新型微机变压器保护的设计与开发 - 文章

新型微机变压器保护的设计与开发

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摘要：本文介绍了新一代变压器保护的设计思想、保护原理及试验情况等。针对中、低压电网及农用电网的变压器保护需求，采用了不同的保护配置方案；采用了成熟可靠的保护原理，对CT饱和有了可靠的判别方法；对装置的硬件平台、结构、人机接口、通信接口有了显著的提高和发展等。
关键词：变压器 CT饱和人机接口 32位单片机故障分析通信功能

1 前言

电力变压器是发电厂和变电站的主要电气设备之一，它们对电力系统的安全稳定运行至关重要。一旦发生故障遭到损坏，其检修难度大、时间长，要造成很大的经济损失；另外，发生故障后突然切除变压器也会对电力系统造成或大或小的扰动。因此，对继电保护的要求很高。

根据DF3200系列微机变压器保护装置近五年、上千套产品的运行经验，把它们在中、低压电网的成功方面和不足之处进行总结的基础上，研制了新一代的DF3300系列微机变压器保护装置。它们采用系统化设计思想，采用成熟可靠的保护原理，应用最先进的计算机网络通信和控制技术，采用先进可靠的硬件技术和美观适用的结构，保护、监控、通信网络整体化设计，保护功能相对独立，符合DF3300变电站自动化系统的分层、分布、分散式的面向对象的整体设计思想要求。以下简要介绍新一代DF3300系列微机变压器保护装置的设计方案等。

2 保护设计方案

DF3300系列微机变压器保护装置主要是为满足大量的中、低压电网的变压器保护的需要而设计。它作为DF3300变电站自动化系统的有机组成部分，可以满足变电站自动化的全部需求，也可以作为独立的变压器保护系统工作。

2.1 保护配置方案

在设计保护的配置方案时，充分注意到最新的《继电保护和安全自动装置技术规程》中提到建议和要求等，同时，考虑到中、低压电网中保护应用的实际情况，尤其是农用电网中保护的实际情况，而确定采用的保护配置方案。

高压电网的变压器重要程度等因素，要求变压器保护双重化配置，所以采用主后备一体化的双套变压器保护装置是比较好的方式。中、低压电网中，一方面要求变压器保护装置的可靠工作，另一方面并不要求变压器保护双重化配置，针对这种情况，如果将变压器的全部保护集中在一套保护装置，一旦保护装置故障将失去全部的变压器保护功能，所以采用主后备保护分配到完全独立的不同的保护装置，适当的保护功能独立分担方式是较好的配置方式。对于农用电网的小型变压器，对保护的要求简单、可靠、经济，而且经济性要求十分明显，采用简单的主后备保护一体化的保护装置是较好的配置方式。变压器的非电量保护，原则上应该与电气量保护相互独立，真正起到互为备用或补充。基于以上的设计思想确定的主要面向中、低压电网的变压器保护系列装置如下：

1).DF3330三圈变差动保护装置，满足四侧电流输入的差流速断保护和比率差动保护，中、低压侧及第四侧各配置过电流保护等，适用于中、低压电网的电力变压器的主保护；

2).DF3331A变压器接地侧后备保护装置，具有复压闭锁（方向）过流保护，零压闭锁零序（方向）过流保护，间隙零序过流保护等，作为变压器大电流接地侧的后备保护；

3).DF3331B变压器不接地侧后备保护装置，具有复压闭锁（方向）过流保护，零序过流保护，零序过压告警，过负荷保护等，作为变压器不接地侧的后备保护；

4).DF3333双圈变差动保护装置，满足两侧电流输入的差流速断保护和比率差动保护，低压侧配置过电流保护等，适用于中、低压电网的电力变压器的主保护；

5).DF3332变压器本体保护装置，具有六路跳闸回路和五路信号回路，适用于油浸式电力变压器的开关量保护；

6).DF3333A变压器保护装置。满足两侧电流输入的差流速断保护和比率差动保护等；高、低压侧的复压闭锁（方向）过流保护，高、低压侧零序过压告警，过负荷保护等，特别适用于农用电网的小型变压器的成套保护；

