电力变压器的继电保护Word格式文档下载.docx
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由于一年内夏、冬季的负荷较春、秋季的大，一周内工作日的负荷较休息日的大，一天内的负荷也有高峰与低谷之分，电力系统中的某些设备，随时都会因绝缘材料的老化、制造中的缺陷、自然灾害等原因出现故障而退出运行。
根据不同的运行条件，可以将电力系统的运行状态分为正常状态、不正常状态和故障状态。
故障和不正常状态如果不及时正确处理，都可能引起事故。
事故是指对用户少送电或停止供电，电能质量降低到不能允许的程度，造成人身伤亡及电气设备损坏等。
为了防止电力系统中发生事故，一般采取如下对策[1][8]：
（1）改进设计，加强维护检修，提高运行水平和工作质量，采取各项积极措施消除或减少事故发生的可能性。
（2）故障一旦发生，迅速而有选择的切除故障元件，保证无故障部分正常运行。
继电保护装置，就是反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。
它的基本任务包括如下两方面：
（1）发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭受破坏，保证非故障部分迅速恢复正常运行。
（2）对不正常运行状态，根据运行维护条件，而动作于发出信号、减负荷或跳闸，且能与自动重合闸相配合。
继电保护的基本要求：
速动性，选择性，灵敏性和可靠性。
1.2电力变压器继电保护研究的目的
电力变压器是电力系统中十分重要的电气设备，它的故障将对供电可靠性和系统的安全运行产生严重的影响。
同时大容量电力变压器也是十分贵重的设备，因此应根据变压器容量等级和重要程度装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。
1.3电力变压器继电保护研究的现状和进展
自20世纪初第一台电感应式过电流继电器在电力系统应用以来，电力系统继电保护的发展己经经历了一个世纪。
继电保护装置在实现手段上经历了机电型、电磁型、整流型、晶体管型、集成电路型和微机型的发展过程。
利用计算机实现继电保护的设想，早在20世纪60年代就已提了出来，但是，由于受当时的技术和经济条件的限制，把计算机用于继电保护领域的研究，主要是做理论探索，着重于继电保护算法的研究、数字滤波器的设计和实验室样机的试验。
在这一阶段，
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虽然没有使计算机继电保护得以实现，但是，大量的研究成果都为计算机继电保护的进一步发展奠定了坚实的基础，随着微型计算机及微处理器价格的降低极其性能的改善，计算机继电保护也得到了迅速的发展。
到了70年代初期，计算机的制造技术出现了重大突破，大规模集成电路的制造技术的飞速发展和应用，使得以微处理器为核心的微型计算机进入了实用阶段，带来了微机继电保护的研究高潮。
首先美国西屋公司在上述观点的基础上开始具体的装置研究，并于1972年发表了该装置试运行样机的原理结构与现场的实验结果，这是第一套比较完整的用于现场的计算机继电保护样机，代表了计算机继电保护的雏形。
但是由于价格昂贵，还不能达到工业应用。
在性能价格比方面，微机继电保护装置与常规模拟式继电保护装置相比较，具有无可比拟的优点。
因此，它的出现很快得到接受和欢迎。
我国的微机保护研究起步于20世纪70年代末期、80年代初期，尽管起步晚，但是由于我国继电保护工作者的努力，进展却很快。
经过10年左右的奋斗，到了80年代末，计算机继电保护已达到了大量实用的程度。
我国对计算机继电保护的研究过程中，高等院校和科研院所起着先导的作用。
从70年代开始，华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。
1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上的新一页，为微机保护的推广开辟了道路。
