畢業(yè)論文《電力變壓器的微機保護》.doc

湖南科技大學 瀟湘學院畢業(yè)設計（論文）題 目電力變壓器的微機保護作 者張建華學 院信息學院專 業(yè)電氣工程及其自動化學 號0754010423指導教師張敏 二一 一 年 六 月 五 日湖 南 科 技 大 學瀟湘學院畢業(yè)設計（論文）任務書 系 教研室教研室主任: （簽名） 年 月 日學生姓名: 張建華 學號: 0754010423 專業(yè): 電氣工程及其自動化 1 設計（論文）題目及專題： 電力變壓器的微機保護 2 學生設計（論文）時間：自 2011 年 2 月 11 日開始至 2011 年 6 月 5 日止3 設計（論文）所用資源和參考資料：電力系統(tǒng)繼電保護原理工廠供電系統(tǒng)繼電保護及自動裝置電力系統(tǒng)保護與控制微機原理與接口技術微型計算機繼電保護基礎4 設計（論文）應完成的主要內容：繼電保護的基本概述電力變壓器微機保護中各保護的基本原理微機保護的基本組成微機保護的硬件設計微機保護的軟件設計5 提交設計（論文）形式（設計說明與圖紙或論文等）及要求：論文，嚴格按照湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）工作規(guī)范的有關要求打印訂硬件電路原理圖，用Protel格式輸出打印軟件結構流程圖6 發(fā)題時間： 2011 年 2 月 20 日指導教師： （簽名）學 生： 張建華 （簽名） 湖 南 科 技 大 學瀟湘學院畢業(yè)設計（論文）指導人評語指導人： （簽名）年 月 日 指導人評定成績： 湖 南 科 技 大 學瀟湘學院畢業(yè)設計（論文）評閱人評語日期： 學生： 學號： 班級： 題目： 提交畢業(yè)設計（論文）答辯委員會下列材料：1 設計（論文）說明書共頁2 設計（論文）圖 紙共頁3 指導人、評閱人評語共頁畢業(yè)設計（論文）答辯委員會評語：答辯委員會主任： （簽名）委員： （簽名）（簽名）（簽名）（簽名） 答辯成績： 總評成績： 湖 南 科 技 大 學瀟湘學院畢業(yè)設計（論文）答辯記錄日期： 學生： 學號： 班級： 題目： 提交畢業(yè)設計（論文）答辯委員會下列材料：1 設計（論文）說明書共頁2 設計（論文）圖 紙共頁3 指導人、評閱人評語共頁畢業(yè)設計（論文）答辯委員會評語：答辯委員會主任： （簽名）委員： （簽名）（簽名）（簽名）（簽名） 答辯成績： 總評成績： 摘 要目前，隨著超高壓、特高壓輸變電技術在全國范圍的廣泛應用，對于確保電網(wǎng)安全運行的繼電保護裝置也由傳統(tǒng)的電磁型向微機型發(fā)展。而電力變壓器作為電業(yè)系統(tǒng)中重要的變換電壓、聯(lián)絡系統(tǒng)、傳送功率的設備之一，作為保護它的裝置，要求更加的可靠和快速。本文在全面介紹和評述電力系統(tǒng)的微機保護原理及其發(fā)展的趨勢的基礎上，對電力系變壓器的微機保護進行了專門研究。以所制定的保護方案為依據(jù)，提出了以中間模擬轉換器和電抗轉換器，A/D轉換器等各種微機變壓器保護裝置的具體實現(xiàn)方法。并對保護裝置的硬件系統(tǒng)和軟件模塊設計進行了詳細的研究，滿足了變壓器微機保護裝置的要求。本裝置將變壓器運行工況監(jiān)測與繼電保護結合，體現(xiàn)了新一代微機保護裝置的設計思想。關鍵詞：變壓器,微機保護,繼電保護ABSTRACTIt is widely used that transferring electric power in China.In order to make zhe electrified wrie netting running normally that zhe protective relaying equipment advancing with zhe time.In this paper are introduced comprehensively and electrical system of microcomputer protection principle and development trend of electric power, on the basis of the microcomputer protection of the transformer specially research. With the protection plan formulated for basis, put forward by the middle analog switches and circuit reactance converter, A/D converter transformer protection device of microcomputer as the concrete realization method. For protection device and the hardware and software module design makes a detailed research, satisfy the requirements of transformer microcomputer protection device. This device will transformer running