电力变压器微机保护系统设计.doc

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目录

摘要 2

绪论 3

一、电力变压器的故障及异常运行状态 5

（一）电力变压器的故障 5

（二）电力变压器的不正常运行状态 5

（三）变压器出现故障的原因 5

（四）电力变压器故障的预防措施 6

二、三相电力系统电力变压器的保护方式 7

（一）瓦斯保护原理分析 7

（二）差动保护 7

（三）电流速断保护 11

（四）过电流保护 12

（五）零序过电流保护 15

（六）变压器过负荷保护 18

三、微机保护装置的硬件电路原理 19

（一）微机保护装置 19

（二）微机保护装置的硬件结构 21

（三）提高微机保护装置可靠性的措施 23

四、保护配置与整定计算 25

（一）电力变压器保护配置 25

（二）保护参数分析与设备配置选择 26

（三）接线配置图 27

（四）整定计算 27

结论 1

致谢  2

参考文献 3

附录：

总原理图 4

摘要

电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备,它在整个电力系统中起着能量和电压转换的作用。

它的运行是否安全,直接关系到电力系统能否连续稳定地运行。

鉴于电力变压器在系统中的重要性,电力变压器的保护一直受到世人的重视和关注。

现如今,随着电力系统规模的不断扩大和它在国民经济中地位的不断提升,对其保护也提出了更高的要求,尤其在可靠性和快速性方面。

本论文针对变压器保护的要求,围绕着变压器微机保护系统的研究展开设计工作。

论文首先介绍了微机继电保护的基本要求、微机保护技术和电力变压器接地保护。

接下来在三相电力变压器的保护方式以瓦斯保护、差动保护、电流速断保护、变压器过负荷保护和过励磁保护中详细分析了电力电压器的保护。

并在遥测量的测量中对变压器、采集模拟量测量值和模数转换对A/D转换器进行分析和改进。

在保护配置与整定计算详细分析、研究带时限的过电流保护整定计算及电流速断保护整定计算的具体算法；从实际运行中变压器的各种故障和不正常状态出发,介绍了变压器保护的基本要求和配置,在此基础上确定了本电力变压器微机保护系统的保护配置,并讲述了所配置的变压器保护的基本原理和具体参数。

关键词：

微机保护电力变压器变送器

绪论

继电保护技术随着电力系统的发展而发展。

同时也随着通信、信息、电子、计算机等相关技术的发展而不断创新。

为了保护电机免受短路电流的破坏，首先出现了反应电流超过一预定值的过电流保护。

熔断器就是最早的、最简单的的过电流保护方式，这种保护方式至今仍广泛应用于低版线路和用电设备。

熔断器的特点是融保护装置与切断电流的装置于一体，其结构最为简单。

由于用电设备的功率、发电机的容量虽不断增大，发电厂、变电站和供电网的结线不断复杂化，电力系统中正常工作电流和短路电流都不断增大，熔断器己不能满足选择性和快速性的要求，于是出现了作用于断路器的过电流继电器。

19世纪80年代出现了用于断路器上直接反应一次短路电流的电磁型过电流继电器。

1901年出现了感应型过电流继电器。

1908年提出了比较被保护组件两端电流的电流差动保护原理。

1910年方向性电流保护开始得到应用，20世纪20年代初距离保护装置出现。

随着电力系统载波通讯的发展，在1927年前后，出现了利用高压输电线卜高频载波电流传送和比较输电线两端功率方向或电流相位的高频保护装置。

20世纪50年代，微波中继通讯开始应用于电力系统，从而出现了利用微波传送和比较输电线两端故障电气量的微波保护。

并提出了利用故障点产生的行波实现快速继电保护的设想,70年代终于诞生了行波保护装置。

随着光纤通讯的出现便有了光纤保护的广泛应用，如光纤差动保护、光纤距离保护等。

以上是继电保护原理的发展过程。

与此同时,构成继电保护装置的组件、材料、保护装置的结构型式和制造工艺也发生了巨大的变革。

20世纪50年代以前的继电保护装置都是由电磁型、感应型或电动型继电器组成的。

这些继电器都具有机械转动部件，统称为机电式继电器。

由机电式继电器组成的继电保护装置称为机电式保护装置这种保护装置体积大，消耗功率大，动作速度慢，机械转动部分和触点容易损坏或粘连，调试维护比较复杂，不能满足超高压、大容量电力系统的要求。

