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变压器故障的主要保护形式为纵联差动保护，其保护可以无延时地切除变压器内部绕组和引出线的相间和接地故障，甚至匝间短路，具有独特的优点。一般来讲，并列运行的变压器，容量为6300kVA以上时;单独运行的变压器，容量为10000kVA以上时;发电厂厂用工作变压器和工业企业中的重要变压器，容量为6300kVA以上时，应装设纵联差动保护。
电网仿真系统的特点
第一，使用方便、实时仿真。该软件运行方便，不受其他条件的影响。其优点是：投资比较少、使用灵活性较强、容易维护和更新。
第二，界面直观、操作容易。该仿真软件操作界面包含变电站概况、运行工况、控制室、就地操作屏、继电保护屏、站用电/直流系统六大部分。界面切换不同仿真环境，操作控制接近实际现场。
第三，组合灵活、内容全面。电网仿真系统进行仿真时，功能从简单到复杂，模拟各种类型工况并且可以组合不同的工况，逐步进入复杂的现场仿真环境。
电网仿真系统的功能
变电站仿真系统的功能结构包括三部分：正常基本操作模块（变压器分接头、补偿设备调压;“五防”操作;电容器、电抗器停复役;母线、线路、变压器停复役）、故障及异常事故处理模块（电容器、电抗器故障;保护拒动、误动故障;开关拒动、误动故障;母线、线路变压器永久故障;母线、线路、变压器瞬时故障）和保护及自动装置模块（自动装置;常规保护;微机保护）。
电网仿真系统采用开放式的实时UNIX操作系统作为仿真软件运行环境，包括35kV、220kV、主变压器等各种一次设备。内置了400多种不同工况下的故障类型，可以仿真一种或者同时仿真多种故障。该仿真系统结合了电力专业开设的“电力系统继电保护”课程，加深学生对电力系统故障分析、继电保护原理及实现、继电保护装置运行和维护的理解。同时，为学生提供一个自己动手设置故障的仿真平台，能充分调动学生学习和自主解除疑问的积极性，提高了学生的故障分析能力。通过三维动画、三维影像、声音与文本以及图形结合，刺激学生的听觉以及视觉神经，明显提高学生的学习热情，加深印象，这样便能够取得更好的培训效果。软件采用分屏切换，其中包括故障类型的设定、工况的复位、系统运行/冻结、变电站运行状态，变电站运行状态又可以通过控制屏查看所有保护元件的实时状态，如设备的开断、警报铃声、光字牌显示、警报记录表显示，能够观察运行变化的每一步。该软件模拟新建220kV变电站进行各种继电保护仿真实验。
新建220kV变电站220kV母线的接线采用双母线双分段接线方式，一共有8回出线（2201-2208）;在220kV母线上有2台分段断路器，2台母联断路器。3台主变（T1-T3），变比为220kV/35kV，单台容量为100MVA。35KV母线的接线采用单母线6分段接线方式，共24回出线（301-324）;3组电容器;2台站用变，变比为35kV/380V。根据仿真系统的设定，装设在主变压器上的保护有：差动保护（BCH-1），220kV零序电流保护Ⅰ、Ⅱ段，220kV零序电压保护，220kV电流速断保护，220kV过电流保护，35kV过电流保护，35kV零序电流保护，35kV过负荷保护，以及反映非电气量的瓦斯保护、温度保护。以下主要针对变压器的纵联差动保护进行仿真。
电力变压器纵联差动保护原理
纵联差动保护作为变压器主要的保护，是反映被保护电力变压器各端电流流入和流出的向量差，考虑到变压器正常运行情况下，用于建立磁场的励磁电流很小，不会超过额定电流的2%-5%，因此在差动回路引起的不平衡电力很小，可忽略不计，变压器接近理想变压器。
根据基尔霍夫电流定律，在不平衡电流忽略不计的理想情况下，流进差动继电器的电流为零：
式中，为流入输电线路j侧的电流向量。