condition monitoring and relay protection union, reflected the new generation of microcomputer protection device design thought. Keywords: Transformer,Microprocessor-based Protection, Reply protection - 43 -湖南科技大學瀟湘學院本科生畢業(yè)設計（論文）目 錄第一章 緒 論- 1 -第二章 繼電保護的基本概述- 2 -2.1 電力系統(tǒng)的故障和不正常運行狀態(tài)- 2 -2.2 繼電保護的基本原理、保護裝置的組成和基本要求- 2 -2.2.1 繼電保護的基本原理- 2 -2.2.2 繼電保護裝置- 3 -2.2.3 繼電保護的基本要求- 3 -2.3 微機保護系統(tǒng)簡介- 4 -2.3.1微機保護的應用與發(fā)展概況- 4 -2.3.2 微機保護的基本構成- 5 -2.3.3 微機保護的特點與發(fā)展前景- 6 -第三章 電力變壓器微機保護中各保護的基本原理- 8 -3.1 瓦斯保護- 8 -3.2 縱差動保護- 9 -3.3 過電流保護- 10 -3.4 溫度信號- 10 -第四章 微機保護的基本組成- 11 -4.1 概述- 11 -4.1.1 模擬量輸入系統(tǒng)- 11 -4.1.2 開關量輸入/輸出系統(tǒng)- 12 -4.1.3 CPU主系統(tǒng)- 12 -4.2 微機保護的抗干擾措施- 13 -第五章 微機保護的硬件設計- 14 -5.1 微機保護系統(tǒng)的基本結構- 14 -5.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)- 14 -5.2.1 模擬量輸入變換- 14 -5.2.2 前置模擬低通濾波器- 15 -5.2.3 采樣保持電路- 16 -5.2.4 多路轉換電路- 19 -5.2.5 A/D轉換電路- 21 -5.3 CPU主系統(tǒng)設計- 23 -5.3.1 CPU8086- 23 -5.3.2 時鐘發(fā)生器8284電路- 24 -5.3.3內存儲器及有關電路- 24 -5.3.4 外圍輸入輸出器件譯碼電路- 25 -5.3.5 計數(shù)計時電路- 25 -5.3.6 中斷管理電路- 25 -5.4 開關量輸入/輸出系統(tǒng)- 25 -5.4.1 可編程并行I/O接口芯片8255A- 26 -5.4.2 開關量輸入電路- 27 -5.4.3開關量輸出電路- 28 -5.4.4 光電隔離電路- 29 -5.4.5 人機接口回路- 29 -第六章 微機保護的軟件設計- 32 -6.1 微機保護軟件的基本結構- 32 -6.2 數(shù)字濾波- 32 -6.3 微機保護的基本算法- 34 -6.4 微機保護軟件流程- 36 -6.4.1 軟件框圖及軟件流程圖- 36 -6.4.2 數(shù)據(jù)采集- 36 -6.4.3 8255并行接口輸出- 37 -6.4.4 數(shù)字濾波- 37 -6.4.5 輸出部分- 38 -6.4.6鍵盤部分- 38 -第七章 結論- 40 -參考文獻- 41 -致 謝- 42 -附錄A: 元件清單- 43 -附錄B: 程 序 清 單- 44 -附錄C：電力變壓器微機保護硬件原理圖- 58 -湖南科技大學瀟湘學院本科生畢業(yè)設計（論文）第一章 緒 論在電力系統(tǒng)微機繼電保護研究領域中，變壓器保護的研究和開發(fā)一直受到人們的廣泛關注。一方面，將傳統(tǒng)的保護原理比如率制動和二次諧波制動原理應用于微機保護，并借助計算機計算機所具有的技術優(yōu)勢，重點針對保護原理的具體實現(xiàn)技術進行改進和完善，以提高變壓器的保護的總體性能。另一方面，充分利用計算機的數(shù)字運算，邏輯處理以及長記憶能力，不斷的探索新的保護原理，如采用故障電流實現(xiàn)差動保護、采樣值差動保護、波形對稱性原理、以及根據(jù)變壓器磁通變化特性來判斷勵磁涌流等。但這些原理的實際應用無不對微機保護的指揮中心CPU的內核結構、高速運算能力以及與實時信號處理相適應的尋址方式等許多方面的特性提出了更高的性能。在研制開發(fā)礦井35KV主變微機保護的調研時發(fā)現(xiàn)，當前應用于電力系統(tǒng)微機保護的中所采用的CPU多為8位或16位CPU。如INTEL公司的8086、MCS51系列及其兼容產品、8098、8086以及80C196等.本文主要在全面介紹和評述電力系統(tǒng)的微機保護原理及其發(fā)展的趨勢的基礎上，對電力系變壓器的微機保護進行了專門研究。以所制定的保護方案為依據(jù)，提出了以中間模擬轉換器和電抗轉換器，A/D轉換器等各種微機變壓器保護裝置的具體實現(xiàn)方法。并對保護裝置的硬件系統(tǒng)和軟件模塊設計進行了詳細的研究，滿足了變壓器微機保護裝置的要求。本裝置將變壓器運行工況監(jiān)測與繼電保護結合，體現(xiàn)了新一代微機保護裝置的設計思想。第二章 繼電保護的基本概述2.1 電力系統(tǒng)的故障和不正常運行狀態(tài)變壓器是電力系統(tǒng)中大量使用的重要的電氣設備。它的安全運行直接關系到電力系統(tǒng)供電的可靠性及運行的穩(wěn)定性。