基于MATLAB的变压器故障仿真及保护分析

基于MATLAB的变压器故障仿真及保护分析
变压器主要用于稳压、电压变换、隔离。

按用途分种类多，主要有单相变压器、干式变压器、箱式变压器、防雷变压器、整流变压器、配电变压器、电力变压器等。

按铁心形状主要有E 型和C型铁。

变压器是电力系统正常运行关键设备之一，由于变压器的长时间高效率运行，故障事故总不可避免的产生。

但其具有无可替代性，尤其是大型变压设备太过昂贵，没有办法经常更换，所以变压器的故障也很引起人们的高度重视。

对变压器内部故障电气量变化规律的认识是开发新的保护方案的前提，因此有必要进行变压器内部故障仿真。

本文在综合分析变压器内部故障及励磁涌流仿真现状的情况下采用simulink软件中的多路互感支路模型模拟故障变压器。

对于变压器的异常状态运行和常见故障进行仿真分析和经验总结，对于及时准确的把握故障原因，及时的采取处理方法确保设备的安全运行意义重大。

所以将变压器故障进行全面的总结以及将新流行的方法用于实际十分重要。

目录
1绪论 (2)
2变压器异常现象及分析 (2)
2.1 变压器内部故障 (2)
2.1.1 变压器线路故障 (2)
2.1.2 变压器内部异响 (3)
2.1.3 爆炸事故及套管闪络故障 (3)
2.1.4 变压器油箱温度和油管故障 (3)
2.1.5 匝间绝缘故障 (4)
2.2 内部故障励磁涌流仿真 (4)
2.2.1 仿真要求及目的 (4)
2.2.2 仿真参数介绍及波形 (5)
3 变压器外部故障 (10)
4变压器保护动作处理 (13)
4.1基于变压器模型的保护原理 (13)
4.1.1基本原理 (13)
4.1.2算法 (13)
4.2 瓦斯保护 (15)
4.2.1 瓦斯保护动作 (16)
4.2.2 瓦斯保护在跳闸时的作用 (16)
4.3 零序电流保护 (17)
4.4 气相色谱分析法的使用判断 (17)
5跳闸及冷却器故障分析及处理 (20)
5.1 变压器负荷承载过量 (20)
5.2 短路的电流和不平衡电流 (21)
5.3 短路故障 (22)
5.4 冷却器故障处理 (22)
5.5 变压器内油量警报 (23)
5.6 冷却器电源故障信号处理 (23)
5.7 冷却器检测 (23)
6变压器开关故障分析及处理方法 (24)
6.1 无负载的分接开关分析 (24)
6.2 有负载的分接开关分析 (25)
7总结分析 (26)
1绪论
变压器在常见电气设备中，属于构造相对简单实用的电器设备，却又是各个领域绝对不能缺少的。

应该做好经常性的故障工作，包括浸油等各个方面的常规检查，这样可以尽最大可能消除可能发生的故障。

变压器发生故障，轻则导致区域性用户用电供应不畅，造成生活不便，重则导致炼油厂，炼铁厂等大型工厂和大规模家电设备烧毁造成不可估量的损失。

对于大型变压器及超高压远距离输电线路在电力系统中的运行，恶化了变压器保护的工作环境，使得原有的保护判据正确动作率相对不高，对继电保护研究工作提出了新的要求。

对变压器内部故障电气量变化规律的认识是开发新的保护方案的前提，因此有必要进行变压器内部故障仿真。

本文在综合分析变压器内部故障及励磁涌流仿真现状的情况下采用simulink软件中的多路互感支路模型模拟故障变压器，目前的方法在参数计算方面存在简化过多的缺点，本文在这方面做了改进，提高了计算精度，并将该方法所得结果与动模实验结果进行了比较，验证了该方法的准确性，有效地提高算法的灵敏度。

这几种方法可以有效地检测变压器故障。

2 变压器异常现象及分析
2.1变压器内部故障
2.1.1变压器线路故障
变压器内各种导线发生故障，主要原因有：（1）漏油导致严重缺油，降低了内部线路的绝缘性能暴露在空气中造成内部闪路故障。

