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新型微機(jī)變壓器保護(hù)的設(shè)計與開發(fā)論文
摘要： 本文介紹了新一代變壓器保護(hù)的設(shè)計思想、保護(hù)原理及試驗情況等。針對中、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CT飽和有了可靠的判別方法；對裝置的硬件平臺、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，它們對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。一旦發(fā)生故障遭到損壞，其檢修難度大、時間長，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對電力系統(tǒng)造成或大或小的擾動。因此，對繼電保護(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)品的運行經(jīng)驗，把它們在中、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)計思想，采用成熟可靠的保護(hù)原理，應(yīng)用最先進(jìn)的計算機(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，保護(hù)功能相對獨立，符合DF3300變電站自動化系統(tǒng)的分層、分布、分散式的面向?qū)ο蟮恼w設(shè)計思想要求。以下簡要介紹新一代DF3300系列微機(jī)變壓器保護(hù)裝置的設(shè)計方案等。
2保護(hù)設(shè)計方案
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。它作為DF3300變電站自動化系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，可以滿足變電站自動化的全部需求，也可以作為獨立的變壓器保護(hù)系統(tǒng)工作。
2.1保護(hù)配置方案
在設(shè)計保護(hù)的配置方案時，充分注意到最新的《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》中提到建議和要求等，同時，考慮到中、低壓電網(wǎng)中保護(hù)應(yīng)用的實際情況，尤其是農(nóng)用電網(wǎng)中保護(hù)的實際情況，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)分配到完全獨立的不同的保護(hù)裝置，適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)功能獨立分擔(dān)方式是較好的配置方式。對于農(nóng)用電網(wǎng)的小型變壓器，對保護(hù)的要求簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)，而且經(jīng)濟(jì)性要求十分明顯，采用簡單的主后備保護(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)相互獨立，真正起到互為備用或補充�；谝陨系脑O(shè)計思想確定的主要面向中、低壓電網(wǎng)的變壓器保護(hù)系列裝置如下：
1).DF3330三圈變差動保護(hù)裝置，滿足四側(cè)電流輸入的差流速斷保護(hù)和比率差動保護(hù)，中、低壓側(cè)及第四側(cè)各配置過電流保護(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（方向）過流保護(hù)，零壓閉鎖零序（方向）過流保護(hù)，間隙零序過流保護(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（方向）過流保護(hù)，零序過流保護(hù)，零序過壓告警，過負(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)和比率差動保護(hù)，低壓側(cè)配置過電流保護(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回路，適用于油浸式電力變壓器的開關(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)和比率差動保護(hù)等；高、低壓側(cè)的復(fù)壓閉鎖（方向）過流保護(hù)，高、低壓側(cè)零序過壓告警，過負(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（方向）過流保護(hù)，零序過流保護(hù)，零序過壓告警，過負(fù)荷保護(hù)，三路獨立的本體跳閘和信號回路及一路帶延時的開關(guān)量保護(hù)，測控功能等，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回路，三個獨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）.差動電流速斷保護(hù)
采用三相差動電流中任一相大于差動電流速斷定值時，瞬時動作出口，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，該保護(hù)判據(jù)采用可變數(shù)據(jù)窗的兩種算法實現(xiàn)。一種用于保護(hù)啟動后初始階段的快速判斷，加快出口動作速度；另一種計算準(zhǔn)確，可以在啟動一個周波后隨時瞬動出口。整體效果類似“反時限”的性能。保護(hù)判據(jù)為：Idz ≥ ISD，ISD—差動電流速斷定值。
2）.比率差動保護(hù)
該保護(hù)采用如下的保護(hù)動作判據(jù)公式（2-1），保護(hù)的動作特性曲線如圖2.1所示。
Idz≥ICD （Izd<IGD ） （2-1）
Idz≥ICD +KB1(Izd -IGD ) （Izd ≥IGD ）
圖2.1 比率差動動作特性
該保護(hù)識別勵磁涌流采用了二次諧波制動和波形不對稱制動兩種判據(jù)。二次諧波制動判據(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判據(jù)；另一種是分別選取三相差動電流中二次諧波和基波的最大值，并以它們的比值為制動判據(jù)。
按最大比值相制動：max(Icda2 / Icda1，Icdb2 / Icdb1，Icdc2 / Icdc1) ≥ KXB （2-2）
綜合相制動：max(Icda2、Icdb2、Icdc2) / max(Icda1、Icdb1、Icdc1) ≥ KXB （2-3）
波形不對稱制動判據(jù)只在DF3333A變壓器保護(hù)裝置中采用了，因此這里不再過多敘述。
3）.CT飽和時的附加穩(wěn)定特性
比率差動保護(hù)設(shè)有一個CT飽和時的附加穩(wěn)定特性區(qū)，它的工作特性如圖2.1所示。對于發(fā)生在被保護(hù)變壓器區(qū)外的故障引起的CT飽和，可以通過高值的初始制動電流（ICT）檢測出來，此電流會將工作點短暫的移至附加穩(wěn)定特性區(qū)內(nèi)。反之，當(dāng)變壓器區(qū)內(nèi)故障時其工作點會立即進(jìn)入動作區(qū)，不會進(jìn)入附加穩(wěn)定特性區(qū)。因此，利用故障發(fā)生的最初半個周期內(nèi)，測量的量值引發(fā)的工作點是否在附加穩(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，裝置自動閉鎖了比率差動保護(hù)，并會在整定的時間（TCT）內(nèi)一直有效閉鎖，直到整定時間到時，才解除閉鎖。在外部故障引起的CT飽和閉鎖了比率差動保護(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，工作點穩(wěn)定地連續(xù)兩個周期工作在動作區(qū)內(nèi)，閉鎖會被立即解除，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作。檢查出變壓器區(qū)外故障引起CT飽和閉鎖了比率差動保護(hù)的判據(jù)公式如下式（2-4）。