變壓器在電力系統(tǒng)的使用數(shù)量較多，且變壓器一旦發(fā)生故障，其影響范圍較大。因此，為了保證電力系統(tǒng)及變壓器的安全，并把故障和異常運行狀態(tài)限制在最小，在變壓器中必須裝設動作可靠的，性能良好的繼電保護裝置。電力變壓器廣泛采用油浸式結構，其故障可分為變壓器油箱內部故障和油箱外部故障兩大類。 內部故障由于變壓器置身油箱內部，因而變壓器油箱內部故障應包括有繞組的相間短路、匝間短路和中性點接地系統(tǒng)側的接地短路。當變壓器油箱內部發(fā)生這些故障時，短路電流在故障點產生的高溫電弧不僅可能燒壞繞組絕緣材料和鐵心，而且由于絕緣材料和變壓器油劇烈氣化產生大量氣體，可能使變壓器油箱局部變形，嚴重時甚至引起油箱爆炸。因此，變壓器油箱內部故障是電力系統(tǒng)最危險的故障之一，在配置變壓器保護時應該注意。 外部故障變壓器油箱外部故障主要是在電力系統(tǒng)絕緣套管和引出線上發(fā)生的相間短路和中性點接地系統(tǒng)側的接地短路。變壓器的異常運行狀態(tài)有多種，常見的有外部短路引起的過電流、過負荷、油箱漏油造成的油面降低或冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)故障引起的油溫升高。外部接地短路引起的中性點過電壓及系統(tǒng)過電壓或頻率降低引起的過勵磁等。2.2 繼電保護的基本原理、保護裝置的組成和基本要求2.2.1 繼電保護的基本原理繼電保護裝置要能正確工作，首先必須具備有區(qū)分被保護設備正常運行與發(fā)生故障和異常運行狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，電流電壓的大小和相位發(fā)生變化，還會產生負序、零序電流電壓分量。當突變量達到一定值時，起動邏輯控制環(huán)節(jié)，發(fā)出相應的跳閘脈沖或信號。利用故障中電氣量的特征，可以構成不同原理的繼電保護裝置。如：反應電流增大的過電流保護，反應電壓降低的低電壓保護，反應電壓和電流的比值，即阻抗變化的距離保護等。2.2.2 繼電保護裝置供電系統(tǒng)發(fā)生故障時，會引起電流的增加和電壓的降低，以及電流、電壓間相位角的變化。因此，利用故障時參數(shù)與正常運行時的差別，就可以構成不同原理和類型的繼電保護。繼電保護的種類很多，一般由三大部分組成：即測量部分、邏輯部分和執(zhí)行部分，其原理結構圖如圖2.1所示。測量部分邏輯部分執(zhí)行部分故障參數(shù)量整定值輸出信號圖2.1 繼電保護裝置的原理結構圖 測量部分：測量被保護元器件分量，經(jīng)過轉換和構成后，將其與整定值比較，據(jù)比較結果給出“是”、“非”、“大于”、“不大于”、等于“0”或“1”等邏輯信號，從而判斷保護是否應該起動。 邏輯部分：根據(jù)測量部分各輸出量的大小、性質、輸出的邏輯狀態(tài)，出現(xiàn)次序或組合方式，確定保護裝置是否動作。 執(zhí)行部分：根據(jù)邏輯部分所做出的判斷，執(zhí)行保護裝置的任務。如發(fā)出信號、跳閘或不動作等。2.2.3 繼電保護的基本要求電力系統(tǒng)繼電保護的基本性能有可靠性、選擇性、快速性、靈敏性，這些要求之間，有的相輔相承，有的相互制約，針對不同的使用條件，側重點也有所不同。 繼電保護的可靠性繼電保護的可靠性是對電力系統(tǒng)繼電保護的最基本性能要求，它又分為兩個方面，即可信賴性與安全性。 可信賴性要求繼電保護在設計要求它動作的異?；蚬收蠣顟B(tài)下，能夠準確地完成動作；安全性要求繼電保護在非設計要求它動作的其他所有情況下，能夠可靠地不動作?？尚刨囆耘c安全性，都是繼電保護必備的性能，但兩者相互矛盾。在設計與選用繼電保護時，需要依據(jù)被保護對象的具體情況，對這兩方面的性能要求適當?shù)赜枰哉{解。 選擇性繼電保護的選擇性是指在對系統(tǒng)影響可能最小的處所，實現(xiàn)短路器的控制操作，以終止故障或系統(tǒng)事故的發(fā)展。電力元件繼電保護的選擇性，除了決定于繼電保護裝置本身的性能外，還要求滿足：a、由電源算起，愈靠近故障點的繼電保護的故障起動值相對愈小，動作時間愈短，并在上下級之間留有適當?shù)脑６龋籦、要具有后備保護作用，如果最靠近故障點的繼電保護裝置或斷路器因故拒絕動作而不能斷開故障時，能由緊鄰的電源側繼電保護動作將故障斷開。 快速性繼電保護的快速性是指繼電保護應以允許的可能最快速度動作于斷路器跳閘，以斷開故障或中止異常狀態(tài)發(fā)展。繼電保護快速動作可以減輕故障元件的損壞程度，減小對用戶工作的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，在發(fā)生故障時，應力求保護裝置能迅速動作切除故障。由于快速性與選擇性在一般情況下是矛盾的，為兼顧兩者，一般允許帶有一定的延時切除故障。故障切除的總時間等于保護裝置和斷路器動作時間之和。 靈敏性繼電保護的靈敏性是指保護裝置對于其保護范圍內所發(fā)生的各種金屬性短路故障，應具有足夠的反應能力。保護裝置的靈敏性要求與選擇性要求關系密切，在電力系統(tǒng)故障時，故障設備的保護必須先能夠靈敏地反應故障，才可能有選擇性的切除故障。因此能有選擇切除故障的保護，必須同時具備有靈敏性。 保護裝置的靈敏性通常用靈敏系數(shù)Ksen（又稱靈敏度）的大小來衡量。