目前正逐渐被淘汰。

20世纪50年代，开始出现了晶体管式继电保护装置。

这种保护功率消耗小，动作速度快无机械转动部分，称之为电子式静态保护装置。

随着大规模集成电路的发展，80年代后期，集成电路继电保护装置很快取代了晶体管继电保护装置，成为静态继电保护装置的主要型式。

在60年代末，电子计算机一问世，便进行了对继电保护计算机算法的大量研究，为今天微型计算机式继电保护（以下简称微机继电保护）的发展奠定了理论基础。

随着微处理器技术的迅速发展及其价格急剧下降，在70年代后期，出现了比较完善的微机保护样机，并投人到电力系统中试运行。

80年代微机保护在硬件结构和软件技术方面已趋成熟。

微机保护具有巨大的计算、分析和逻辑判断能力，有存储记忆功能，因而可用以实现任何性能完善巨复杂的保护原理。

微机继电保护可连续不断地对本身的工作情况进行自检，其工作可靠性很高。

此外，微机继电保护可用同一硬件实现不同的保护原理，这使保护装置的制造大为简化，也容易实行保护装置的标准化。

微机继电保护除了具有保护功能外，还有故障录波、故障测距、事件顺序记录，以及与调度计算机交换信息等辅助功能，这对于简化保护的调试、故分析和事故后的处理等都有重大意义。

进人20世纪90年代以来，在我国得到大量应用，已成为继电保护装置的主要型式，是当今电力系统保护、控制、运行调度及事故处理的综合自动化系统的重要组成部分。

随着计算机技术、微电子技术、网络通信技术、信息技术的不断发展，最新研制的微机继电保护的体积更小，功能更强，性能更优，如硬件结构方面，采用具有强大数据处理功能的ASP微处理芯片，低功耗可编程逻辑芯片（CPLD）和高集成度专用芯片（ASIC）后，使装置的体积，功耗，可靠性等方面得到很大提升。

我国微机继电保护正向微型化、网络化、智能化和人性化方面高速发展。

2.3微机保护发展前景

继电保护技术是随着电力系统的发展而发展起来的。

电力系统的短路是不可避免的。

由于电力系统的发展，用电设备的功率、发电机的容量不断增大，发电厂、变电站、和供电网的结线不断复杂化，电力系统中正常工作电流和短路电流都不断增大，熔断器已不能满足选择性和快速性的要求，于是出现了作用于专门的断流装置的继电器。

本世纪初随着电力系统的发展，继电器才开始广泛应用于电力系统的保护。

这个时期可认为是继电保护技术发展的开端。

本世纪20年代初，距离保护装置出现，50年代，微波中继通讯开始应用于电力系统继电保护。

经过20余年的研究，诞生了行波保护装置。

在继电保护原理的发展过程中，与此容是，构成继电保护装置的元件、材料等也发生了巨大的变革。

从机电式保护装置，到晶体管式继电保护装置，再到集成电路继电保护装置。

在60年代末，微型计算机应用到微机保护被提上日程，拥有巨大的潜力。

继电保护技术的发展现状继电保护技术是随着电力系统的发展而发展的，它与电力系统对运行可靠性要求的不断提高密切相关。

熔断器就是最初出现的简单过电流保护，时至今日仍广泛应用于低压线路和用电设备。

由于电力系统的发展，用电设备的功率、发电机的容量不断增大，发电厂、变电站和供电网的结线不断复杂化，电力系统中正常工作电流和短路电流都不断增大，熔断器已不能满足选择性和快速性的要求，于是出现了作用于专门的断流装置的过电流继电器。

