新型微機(jī)變壓器保護(hù)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

新型微機(jī)變壓器保護(hù)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

摘要：本文介紹了新一代變壓器保護(hù)的設(shè)計(jì)思想、保護(hù)原理及試驗(yàn)情況等。針對(duì)中、低壓電網(wǎng)及農(nóng)用電網(wǎng)的變壓器保護(hù)需求，采用了不同的保護(hù)配置方案；采用了成熟可靠的保護(hù)原理，對(duì)CT飽和有了可靠的判別方法；對(duì)裝置的硬件平臺(tái)、結(jié)構(gòu)、人機(jī)接口、通信接口有了顯著的提高和發(fā)展等。

關(guān)鍵詞:變壓器CT飽和人機(jī)接口32位單片機(jī)故障分析通信功能

1前言

電力變壓器是發(fā)電廠和變電站的主要電氣設(shè)備之一，它們對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。一旦發(fā)生故障遭到損壞，其檢修難度大、時(shí)間長(zhǎng)，要造成很大的經(jīng)濟(jì)損失；另外，發(fā)生故障后突然切除變壓器也會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成或大或小的擾動(dòng)。因此，對(duì)繼電保護(hù)的要求很高。

根據(jù)DF3200系列微機(jī)變壓器保護(hù)裝置近五年、上千套產(chǎn)品的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，把它們?cè)谥?、低壓電網(wǎng)的成功方面和不足之處進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，研制了新一代的DF3300系列微機(jī)變壓器保護(hù)裝置。它們采用系統(tǒng)化設(shè)計(jì)思想，采用成熟可靠的保護(hù)原理，應(yīng)用最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信和控制技術(shù)，采用先進(jìn)可靠的硬件技術(shù)和美觀適用的結(jié)構(gòu)，保護(hù)、監(jiān)控、通信網(wǎng)絡(luò)整體化設(shè)計(jì)，保護(hù)功能相對(duì)獨(dú)立，符合DF3300變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的分層、分布、分散式的面向?qū)ο蟮恼w設(shè)計(jì)思想要求。以下簡(jiǎn)要介紹新一代DF3300系列微機(jī)變壓器保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)方案等。

2保護(hù)設(shè)計(jì)方案

DF3300系列微機(jī)變壓器保護(hù)裝置主要是為滿足大量的中、低壓電網(wǎng)的變壓器保護(hù)的需要而設(shè)計(jì)。它作為DF3300變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，可以滿足變電站自動(dòng)化的全部需求，也可以作為獨(dú)立的變壓器保護(hù)系統(tǒng)工作。

保護(hù)配置方案

在設(shè)計(jì)保護(hù)的配置方案時(shí)，充分注意到最新的《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》中提到建議和要求等，同時(shí)，考慮到中、低壓電網(wǎng)中保護(hù)應(yīng)用的實(shí)際情況，尤其是農(nóng)用電網(wǎng)中保護(hù)的實(shí)際情況，而確定采用的保護(hù)配置方案。

高壓電網(wǎng)的變壓器重要程度等因素，要求變壓器保護(hù)雙重化配置，所以采用主后備一體化的雙套變壓器保護(hù)裝置是比較好的方式。中、低壓電網(wǎng)中，一方面要求變壓器保護(hù)裝置的可靠工作，另一方面并不要求變壓器保護(hù)雙重化配置，針對(duì)這種情況，如果將變壓器的全部保護(hù)集中在一套保護(hù)裝置，一旦保護(hù)裝置故障將失去全部的變壓器保護(hù)功能，所以采用主后備保護(hù)分配到完全獨(dú)立的不同的保護(hù)裝置，適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)功能獨(dú)立分擔(dān)方式是較好的配置方式。對(duì)于農(nóng)用電網(wǎng)的小型變壓器，對(duì)保護(hù)的要求簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)，而且經(jīng)濟(jì)性要求十分明顯，采用簡(jiǎn)單的主后備保護(hù)一體化的保護(hù)裝置是較好的配置方式。變壓器的非電量保護(hù)，原則上應(yīng)該與電氣量保護(hù)相互獨(dú)立，真正起到互為備用或補(bǔ)充。基于以上的設(shè)計(jì)思想確定的主要面向中、低壓電網(wǎng)的變壓器保護(hù)系列裝置

1).DF3330三圈變差動(dòng)保護(hù)裝置，滿足四側(cè)電流輸入的差流速斷保護(hù)和比率差動(dòng)保護(hù)，中、低壓側(cè)及第四側(cè)各配置過(guò)電流保護(hù)等，適用于中、低壓電網(wǎng)的電力變壓器的主保護(hù)；