靈敏系數(shù)越高，表示保護裝置對故障的反應能力越強，反之，則越弱。因此，過量保護和欠量保護對于靈敏系數(shù)的定義是不同。在最不利情況下保護裝置的靈敏系數(shù)應大于1，一般為1.22.0。2.3 微機保護系統(tǒng)簡介2.3.1微機保護的應用與發(fā)展概況計算機的出現(xiàn)是20世紀最令人矚目的事件。自從世界上公認的第一臺電子計算機電子數(shù)字積分計算機ENLAC 于1946年在美國誕生以來，計算機的發(fā)展速度很快，特別是微處理器的出現(xiàn)，給工業(yè)自動化控制帶來了深刻的變革。廣泛而深入地影響著科學技術、生產和生活等各個領域。以近十年來國內電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展為例：電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化運行程度相當高，發(fā)電廠及電網(wǎng)的控制中心普遍采用了以計算機為核心的自動監(jiān)測系統(tǒng)，可以自動進行數(shù)據(jù)收集與安全監(jiān)控、自動發(fā)電控制與經(jīng)濟調度及安全分析。就電力系統(tǒng)安全運行的重要領域繼電保護而言，計算機保護的出現(xiàn)與廣泛應用反映了這一技術發(fā)展潮流的一個方面。事實上，計算機保護裝置目前主要是以微處理器為基礎的數(shù)字電路構成的，通常又稱為微機保護。目前我國無論是輸電線路的保護還是電力主設備保護都有一系列成套實用的微機保護裝置。在220500KV變電所內，已形成了基于不同原理的雙套微機主保護系列裝置，在110KV35KV變電所內微機保護裝置也得到廣泛應用，在綜合自動化的變電所和電站里，微機型繼電保護裝置與監(jiān)控系統(tǒng)已綜合形成一個網(wǎng)絡系統(tǒng)。保護裝置通過微機監(jiān)控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡，將保護的狀態(tài)、動作、信號傳送給集控站或調度所，值班人員可以在遠方投切保護裝置、查看保護狀態(tài)修改保護定值等。微機保護的生產廠家眾多，產品眾多，在國內，目前較為成熟和用量較大的微機保護產品有： 南瑞繼電保護公司生產的LFP-900系列微機保護裝置，含各種電壓等級的線路保護、變壓器成套保護、12.5MVA以下的發(fā)電機成套保護、母線保護、變電端綜合自動化微機保護裝置及各種輔助設備。 北京哈德威四方保護與控制設備有限公司生產的CS系列微機保護裝置，含CSL系列線路保護、CSP系列電容器保護、CST系列變壓器保護、CSI斷路器保護等，另外該公司還生產CSD系列集中式遙測、遙信和遙控裝置、CSM網(wǎng)絡主站、CSN系列網(wǎng)絡輔助器件及其他微機自動裝置。 許昌繼電器集團和南京自動化設備總廠等國內其他生產廠家生產的WXH(B)、WBE型微機保護裝置等。 國外產品有：美國GE公司生產的DLP型微機距離線路保護、美國SET公司生產的SEL-301型微機線路保護、ABB公司生產的REL-531微機距離保護、德國西門子公司生產的TSA-531型距離保護等。2.3.2 微機保護的基本構成原有的保護裝置是使輸入的電流、電壓信號直接在模擬量之間進行比較和運算處理，使模擬量與裝置中給定的電氣量進行比較和運算處理，而計算機保護則由于計算機只能作數(shù)字運算或邏輯運算，因此，首先要求以模擬量輸入的電流電壓的瞬時值變換為離散的數(shù)字量，然后才送入計算機的中央處理器，按規(guī)定的算法程序進行運算，且將運算結果隨時與給定的數(shù)字進行比較，最后做出是否跳閘的判斷。微機保護的基本構成可看成由硬件和軟件兩部分構成。其整套硬件通常是用單獨的專用機箱組裝，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CPU主系統(tǒng)、開關量輸入、輸出系統(tǒng)及外圍設備等。微機保護的軟件由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集管理模塊、故障檢出模塊、故障計算模塊與自檢模塊等組成。2.3.3 微機保護的特點與發(fā)展前景 運行靈活 保護定值可保存于具有電可擦性質的EEPROM中。由于微機保護的可編程及通信能力，該定值可根據(jù)系統(tǒng)運行方式的變化靈活地進行修改，修改時間短且步驟簡單。 可靠性高 微機保護可以對硬件和軟件進行連續(xù)的自檢，有很強的綜合分析和判斷能力。它能自動檢測出硬件故障同時發(fā)出報警信號并閉鎖其跳閘出口回路。同時軟件也具有自檢功能，可以對輸入的數(shù)據(jù)進行校錯和糾錯，即自動的識別和排除干擾。 易于獲得附加功能由于計算機軟件的特點，使得微機保護可以做到硬件和軟件資源共享，在不增加任何硬件的情況下，只需增加一些軟件即可獲得各種附加功能。例如在微機保護裝置中，可以很方便地附加低周減載和自動重合閘、故障濾波、故障測距等自動裝置的功能。微機保護裝置可以配有打印機、顯示器等外部設備，在系統(tǒng)發(fā)生故障后提供多種信息，如動作時間記錄、故障類型和相別、電流電壓波形記錄等。這些信息將有助于運行部門對事故的分析和處理。微機保護所具有的對外通信功能，使之成為該數(shù)字化環(huán)境不可缺少的一環(huán)。 