本世纪初随着电力系统的发展，继电器才开始广泛应用于电力系统的保护。

这个时期可认为是微机保护技术发展的开端。

　微机继电保护技术的成熟与发展是近三十年来继电保护领域最显著的进展。

经过长期的研究和实践，现在人们已普遍认可了微机保护在电网中无可替代的优势。

微机保护具有自检功能，有强大的逻辑处理能力、数值计算能力和记忆能力，并且具备很强的数字通信能力，这一切都是电磁继电器、晶体管继电器所难以匹敌的。

计算机技术的进步，更高性能、更高精度的数字外围器件的采用，一直是微机继电保护不断发展的强大动力。

一、电力变压器的故障及异常运行状态

（一）电力变压器的故障

电力变压器的故障分为内部和外部两种故障。

内部故障指变压器油箱里面发生的各种故障，主要靠瓦斯和差动保护动作切除变压器；外部故障指油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，一般情况下由差动保护动作切除变压器。

速动保护（瓦斯和差动）无延时动作切除故障变压器，设备是否损坏主要取决于变压器的动稳定性。

而在变压器各侧母线及其相连间隔的引出设备故障时，若故障设备未配保护（如低压侧母线保护）或保护拒动时，则只能靠变压器后备保护动作跳开相应开关使变压器脱离故障。

因后备保护带延时动作，所以变压器必然要承受一定时间段内的区外故障造成的过电流，在此时间段内变压器是否损坏主要取决于变压器的热稳定性。

因此，变压器后备保护的定值整定与变压器自身的热稳定要求之间存在着必然的联系。

（二）电力变压器的不正常运行状态

变压器外部短路引起短路的过电流，负荷长时间超过额定容量引起的过负荷，风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降等，这些不正常运行状态会使绕组和铁芯过热。

此外，对于中性点不接地运行的星形接线变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性点过电压，威胁变压器的绝缘；大容量变压器在过电压或低频率等异常运行工况下会使变压器过电励磁，引起铁芯和其他金属构件的过热。

变压器处于不正常运行状态时，继电保护应该根据其严重程度，发出告警信号，使运行人员及时发现并采取相应的措施，以确保变压器的安全。

（三）变压器出现故障的原因

1.避雷器接地电阻高

由于避雷器接地电阻高，所以雷电流流过接地电阻时导致变压器外壳电位增高。

当其超过一定数值时，就会引起变压器绝缘击穿损坏。

2.避雷器接地引下线截面太小或长度太长

截面太小在雷击时易被烧断，起不到保护作用，长度太长在某一陡度电流通过时，接地引下线上的压降与避雷器的残压叠加在一起，作用到变压器绕组上有可能破坏变压器绝缘。

3.变压器本身缺陷

根据原北京电力建设科学技术研究所调查、分析，14800台年配电变压器的运行经验表明：

在雷击损坏事故中，大约有37%是因绝缘存在缺陷而引起的。

4.过载

由于电流的增加，变压器线圈温度迅速增加，造成绝缘材料变脆弱，加速老化，形成大量裂纹甚至脱落，严重时使线体裸露，而造成匝间短路。

或者由于外部故障冲击力导致绝缘破损，进而发生故障。

5.线路涌流

现在，除非明确属于雷击事故，一般的冲击故障均被列为“线路涌流”。

线路涌流（或称线路干扰）在导致变压器故障的所有因素中被列为首位。

这一类中包括合闸过电压、电压峰值、线路故障/闪络以及其他输配方面的异常现象。

其中以变压器出口突发性短路危害最大，当变压器二次侧发生短路接地等故障时，一次侧将产生高于额定电流20-30倍的短路电流，而在一次侧必然要产生很大的电流来抵消二次侧短路电流的消磁作用，如此大的电流作用于高电压绕组上，线圈内部将产生很大的机械应力，致使线圈压缩，其绝缘衬垫、垫板就会松动脱落，铁芯夹板螺丝松驰，高压线圈畸变或崩裂，变压器极易发生故障。