在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机－变压器组保护也相继于1989年、1994年通过鉴定，投入运行。
南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1991年通过鉴定。
天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1993年、1996年通过鉴定。
至此，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。
因此到了90年代，我国继电保护进入了微机时代。
随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果，并且应用于实际之中。
1.4本文研究的主要内容
本文根据电力变压器继电保护的原理分析,即瓦斯保护,电流速断保护及差动保护,主要描述了差动保护,设计了一套适合于变压器的微机保护,能实现的主要功能有差动速断保护、差动保护，CT断线检测和CT断线闭锁差动保护功能等。
最后对系统进行调试，验证系统的可靠性。
2.变压器继电保护的原理
2.1电力变压器故障类型和不正常运行状态
变压器的故障分为油箱内部故障和油箱外部故障。
油箱内部故障包括变压器油箱内绕组的相间短路、匝间短路、接地短路以及铁心的烧损等。
油箱外部故障主要是指引出线之间发生的各种相间短路，引出线因绝缘套管闪络或破碎而通过油箱外壳发生的单相接地短路。
变压器发生故障，必将对电力网和变压器带来危害，特别是发生内部故障时，短路电流产生的高温电弧不仅会烧损绕组绝缘和铁芯，而且使绝缘材料和变压器油剧烈气化，从而可能引起爆炸。
因此变压器发生故障时，必须将其从电力系统中尽快切除。
变压器的不正常运行状态主要包括：
过负荷；
油箱漏油造成的油面降低；
外部短路引起的过电流和中性点过电压；
对于大容量变压器，因铁芯额定工作磁通密度和饱和磁通密度比较接近，当系统电压过高或系统频率降低时产生的过励磁等[2]。
2.2电力变压器继电保护的配置
为了保证电力系统的安全稳定运行，并将故障和不正常运行状态的影响限制到最小范围，按照规程规定，变压器应装设如下保护：
1 反映油箱内部故障和油面降低的非电量保护，又称瓦斯保护；
2 反映变压器绕组和引出线的多相短路及绕组匝间短路的纵联差动保护，或电流速断保护；
3 作为变压器外部相间短路和内部短路的后备保护的过电流保护（或带有复合电压起动的过电流保护或负序电流保护或阻抗保护）；
4 反映中性点直接接地系统中外部接地短路的变压器零序电流保护；
5 反映大型变压器过励磁的变压器过励磁保护及过电压保护；
6 反映变压器过负荷的变压器过负荷保护；
7 反映变压器非全相运行的非全相保护等[3]。
2.3变压器的瓦斯保护
图2-1变压器瓦斯保护的原理接线图
电力变压器油箱内部发生故障时，在故障点电流和电弧的作用下，将是变压器油和其他绝缘材料因受热而分解出瓦斯气体从油箱流向油枕，当故障严重时，油箱内产生大量的气体而导致油箱内部压力升高，迫使变压器油经管道涌向油枕。
这种利用油箱内部故障时产生瓦斯气体的特征而构成的保护就称瓦斯保护。
瓦斯保护的主要优点是安装接线简单，动作迅速，灵敏度高，能反映变压器油箱内部发生的各种故障；
缺点是不能反应变压器油箱外部的故障，如套管及引出线的故障[1]。
2.4变压器的电流速断保护
对于容量较小的变压器，当灵敏度系数满足要求时，可在电源侧装设电流速断保护，与瓦斯保护配合作为变压器油箱内部故障和套管及引出线上故障的主保护。
电流速断保护的一次动作电流按以下条件计算，并选择其中较大者作为保护的动作值。
图2-2 变压器电流速断保护的原理接线图
（1）按躲过变压器负荷侧母线（图2-2中K1点）短路时流过保护装置的最大短路电流整定，即
Iact=KrelIkl.max