動作正確率高微機保護裝置能保證在任何時刻均不斷迅速地采樣計算，反復準確地校核。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障的暫態(tài)期內，就能正確判斷故障，如果故障發(fā)生了變化或進一步發(fā)展也能及時做出判斷和自糾。 調試維護方便微機保護的硬件是一片單片微型計算機及外圍設備，而各種復雜的功能是由相應的程序實現(xiàn)的。微機保護裝置本身又具有自診斷功能，可以對硬件各部分和存放在EPROM中的程序進行自動檢測，一旦發(fā)現(xiàn)異常就會發(fā)出報警。通常只要給上電源后沒有警報，就可以確認裝置是完好的。故對微機保護裝置可以說幾乎不用調試，大大減輕了調試和運行維護的工作量。隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展和計算機技術、通信技術的不斷進步，繼電保護技術面臨著進一步發(fā)展的趨勢。國內外微機繼電保護技術的未來發(fā)展趨勢為：計算機化，網(wǎng)絡化，保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化，人工智能化。隨著計算機硬件的迅猛發(fā)展，微機保護硬件也在不斷的發(fā)展。電力系統(tǒng)對微機保護的要求也總是在不斷提高，除了具有保護的基本功能外，微機保護還具有大量故障信息和數(shù)據(jù)的長期存放空間、快速的數(shù)據(jù)處理功能、強大的通信能力，與其它保護控制裝置和調度聯(lián)網(wǎng)，以共享全系統(tǒng)數(shù)據(jù)、信息和網(wǎng)絡資源的能力、高級語言編程等。第三章 電力變壓器微機保護中各保護的基本原理電力變壓器高低壓側的電壓為110KV、38.5KV，且變壓器的容量為50000KVA，為了保證電力系統(tǒng)和變壓器的安全運行，應裝設以下動作可靠、性能良好的保護裝置。3.1 瓦斯保護瓦斯保護是反應變壓器油箱內部氣體的數(shù)量和流動的速度而動作的保護，保護變壓器油箱內部各種短路故障，特別是對繞組的相間短路和匝間短路。由于短路點電弧的作用，將使變壓器油和其它絕緣材料分解，產生氣體。氣體從油箱經(jīng)連通管流向油枕，利用氣體的數(shù)量及流速構成瓦斯保護。瓦斯保護的原理接線如圖3.1所示，上面的觸點表示“輕瓦斯保護”，動作后經(jīng)延時發(fā)出報警信號。下面的觸點表示“重瓦斯保護”，動作后起動變壓器保護的總出口繼電器，使斷路器跳閘。當油箱內部發(fā)生嚴重故障時，由于油流的不穩(wěn)定可能造成干簧觸點的抖動，此時為使斷路器能可靠跳閘，應選用電流具有自保持線圈的出口中間繼電器KM，動作后由斷路器的輔助觸點來解除出口回路的自保持。此外，為防止變壓器換油或進行試驗時引起重 瓦斯保護誤動作跳閘，可利用切換片KB將跳閘回路切換到信號回路。圖3.1 瓦斯保護原理接線圖瓦斯保護的主要優(yōu)點是動作迅速、靈敏度高，安裝接線簡單、能反應變壓器油箱內部發(fā)生的各種故障包括輕微的匝間短路故障（這時其它變壓器保護無法做到的）。近年來，大型變壓器為了改善防護沖擊過電壓的性能，廣泛采用了新型結構和工藝，這導致了匝間短路故障可能性的增加，而縱差動保護卻往往不能動作，只能依靠瓦斯保護來反應；此外，瓦斯保護還能反應變壓器的鐵心局部燒損、繞組內部斷線。絕緣逐漸劣化及油面降低等故障。瓦斯保護的主要缺點是：不能反應變壓器套管和引出線的故障，因此，還需要引入其它主保護；在變壓器內部發(fā)生嚴重故障時，由于瓦斯保護要有一定的油流速度才能動作，因而動作速度不夠快。3.2 縱差動保護縱差動保護是反應被保護變壓器各端流入和流出電流的相量差，通過比較變壓器各側電流大小及相位構成保護原理。變壓器實現(xiàn)差動保護的原理接線如圖3.2所示。圖3.2 變壓器實現(xiàn)差動保護的原理由于電力變壓器高低壓側的額定電流不同，因此為了保證縱差動保護的正確工作，就必須適當選擇兩側電流互感器的變比n，這時與送電線路的縱差動保護不同的。使得在正常運行和外部故障時，兩個二次電流相等。在保護范圍內故障時，流入差回路的電流的為短路電流二次值，保護動作。縱差動保護動作后，跳開變壓器兩側的斷路器。在正常運行及保護范圍外部短路穩(wěn)態(tài)情況下有穩(wěn)態(tài)不平衡電流流入縱差動保護回路中，差動保護的動作電流應大于最大不平衡電流，以保證保護范圍外部短路時差動保護不動作。不平衡電流增大，將使保護的靈敏度降低。由于變壓器兩側電流相位不同而產生不平衡電流變壓器常常采用Y,d11的接線方式，其兩側電流的相位差為30。如果兩側的電流互感器仍采用通常的接線方式，則二次電流由于相位不同也會有一個差電流流入繼電器。為了清除這種不平衡電流的影響，通常將變壓器星形側的三個電流互感器接成三角形，而將變壓器三角形側的三個電流互感器接成星形，并適當考慮連接方式即可整定。由于兩側電流互感器的誤差引起的不平衡電流當變壓器兩側電流互感器變比的比值等于變壓器的變比時，由于電流互感器有電流誤差I，在正常運行及保護范圍外部故障時流入差回路中的電流不為零。在正常運行時，電流互感器的鐵心不飽和，勵磁電流很小，不平衡電流也很小。當外部故障時，短路電流很大，使兩側電流互感器迅速飽和，勵磁阻抗下降，勵磁電流的差值也增大，不平衡電流增大。