6.分接开关故障

（1）变压器漏油使分接开关裸露在空气中，裸露的分接开关绝缘受潮一段时间后性能下降，导致放电短路，损坏变压器。

（2）变压器分接开关在频繁的调动中会造成触头之间的机械磨损、电腐蚀和触头污染，电流的热效应会使弹簧的弹性变弱，从而使动、静触头之间的接触压力下降。

7.引线接头过热

引线接头过热是常见的故障之一，一旦发生将造成导电杆与接线端子间打火，甚至损坏导电杆丝扣，烧断接头，同时发热会造成桩头密封圈老化渗油，油溢至套管，沾粘吸附上导电性的金属尘埃，当遇到潮湿天气、系统谐磁、雷击过电压等就可能发生套管闪络放电或爆炸。

8.其他原因

（1）工艺、制造不良

有少部分变压器故障是由于本身存在故障，例如：

出线端松动或无支撑，垫块松动，焊接不良，铁芯绝缘不良，抗短路强度不足等。

（2）维护不良

变压器保护装置不正确，冷却剂泄漏，污垢淤积以及腐蚀受潮，连接松动等都属于维护不良范畴。

保养不够被有关统计列为第四位导致变压器故障的因素。

（四）电力变压器故障的预防措施

变压器故障有相当部分是完全可以避免的，还有一些只要加强设备巡视严格按章操作，随时可以把事故消除在萌芽状态，这样不但将显著地减少变压器故障的发生以及不可预计的电力中断，而且可大量节约经费和时间。

1.严格按照有关检修技术标准做好变压器运行前的检查和试验，防患于未燃。

2.运行维护

（1）保持瓷套管及绝缘子的清洁。

定期清理变压器上的污垢，检查套管有无闪络放电，接地是否良好，有无断线、脱焊、断裂现象，定期遥测接地电阻不大于4Ω，或者采取防污措施，安装套管防污帽。

（2）在油冷却系统中，检查散热器有无渗漏、生锈、污垢淤积以及任何限制油自由流动的机械损伤。

同时，应经常检查变压器的油位、油色，有无渗漏，发现缺陷及时消除。

（3）保证电气连接的紧固可靠。

（4）定期检查分接开关。

并检验触头的紧固、灼伤、疤痕、转动灵活性及接触的定位。

（5）每三年应对变压器线圈、套管以及避雷器进行介损的检测。

（6）每年检验避雷器接地的可靠性。

接地必须可靠，而引线应尽可能短。

引线应符合规定，无断股现象，旱季应检测接地电阻，其值不应超过5Ω。

应坚持每年一度的预防试验，将不合格的避雷器更换，减少因雷击过电压损坏变压器。

（7）变压器应定时大、小修，在运行中或发生异常情况时，可及时大修。

（8）应考虑将在线检测系统用于最关键的变压器上。

大型变压器在线监测系统（氢气、局部放电及绝缘在线监测）能预先发现运行中变压器的异常状态。

在线监测与专家系统结合起来对变压器绝缘进行预测，把变压器的异常发现于萌芽之初。

二、三相电力系统电力变压器的保护方式

（一）瓦斯保护原理分析

瓦斯保护是反应变压器油箱内部气体的数量和流动的速度而动作的保护，保护变压器油箱内部各种短路故障，特别是对绕组的相间和匝间短路。

由于短路点电弧的作用，将使变压器和其他绝缘材料分解，产生气体。

气体从油箱经连通管流向油枕，利用气体数量及流速构成瓦斯保护。

图2-1上面的触点表示“轻瓦斯保护”，动作后经延时发出报警信号。

下面的触点表示“重瓦斯保护”，动作后启动变压器保护的总出口继电器，使断路器跳闸。

当油箱内部发生严重事故时，由于油流不稳定，可能造成干簧触点的抖动，此时为使断路器能可靠跳闸，应选用具有电流自保持线圈的出口中间继电器KM，动作后由断路器的辅助触点来解除出口回路的自保持。