7).DF3331C变压器后备保护装置，具有复压闭锁（方向）过流保护，零序过流保护，零序过压告警，过负荷保护，三路独立的本体跳闸和信号回路及一路带延时的开关量保护，测控功能等，作为变压器不接地或小电流接地侧的后备保护和测控装置；

8).DF3332A变压器本体保护装置，具有三路跳闸回路和两路信号回路，三个独立的具有压力闭锁功能的操作箱回路，适用于油浸式电力变压器的开关量保护。

因此，以上的变压器保护装置可以根据需要灵活配置，完全可以经济、实用、可靠的完成中、低压电网及农用电网的各种变压器保护的需要。

2.2 保护原理

2.2.1 主保护原理

1）差动电流速断保护

采用三相差动电流中任一相大于差动电流速断定值时，瞬时动作出口，它不受任何闭锁条件约束，快速切除变压器区内发生的严重故障。根据微机保护的特点，该保护判据采用可变数据窗的两种算法实现。一种用于保护启动后初始阶段的快速判断，加快出口动作速度；另一种计算准确，可以在启动一个周波后随时瞬动出口。整体效果类似“反时限”的性能。保护判据为：Idz ≥ ISD，ISD—差动电流速断定值。

2）比率差动保护

该保护采用如下的保护动作判据公式（2-1），保护的动作特性曲线如图2.1所示。

Idz≥ICD （Izd Idz≥ICD +KB1(Izd -IGD ) （Izd ≥IGD ）

图2.1 比率差动动作特性

该保护识别励磁涌流采用了二次谐波制动和波形不对称制动两种判据。二次谐波制动判据有两种方案供选择：一种是按二次谐波和基波比值最大的相为制动判据；另一种是分别选取三相差动电流中二次谐波和基波的最大值，并以它们的比值为制动判据。

按最大比值相制动：max(Icda2 / Icda1，Icdb2 / Icdb1，Icdc2 / Icdc1) ≥ KXB （2-2）
综合相制动：max(Icda2、Icdb2、Icdc2) / max(Icda1、Icdb1、Icdc1) ≥ KXB （2-3）

波形不对称制动判据只在DF3333A变压器保护装置中采用了，因此这里不再过多叙述。

3）CT饱和时的附加稳定特性

比率差动保护设有一个CT饱和时的附加稳定特性区，它的工作特性如图2.1所示。对于发生在被保护变压器区外的故障引起的CT饱和，可以通过高值的初始制动电流（ICT）检测出来，此电流会将工作点短暂的移至附加稳定特性区内。反之，当变压器区内故障时其工作点会立即进入动作区，不会进入附加稳定特性区。因此，利用故障发生的最初半个周期内，测量的量值引发的工作点是否在附加稳定特性区内，由此作出决定。一旦检查出外部故障引起CT饱和，装置自动闭锁了比率差动保护，并会在整定的时间（TCT）内一直有效闭锁，直到整定时间到时，才解除闭锁。在外部故障引起的CT饱和闭锁了比率差动保护期间，如果此后发生故障变化，变压器区内也发生故障，工作点稳定地连续两个周期工作在动作区内，闭锁会被立即解除，可靠地检查出被保护变压器发展中的故障而较迅速动作。检查出变压器区外故障引起CT饱和闭锁了比率差动保护的判据公式如下式（2-4）。

Izd ≥ ICT ICT —制动电流门坎值
Icd ≤ (KB1/2) Izd TCT—闭锁时间（2-4）
T ≤ TCT

4）.CT断线判据

装置设有延时CT断线报警及瞬时CT断线报警功能。该瞬时CT断线判据只针对变压器各侧CT 接线均为Y形接法的回路。具体方案如下：

1).延时CT断线报警：当任一相差流大于0.12In的时间超过5秒时，采样异常告警信息并指示灯显示，但不闭锁比率差动保护。兼作为交流采样回路异常的自检作用；

2).瞬时CT断线采用比较变压器各侧电流的方法实现检测功能。判据如下：

只有一侧一相电流减小到零，其它各侧电流不变的情况下，判为CT断线。且在如下的条件下不进行CT断线判别：启动前某侧最大相电流小于0.1In ，该侧不判；启动后任一侧相电流增加；启动后相电流大于1.2Ie。瞬时CT断线功能可以通过配置字选择投/退，还可以选择是否闭锁比率差动保护，还可以选择相电流超过1.2Ie时解除闭锁保护功能。