所以在選擇互感器時，應選帶有氣隙的D級鐵心互感器，使之在短路時也不飽和，另外選大變比的電流互感器，可以降低短路電流的倍數(shù)。產生不平衡電流的原因很多，應選擇合適的方法消除或減小不平衡電流對變壓器的影響。3.3 過電流保護為了防止外部短路引起變壓器線圈的過電流，并作為差動保護和瓦斯保護的后備保護，變壓器還必須裝設過電流保護。由于變壓器的過負荷能力強，流過變壓器的最大負荷電流大。因此變壓器過電流保護的動作電流大、靈敏度低，一般只用在容量較小或者只作為變壓器相鄰元件的后備保護。為實現(xiàn)過電流保護的動作選擇性，各保護的動作時間一般按階梯原則進行整定，相鄰保護的動作時間，自負荷向電源方向逐漸增大，且每套保護的動作時間是恒定不變的，與短路電流的大小無關。另外過電流保護的整定值還要考慮繼電器的返回系數(shù)，因為在外部短路時，電流繼電器可能起動，但在外部故障切除后（此時電流降到最大負荷電流），必須可靠返回，否則會出現(xiàn)誤跳閘。過電流保護應按躲過最大工作電流整定，起動值比較大，往往不能滿足靈敏度的要求。為此，可以采用低電壓閉鎖的過電流保護，以提高保護的靈敏度。3.4 溫度信號變壓器油的溫度越高，劣化速度就越快，使用壽命就越短，因此，變壓器運行規(guī)程規(guī)定，變壓器正常運行上層油溫應控制在6080C范圍內，不宜超過85C，不得超過95 C。為此，必須對運行中的變壓器上層油溫進行監(jiān)視。在變壓器正常運行時，可動指示指針處在兩個定位指針之間。當變壓器上層油溫升高時，受熱器中液體膨脹，溫度指示表中流體壓力計的感應部分所受壓力增大，指示表指針的位置相應改變，當指示表指針到達預先放置的紅色限定位指針位置時，定位指針的一對觸點閉合，發(fā)出變壓器油溫高信號并啟動相應的冷卻系統(tǒng)；反之，在變壓器上層油溫下降時，指示表指針的位置也作相應的改變，當指示表指針到達預先放置的黃色下限定位指針位置時，定位指針的觸點由閉合變?yōu)閿嚅_，切斷相應冷卻系統(tǒng)的啟動回路。可見，變壓器溫度信號裝置不僅可實時顯示變壓器的上層油溫，還起到了自動控制變壓器冷卻系統(tǒng)的作用。第四章 微機保護的基本組成4.1 概述微機保護是采用數(shù)字邏輯保護的，保護的每一種功能主要通過微機系統(tǒng)中程序運行來完成。微機保護裝置實際上就是一臺具有繼電保護功能的微機系統(tǒng)，是一種依靠微機實現(xiàn)保護功能的工業(yè)控制裝置。因此，微機保護的基本構成又可看成由硬件和軟件兩部分構成，其整套硬件通常是用單獨的專用機箱組裝，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CPU主系統(tǒng)、開關量輸出、輸入系統(tǒng)及外圍設備等。微機保護的軟件系統(tǒng)由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集管理模塊、故障檢出模塊、故障計算模塊與自檢模塊等組成。 4.1.1 模擬量輸入系統(tǒng)模擬量輸入系統(tǒng)又稱數(shù)據(jù)采集單元，主要包括電壓形成、模擬濾波（ALF）、采樣保持（S/H）、多路轉換（MPX）以及模數(shù)轉換（A/D）等功能塊，它的作用是隔離、規(guī)范輸入電壓，并將模擬輸入量準確地轉換為所需的數(shù)字量，以便與CPU接口。模擬量輸入系統(tǒng)是微機保護裝置中很重要的電路，保護裝置的動作速度和測量精確度等性能都與該電路密切相關。目前微機保護產品中數(shù)據(jù)采集單元一般采用模數(shù)變換(ADC)。 微機保護用的模數(shù)轉換器絕大多數(shù)是應用逐次逼近法的原理實現(xiàn)的。其基本原理是，轉換開始時，控制器首先在數(shù)碼設定器中設置一個最高位數(shù)碼“1”（例如：10000），該數(shù)碼經(jīng)D/A數(shù)模變換為模擬電壓U0，反饋到輸入側的比較器一端，與輸入電壓Ui進行比較。如果設定值U0Ui，則保留該位原設置的數(shù)碼“1”，然后由控制器在數(shù)碼設定器中附加次高位設置數(shù)碼“1”形成新的數(shù)碼（如：11000），經(jīng)D/A數(shù)模變換，再反饋到輸入側比較器與Ui進行比較。如果設定值U0Ui，則原設定次高位數(shù)碼“1”改為“0”，然后附加下一高位設置數(shù)碼“1”（如：10100）。重復上述的比較與設置，直到所設定的數(shù)碼總值轉換成反饋電壓U0盡可能地接近Ui的值。若其誤差小于所設定數(shù)碼中可改變的最小值（最小量化單位），則此時數(shù)碼設定器中的數(shù)碼總值即為轉換結果。逐次比較式A/D轉換的一個重要指標是轉換精度，即A/D轉換分辨率，它主要取決于設定數(shù)碼的最小量化單位，A/D轉換輸出的數(shù)字量位數(shù)越多，最小量化單位越小，分辨率越高轉換出的數(shù)字量舍入誤差越小，A/D轉換的精度就越高。逐次比較式的另一個重要指標是A/D轉換速度，它與A/D轉換分辨率是有關的，通常分辨率越高，其轉換速度就相對降低。 模數(shù)變換還可以采用VFC型的變換方式。VFC型的模數(shù)轉換是將電壓模擬量Ui線性地變換為數(shù)字脈沖式的頻率fs，然后由計算器對數(shù)字脈沖計數(shù)，供CPU讀入。 