此外，为防止变压器换油或进行试验时引起重瓦斯保护误动作跳闸，可利用切换片XB将跳闸回路切换到信号回路。

图2-1瓦斯保护的原理接线图

（二）差动保护

1.变压器差动保护的工作原理

差动保护是利用基尔霍夫电流定理工作的，当变压器正常工作或区外故障时，将其看作理想变压器，则流入变压器的电流和流出电流（折算后的电流）相等，差动继电器不动作。

当变压器内部故障时，两侧（或三侧）向故障点提供短路电流，差动保护感受到的二次电流和的正比于故障点电流，差动继电器动作。

差动保护原理简单、使用电气量单纯、保护范围明确、动作不需延时，一直用于变压器做主保护。

另外差动保护还有线路差动保护、母线差动保护等等。

2.构成变压器差动保护的基本原则

图2-2变压器纵差保护原理接线图

正常运行或外部故障时

　　　　（2-1）

所以两侧的CT变比应不同，且应使

即：

　　　　　　　（2-2）

或：

　　　　　（2-3）

即：

按相实现的纵差动保护，其电流互感器变比的选择原则是两侧CT变比的比值等于变压器的变比。

3.不平衡电流产生的原因和消除方法

理论上，正常运行和区外故障时，=I1"-I2"=0。

实际上，很多因素使=Ibp≠0。

（为不平衡电流）

下面讨论不平衡电流产生的原因和消除方法：

（1）由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流：

（Υ/Δ-11）Y.d11接线方式——两侧电流的相位差30°

图2-3电流关系图

消除方法：

相位校正。

变压器Y侧CT（二次侧）：

Δ形。

Y.d11

变压器Δ侧CT（二次侧）：

Y形。

Y.Y12

图2-4三相差动保护原理图（a）

图2-4电流矢量图（b）　　　　　　　　图2-4电流相量图（c）

可见,差动臂中的同相位了,但。

为使正常运行或区外故障时,=0,则应使。

　　　（2-4）

即高压侧电流互感变比应加大倍.该项不平衡电流已清除.

（2）由计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流:

CT的变比是标准化的,如:

600/5,800/5,1000/5,1200/5.所以,很难完全满足或。

即≠0,产生.

消除方法:

利用差动继电器的平衡线圈进行磁补偿。

图2-5差动继电器磁补偿原理图

假设正常运行和区外故障时,"那么I2'>I2。

Wph接电流小的一侧,I2".-I2"→（-I2"）I2"→I2"

调整,使（-I2"）=I2".磁势抵消.铁芯中,Φ=—=0.所以W2中无感应电势,J不动作.实际上,可能不是整数.应是整数.故仍有一残余的不平衡电流.

（2-5）

其中=（—）/（+）（2-6）

―外部故障时,流过变压器高压侧的最大短路电流.

此不平衡电流在整定计算中应予以考虑.

（3）由两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流:

（CT变换误差）

　（2-7）

其中=1

此不平衡电流在整定计算中应予以考虑.

（4）由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流:

改变分接头→改变→破坏=或的关系.从而产生新的不平衡电流.（CT二次侧不允许开路,即,不能改变）,

.ΔU=±ΔU./ （2-8）

无法消除.所以此不平衡电流在整定计算中应予以考虑.

由以上分析可知,稳态情况下,由三部分组成.

=++.ΔU　　　（2-9）

（5）暂态情况下的不平衡电流:

①非周期分量的影响:

比稳态大,且含有很大的非周期分量,持续时间比较长（几十周波）.

图2-6暂态电流图

最大值出现在短路后几个周波.引入非周期分量函数

　（2-10）

措施:

快速饱和中间变流器,抑制非周期分量.

②由产生的不平衡电流:

当变压器电压突然增加的情况下（如:

空载投入,区外短路切除后）。

↑→励磁涌流.这是因为在稳态各种情况下，铁心的磁通滞后于外加电压。

如果空载合闸时，正好在电压瞬时值时接通电路则铁心中具有磁通为。

但由于铁心中的磁通不能突变。

因此将出现一个非周期分量的磁通，其幅值为，这样经过半个周期以后，铁心中的磁通就达到。

如果铁心中还有剩磁，则总磁通将为。

此时变压器的铁心严重饱和，磁电流将剧烈增大，此电流就称为变压器的励磁涌流。

其数值最大可达到额定电流的6～8倍。

同时包含了大量的非周期分量和高次谐波分量，励磁涌流的大小和衰减时间，与外电压的相位、铁心剩磁的大小和方向、电源容量的大小、回路的阻抗以及变压器容量的大小和铁心性质有关系。