当内部发生故障时，电流流向如图1所示。根据前面基尔霍夫原理，图1中输电线路MN，流入差动保护电流为：
式中，、分别是两端的电流互感器变比，、分别为两侧互感器二次侧电流。
根据上述差动原理，对常见的双绕组和三绕组变压器来讲，其基本原理接线如图2所示。规定各侧电流方向均以流入变压器为正。
由于流过变压器高压侧和低压侧电流不同，为了使得正常运行时流入差动保护的电流为零，不让其误动，所以在通常情况下必须选择适当的电流互感器变比，如图2中的双绕组变压器接线形式，应使：
或
式中，是高压侧电流互感器的变比;是低压侧电流互感器的变比;nT为变压器高压和低压的比值。从上面的公式可以看到，要实现差动保护，必须计算电流互感器的变比，而且尽量接近变压器的高低和压侧的比值nT。
为了削弱高次谐波的影响，使得电压接近正弦波，在电力系统中，高压线路里的大容量变压器一般采用Yd11的接法。在正常运行时，三角形侧的电流相位超前星形侧电流相位30°，所以必须对其进行校正。微机变压器保护的纵联差动保护中，其两侧的电流互感器均接成星形，如图3所示。通过输入进微机保护装置中，正常运行情况下出现的相位差由软件进行校正，这样使得接线比较简单清晰，便于知道故障相。
值得注意的是，在这种微机变压器纵联差动保护中，电流互感器的变比并不需要完全符合上面所提到的要与变压器高低压变比nT相等，因为其可以采用具有标准化电流比的电流互感器，它将电流互感器二次侧电流差改为数字差（由软件实现），即由此带来的二次不平衡电流用数值计算进行补偿。这种补偿方法较之传统差动保护采用的补偿方法更为准确，不平衡电流更小。
实际上，变压器运行不能忽略不平衡电流的影响，因为它的产生原因不只一种，为了避免差动继电器动作，必须考虑其所有可能会产生不平衡电流的影响。实际运行的变压器中不平衡电流产生的原因有：变压器空载合闸或者变压器外部故障切除后变压器电压瞬间恢复时产生的励磁电流，可达到额定电流的6～8倍，并且含有大量的非周期分量和高次谐波;电流互感器实际变流变比产生的不平衡电流;由于调整变压器负荷分接头之后没有及时调整新的变比而产生的不平衡电流;两侧电流互感器型号不同产生的不平衡电流;外部故障时产生的不平衡电流。 目前，关于变压器差动保护的研究一直停留在如何躲过变压器空投励磁涌流、外部故障TA饱和和不平衡电流方面。为了消除上述的不平衡电流，使得保护不会误动作，在微机纵差保护中，主要方法有2种：用数字滤波方法对非周期分量进行消除、采用具有制动特性的比率差动保护。采用上述2中方法，对减小不平衡电流的影响有显著的作用。
实验仿真过程
主变相间短路故障类型设置及分析
故障类型：一号主变相间短路、一号主变重瓦斯拒动。结果输出如表1所示。原因分析：由于一号主变发生相间短路，此短路属于油箱内部故障，应由内部装设的瓦斯保护切除故障，但是故障发生的时候往往不是单一发生的，还可能伴随其他的故障一同发生，就如此次仿真设定那样，瓦斯保护出现拒动的情况。那么此时的内部相间短路故障根本无法切除，所以由作为油箱外部故障的主保护纵联差动保护来切除。仿真与分析结果一致。
表1 结果显示
故障类型 一号主变相间短路、一号主变重瓦斯拒动
光
字
牌 一号主变 主变跳闸
一号电容 过流零流低压及瓦斯过压保护动作
二/三分段自切动作
一/六分段自切动作
继电保护屏 一号主变保护第一屏 纵联差动保护动作
一号电容第一屏 一号电容低电压动作信号
一/六分段自切屏 35kV一/六分段合闸
二/三分段自切屏 35kV二/三分段合闸
35KV一母相间短路故障类型设置及分析
