點[4]：勵磁涌流幅值大且衰減，并含有非周期分量電流；勵磁涌流的波形呈間斷特性；勵磁涌流中含有明顯的大量的諧波，其中以二次諧波為主，且二次諧波的含量一般不低于15%，而短路電流中幾乎不含有二次諧波.

針對勵磁涌流中二次諧波含量較多的特點，在空載合閘時，對廠變差動保護可以采用二次諧波制動的方式來防止差動保護誤動[5]，即設(shè)置合理的二次諧波制動比定值，當二次諧波制動比大于二次諧波制動比的定值時閉鎖差動保護，反之當其小于二次諧波制動比的定值時開放差動保護.故二次諧波制動比定值的設(shè)置關(guān)系到比率差動保護的可靠性，因此需要對二次諧波制動比進行整定，而對其的整定，則需要通過測量空載合閘時廠變高壓側(cè)勵磁涌流中二次諧波的含量，然后再計算出它占基波的百分比.

2廠變仿真模型的建立

以某電廠為例，對其廠變仿真模型的建立[6].

該廠廠變一次主接線(見圖1).

圖1　廠變一次主接線示意圖

圖1中主變和廠變的相關(guān)參數(shù)(見表1).另外，輸入電抗器的電感是1.23mH.根據(jù)圖1和表1，建立其對應(yīng)的Simulink仿真模型(見圖2).圖2中，系統(tǒng)采用“Three-Phase Source”模型，其參數(shù)設(shè)置(見圖3).輸入電抗器采用“Three-Phase Series RLC Branch”模型，其參數(shù)設(shè)置(見圖4).在主變和廠變的參數(shù)設(shè)置中，要選中“Saturable core”，(見圖5).

表1　主變和廠變相關(guān)參數(shù)

圖2　廠變的Simulink仿真模型

圖3　系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置

圖4　輸入電抗器的參數(shù)設(shè)置

圖5　變壓器的部分參數(shù)設(shè)置

3廠變空載合閘勵磁涌流的仿真

將三相電源的初相角α(A相)設(shè)為180°，運行仿真，得到空載合閘后三相勵磁涌流的波形(見圖6).

圖6　勵磁涌流波形(初相角α=180°)

同時運行“FFT Analysis”對A相電流進行分析，得到圖7的A相電流FFT分析.

從圖6和圖7可以看到，仿真出的三相勵磁涌流具有如下特點：

(1)三相電流均呈現(xiàn)出間斷角特性；

(2)B相電流呈對稱性涌流，A相為負極性，C相為正極性(符合變壓器差動回路勵磁涌流的特性)；

(3)勵磁涌流中含有明顯的直流分量和二次諧波分量.

4不同合閘初相角下勵磁涌流的諧波分析

變壓器空載合閘勵磁涌流的大小與合閘相位角、合閘前鐵芯磁通、回路阻抗、變壓器容量、接線方式、電源大小以及鐵芯材質(zhì)等因素有關(guān)[1,6].本文通過改變?nèi)嚯娫吹某跸辔唬诓煌祥l初相角α(A相)情況下進行空載合閘仿真.結(jié)果(見表2).

華東桐柏抽水蓄能電廠變差動保護中的二次諧波制動采用二次諧波制動比最大相制動的方式[8-9].其表達式為：

式中：Ida2，Idb2，Idc2和Ida1，Idb1，Idc1分別為三相差動電流中的二次諧波和基波，K2為二次諧波制動比.

圖7　A相電流的FFT分析

合閘初相角勵磁涌流/%25°A相B相C相30°A相B相C相85°A相B相C相90°A相B相C相直流59.749.162.055.754.862.149.062.059.754.762.155.8基波100100100100100100100100100100100100二次諧波49.770.748.958.258.371.049.049.745.858.548.657.6三次諧波2.4022.69.537.089.049.0322.99.622.499.319.026.81四次諧波19.521.34.6021.621.74.8721.44.5219.421.74.8721.7合閘初相角勵磁涌流/%120°A相B相C相180°A相B相C相210°A相B相C相270°A相B相C相直流63.463.41.9963.42.1263.455.954.662.154.762.155.8基波100100100100100100100100100100100100二次諧波45.145.811945.811945.157.658.748.758.548.757.8三次諧波13.113.268.913.268.913.26.609.649.089.339.076.86四次諧波5.234.8012.84.8312.95.2921.521.84.8721.74.8621.5

當三相勵磁涌流中任一相的二次諧波和基波的比值大于K2時，就將差動保護閉鎖.

以合閘初相角為90°為例，從表2數(shù)據(jù)計算可得:

Ida2/Ida1=58.5%；

Idb2/Idb1=48.6%；

Idc2/Idc1=57.6%；

從上可知，A相的二次諧波含量最高，即max{Ida2/Ida1，Idb2/Idb1，Idc2/Idc1}為58.5%(此數(shù)值由于仿真參數(shù)的原因，與實際有出入，僅供參考)，則可將K2的整定值設(shè)為59%，從而有效防止差動保護誤動.

由此通過對不同合閘初相角下勵磁涌流的仿真，可以計算出相應(yīng)的二次諧波含量，這對于廠變差動保護中二次諧波制動比的整定具有一定的指導(dǎo)意義.

5結(jié)語

根據(jù)對華東桐柏抽水蓄能電廠廠變模型的建立和仿真，我們發(fā)現(xiàn)，只要對相關(guān)參數(shù)的合理設(shè)置，就應(yīng)該可以使仿真與廠變空載合閘的實際情況取得基本一致的結(jié)果.這就可以利用仿真對廠變保護的二次諧波制動來進行初步整定，再和實際進行驗證，從而較精確的確定二次諧波制動比，使得差動保護既能正確動作又能可靠制動.

參考文獻：

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No-load Switching Simulation of High Voltage Auxiliary Transformer Based on MATLAB

WANG Qing-ya，CHEN Ling-feng

(Tongbai Pumped Storage Power Station, Tiantai 317200, China)

Abstract:As a way to prevent the malfunction of transformer differential protection, the 2nd-harmonic braking method is of high reliability. In this paper, the characteristics of magnetizing inrush current is analyzed, and a simulation model of high voltage transformer in power plant is established based on SIMULINK of MATLAB software. The magnetizing inrush current of unit transformer in no-load closing is also simulated, and the second harmonic content of inrush current is analyzed by using Powergui module of different closing phase angle in no-load closing, thus the theoretical basis for second harmonic brake of transformer differential protection fixed value setting is provided, therefore, to avoid the differential protection malfunction in transformer no-load switching or transformer flowing through large magnetizing inrush current when voltage suddenly recovers after cutting off external short circuit fault.

Key words:unit transformer; no-load switching; magnetizing inrush current; second harmonic

收稿日期：2015-11-10

作者簡介：王青亞(1981-)，女，浙江衢州人，工程師，從事水電站二次檢修工作.

中圖分類號：TM774

文獻標志碼：A

文章編號：1008-536X(2016)04-0078-04