2.2.2 后备保护原理

针对中、低压电网的变压器及农用电网的变压器的保护需求，后备保护考虑到各种变压器的最大配置要求。主要采用了各种过电流类的保护，如：复压闭锁（方向）过流保护，零压闭锁零序（方向）过流保护，间隙零序过流保护，过负荷保护等。后备保护的方向元件、方向指向、电压元件、PT断线等功能均可由逻辑控制字的字位设定逻辑而灵活配置，跳闸出口可由逻辑控制字的字位编程确定相应的出口。因此，该系列变压器保护中的后备保护配置完备，应用灵活方便。另外，在DF3331C变压器后备保护装置中配有测控功能。

2.2.3 算法

该系列变压器保护的采样率为每周波16点，主要采用全周付氏差分滤波算法。保护装置在较高的采样率下，保证了数据正常状况下的精确计算和故障全过程的准确计算，所有独立功能单元的数据运算保证并行实时计算跟踪。因此，该系列变压器保护装置具有很高的固有可靠性及安全性。

2.2.4 启动元件

保护的启动元件主要由两种类型的算法构成。一种是突变量启动元件，该元件启动快速捕捉故障起始点准确，对突发性短路故障启动迅速；另一种是有效值启动元件，该元件启动可靠准确。这两种启动元件互为补充，保证了保护的可靠启动。不同的保护采用不同的启动元件，启动方式采用相对的“宽进严出”策略。启动元件动作后开放装置跳闸出口回路，使正常情况下保护装置的元件损坏不会引起保护装置误出口，大大提高了保护装置的可靠性。

2.2.5 自检功能

装置具有较完善的自检功能，当检测出有异常情况时，装置告警并生成告警报告，装置液晶显示并将报告通信上传。根据告警的严重程度分为装置故障和异常告警两类。

装置故障类：如定值出错、RAM故障、程序ROM故障、开出常通故障、AD变换超时故障等，此时装置故障告警，保护功能退出并闭锁保护出口，应尽快检查解决问题。

异常告警类：如采样异常、CT断线、PT断线、复合电压出口等。此时装置异常告警，保护功能没有退出，应尽快分析检查解决问题。

另外，装置具有电源监视电路及接点输出，硬件看门狗电路。通过通信网络间接监视装置的工作情况。以上措施大大提高了装置的可靠性、免维护性和连续工作的时间。

2.2.6 人机接口

装置具有人性化的丰富的人机接口功能，通过这个界面使人和装置、人和系统之间更加透明了。主要包括几个方面建立联系：装置面板上的大屏幕液晶显示器，提供文字图形信息；装置面板上的小键盘输入，提供输入交互功能；装置通过面板上的维护口与笔记本电脑通信，由维护软件实现强大的维护分析功能；装置的网络通信口提供后台或远程的强大维护分析功能。

2.2.7 故障分析

为了满足保护的故障分析要求，该系列变压器保护具有较强的故障录波能力。保护动作时，每次按照触发事件录波，每一事件录事件前五个周波和事件后二十个周波，每次可以最多录100周波的采样数据。可以记录八次的故障录波数据，并且配合丰富的事件报告，记录事件发生时的详细信息。能够记录10份的保护动作报告和10份的告警报告。这些故障信息可以通信上传。另外，还可以将分散录波的插件安装在特定的装置内部，组成独立的录波网。装置的故障分析能力大大加强了。

2.3 保护硬件平台和结构

保护的硬件分为几个功能插件来完成，主要包括：CPU插件、交流插件、出口插件、电源插件、通信板卡及面板。硬件平台采用先进的工业级芯片和器件，主芯片为MOTOROLA的32位单片机；芯片、器件采用表面贴装技术，多层印制板设计；采用14位A/D转换芯片，提高了数据采集的分辨率和测量精度；具有足够的输入和输出接口；一个标准RS485通信接口，另外具有一个通信板卡可选为FDKBUS接口、光纤FDKBUS环网接口、以太网接口之一；电源采用开关电源，采用浮地方式同机壳不相连等。