故障类型：一号主变35kV速断保护拒动、35kV一母相间短路。结果输出如表2所示。原因分析：从仿真系统结果来看，动作的元件有一号主变、一号电容器、一/六分段和二/三分段的分段断路器。由于设置故障有35kV一母相间短路，母线对应的母线差动保护应动作，故障相对于变压器来说是外部故障，变压器的差动保护不会动作，只需35kV的速断保护动作即可，变压器保持运行状态。但是变压器的35kV速断保护拒动，此时变压器受到短路电流的冲击，为了保护变压器的安全，作为变压器的主保护纵联差动保护动作，把变压器切除，让变压器退出运行。主变退出运行之后，35kV一/六分段和二/三分段失压，一号电容器低压保护动作。仿真与分析结果一致。
表2 结果显示
故障类型 一号主变35kV速断保护拒动、35kV一母相间短路
光字牌 一号主变 主变跳闸、主变压力异常
一号电容器 过流、零流、低压及瓦斯过压保护动作
35kV一/六母线 一/六段自切动作
35kV二/三母线 二/三分段自切动作
一号主变 11XJ主变重瓦斯
一号电容器 1号电容器低电压动作信号
继电
保护屏 一/六分段自切屏 35kV一/六分段合闸、跳闸
二/三分段自切屏 35kV二/三分段合闸
从仿真结果来看，故障设置后，由于流入差动回路的电流增大，大于整定值，差动继电器动作，使得变压器动作，并且能在很短时间内跳闸退出运行，保护了变压器的安全不受损坏，具有很高的可靠性和灵敏性。通过电网仿真软件模拟变压器纵差保护如何动作，什么情况下动作以及动作之后其他一次设备有什么变化，学生可以容易理解所学的知识，加深对“电力系统继电保护”这门课程的认识程度。电网仿真系统不仅可以应用于教学，也可以让学生自己动手解决心中的疑问，同时可以作为科研人员的研究平台甚至可以作为变电人员上岗培训的平台。（作者李惜玉系广东工业大学自动化学院高级实验师;欧丰华系广东工业大学自动化学院本科生。基金项目：本文系2013年广东省广东工业大学省级大学生创新基金资助项目（项目编号：1184513164），2014年广东省广东工业大学大学生创新基金资助项目，广东省高等教育教学改革项目（粤财教[2012]361号），2012广东工业大学校级重点项目（项目编号：2012Z010）广东省电气工程及其自动化特色专业基金资助项目（项目编号：402102299）的研究成果）
电网仿真系统的特点
第一，使用方便、实时仿真。该软件运行方便，不受其他条件的影响。其优点是：投资比较少、使用灵活性较强、容易维护和更新。
第二，界面直观、操作容易。该仿真软件操作界面包含变电站概况、运行工况、控制室、就地操作屏、继电保护屏、站用电/直流系统六大部分。界面切换不同仿真环境，操作控制接近实际现场。
第三，组合灵活、内容全面。电网仿真系统进行仿真时，功能从简单到复杂，模拟各种类型工况并且可以组合不同的工况，逐步进入复杂的现场仿真环境。
电网仿真系统的功能
变电站仿真系统的功能结构包括三部分：正常基本操作模块（变压器分接头、补偿设备调压;“五防”操作;电容器、电抗器停复役;母线、线路、变压器停复役）、故障及异常事故处理模块（电容器、电抗器故障;保护拒动、误动故障;开关拒动、误动故障;母线、线路变压器永久故障;母线、线路、变压器瞬时故障）和保护及自动装置模块（自动装置;常规保护;微机保护）。
电网仿真系统采用开放式的实时UNIX操作系统作为仿真软件运行环境，包括35kV、220kV、主变压器等各种一次设备。内置了400多种不同工况下的故障类型，可以仿真一种或者同时仿真多种故障。该仿真系统结合了电力专业开设的“电力系统继电保护”课程，加深学生对电力系统故障分析、继电保护原理及实现、继电保护装置运行和维护的理解。同时，为学生提供一个自己动手设置故障的仿真平台，能充分调动学生学习和自主解除疑问的积极性，提高了学生的故障分析能力。通过三维动画、三维影像、声音与文本以及图形结合，刺激学生的听觉以及视觉神经，明显提高学生的学习热情，加深印象，这样便能够取得更好的培训效果。软件采用分屏切换，其中包括故障类型的设定、工况的复位、系统运行/冻结、变电站运行状态，变电站运行状态又可以通过控制屏查看所有保护元件的实时状态，如设备的开断、警报铃声、光字牌显示、警报记录表显示，能够观察运行变化的每一步。该软件模拟新建220kV变电站进行各种继电保护仿真实验。