式中 Krel—可靠系数，取1.3～1.4；
Ikl.max—系统最大运行方式下，变压器负荷侧母线（图2-2中K1点）三相金属性短路时流过保护装置的最大短路电流。
（2）按躲过变压器空载投入时励磁涌流计算，由实际经验，一般取保护的一次动作电流为变压器额定电流的3～5倍，即
Iact=（3～5）ITN
电流速断保护的灵敏度系数按保护安装处（如图2-2中K2点）短路时流过保护装置的最小两相短路电流校验，即
Ksen.min=I²
k2.min/Iact
式中 I²
k2.min—系统最小运行方式下，保护安装处发生两相金属性短路时流过保护装置的最小短路电流。
要求保护装置的灵敏度系数Ksen≥2
电流速断保护的优点是接线简单、动作迅速；
但灵敏度较低，并且受系统运行方式的影响较大，往往不能满足要求[1]。
2.5变压器纵联差动保护
2.5.1变压器纵连差动保护的原理分析
纵连差动保护是变压器的主保护之一。
对6.3MVA及以上厂用工作变压器和并列运行的变压器，10MVA及以上厂用备用变压器和单独运行的变压器，应装设纵连差动保护。
对高压侧电压为330KV及以上变压器，可装设双重差动保护[6]。
纵连差动保护应符合下列要求:
①应能躲过励磁涌流和外部短路产生的不平衡电流；
②应能在变压器过励磁时不误动；
③差动保护范围应包括变压器套管及引出线。
如不能包括引出线时，应采取快速切除故障的辅助措施。
图2-3 变压器纵联差动保护的单相原理接线图
双绕组变压器和三绕组变压器纵联差动保护的单相原理接线图如图2-3其保护区域在电流互感器之间，理想情况下，在变压器正常运行或保护区域外部短路时，变压器各
侧电流流入差动继电器的差动电流为零，保护不会动作；
但在保护区内部故障时，流入差动继电器的差动电流等于故障点电流变换到电流互感器二次侧的值，此时保护动作，因此，理想情况下，变压器纵联传动的动作判据为[1]
Ir〉0
式中Ir—流入差动继电器中的电流
但由于实际上变压器各侧电流互感器的误差、变压器接线方式及励磁涌流等因素造成回路中会流过一定的不平衡电流，差动电流不可能为零，不平衡电流的存在，使得差动保护的灵敏度受到影响。
不平衡电流越大，差动保护的灵敏度就越差。
因此，要提高纵连差动保护的灵敏度，关键在于减小或消除不平衡电流的影响。
研究表明采用比率制动原理的差动保护可以较好的解决这一问题，此外也可以采用故障分量比率差动原理、标积制动原理和相角比较式差动原理等。
下面主要研究比率制动式的差动保护。
2.5.2比率制动和二次谐波制动的差动保护
1）电流互感器二次回路接线方式（l）接线方式的选择
变压器各侧电流互感器二次均采用星型接线（也可选择按常规接线），其二次电流直接接入前端的数据采集设备再送入微机，其两侧电流的校正由软件来完成，从而简化了CT二次接线，增加了电流回路可靠性，便于CT断线的判别[3]。
电流互感器各侧极性都以电流流向指向母线为同极性端，见下图2-4:
图2-4电流互感器的两侧接线同极性端指向
（2）相位补偿
变压器CT二次电流相位由软件自校正，这里采用对Y侧的校正。
举例说明，两卷变压器一般都为Y/△-11接线。
①当CT二次接线采用Y/Y转换方式时，须将程序控制字“高压侧变换Y/△”置“1”，同时“二次接线方式”清“0”，校正方法如下:
·
·
IA¢
=（IA-IB） 3
IB=（IB-IC） 3
（2.1）
IC=（IC-IA） 3
式中:
IA、IB、IC为Y侧CT二次电流，I¢
A、IB¢
、IC¢
为软件校正后的各相电流。
②当CT二次接线选用△/Y接法时，须将控制字“二次接线方式”置“1”,同时“高压侧变换Y/△”清“O”。
2）差动速断保护
差动速断保护在比较严重的区内故障时快速跳开断路器,其实质是反映差动电流的过电流继电器.设置差动速断元件的主要原因是为防止在较高短路电流水平时,由于电流互感器饱和而产生的大量谐波,使得带二次谐波制动的比率差动元件拒动,其定值按躲过最大运行方式下穿越性故障引起的不平衡电流和变压器励磁涌流来整定.