（2）水分进入变压器内部，水分不和油混合，油水分层导致绝缘线完全浸在水里，不光得不到油的保
护，还由于水更加速了绝缘击穿。

2.1.2变压器内部异响
三相交流电的规律性随磁通变化而变化，引起铁芯均匀震动发出声响。

内部无端损毁，可能发出不均匀声音。

（1）过负载，导致发出比较刺耳的沉重声音。

（2）大功率设备的启动会导致变压器谐波发生大规模的紊乱，五次谐波分量的过分增大，导致变压器“哇哇”作响。

（3）变压器的规律震动总会导致个别零件慢慢的松动。

松动的零件会进一步加重变压器的内部怪响。

（4）系统发生了故障导致短路，可能使系统发出大量噪音。

（5）接触不良和击穿的地方，会发出噪音。

（6）铁磁谐振也可能导致噪音。

2.1.3爆炸事故及套管闪络故障
（1）套管结构不严实，进水使绝缘层损坏。

（2）套管上有各种导电灰尘，造成闪络。

（3）套管的电容芯子质量不好，导致游离放电闪络。

2.1.4变压器油箱温度和油管故障
要是外部负荷及输出输入电都很正常，而整个设备的温度不受控制，可能由于内部铁片摩擦短路导致了温度急剧升高。

铁芯可能着火，绝大多数由于铁芯未固定好导致摩擦绝缘损坏，使油的温度上升速度变快，所以修理时会发现底部沉淀的油有问题。

同时使其失去绝缘性能。

油浸变压器内部的各处油温不均匀。

当油温不断提高，造成铁芯温度无法控制，会导致油超过了自己的燃点，引起燃烧，导致更加灾难性的火灾。

轻则可使铁芯的使用年限降低，以致无法使用。

所以变压器的内部温度需要严密的监控。

当变压器位于外部的油管破裂漏油时，会导致变压器内的油面下降，导致保护器动作，要是此时保护器未动作，会导致浸在油中的线路露出油面，温度过高无法散热而烧毁。

扩大事故的发生。

预防措施：
温度过高问题的检测，可以用红外线检测技术。

在自然界中，红外线是针对任何温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体。

用这个技术可以清晰的看清变压器内部的温度分布，可以尽早的做出分析。

物体表面的温度变化引起物体的发热功率发生变化，红外线仪接收的信号也不断变化，可以看出变压器内部到底是什么
位置发生了故障。

变压器正常运行时，内部的温度按照一定的规律变化，当规律不规则时，必定某些位置发生了故障。

变压器设备老化、损坏、和接触不良。

必将导致截至损耗、漏电、接触电阻的增大，从而引起温度上升。

可能发生的发热故障有：
（1）导电回路接头、连接处等接触不良导致接触电阻增大，发热。

P=I^2R。

（2）介质老化、受潮后损耗加大、发热功率变大：P=U^2WCtan&,C为介质的等效电容，U为施加的电压，W为交变电压角频率，tan&介质损耗角正切值。

（3）铁芯等由于绝缘不良和设计结构不当，造成短路。

（4）电压型设备内部元件缺少引起电压分配异常，其相应的热功率也将发生改变。

（5）设备内部缺油导致不同的热现象，第一种是油面下降导致线路暴露在外面，无法散热，引起老化燃烧。

第二种情况是由于油面下降，油的上下层面温度不均匀导致产生很大的热场分布。

2.1.5匝间绝缘故障
匝间绝缘故障有下列原因：
（1）变压器出口短路导致受力变形引起短路。

（2）水分进入，导致受潮短路。

（3）外包装绝缘层可能发生膨胀，导致油道堵塞，引起老化造成匝间短路。

（4）过负荷运行，运行年限太久，造成老化短路。

2.2内部故障励磁涌流仿真
2.2.1仿真要求及目的
大部分变压器故障由绝缘故障引起，而绕组匝间或匝地绝缘水平降低导致的的故障又占多数。

这时匝间或匝地之间会经过电弧放电，燃烧的电弧加热绝缘油会放出大量气体，这是一个非常复杂的物理化学过程，而且故障后电气量的变化受很多不确定因素影响，绕组之间的漏感分布发生显著变化，因此做变压器内部故障仿真必须忽略一些次要因素。

仿真过程中关键是模型的建立，然后可以完美的模拟出所需要的数据。

下面是变压器T2的内部励磁涌流仿真模型的仿真过程。

图2-1 三相变压器T2的内部励磁涌流模型
2.2.2仿真参数介绍及波形
模型窗口参数不变。

由励磁涌流的特性可知：当变压器在电压过零点合闸时，产生最大的励磁电流；当变压器在电压最大值时合闸，不会产生励磁电流。

因此先仿真三相变压器的电压。

三相电源参数、Powergui参数不变。

分布参数导线长度设为300km。

QF3参数如图2-2所示。

图2-2 QF3参数
万用表选择测量的量由上到下依次为Uag_w2: T2、Ubg_w2: T2、Ucg_w2: T2。

多路分配器参数的输出量设为3。

示波器波形图如图2-3所示。