2).DF3331A變壓器接地側(cè)后備保護(hù)裝置，具有復(fù)壓閉鎖過(guò)流保護(hù)，零壓閉鎖零序過(guò)流保護(hù)，間隙零序過(guò)流保護(hù)等，作為變壓器大電流接地側(cè)的后備保護(hù)；

3).DF3331B變壓器不接地側(cè)后備保護(hù)裝置，具有復(fù)壓閉鎖過(guò)流保護(hù)，零序過(guò)流保護(hù)，零序過(guò)壓告警，過(guò)負(fù)荷保護(hù)等，作為變壓器不接地側(cè)的后備保護(hù)；

4).DF3333雙圈變差動(dòng)保護(hù)裝置，滿足兩側(cè)電流輸入的差流速斷保護(hù)和比率差動(dòng)保護(hù)，低壓側(cè)配置過(guò)電流保護(hù)等，適用于中、低壓電網(wǎng)的電力變壓器的主保護(hù)；

5).DF3332變壓器本體保護(hù)裝置，具有六路跳閘回路和五路信號(hào)回路，適用于油浸式電力變壓器的開(kāi)關(guān)量保護(hù)；

6).DF3333A變壓器保護(hù)裝置。滿足兩側(cè)電流輸入的差流速斷保護(hù)和比率差動(dòng)保護(hù)等；高、低壓側(cè)的復(fù)壓閉鎖過(guò)流保護(hù)，高、低壓側(cè)零序過(guò)壓告警，過(guò)負(fù)荷保護(hù)等，特別適用于農(nóng)用電網(wǎng)的小型變壓器的成套保護(hù)；

7).DF3331C變壓器后備保護(hù)裝置，具有復(fù)壓閉鎖過(guò)流保護(hù)，零序過(guò)流保護(hù)，零序過(guò)壓告警，過(guò)負(fù)荷保護(hù)，三路獨(dú)立的本體跳閘和信號(hào)回路及一路帶延時(shí)的開(kāi)關(guān)量保護(hù)，測(cè)控功能等，作為變壓器不接地或小電流接地側(cè)的后備保護(hù)和測(cè)控裝置；

8).DF3332A變壓器本體保護(hù)裝置，具有三路跳閘回路和兩路信號(hào)回路，三個(gè)獨(dú)立的具有壓力閉鎖功能的操作箱回路，適用于油浸式電力變壓器的開(kāi)關(guān)量保護(hù)。

因此，以上的變壓器保護(hù)裝置可以根據(jù)需要靈活配置，完全可以經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠的完成中、低壓電網(wǎng)及農(nóng)用電網(wǎng)的各種變壓器保護(hù)的需要。

2．2保護(hù)原理

2．2．1主保護(hù)原理

1）.差動(dòng)電流速斷保護(hù)

采用三相差動(dòng)電流中任一相大于差動(dòng)電流速斷定值時(shí)，瞬時(shí)動(dòng)作出口，它不受任何閉鎖條件約束，快速切除變壓器區(qū)內(nèi)發(fā)生的嚴(yán)重故障。根據(jù)微機(jī)保護(hù)的特點(diǎn)，該保護(hù)判據(jù)采用可變數(shù)據(jù)窗的兩種算法實(shí)現(xiàn)。一種用于保護(hù)啟動(dòng)后初始階段的快速判斷，加快出口動(dòng)作速度；另一種計(jì)算準(zhǔn)確，可以在啟動(dòng)一個(gè)周波后隨時(shí)瞬動(dòng)出口。整體效果類似“反時(shí)限”的性能。保護(hù)判據(jù)為：Idz≥ISD，ISD—差動(dòng)電流速斷定值。

2）.比率差動(dòng)保護(hù)

該保護(hù)采用如下的保護(hù)動(dòng)作判據(jù)公式，保護(hù)的動(dòng)作特性曲線如圖所示。

Idz≥ICD

Idz≥ICD+KB1(Izd-IGD)

圖比率差動(dòng)動(dòng)作特性

該保護(hù)識(shí)別勵(lì)磁涌流采用了二次諧波制動(dòng)和波形不對(duì)稱制動(dòng)兩種判據(jù)。二次諧波制動(dòng)判據(jù)有兩種方案供選擇：一種是按二次諧波和基波比值最大的相為制動(dòng)判據(jù)；另一種是分別選取三相差動(dòng)電流中二次諧波和基波的最大值，并以它們的比值為制動(dòng)判據(jù)。

