新型微機變壓器保護的開發(fā)設計和應用

新型微機變壓器保護的開發(fā)設計和應用 
電力變壓器是發(fā)電廠和變電站的主要電氣設備之一，它們對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行至關重要。一旦發(fā)生故障遭到損壞，其檢驗難度大、時間長，要造成很大的經濟損失；另外，發(fā)生故障后忽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，對繼電保護的要求很高。電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計| 電力測量儀| 光度計| 電壓計| 電流計|  

保護設計方案 

DF3300系列微機變壓器保護裝置主要是為滿足大量的中、低壓電網的變壓器保護的需要而設計。它作為DF3300變電站自動化系統(tǒng)的有機組成部分，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系統(tǒng)工作。  

 保護配置方案 

在設計保護的配置方案時，充分留意到最新的《繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程》中提到建議和要求等，同時，考慮到中、低壓電網中保護應用的實際情況，尤其是農用電網中保護的實際情況，而確定采用的保護配置方案。 

高壓電網的變壓器重要程度等因素，要求變壓器保護雙重化配置，所以采用主后備一體化的雙套變壓器保護裝置是比較好的方式。中、低壓電網中，一方面要求變壓器保護裝置的可靠工作，另一方面并不要求變壓器保護雙重化配置，針對這種情況，假如將變壓器的全部保護集中在一套保護裝置，一旦保護裝置故障將失往全部的變壓器保護功能，所以采用主后備保護分配到完全獨立的不同的保護裝置，適當?shù)谋Ｗo功能獨立分擔方式是較好的配置方式。對于農用電網的小型變壓器，對保護的要求簡單、可靠、經濟，而且經濟性要求十分明顯，采用簡單的主后備保護一體化的保護裝置是較好的配置方式。變壓器的非電量保護，原則上應該與電氣量保護相互獨立，真正起到互為備用或補充。基于以上的設計思想確定的主要面向中、低壓電網的變壓器保護系列裝置如下： 

1).DF3330三圈變差動保護裝置，滿足四側電流輸進的差流速斷保護和比率差動保護，中、低壓側及第四側各配置過電流保護等，適用于中、低壓電網的電力變壓器的主保護； 

2).DF3331A變壓器接地側后備保護裝置，具有復壓閉鎖（方向）過流保護，零壓閉鎖零序（方向）過流保護，間隙零序過流保護等，作為變壓器大電流接地側的后備保護； 

3).DF3331B變壓器不接地側后備保護裝置，具有復壓閉鎖（方向）過流保護，零序過流保護，零序過壓告警，過負荷保護等，作為變壓器不接地側的后備保護； 

4).DF3333雙圈變差動保護裝置，滿足兩側電流輸進的差流速斷保護和比率差動保護，低壓側配置過電流保護等，適用于中、低壓電網的電力變壓器的主保護； 

5).DF3332變壓器本體保護裝置，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量保護； 

6).DF3333A變壓器保護裝置。滿足兩側電流輸進的差流速斷保護和比率差動保護等；高、低壓側的復壓閉鎖（方向）過流保護，高、低壓側零序過壓告警，過負荷保護等，特別適用于農用電網的小型變壓器的成套保護； 

7).DF3331C變壓器后備保護裝置，具有復壓閉鎖（方向）過流保護，零序過流保護，零序過壓告警，過負荷保護，三路獨立的本體跳閘和信號回路及一路帶延時的開關量保護，測控功能等，作為變壓器不接地或小電流接地側的后備保護和測控裝置； 

8).DF3332A變壓器本體保護裝置，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縱箱回路，適用于油浸式電力變壓器的開關量保護。 

因此，以上的變壓器保護裝置可以根據(jù)需要靈活配置，完全可以經濟、實用、可靠的完成中、低壓電網及農用電網的各種變壓器保護的需要。 

保護原理 

1）差動電流速斷保護 

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)內發(fā)生的嚴重故障。根據(jù)微機保護的特點，該保護判據(jù)采用可變數(shù)據(jù)窗的兩種算法實現(xiàn)。一種用于保護啟動后初始階段的快速判定，加快出口動作速度；另一種計算正確，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。保護判據(jù)為：Idz ≥ ISD，ISD—差動電流速斷定值。

2）比率差動保護 

該保護采用如下的保護動作判據(jù)公式（2-1），保護的動作特性曲線如圖2.1所示。 

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

圖2.1 比率差動動作特性 
該保護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)。二次諧波制動判占有兩種方案供選擇：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 