新建220kV变电站220kV母线的接线采用双母线双分段接线方式，一共有8回出线（2201-2208）;在220kV母线上有2台分段断路器，2台母联断路器。3台主变（T1-T3），变比为220kV/35kV，单台容量为100MVA。35KV母线的接线采用单母线6分段接线方式，共24回出线（301-324）;3组电容器;2台站用变，变比为35kV/380V。根据仿真系统的设定，装设在主变压器上的保护有：差动保护（BCH-1），220kV零序电流保护Ⅰ、Ⅱ段，220kV零序电压保护，220kV电流速断保护，220kV过电流保护，35kV过电流保护，35kV零序电流保护，35kV过负荷保护，以及反映非电气量的瓦斯保护、温度保护。以下主要针对变压器的纵联差动保护进行仿真。
电力变压器纵联差动保护原理
纵联差动保护作为变压器主要的保护，是反映被保护电力变压器各端电流流入和流出的向量差，考虑到变压器正常运行情况下，用于建立磁场的励磁电流很小，不会超过额定电流的2%-5%，因此在差动回路引起的不平衡电力很小，可忽略不计，变压器接近理想变压器。
根据基尔霍夫电流定律，在不平衡电流忽略不计的理想情况下，流进差动继电器的电流为零：
式中，为流入输电线路j侧的电流向量。
当内部发生故障时，电流流向如图1所示。根据前面基尔霍夫原理，图1中输电线路MN，流入差动保护电流为：
式中，、分别是两端的电流互感器变比，、分别为两侧互感器二次侧电流。
根据上述差动原理，对常见的双绕组和三绕组变压器来讲，其基本原理接线如图2所示。规定各侧电流方向均以流入变压器为正。
由于流过变压器高压侧和低压侧电流不同，为了使得正常运行时流入差动保护的电流为零，不让其误动，所以在通常情况下必须选择适当的电流互感器变比，如图2中的双绕组变压器接线形式，应使：
或
式中，是高压侧电流互感器的变比;是低压侧电流互感器的变比;nT为变压器高压和低压的比值。从上面的公式可以看到，要实现差动保护，必须计算电流互感器的变比，而且尽量接近变压器的高低和压侧的比值nT。
为了削弱高次谐波的影响，使得电压接近正弦波，在电力系统中，高压线路里的大容量变压器一般采用Yd11的接法。在正常运行时，三角形侧的电流相位超前星形侧电流相位30°，所以必须对其进行校正。微机变压器保护的纵联差动保护中，其两侧的电流互感器均接成星形，如图3所示。通过输入进微机保护装置中，正常运行情况下出现的相位差由软件进行校正，这样使得接线比较简单清晰，便于知道故障相。
值得注意的是，在这种微机变压器纵联差动保护中，电流互感器的变比并不需要完全符合上面所提到的要与变压器高低压变比nT相等，因为其可以采用具有标准化电流比的电流互感器，它将电流互感器二次侧电流差改为数字差（由软件实现），即由此带来的二次不平衡电流用数值计算进行补偿。这种补偿方法较之传统差动保护采用的补偿方法更为准确，不平衡电流更小。
实际上，变压器运行不能忽略不平衡电流的影响，因为它的产生原因不只一种，为了避免差动继电器动作，必须考虑其所有可能会产生不平衡电流的影响。实际运行的变压器中不平衡电流产生的原因有：变压器空载合闸或者变压器外部故障切除后变压器电压瞬间恢复时产生的励磁电流，可达到额定电流的6～8倍，并且含有大量的非周期分量和高次谐波;电流互感器实际变流变比产生的不平衡电流;由于调整变压器负荷分接头之后没有及时调整新的变比而产生的不平衡电流;两侧电流互感器型号不同产生的不平衡电流;外部故障时产生的不平衡电流。 目前，关于变压器差动保护的研究一直停留在如何躲过变压器空投励磁涌流、外部故障TA饱和和不平衡电流方面。为了消除上述的不平衡电流，使得保护不会误动作，在微机纵差保护中，主要方法有2种：用数字滤波方法对非周期分量进行消除、采用具有制动特性的比率差动保护。采用上述2中方法，对减小不平衡电流的影响有显著的作用。