3）比率制动和二次谐波制动的差动保护
由于差动速断保护的定值整定的比较大,灵敏度往往不能满足要求,因此设置比率制动式差动保护。
比率差动元件的动作判据如下[3]:
Id>
ICD 当Ir<
IZD
ICD+K1（Ir-IZD） 当Ir≥IZD
Id为差动电流
ICD为差动保护门槛定值
IZD为比率制动特性拐点电流定值Ir为制动电流
K1为制动系数
Id=｜ih+i1｜ Ir=｜ih-i1｜/2
Ih为高压侧a相、b相、c相的二次电流；
i1为低压侧a相、b相、c相折算到高压侧的二次电流。
在变压器的空载合闸或外部短路故障切除后，系统电压恢复时，会出现很大的励磁涌流。
励磁涌流中含有大量的高次谐波，其中以二次谐波为主，而内部故障时，却很少有二次谐波。
为避免励磁涌流对比率差动保护的影响，设置了二次谐波闭锁的差动保护。
装置采用三相差动电流中二次谐波的最大值与各项基波比值作为励磁涌流闭锁判据。
判据如下：
Id2〉K2Id
Id2为三相差动电流中二次谐波的最大值Id为差动电流
K2为二次谐波制动系数
采用上述特征方程的优点 :
在变压器轻微故障时，不带制动量，使比率差动元件在变压器轻微故障时具有较高的灵敏度；
在较严重的区外故障时，制动量较大，提高比率差动元件的可靠性。
由上述方程决定的动作特性曲线如下图2-5所示[3]：
图2-5比率制动特性曲线
装置比率制动差动保护和差动速断保护的原理框图如下：
出口
C相
差动速断保护投入
＆
差动电流大于差动速断定值
保护启动
CT断线闭锁控制字投入时CT未断线
差动电流大于差动门槛定值
≥1
二次谐波制动未动作
比率制动未动作
B相
图2-6比率制动差动保护和差动速断保护原理图
4）电流回路断线闭锁
由于比率差动保护的电流定值小于额定电流，在差动保护电流回路发生故障时，差动保护可能会误动作，统计资料表明，由于差动保护电流回路接触不良或断线而造成的变压器差动保护误动的约占总数的80%。
针对这一问题，差动保护装置可以装设电流回
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路断线闭锁元件，当装置启动后则首先判断CT二次是否断线，判据如下：
某相电流只有一侧电流由突变且突变后电流减少的值大于CT断线定值。
CT二次判为断线后，发告警信号，并可选择闭锁或不闭锁差动保护，当启动返回后，若差动电流仍然过大，则CT二次断线信号仍保持，直至差动电流小于越限告警定值才复归。
3.变压器继电保护配置方案的确定
3.1引言
装置的设计采用模块化设计思想，不同的产品由不同的各种功能组件按需要组合配置，实现了功能模块的标准。
装置由采样部分、网络部分、CPU部分、电源部分、逻辑部分、跳闸部分、人机对话窗口部分组成[9]。
3.2变压器保护配置的结构和功能简介
3.2.1采样部分
将几个模拟量输入互感器,分别用于高低压侧三相电流、所用变三相电压。
每路交流输入回路均经过隔离互感器引入装置，直流回路经专用直流测量模块隔离输入。
3.2.2网络部分
网路部分是以以太网形式完成通讯模块和保护模块的数据转发功能,为了保证通讯的可靠性,在原来的CAN网的基础上增加了以太网通讯，即构成了双网通讯，此两网互为备用，当其中有一个出现故障时，通讯自动切换到另一网络。
变压器保护装置即通过CAN网和通讯装置，连接到变电站的当地监控系统，以实现实时通讯和调度端的遥控、遥测、遥调、录波等功能[11]。
3.2.3CPU部分
CPU部分采用嵌入式数字信号处理器（DSP）构成简洁高效的数据采集和处理系统，
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独特的设计和先进的表贴安装工艺大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力；
硬件具有两极看门狗保证系统在异常时能及时复位；
完善的硬软件自检还能使系统在运行时保证各种参数完好无损；
用具有多重写闭锁功能的串行E²
PROM保存定值、系数和配置，确保这些参数不被误修改而且能够掉电保持；
模数转换采用带12个通道的串行A/D，转换精度为12位，转换时间约10µ
s，11个通道用于对外部输入量的模数转换；
16位开关量输入，开入部分的电路，包括电阻及光隔等，都安装在CPU板上；