Izd ≥ ICT ICT —制動電流門坎值
Icd ≤ (KB1/2) Izd TCT—閉鎖時間 （2-4）
T ≤ TCT
4）.CT斷線判據(jù)
裝置設(shè)有延時CT斷線報警及瞬時CT斷線報警功能。該瞬時CT斷線判據(jù)只針對變壓器各側(cè)CT 接線均為Y形接法的回路。具體方案如下：
1).延時CT斷線報警：當(dāng)任一相差流大于0.12In的時間超過5秒時，采樣異常告警信息并指示燈顯示，但不閉鎖比率差動保護(hù)。兼作為交流采樣回路異常的自檢作用；
2).瞬時CT斷線采用比較變壓器各側(cè)電流的方法實現(xiàn)檢測功能。判據(jù)如下：
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：啟動前某側(cè)最大相電流小于0.1In ，該側(cè)不判；啟動后任一側(cè)相電流增加；啟動后相電流大于1.2Ie。瞬時CT斷線功能可以通過配置字選擇投/退，還可以選擇是否閉鎖比率差動保護(hù)，還可以選擇相電流超過1.2Ie時解除閉鎖保護(hù)功能
2．2．2后備保護(hù)原理
針對中、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。主要采用了各種過電流類的保護(hù)，如：復(fù)壓閉鎖（方向）過流保護(hù)，零壓閉鎖零序（方向）過流保護(hù)，間隙零序過流保護(hù)，過負(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，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算和故障全過程的準(zhǔn)確計算，所有獨立功能單元的數(shù)據(jù)運算保證并行實時計算跟蹤。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啟動元件
保護(hù)的啟動元件主要由兩種類型的算法構(gòu)成。一種是突變量啟動元件，該元件啟動快速捕捉故障起始點準(zhǔn)確，對突發(fā)性短路故障啟動迅速；另一種是有效值啟動元件，該元件啟動可靠準(zhǔn)確。這兩種啟動元件互為補充，保證了保護(hù)的可靠啟動。不同的保護(hù)采用不同的啟動元件，啟動方式采用相對的“寬進(jìn)嚴(yán)出”策略。啟動元件動作后開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)檢測出有異常情況時，裝置告警并生成告警報告，裝置液晶顯示并將報告通信上傳。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、RAM故障、程序ROM故障、開出常通故障、AD變換超時故障等，此時裝置故障告警，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。此時裝置異常告警，保護(hù)功能沒有退出，應(yīng)盡快分析檢查解決問題。
另外，裝置具有電源監(jiān)視電路及接點輸出，硬件看門狗電路。通過通信網(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，通過這個界面使人和裝置、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；裝置通過面板上的維護(hù)口與筆記本電腦通信，由維護(hù)軟件實現(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)動作時，每次按照觸發(fā)事件錄波，每一事件錄事件前五個周波和事件后二十個周波，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告，記錄事件發(fā)生時的詳細(xì)信息。能夠記錄10份的保護(hù)動作報告和10份的告警報告。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)硬件平臺和結(jié)構(gòu)
保護(hù)的硬件分為幾個功能插件來完成，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。硬件平臺采用先進(jìn)的工業(yè)級芯片和器件，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；采用14位A/D轉(zhuǎn)換芯片，提高了數(shù)據(jù)采集的分辨率和測量精度；具有足夠的輸入和輸出接口；一個標(biāo)準(zhǔn)RS485通信接口，另外具有一個通信板卡可選為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232.5mm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。其外觀圖示見圖2.2。
該系列變壓器保護(hù)裝置的電氣隔離和電磁屏蔽設(shè)計符合國際標(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（Ⅳ級）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，就可以實現(xiàn)通信接口的不同選擇，通信接口可以選擇如下說明的接口之一。
1).一個可選的FDKBUS接口，通信媒介可采用屏蔽電纜，通信速率為187.5K～1Mbps，通信規(guī)約采用FNP（Fieldbus Network Protocol）規(guī)約；
2).一個標(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).一個可選的光纖FDKBUS環(huán)網(wǎng)接口，可實現(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187.5K～1Mbps，通信規(guī)約采用FNP規(guī)約；
4).一個可選的以太網(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)約建立在國際標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議之上。
3保護(hù)的試驗和應(yīng)用情況
DF3300系列微機(jī)變壓器保護(hù)裝置通過了嚴(yán)格細(xì)致的內(nèi)部靜態(tài)試驗和動態(tài)模擬試驗的測試，并且通過了電力工業(yè)部電力設(shè)備及儀表質(zhì)量檢驗測試中心的嚴(yán)格的型式試驗和動態(tài)模擬試驗。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)場運行。此外，近期在東方電子檢測中心RTDS數(shù)字模擬試驗室，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。從大量的試驗和應(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)計水平。以下是幾幅RTDS數(shù)字模擬試驗故障錄波圖，保護(hù)動作情況見圖示。
4結(jié)束語
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。試驗和實際運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：中國電力出版社，1998
[2] 東方電子DF3300系列變壓器保護(hù)裝置技術(shù)說明書
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