ADC和VFC兩種模數(shù)轉換方式各有其優(yōu)缺點，ADC轉換方式的優(yōu)點是容易實現(xiàn)高速高精度采樣，但由于難以實現(xiàn)多CPU之間的數(shù)據(jù)共享，抗干擾能力交差，成本亦較高，一般用于元件保護中；VFC轉換方式的優(yōu)點是電路簡單、抗干擾能力強、工作穩(wěn)定、與CPU的接口極其簡單，易于實現(xiàn)多CPU的數(shù)據(jù)共享，但由于受VFC器的限制，難以實現(xiàn)較高采樣速率下的高精度數(shù)據(jù)采集，一般用于線路保護中。4.1.2 開關量輸入/輸出系統(tǒng)開關量輸入/輸出系統(tǒng)，主要用于完成各種保護的出口跳閘、信號顯示、打印、信號報警、外部觸點輸入及人機對話等功能。它由多種輸入/輸出（I/O）接口芯片、光電隔離器件及有觸點的中間繼電器組成。開關量輸入即接點狀態(tài)（接通或斷開）的輸入可分兩類：一類是低電平（+5v）開關量輸入，如微機保護運行調試狀態(tài)輸入；一類是高電平（220v）開關量輸入（如斷路器的狀態(tài)信號），高電平開關量輸入必須裝有光電隔離，以防止外部干擾入侵微機保護裝置。開關量輸出主要包括保護的跳閘出口以及本地和中央信號輸出等，由并行口經(jīng)光電隔離電路將開關量輸出的電路，只要由軟件使并行口的PB輸出低電平“0”，PB輸出高電平“1”，便可使與非門H1輸出低電平，光敏三極管導通，繼電器J被吸合。4.1.3 CPU主系統(tǒng)CPU主系統(tǒng)，它是由微機和擴展芯片構成的一臺小型工業(yè)擴展微機系統(tǒng)，除了這些硬件之外，還有存儲在存儲器里的軟件系統(tǒng)。這些硬件和軟件構成的整個微機系統(tǒng)主要任務是將數(shù)據(jù)采集單元輸出的數(shù)據(jù)進行分析處理，并完成邏輯運算、擴展和記錄等任務，以實現(xiàn)各種繼電保護功能。除此之外，現(xiàn)代的微機保護還應具有各種遠方功能，它包括發(fā)送保護信息并上傳給變電所微機監(jiān)控系統(tǒng)，接收集控站、調度所的擴展和管理信息。這種微機系統(tǒng)可以是單CPU或多CPU系統(tǒng)。一般為了提高保護裝置的容錯水平，目前大多數(shù)保護裝置已采用多CPU系統(tǒng)。尤其較為復雜的保護裝置，其主保護和后備保護都是相互獨立的微機系統(tǒng)。它們的CPU是相互獨立的，任何一個保護CPU或芯片損壞均不影響其它保護。除此之外，各保護的CPU總線均不引出，輸入及輸出的回路均經(jīng)光電隔離處理，各保護具有自檢與互檢功能，能將故障定位到插件或芯片，從而大大地提高了保護裝置運行的可靠性。但對于比較簡單的微機保護，由于保護功能較少，多數(shù)還是采用單CPU主要包括微機處理器（CPU）、只讀存儲器（一般用EPROM）、隨機存取存儲器（RAM）以及定時器等。CPU執(zhí)行存放在EPROM中的程序，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入到RAM中的數(shù)據(jù)進行分析處理，以完成繼電保護的功能。4.2 微機保護的抗干擾措施 干擾對微機保護的影響比較大，主要有以下幾個方面：a、計算或邏輯錯誤。微機保護中的輸出數(shù)據(jù)、計算中間結果和控制標志字都放在RAM中，強干擾引起RAM數(shù)據(jù)發(fā)生改變是可能的。另外，當CPU正在讀（或寫）一個數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)線或地址線受干擾發(fā)生改變，就會造成讀（或寫）一個壞數(shù)據(jù)或者對一個錯誤的地址讀（或寫）。如果這是一個中間結果或者采樣數(shù)據(jù)，就會造成計算錯誤；如果這是一個標志字就會造成邏輯紊亂，這都有可能引起裝置誤動或拒動。b、程序運行出軌。這是由于隨機干擾破壞了程序執(zhí)行的正常順序而造成程序執(zhí)行卡死的現(xiàn)象。如當CPU正通過地址總線送出一相地址以便從EPROM獲取指令操作碼。如果由于干擾使傳送地址出錯，它將從下一個錯誤的地址取得一個錯誤的操作碼。如果這個誤碼CPU不認識，程序運行將發(fā)生中斷；如果這個誤碼是可執(zhí)行碼，那么在執(zhí)行了一系列非預期的指令后往往最終碰到一個CPU不認識的指令操作碼而停止工作。由此看出，在程序運行出軌后引起誤動作的機會是很小的，但會造成CPU停止執(zhí)行繼電保護任務的規(guī)定任務，在發(fā)生系統(tǒng)故障時，保護裝置將拒動。c、元件損壞。嚴重的干擾還可能造成元件損壞。 硬件設計時應使微機保護和外接端子同微機弱電系統(tǒng)之間沒有電的聯(lián)系，系統(tǒng)的正確運行，應采取以下抗干擾措施。如：a、交流輸入端子：采用電壓形成回路中的小變壓器隔離，一次和二次繞組間有屏蔽層。b、開關量輸入端子：采用光電耦合器隔離。c、開關量輸出端子：采用光電隔離和繼電器繞組與接地之間隔離。d、直流電源端子：逆變電源中的高頻變壓器隔離，線圈間有屏蔽層。e、交直流來線（交流電壓、交流電流、直流電源）先經(jīng)抗干擾電容再進裝置。f、將弱電系統(tǒng)的插件遠離同外接端子有直接電聯(lián)系的各插件（如：電壓形成回路、開關量輸入和開關量輸出回路等）.g、裝置后底板的配線也應使強電和弱電嚴格分開h、各弱電電源不共地等第五章 微機保護的硬件設計5.1 微機保護系統(tǒng)的基本結構微機保護裝置主要是以微處理器為基礎的數(shù)字電路構成的。