比率差動保護設有一個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。廣州市駿凱電子科技有限公司對于發(fā)生在被保護變壓器區(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。反之，當變壓器區(qū)內故障時其工作點會立即進進動作區(qū)，不會進進附加穩(wěn)定特性區(qū)。因此，利用故障發(fā)生的最初半個周期內，丈量的量值引發(fā)的工作點是否在附加穩(wěn)定特性區(qū)內，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，并會在整定的時間（TCT）內一直有效閉鎖，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期間，假如此后發(fā)生故障變化，變壓器區(qū)內也發(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，閉鎖會被立即解除，可靠地檢查出被保護變壓器發(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。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電流的方法實現(xiàn)檢測功能。判據(jù)如下： 

只有一側一相電流減小到零，其它各側電流不變的情況下，判為CT斷線。且在如下的條件下不進行CT斷線判別：啟動前某側最大相電流小于0.1In ，該側不判；啟動后任一側相電流增加；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，還可以選擇相電流超過1.2Ie時解除閉鎖保護功能。  

 后備保護原理 

針對中、低壓電網的變壓器及農用電網的變壓器的保護需求，后備保護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，如：復壓閉鎖（方向）過流保護，零壓閉鎖零序（方向）過流保護，間隙零序過流保護，過負荷保護等。后備保護的方向元件、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的出口。因此，該系列變壓器保護中的后備保護配置完備，應用靈活方便。另外，在DF3331C變壓器后備保護裝置中配有測控功能。 

算法 

該系列變壓器保護的采樣率為每周波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正確計算，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，該系列變壓器保護裝置具有很高的固有可靠性及安全性。 

啟動元件 

保護的啟動元件主要由兩種類型的算法構成。一種是突變量啟動元件，該元件啟動快速捕捉故障起始點正確，對突發(fā)性短路故障啟動迅速；另一種是有效值啟動元件，該元件啟動可靠正確。廣州市駿凱電子科技有限公司這兩種啟動元件互為補充，保證了保護的可靠啟動。不同的保護采用不同的啟動元件，啟動方式采用相對的“寬進嚴出”策略。啟動元件動作后開放裝置跳閘出口回路，使正常情況下保護裝置的元件損壞不會引起保護裝置誤出口，大大進步了保護裝置的可靠性。 

自檢功能 

裝置具有較完善的自檢功能，當檢測出有異常情況時，裝置告警并天生告警報告，裝置液晶顯示并將報告通訊上傳。根據(jù)告警的嚴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，保護功能退出并閉鎖保護出口，應盡快檢查解決題目。 

異常告警類：如采樣異常、CT斷線、PT斷線、復合電壓出口等。此時裝置異常告警，保護功能沒有退出，應盡快分析檢查解決題目。 

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。通過通訊網絡間接監(jiān)視裝置的工作情況。以上措施大大進步了裝置的可靠性、免維護性和連續(xù)工作的時間。 

人機接口 

裝置具有人性化的豐富的人機接口功能，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進，提供輸進交互功能；裝置通過面板上的維護口與筆記本電腦通訊，由維護軟件實現(xiàn)強大的維護分析功能；裝置的網絡通訊口提供后臺或遠程的強大維護分析功能。 

2.2.7 故障分析 

為了滿足保護的故障分析要求，該系列變壓器保護具有較強的故障錄波能力。保護動作時，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，廣州市駿凱電子科技有限公司記錄事件發(fā)生時的具體信息。能夠記錄10份的保護動作報告和10份的告警報告。這些故障信息可以通訊上傳。另外，還可以將分散錄波的插件安裝在特定的裝置內部，組成獨立的錄波網。裝置的故障分析能力大大加強了。 

保護硬件平臺和結構 

保護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、通訊板卡及面板。硬件平臺采用先進的產業(yè)級芯片和器件，主芯片為MOTOROLA的32位單片機；芯片、器件采用表面貼裝技術，多層印制板設計；采用14位A/D轉換芯片，進步了數(shù)據(jù)采集的分辨率和丈量精度；具有足夠的輸進和輸出接口；一個標準RS485通訊接口，另外具有一個通訊板卡可選為FDKBUS接口、光纖FDKBUS環(huán)網接口、以太網接口之一；電源采用開關電源，采用浮地方式同機殼不相連等。 

結構為插件式整面板密閉嵌進式結構，采用高6U、寬19"/N、深232.5mm的機箱，內部插件的方式。結構美觀大方適用，滿足集中組屏或就地安裝要求。其外觀圖示見圖2.2。  
  
圖2.2 結構外觀圖 
該系列變壓器保護裝置的電氣隔離和電磁屏蔽設計符合國際標準,電磁兼容性能指標滿足IEC61000-4中規(guī)定的最嚴酷等級（Ⅳ級）的要求。 