按最大比值相制動(dòng)：max(Icda2/Icda1，Icdb2/Icdb1，Icdc2/Icdc1)≥KXB

綜合相制動(dòng)：max(Icda2、Icdb2、Icdc2)/max(Icda1、Icdb1、Icdc1)≥KXB

波形不對(duì)稱制動(dòng)判據(jù)只在DF3333A變壓器保護(hù)裝置中采用了，因此這里不再過(guò)多敘述。

3）.CT飽和時(shí)的附加穩(wěn)定特性

比率差動(dòng)保護(hù)設(shè)有一個(gè)CT飽和時(shí)的附加穩(wěn)定特性區(qū)，它的工作特性如圖所示。對(duì)于發(fā)生在被保護(hù)變壓器區(qū)外的故障引起的CT飽和，可以通過(guò)高值的初始制動(dòng)電流檢測(cè)出來(lái)，此電流會(huì)將工作點(diǎn)短暫的移至附加穩(wěn)定特性區(qū)內(nèi)。反之，當(dāng)變壓器區(qū)內(nèi)故障時(shí)其工作點(diǎn)會(huì)立即進(jìn)入動(dòng)作區(qū)，不會(huì)進(jìn)入附加穩(wěn)定特性區(qū)。因此，利用故障發(fā)生的最初半個(gè)周期內(nèi)，測(cè)量的量值引發(fā)的工作點(diǎn)是否在附加穩(wěn)定特性區(qū)內(nèi)，由此作出決定。一旦檢查出外部故障引起CT飽和，裝置自動(dòng)閉鎖了比率差動(dòng)保護(hù)，并會(huì)在整定的時(shí)間內(nèi)一直有效閉鎖，直到整定時(shí)間到時(shí)，才解除閉鎖。在外部故障引起的CT飽和閉鎖了比率差動(dòng)保護(hù)期間，如果此后發(fā)生故障變化，變壓器區(qū)內(nèi)也發(fā)生故障，工作點(diǎn)穩(wěn)定地連續(xù)兩個(gè)周期工作在動(dòng)作區(qū)內(nèi)，閉鎖會(huì)被立即解除，可靠地檢查出被保護(hù)變壓器發(fā)展中的故障而較迅速動(dòng)作。檢查出變壓器區(qū)外故障引起CT飽和閉鎖了比率差動(dòng)保護(hù)的判據(jù)公式如下式。

Izd≥ICTICT—制動(dòng)電流門坎值

Icd≤(KB1/2)IzdTCT—閉鎖時(shí)間

T≤TCT

4）.CT斷線判據(jù)

裝置設(shè)有延時(shí)CT斷線報(bào)警及瞬時(shí)CT斷線報(bào)警功能。該瞬時(shí)CT斷線判據(jù)只針對(duì)變壓器各側(cè)CT接線均為Y形接法的回路。具體方案

1).延時(shí)CT斷線報(bào)警：當(dāng)任一相差流大于的時(shí)間超過(guò)5秒時(shí)，采樣異常告警信息并指示燈顯示，但不閉鎖比率差動(dòng)保護(hù)。兼作為交流采樣回路異常的自檢作用；

2).瞬時(shí)CT斷線采用比較變壓器各側(cè)電流的方法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。判據(jù)

只有一側(cè)一相電流減小到零，其它各側(cè)電流不變的情況下，判為CT斷線。且在如下的條件下不進(jìn)行CT斷線判別：?jiǎn)?dòng)前某側(cè)最大相電流小于，該側(cè)不判；啟動(dòng)后任一側(cè)相電流增加；啟動(dòng)后相電流大于。瞬時(shí)CT斷線功能可以通過(guò)配置字選擇投/退，還可以選擇是否閉鎖比率差動(dòng)保護(hù)，還可以選擇相電流超過(guò)時(shí)解除閉鎖保護(hù)功能

2．2．2后備保護(hù)原理

針對(duì)中、低壓電網(wǎng)的變壓器及農(nóng)用電網(wǎng)的變壓器的保護(hù)需求，后備保護(hù)考慮到各種變壓器的最大配置要求。主要采用了各種過(guò)電流類的保護(hù)，如：復(fù)壓閉鎖過(guò)流保護(hù)，零壓閉鎖零序過(guò)流保護(hù)，間隙零序過(guò)流保護(hù)，過(guò)負(fù)荷保護(hù)等。后備保護(hù)的方向元件、方向指向、電壓元件、PT斷線等功能均可由邏輯控制字的字位設(shè)定邏輯而靈活配置，跳閘出口可由邏輯控制字的字位編程確定相應(yīng)的出口。因此，該系列變壓器保護(hù)中的后備保護(hù)配置完備，應(yīng)用靈活方便。另外，在DF3331C變壓器后備保護(hù)裝置中配有測(cè)控功能。