它的核心是中央處理單元CPU及其數(shù)字邏輯電路和實時處理程序。在微機保護中廣泛采用插件式結構，微機保護裝置包括以下印制板插件：模擬量輸入變換插件；前置模擬低通濾波插件；采樣及A/D轉換插件；CPU及人機對話插件；開關量輸入/輸出插件。微機保護裝置硬件示意框圖如圖5.1所示，這種硬件模塊化體現(xiàn)了微機保護結構的特點。模 擬量 輸變 換模 擬低 通濾 波采 樣A / D轉 換CPU 及 人 機對話I / O接 口開關量輸入數(shù)據(jù)線控制線開關量輸出地址線圖5.1 微機保護裝置硬件示意框圖5.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5.2.1 模擬量輸入變換微機保護要從被保護的電力設備的電流互感器和電壓互感器上獲得信息，但這些互感器的二次側電流或電壓不能適應模數(shù)變換器的輸入范圍要求，故需要對它們降低和變換，在微機保護中通常要求輸入信號為5V和10V的電壓信號，具體決定于所用的模數(shù)轉換器，因此一般采用中間變換器來實現(xiàn)以上的變換，交流電流的變換一般采用電流中間變換器并在其二次側并電阻以取得所需變電壓的方式。此外，也有采用電抗變換器的。二者各有其優(yōu)缺點，電抗變換器的優(yōu)點是線性范圍較大，鐵芯不容易飽和，有移相作用，另外其抑制非周期分量的作用在某些應用中也可能成為優(yōu)點。電流中間變換器的最大優(yōu)點是只要鐵芯不飽和，則其二次電流及并聯(lián)電阻上的二次電壓的波形可基本保持與一次電流波形相同且同相，即它的傳變可使原信息不失真，這對微機保護是很重要的，因為只有在這種條件下作精確的運算或定量分析才是有意義的。至于移相，提取某些分量或抑制某些分量等，在微機保護系統(tǒng)中，根據(jù)需要可以容易地通過軟件來實現(xiàn)。電流中間變換器的缺點是在非周期分量的作用下容易飽和，線性度較差，動態(tài)范圍也較小。該變換除了起電量變換的作用外，還起到隔離的作用。它使微機電路在電氣上與強電系統(tǒng)相隔離，從而在較大程度上減弱了來自高壓系統(tǒng)的電磁干擾。5.2.2 前置模擬低通濾波器模擬低通濾波器的作用是濾掉電壓和電流中的高頻分量以降低采樣頻率fs。濾波器有有源濾波和無源濾波兩種，對要求快速動作的保護及控制裝置而言，為防止無源模擬低通濾波中電阻和電容對信號造成衰減和時間延遲，可以采用有源模擬低通濾波器；一般情況下采用無源模擬低通濾波器 即可。如圖5.2為RC無源低通濾波器，只要調整R、C的數(shù)值就可以改變低通濾波器的截 止頻率取f=50工頻，任取R=2.27K,那么電容的容量為：C0.27F CR 圖5.2 模擬低通濾波器 （5.1） （5.2） （5.3） （5.4） （5.5） （5.6） （5.7）5.2.3 采樣保持電路1.采樣保持原理采樣保持電路的工作原理如圖5.3所示。阻抗變換器IUiAS阻抗變換器IIChU0邏輯輸入圖5.3 采樣保持電路原理圖它由一個電子模擬開關AS ,電容Ch及兩個阻抗變換器組成。阻抗變換器由運算放大器構成的電壓跟隨器實現(xiàn)的，具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點。開關AS受邏輯輸入端采樣脈沖的電平控制，高電平時AS閉合。此時，電路處于采樣狀態(tài)，Ch迅速充電到Ui在采樣時刻的電壓值。As的閉合時間應滿足使Ch有足夠的充電時間即采樣時間。為了正確采到Ui在采樣時刻的值，顯然希望采樣時間越短越好，因而，應用阻抗變換器I，它在輸入端呈現(xiàn)高阻抗，而輸出阻抗低，使Ch上的電壓能迅速跟蹤到Ui的值。AS打開時，電容Ch 上保持住AS打開瞬間的電壓，電路處于保持狀態(tài)。同樣，為了提高保持能力，電路中應用了另一個阻抗變換器II，它對Ch呈現(xiàn)高阻抗，而輸出阻抗（側U0）很低，以增強帶負載能力。2.采樣保持電路采樣/保持電路（S/H）有兩方面的作用：首先是在一個極短的時間內測量模擬輸入量在該時刻的瞬時值，并在模擬/數(shù)字轉換器進行轉換的期間內保持其輸出不變；其次是由于微機保護系統(tǒng)中要保證各模擬量的相位關系經(jīng)過采樣后保持不變，各通道必須同步采樣。在本系統(tǒng)中采用的是LF398采樣保持器來實現(xiàn)采樣的。圖5.4（a）、（b） LF398典型連線圖和結構框圖。LF398有8個引腳，結構框圖和典型連線圖如圖5.4（a）、（b）所示。第2腳接1k電阻，用于調節(jié)漂移電壓，7腳和8腳是兩個控制端，控制開關的關斷。7腳接參考電壓，8腳接控制信號。參考電壓應根據(jù)控制信號的電平來選擇。如7腳接地，則8腳接控制信號大于14V時，LF398處于采樣狀態(tài)；如8腳為低電平， 則LF398處于保持狀態(tài)。6腳外接保持電容，即可構成完整的采樣保持電路，它是一種具備放大功能的采樣保持電路,具有較低的捕捉時間：當Ch=1000pF，采集時間為25s，可滿足12位AD要求。它的選取對采樣保持電路的技術性能指標至關重要，大電容可使系統(tǒng)得到較高精度，但采樣時間加長。小電容可提高采樣頻率，但精度較低。同時，電容的選擇應綜合考慮精度要求和采樣頻率等因素。 （a）LF398典型