保護通訊功能 

保護的通訊接口豐富，功能強大。安裝不同的通訊板卡，就可以實現(xiàn)通訊接口的不同選擇，通訊接口可以選擇如下說明的接口之一。 

1).一個可選的FDKBUS接口，通訊媒介可采用屏蔽電纜，通訊速率為187.5K～1Mbps，通訊規(guī)約采用FNP（Fieldbus Network Protocol）規(guī)約； 
2).一個標準的RS485接口，通訊媒介可以采用光纖或屏蔽電纜，通訊速率為9600bps； 
3).一個可選的光纖FDKBUS環(huán)網接口，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，通訊速率為187.5K～1Mbps，通訊規(guī)約采用FNP規(guī)約； 
4).一個可選的以太網接口，通訊媒介可以采用光纖或屏蔽電纜，通訊速率為10Mbps，通訊規(guī)約建立在國際標準的TCP/IP協(xié)議之上。 

2　后備保護  

后備保護在各型保護裝置中的差別不大，過流保護依然是最基本的后備保護，只是在一些具體題目上有所差別�，F(xiàn)在有些超高壓系統(tǒng)500 kV、330 kV電壓等級的變壓器后備保護已經配備了阻抗保護，有相間阻抗保護和接地間隔保護各若干段。間隔保護應用在變壓器保護上是有益的補充，但其保護性能并不能完全取代過電流保護，因此阻抗保護和復合電壓閉鎖過流保護共同構成的后備保護更加完善。后備保護存在以下題目。  

HOBO 4通道脈沖記錄儀UX120-017

HOBO4通道脈沖數(shù)據(jù)記錄儀UX120-017M

E50B2功率&能量記錄儀T-VER-E50B2

4通道外部HOBO數(shù)據(jù)記錄器U12-008

環(huán)境氣象數(shù)據(jù)記錄儀H21-001

空調節(jié)能環(huán)境記錄儀U12-013

溫度/相對濕度/光強度記錄儀U12-012

環(huán)境照明數(shù)據(jù)記錄器U9-002

HOBO 4通道外部數(shù)據(jù)記錄儀U12-006

2.1復合電壓的使用  

復合電壓作為一個閉鎖條件，在新型微機保護中使用更加靈活。變壓器各側復合電壓并聯(lián)使用非常輕易：一側TV(電壓互感器)檢驗時，可以通過控制字或壓板投退本側電壓，這時本側復合電壓條件不滿足，本側復合電壓啟動其它側條件也不滿足。這樣便有效地解決了變壓器某側造成的失往閉鎖的題目。  

2.2方向題目  

零序方向元件由于采用自產3U0，電壓極性易于保證。但是零序電流可采用自產或外接中性點電流，這就要求嚴格保證不同裝置對中性點TA極性，只有保證中性點TA極性正確才能確保零序方向的正確性。  

3　非電量保護  

非電量保護即本體保護，在微機保護裝置中與以往區(qū)別不大，相當于繼電器箱。但是必須留意瓦斯保護啟動中間繼電器的動作電壓題目。  

變壓器重瓦斯保護啟動跳閘中間繼電器的控制電纜很長，電纜芯線對地電容較大，容抗Xc=1/jωC較小，通過線間電磁耦合過來的干擾電壓較大，尤其在發(fā)生直流接地時，輕易造成重瓦斯保護無故障跳閘。對此國家電力公司頒布的《繼電保護反事故措施要點》有相關規(guī)定，一定要進步重瓦斯保護啟動跳閘中間繼電器的動作電壓，動作電壓應進步到0.55～0.6 Ue。因此，在二次安裝校驗時，一定要進行檢驗。  

固然微機保護技術發(fā)展很快，但是瓦斯保護作為主保護的地位是不可動搖的，它和差動保護共同構成完整的主保護。  

4　直流電源  

變壓器保護實現(xiàn)了雙重化，其直流電源也必須分開，2套保護電源應取自不同的直流母線，2段母線由2組蓄電池供電，這樣才能實現(xiàn)真正的雙重化。即2套保護裝置電源分別取自2段直流母線，如圖2所示。正常運行時，應將1、3開關投進，2、4開關斷開。  


5　TA分配題目  

雙重化的變壓器微機保護要求由不同的TA繞組供電，220 kV及以上電壓的TA都有多組二次繞組。220 kV的多為6組，TA有一種常見故障是底部芯線對地閃絡，原因是頂部端蓋密封不嚴、漏水，由于TA內部積水而引起盡緣損壞。因此，在分配TA二次繞組時，原則是對該點故障，應在任何情況下均有快速保護。針對目前雙重化的變壓器微機保護主保護和后備保護一體的趨勢，對2套保護TA二次繞組的分配，1套應注重差動保護，取靠近開關側二次繞組；另1套注重后備保護，取靠近變壓器側二次繞組。這樣，既保證了差動保護的范圍及對TA故障保護，又保證了各側對母線的后備保護。