实验仿真过程
主变相间短路故障类型设置及分析
故障类型：一号主变相间短路、一号主变重瓦斯拒动。结果输出如表1所示。原因分析：由于一号主变发生相间短路，此短路属于油箱内部故障，应由内部装设的瓦斯保护切除故障，但是故障发生的时候往往不是单一发生的，还可能伴随其他的故障一同发生，就如此次仿真设定那样，瓦斯保护出现拒动的情况。那么此时的内部相间短路故障根本无法切除，所以由作为油箱外部故障的主保护纵联差动保护来切除。仿真与分析结果一致。
表1 结果显示
故障类型 一号主变相间短路、一号主变重瓦斯拒动
光
字
牌 一号主变 主变跳闸
一号电容 过流零流低压及瓦斯过压保护动作
二/三分段自切动作
一/六分段自切动作
继电保护屏 一号主变保护第一屏 纵联差动保护动作
一号电容第一屏 一号电容低电压动作信号
一/六分段自切屏 35kV一/六分段合闸
二/三分段自切屏 35kV二/三分段合闸
35KV一母相间短路故障类型设置及分析
故障类型：一号主变35kV速断保护拒动、35kV一母相间短路。结果输出如表2所示。原因分析：从仿真系统结果来看，动作的元件有一号主变、一号电容器、一/六分段和二/三分段的分段断路器。由于设置故障有35kV一母相间短路，母线对应的母线差动保护应动作，故障相对于变压器来说是外部故障，变压器的差动保护不会动作，只需35kV的速断保护动作即可，变压器保持运行状态。但是变压器的35kV速断保护拒动，此时变压器受到短路电流的冲击，为了保护变压器的安全，作为变压器的主保护纵联差动保护动作，把变压器切除，让变压器退出运行。主变退出运行之后，35kV一/六分段和二/三分段失压，一号电容器低压保护动作。仿真与分析结果一致。
表2 结果显示
故障类型 一号主变35kV速断保护拒动、35kV一母相间短路
光字牌 一号主变 主变跳闸、主变压力异常
一号电容器 过流、零流、低压及瓦斯过压保护动作
35kV一/六母线 一/六段自切动作
35kV二/三母线 二/三分段自切动作
一号主变 11XJ主变重瓦斯
一号电容器 1号电容器低电压动作信号
继电
保护屏 一/六分段自切屏 35kV一/六分段合闸、跳闸
二/三分段自切屏 35kV二/三分段合闸
从仿真结果来看，故障设置后，由于流入差动回路的电流增大，大于整定值，差动继电器动作，使得变压器动作，并且能在很短时间内跳闸退出运行，保护了变压器的安全不受损坏，具有很高的可靠性和灵敏性。通过电网仿真软件模拟变压器纵差保护如何动作，什么情况下动作以及动作之后其他一次设备有什么变化，学生可以容易理解所学的知识，加深对“电力系统继电保护”这门课程的认识程度。电网仿真系统不仅可以应用于教学，也可以让学生自己动手解决心中的疑问，同时可以作为科研人员的研究平台甚至可以作为变电人员上岗培训的平台。（作者李惜玉系广东工业大学自动化学院高级实验师;欧丰华系广东工业大学自动化学院本科生。基金项目：本文系2013年广东省广东工业大学省级大学生创新基金资助项目（项目编号：1184513164），2014年广东省广东工业大学大学生创新基金资助项目，广东省高等教育教学改革项目（粤财教[2012]361号），2012广东工业大学校级重点项目（项目编号：2012Z010）广东省电气工程及其自动化特色专业基金资助项目（项目编号：402102299）的研究成果）