新型微機(jī)變壓器保護(hù)的開發(fā)設(shè)計和應(yīng)用

新型微機(jī)變壓器保護(hù)的開發(fā)設(shè)計和應(yīng)用 
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，其檢驗難度大、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(hù)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(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。  

 保護(hù)配置方案 

在設(shè)計保護(hù)的配置方案時，充分留意到最新的《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，假如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)裝置故障將失往全部的變壓器保護(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。基于以上的設(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)電流輸進(jìn)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)電流輸進(jìn)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)電流輸進(jìn)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縱箱回路，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。 

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(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 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(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。廣州市駿凱電子科技有限公司對于發(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)進(jìn)動作區(qū)，不會進(jìn)進(jìn)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)，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(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，假如此后發(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。  

 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。 

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(hù)裝置具有很高的固有可靠性及安全性。 

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(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，大大進(jìn)步了保護(hù)裝置的可靠性。 

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(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)盡快檢查解決題目。 

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(wǎng)絡(luò)間接監(jiān)視裝置的工作情況。以上措施大大進(jìn)步了裝置的可靠性、免維護(hù)性和連續(xù)工作的時間。 

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進(jìn)，提供輸進(jìn)交互功能；裝置通過面板上的維護(hù)口與筆記本電腦通訊，由維護(hù)軟件實現(xiàn)強大的維護(hù)分析功能；裝置的網(wǎng)絡(luò)通訊口提供后臺或遠(yuǎn)程的強大維護(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)。可以記錄八次的故障錄波數(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(hù)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(nèi)部，組成獨立的錄波網(wǎng)。裝置的故障分析能力大大加強了。 

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、通訊板卡及面板。硬件平臺采用先進(jìn)的產(chǎn)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，進(jìn)步了數(shù)據(jù)采集的分辨率和丈量精度；具有足夠的輸進(jìn)和輸出接口；一個標(biāo)準(zhǔn)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(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進(jìn)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。  
  
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。 

保護(hù)通訊功能 

保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)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(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(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議之上。 

2　后備保護(hù)  

后備保護(hù)在各型保護(hù)裝置中的差別不大，過流保護(hù)依然是最基本的后備保護(hù)，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(hù)已經(jīng)配備了阻抗保護(hù)，有相間阻抗保護(hù)和接地間隔保護(hù)各若干段。間隔保護(hù)應(yīng)用在變壓器保護(hù)上是有益的補充，但其保護(hù)性能并不能完全取代過電流保護(hù)，因此阻抗保護(hù)和復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)共同構(gòu)成的后備保護(hù)更加完善。后備保護(hù)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(diào)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(fù)合電壓的使用  

復(fù)合電壓作為一個閉鎖條件，在新型微機(jī)保護(hù)中使用更加靈活。變壓器各側(cè)復(fù)合電壓并聯(lián)使用非常輕易：一側(cè)TV(電壓互感器)檢驗時，可以通過控制字或壓板投退本側(cè)電壓，這時本側(cè)復(fù)合電壓條件不滿足，本側(cè)復(fù)合電壓啟動其它側(cè)條件也不滿足。這樣便有效地解決了變壓器某側(cè)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(chǎn)3U0，電壓極性易于保證。但是零序電流可采用自產(chǎn)或外接中性點電流，這就要求嚴(yán)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(hù)  

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

變壓器重瓦斯保護(hù)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(hù)無故障跳閘。對此國家電力公司頒布的《繼電保護(hù)反事故措施要點》有相關(guān)規(guī)定，一定要進(jìn)步重瓦斯保護(hù)啟動跳閘中間繼電器的動作電壓，動作電壓應(yīng)進(jìn)步到0.55～0.6 Ue。因此，在二次安裝校驗時，一定要進(jìn)行檢驗。  

固然微機(jī)保護(hù)技術(shù)發(fā)展很快，但是瓦斯保護(hù)作為主保護(hù)的地位是不可動搖的，它和差動保護(hù)共同構(gòu)成完整的主保護(hù)。  

4　直流電源  

變壓器保護(hù)實現(xiàn)了雙重化，其直流電源也必須分開，2套保護(hù)電源應(yīng)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(hù)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(yīng)將1、3開關(guān)投進(jìn)，2、4開關(guān)斷開。  


5　TA分配題目  

雙重化的變壓器微機(jī)保護(hù)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(luò)，原因是頂部端蓋密封不嚴(yán)、漏水，由于TA內(nèi)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(yīng)在任何情況下均有快速保護(hù)。針對目前雙重化的變壓器微機(jī)保護(hù)主保護(hù)和后備保護(hù)一體的趨勢，對2套保護(hù)TA二次繞組的分配，1套應(yīng)注重差動保護(hù)，取靠近開關(guān)側(cè)二次繞組；另1套注重后備保護(hù)，取靠近變壓器側(cè)二次繞組。這樣，既保證了差動保護(hù)的范圍及對TA故障保護(hù)，又保證了各側(cè)對母線的后備保護(hù)。