其涌流的特点有:

很大的直流分量（80%基波）。

很大的谐波分量,尤以二次谐波为主（20%基波）。

形间出现间断（削去负波后）。

措施:

采用具有速饱和铁芯的差动继电器。

间断角原理的差动保护。

利用二次谐波制动。

利用波形对称原理的差动保护。

（三）电流速断保护

变压器的电流速断保护是反应于大电流增大而瞬间动作的保护。

装于变压器的电源测，对于变压器用引出线上各种形式的短路电流进行保护。

为证明选择性，速断保护只能保护变压器的一部分，一般能保护变压器的原绕组，它适合用于容量在10MVA以下小容量的变压器，当电流保护时限大于0.5S时，可在电源侧装设电流速断保护，其接线原理如图2-7所示：

图2-7电流速断保护接线图

1.电流速断保护的整定计算

按躲开变压器负荷侧出口d3点的短路最大电流来整定，

即　（2-11）

公式（2-11）中—可参考系数，

取1.3～1.4；

—外部短路的最大三相短路电流。

2.躲过励磁涌流

根据实际经验及实验数据，一般为：

　　（2-12）

公式中（2-12）——为变压器的额定电流。

按照上面的条件计算，选择其较大值作为变压器电流速断保护的启动电流。

3.灵敏度的校验

按变压器原边d2短路时，流过保护的最小短路电流校验，

　　　　（2-13）

变压器电流速断保护的优点是接线简单，动作迅速。

缺点是只保护变压器一部分。

（四）过电流保护

变压器相间短路的保护既是变压器主保护的后备保护，又是相邻母线或线路的后备保护。

根据变压器容量大小和系统短路电流的大小，变压器相间短路的后备保护可采用过电流保护、低电压起动的过电流保护和复合电压起动的过电流保护等。

1.过电流保护

过电流宜用于降压变压器，过电流保护采用三相式接线，且保护应该装设在电源侧。

保护的动作电流应按躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定，即

　　　（2-14）

公式（2-14）中→可靠系数，一般为1.2～1.3；

→为返回系数。

确定时，应该考虑下面两种情况：

（1）并列运行的变压器，应该考虑切除一台变压器以后所产生的过负荷。

若各变压器的容量相等，可按下计算

　　（2-15）

公式（2-15）中—并列变压器的台数；

—变压器的额定电流。

图2-8过电流保护单相接线原理图

（2）降压变压器，应该考虑负荷中电动机自启动时的最大电流，则

　　（2-16）

公式（2-16）中—自启动系数，其值与负荷性质及用户与电源尖的电气隔离开关。

对110KV降压变电站，6～10KV侧，=1.5～2.5；35KV侧，=1.5～2.0。

—为正常运行时的最大负荷电流。

同时保护的动作时限应该与下级保护配合，即比下级保护中最大动作时限大一个阶梯时限。

保护的灵敏度为

　（2-17）

公式（2-17）中—最小运行方式下，其灵敏度校验点发生两相短路时，流过保护装置的最小短路电流。

最小短路电流应该根据变压器连接组别、保护的接线方式确定。

在被保护变压器受电侧母线上短路时，要求=1.5～2；在后备保护范围末端短路时，要求=1.2。

若灵敏度不满足要求时，则选用灵敏度较高的其他后备保护。

2.复合电压起动的过电流保护

（1）线原理

符合电压起动的过电流保护原理接线如图2-9所示。

负序电压继电器KVN和低电压继电器组成复合电压元件。

发生不对称短路时，负序电压滤过器KUG有输出，继电器KVN动作，其常闭接点打开，KV失电，其常闭接点闭合，起动中间继电器KAM，其接点闭合，电流继电器KA的常开接点因短路而闭合，则时间继电器KT的线圈回路接通。

经KT的整定延时