结构为插件式整面板密闭嵌入式结构，采用高6U、宽19"/N、深232.5mm的机箱，内部插件的方式。结构美观大方适用，满足集中组屏或就地安装要求。其外观图示见图2.2。

图2.2 结构外观图

该系列变压器保护装置的电气隔离和电磁屏蔽设计符合国际标准,电磁兼容性能指标满足IEC61000-4中规定的最严酷等级（Ⅳ级）的要求。

2.4 保护通信功能

保护的通信接口丰富，功能强大。安装不同的通信板卡，就可以实现通信接口的不同选择，通信接口可以选择如下说明的接口之一。

1).一个可选的FDKBUS接口，通信媒介可采用屏蔽电缆，通信速率为187.5K～1Mbps，通信规约采用FNP（Fieldbus Network Protocol）规约；
2).一个标准的RS485接口，通信媒介可以采用光纤或屏蔽电缆，通信速率为9600bps；
3).一个可选的光纤FDKBUS环网接口，可实现基于FDKBUS的塑料光纤冗余双环或多模光纤冗余双环通讯方式，通信速率为187.5K～1Mbps，通信规约采用FNP规约；
4).一个可选的以太网接口，通信媒介可以采用光纤或屏蔽电缆，通信速率为10Mbps，通信规约建立在国际标准的TCP/IP协议之上。

3 保护的试验和应用情况

DF3300系列微机变压器保护装置通过了严格细致的内部静态试验和动态模拟试验的测试，并且通过了电力工业部电力设备及仪表质量检验测试中心的严格的型式试验和动态模拟试验。目前，该系列微机变压器保护装置已经大量订货投入现场运行。此外，近期在东方电子检测中心RTDS数字模拟试验室，该系列的主要保护装置和SEL-587还一起进行了RTDS数字模拟试验。从大量的试验和应用情况看，该系列微机变压器保护装置达到了很高的设计水平。以下是几幅RTDS数字模拟试验故障录波图，保护动作情况见图示。

图3.1 高压侧区内CN经300Ω电阻故障录波图

图3.2 高压侧区外AN发展到区内AN故障录波图

图3.3 高压侧B相2%匝间短路故障录波图

4 结束语

新一代的DF3300系列变压器保护装置，在保护整体性能上有了显著的提高和发展。在对于变压器轻微故障的灵敏性、CT饱和、通信功能、故障分析、电磁兼容、配置应用等方面有了显著提高。试验和实际运行都表明该系列变压器保护装置达到了较高的设计水平。

参考文献
[1] 王维俭电气主设备继电保护原理与应用北京：中国电力出版社，1998
[2] 东方电子DF3300系列变压器保护装置技术说明书

Design and Development for A New type of Micro-processor Based
Transformer Protection Device
QUAN Xian-jun,YANG Ze-ping,WU Yu-ming, WAN Xiang-yang
(Yantai Dongfang Electronics Information Industtry Co.,Ltd,Yantai 264000,China)
Abstract：Design、protection principle and test about a new generation of transformer protection are introduced in this paper. To meet the needs of transformer protection for MV, LV and rural power system, different protection scheme are adopted. Reliable protection principles are used. And for CT saturation, reliable method is applied. The hardware platform, structure, HMI, communication interface have been greatly improved.
Keyword：Transformer,CT saturation,HMI (human-machine interface),32-bit Single-Chip Microcomputer,Fault Analysis, Communication Function

Fig2.1 Characteristics of Percentage Differential Principle
Fig2.2 Fig of Structure and Show
Fig3.1 Fault Record for internal fault at high voltage side, phase A to ground, Rf=300Ω
Fig3.2 Fault Record for evolving fault (from external to internal) at high voltage side, phase A to ground, Rf=300Ω
Fig3.3 Fault Record for 2% turns short circuit at high voltage side, phase B

注：发表于“2003年亚洲继电保护和控制学术研讨会及第九届全国继电保护和控制学术研讨会”会议论文。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/31/2005)


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