2．2．3算法

該系列變壓器保護(hù)的采樣率為每周波16點(diǎn)，主要采用全周付氏差分濾波算法。保護(hù)裝置在較高的采樣率下，保證了數(shù)據(jù)正常狀況下的精確計(jì)算和故障全過(guò)程的準(zhǔn)確計(jì)算，所有獨(dú)立功能單元的數(shù)據(jù)運(yùn)算保證并行實(shí)時(shí)計(jì)算跟蹤。因此，該系列變壓器保護(hù)裝置具有很高的固有可靠性及安全性。

2．2．4啟動(dòng)元件

保護(hù)的啟動(dòng)元件主要由兩種類型的算法構(gòu)成。一種是突變量啟動(dòng)元件，該元件啟動(dòng)快速捕捉故障起始點(diǎn)準(zhǔn)確，對(duì)突發(fā)性短路故障啟動(dòng)迅速；另一種是有效值啟動(dòng)元件，該元件啟動(dòng)可靠準(zhǔn)確。這兩種啟動(dòng)元件互為補(bǔ)充，保證了保護(hù)的可靠啟動(dòng)。不同的保護(hù)采用不同的啟動(dòng)元件，啟動(dòng)方式采用相對(duì)的“寬進(jìn)嚴(yán)出”策略。啟動(dòng)元件動(dòng)作后開(kāi)放裝置跳閘出口回路，使正常情況下保護(hù)裝置的元件損壞不會(huì)引起保護(hù)裝置誤出口，大大提高了保護(hù)裝置的可靠性。

2．2．5自檢功能

裝置具有較完善的自檢功能，當(dāng)檢測(cè)出有異常情況時(shí)，裝置告警并生成告警報(bào)告，裝置液晶顯示并將報(bào)告通信上傳。根據(jù)告警的嚴(yán)重程度分為裝置故障和異常告警兩類。

裝置故障類：如定值出錯(cuò)、RAM故障、程序ROM故障、開(kāi)出常通故障、AD變換超時(shí)故障等，此時(shí)裝置故障告警，保護(hù)功能退出并閉鎖保護(hù)出口，應(yīng)盡快檢查解決問(wèn)題。

異常告警類：如采樣異常、CT斷線、PT斷線、復(fù)合電壓出口等。此時(shí)裝置異常告警，保護(hù)功能沒(méi)有退出，應(yīng)盡快分析檢查解決問(wèn)題。

另外，裝置具有電源監(jiān)視電路及接點(diǎn)輸出，硬件看門狗電路。通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)間接監(jiān)視裝置的工作情況。以上措施大大提高了裝置的可靠性、免維護(hù)性和連續(xù)工作的時(shí)間。

2．2．6人機(jī)接口

裝置具有人性化的豐富的人機(jī)接口功能，通過(guò)這個(gè)界面使人和裝置、人和系統(tǒng)之間更加透明了。主要包括幾個(gè)方面建立聯(lián)系：裝置面板上的大屏幕液晶顯示器，提供文字圖形信息；裝置面板上的小鍵盤輸入，提供輸入交互功能；裝置通過(guò)面板上的維護(hù)口與筆記本電腦通信，由維護(hù)軟件實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的維護(hù)分析功能；裝置的網(wǎng)絡(luò)通信口提供后臺(tái)或遠(yuǎn)程的強(qiáng)大維護(hù)分析功能。

2．2．7故障分析

為了滿足保護(hù)的故障分析要求，該系列變壓器保護(hù)具有較強(qiáng)的故障錄波能力。保護(hù)動(dòng)作時(shí)，每次按照觸發(fā)事件錄波，每一事件錄事件前五個(gè)周波和事件后二十個(gè)周波，每次可以最多錄100周波的采樣數(shù)據(jù)?？梢杂涗洶舜蔚墓收箱洸〝?shù)據(jù)，并且配合豐富的事件報(bào)告，記錄事件發(fā)生時(shí)的詳細(xì)信息。能夠記錄10份的保護(hù)動(dòng)作報(bào)告和10份的告警報(bào)告。這些故障信息可以通信上傳。另外，還可以將分散錄波的插件安裝在特定的裝置內(nèi)部，組成獨(dú)立的錄波網(wǎng)。裝置的故障分析能力大大加強(qiáng)了。