开出部分用于驱动跳闸及信号继电器，开出的+24V都是经过继电器输出板中启动继电器常开触点闭锁的，输出继电器的控制信号均有光隔驱动；
CPU通过RS232口与液晶MMI板通讯，并通过CAN通讯与上位管理机交换数据[12]。
CPU部分是构成整个装置功能的核心。
CPU部分负责完成继电保护、数据采集、监测控制及通讯等功能。
如图3-1：
A/D
转
换
11
交流输入
模入
光电隔离
16
15
+24V
开出
3
ES232
MMI
CAN总线
CPU
开入
以太网
硬对时
串行
E²
PROM
图3-1CPU部分简化原理图
3.2.4电源部分
220V交流开关电源通过电源变换器可输出+5V、±
12V、±
24V。
其中+5V用于CPU系统、±
12V用于A/D采集部分、24V用于开入量和开出量的继电器。
3.2.5逻辑部分
逻辑部分主要由微型继电器和二极管组成，二极管主要是续流作用，接收来自CPU
部分的控制命令，由微型继电器构成跳合闸及信号。
例如：
遥控跳闸输入高电平且保护
启动输入高电平时，遥控跳、启动跳继电器动作发出跳闸信号。
3.2.6跳闸部分
该部分完成操作机构的跳闸、合闸操作及防跳跃功能；
采集并上发开关的合位/跳位信号；
实现压力异常告警及压力降低闭锁跳合闸功能。
3.2.7人机对话窗口
人机对话窗口与CPU部分以串行口通讯的方式相连。
通过该窗口用户可以监测测量数据、开入量状态、及装置故障状态，可以调整开入量的去抖时间、修改电压电流的变比、设置装置的通讯地址、做传动实验、整定保护定值和系统时间以及记录SOE。
增加了系统使用的灵活性。
3.3操作界面
变压器差动保护装置设计了便捷的键盘操作和丰富的液晶显示，为用户提供了友好的使用界面。
借助该界面可以很方便的浏览测量数据、修改定值系数、进行传动实验。
除此之外，系统还提供了详尽的故障告警信息的功能，帮助用户及时准确的处理问题。
菜单结构[9]如下图3-2：
事故记录
读写数据
传动实验
测量数据
主菜单
二级菜单
删除记录
时间设置
密码修改
定值修改
配置修改
系数修改
跳闸合闸储能
验证密码正确后进入相应子菜单
此菜单没有子菜单，功能为显示一次电流、电压、开关量以及二次的电流、电压、开关量状态及故障信息等
此菜单没有子菜单，功能为显示故障的详细信息，包括动作类型、动作时间以及6动作值
（二次值）
此菜单没有子菜单，功能为修改保护电流、交流电压、直流电压通道系数
此菜单没有子菜单，功能为设置通讯地址及变比、开关信号、延时等
此菜单没有子菜单，功能为设置安全密码
此菜单没有子菜单，功能为设置模块的当前日期、时间
此菜单没有子菜单，功能为删除所有的事故记录
三级菜单
四级菜单
选择定置组号
告警功能设定
启动通风设定
差动保护设定
启动定值设定
图3-2菜单结构图
3.4装置程序
保护CPU程序主要包括主程序和采样中断程序。
正常时运行主程序，同时每0.625ms执行一次采样中断程序。
主程序主要完成初始化、装置自检以及状态量、模拟量的巡检功能。
装置上电或复位后，先对硬件系统进行初始化，然后巡检CPU、FLASH、EEPROM、RAM等[10]。
完成以上这些功能后，开始执行对状态量、模拟量的监视，如有变化，则进行到显示和后台的数
据发送。
每执行一次采样中断程序即对各个模拟量进行一次采样，然后计算、判断是否满足启动条件，若满足启动条件，则进行故障处理子程序。
如下列程序模块[5]：
N
本周期和上周期采样值的差大于启
动定值
Y
采样后采样计数〉2
返回
启动启动继电器线圈
请启动后采样计数各相速断和差动计数为0
存储此时的各相电流有效值为启动前的有效值
保护启动标志，存储启动后采样计数为2
启动后采样计数+1
保护启动判别子程序
图3-3保护启动判别子程序
A相保护动作判别子程序
取A相差流、制动电流
有A相CT断线标志
调用比率差动判别子程序
CT断线闭锁差动投入
取A相差流，调用差动速断判别子程序
图3-4A相保护动作判别子程序
差速断投入
差流大于差速
断定值
清各相启动计数
制动作标志，启动继电器线圈
差速断判别程序
图3-5差速断判别程序
扫描SOE
系统初始化，内部A/D初始化，I/O初始化，串行E2初始化
开始
串口接收中断后40ms
20ms计时到
调用SCI接收子程
记录SOE
程序冷启动
串口发送中断后40ms
系统自检，置启动方式标志
升级会员 