2．3保護(hù)硬件平臺(tái)和結(jié)構(gòu)

保護(hù)的硬件分為幾個(gè)功能插件來(lái)完成，主要包括：CPU插件、交流插件、出口插件、電源插件、通信板卡及面板。硬件平臺(tái)采用先進(jìn)的工業(yè)級(jí)芯片和器件，主芯片為MOTOROLA的32位單片機(jī)；芯片、器件采用表面貼裝技術(shù)，多層印制板設(shè)計(jì)；采用14位A/D轉(zhuǎn)換芯片，提高了數(shù)據(jù)采集的分辨率和測(cè)量精度；具有足夠的輸入和輸出接口；一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS485通信接口，另外具有一個(gè)通信板卡可選為FDKBUS接口、光纖FDKBUS環(huán)網(wǎng)接口、以太網(wǎng)接口之一；電源采用開(kāi)關(guān)電源，采用浮地方式同機(jī)殼不相連等。

結(jié)構(gòu)為插件式整面板密閉嵌入式結(jié)構(gòu)，采用高6U、寬19"/N、深的機(jī)箱，內(nèi)部插件的方式。結(jié)構(gòu)美觀大方適用，滿足集中組屏或就地安裝要求。其外觀圖示見(jiàn)圖。

圖2..2結(jié)構(gòu)外觀圖

該系列變壓器保護(hù)裝置的電氣隔離和電磁屏蔽設(shè)計(jì)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),電磁兼容性能指標(biāo)滿足IEC61000-4中規(guī)定的最嚴(yán)酷等級(jí)的要求。

2．4保護(hù)通信功能

保護(hù)的通信接口豐富，功能強(qiáng)大。安裝不同的通信板卡，就可以實(shí)現(xiàn)通信接口的不同選擇，通信接口可以選擇如下說(shuō)明的接口之一。

1).一個(gè)可選的FDKBUS接口，通信媒介可采用屏蔽電纜，通信速率為～1Mbps，通信規(guī)約采用FNP規(guī)約；

2).一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口，通信媒介可以采用光纖或屏蔽電纜，通信速率為9600bps；

3).一個(gè)可選的光纖FDKBUS環(huán)網(wǎng)接口，可實(shí)現(xiàn)基于FDKBUS的塑料光纖冗余雙環(huán)或多模光纖冗余雙環(huán)通訊方式，通信速率為～1Mbps，通信規(guī)約采用FNP規(guī)約；

4).一個(gè)可選的以太網(wǎng)接口，通信媒介可以采用光纖或屏蔽電纜，通信速率為10Mbps，通信規(guī)約建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議之上。

3保護(hù)的試驗(yàn)和應(yīng)用情況

DF3300系列微機(jī)變壓器保護(hù)裝置通過(guò)了嚴(yán)格細(xì)致的內(nèi)部靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)的測(cè)試，并且通過(guò)了電力工業(yè)部電力設(shè)備及儀表質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心的嚴(yán)格的型式試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)。目前，該系列微機(jī)變壓器保護(hù)裝置已經(jīng)大量訂貨投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。此外，近期在東方電子檢測(cè)中心RTDS數(shù)字模擬試驗(yàn)室，該系列的主要保護(hù)裝置和SEL-587還一起進(jìn)行了RTDS數(shù)字模擬試驗(yàn)。從大量的試驗(yàn)和應(yīng)用情況看，該系列微機(jī)變壓器保護(hù)裝置達(dá)到了很高的設(shè)計(jì)水平。以下是幾幅RTDS數(shù)字模擬試驗(yàn)故障錄波圖，保護(hù)動(dòng)作情況見(jiàn)圖示。

圖高壓側(cè)區(qū)內(nèi)CN經(jīng)300Ω電阻故障錄波圖

圖高壓側(cè)區(qū)外AN發(fā)展到區(qū)內(nèi)AN故障錄波圖

圖高壓側(cè)B相2%匝間短路故障錄波圖

4結(jié)束語(yǔ)

新一代的DF3300系列變壓器保護(hù)裝置，在保護(hù)整體性能上有了顯著的提高和發(fā)展。在對(duì)于變壓器輕微故障的靈敏性、CT飽和、通信功能、故障分析、電磁兼容、配置應(yīng)用等方面有了顯著提高。試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行都表明該系列變壓器保護(hù)裝置達(dá)到了較高的設(shè)計(jì)水平。

參考文獻(xiàn)

[1]王維儉電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用北京：中國(guó)電力出版社，1998

東方電子DF3300系列變壓器保護(hù)裝置技術(shù)說(shuō)明書(shū)

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