新型微机变压器保护的开发设计和应用

新型微机变压器保护的开发设计和应用 
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，其检验难度大、时间长，要造成很大的经济损失；另外，发生故障后忽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。电力分析仪| 谐波分析仪| 发生器| 多用表| 验电笔| 示波表| 电流表| 钩表| 测试器| 电力计| 电力测量仪| 光度计| 电压计| 电流计|  

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。  

 保护配置方案 

在设计保护的配置方案时，充分留意到最新的《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，假如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往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，满足四侧电流输进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，满足两侧电流输进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。满足两侧电流输进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纵箱回路，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。 

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定，加快出口动作速度；另一种计算正确，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。二次谐波制动判占有两种方案供选择：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。广州市骏凯电子科技有限公司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进动作区，不会进进附加稳定特性区。因此，利用故障发生的最初半个周期内，丈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，假如此后发生故障变化，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。  

 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。 

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正确计算，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。 

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正确，对突发性短路故障启动迅速；另一种是有效值启动元件，该元件启动可靠正确。广州市骏凯电子科技有限公司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，大大进步了保护装置的可靠性。 

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，装置告警并天生告警报告，装置液晶显示并将报告通讯上传。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，应尽快检查解决题目。 

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题目。 

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

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进，提供输进交互功能；装置通过面板上的维护口与笔记本电脑通讯，由维护软件实现强大的维护分析功能；装置的网络通讯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，广州市骏凯电子科技有限公司记录事件发生时的具体信息。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讯上传。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。 

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、通讯板卡及面板。硬件平台采用先进的产业级芯片和器件，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，进步了数据采集的分辨率和丈量精度；具有足够的输进和输出接口；一个标准RS485通讯接口，另外具有一个通讯板卡可选为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进式结构，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。 

保护通讯功能 

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

1).一个可选的FDKBUS接口，通讯媒介可采用屏蔽电缆，通讯速率为187.5K～1Mbps，通讯规约采用FNP（Fieldbus Network Protocol）规约； 
2).一个标准的RS485接口，通讯媒介可以采用光纤或屏蔽电缆，通讯速率为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，通讯速率为187.5K～1Mbps，通讯规约采用FNP规约； 
4).一个可选的以太网接口，通讯媒介可以采用光纤或屏蔽电缆，通讯速率为10Mbps，通讯规约建立在国际标准的TCP/IP协议之上。 

2　后备保护  

后备保护在各型保护装置中的差别不大，过流保护依然是最基本的后备保护，只是在一些具体题目上有所差别。现在有些超高压系统500 kV、330 kV电压等级的变压器后备保护已经配备了阻抗保护，有相间阻抗保护和接地间隔保护各若干段。间隔保护应用在变压器保护上是有益的补充，但其保护性能并不能完全取代过电流保护，因此阻抗保护和复合电压闭锁过流保护共同构成的后备保护更加完善。后备保护存在以下题目。  

HOBO 4通道脉冲记录仪UX120-017

HOBO4通道脉冲数据记录仪UX120-017M

E50B2功率&能量记录仪T-VER-E50B2

4通道外部HOBO数据记录器U12-008

环境气象数据记录仪H21-001

空调节能环境记录仪U12-013

温度/相对湿度/光强度记录仪U12-012

环境照明数据记录器U9-002

HOBO 4通道外部数据记录仪U12-006

2.1复合电压的使用  

复合电压作为一个闭锁条件，在新型微机保护中使用更加灵活。变压器各侧复合电压并联使用非常轻易：一侧TV(电压互感器)检验时，可以通过控制字或压板投退本侧电压，这时本侧复合电压条件不满足，本侧复合电压启动其它侧条件也不满足。这样便有效地解决了变压器某侧造成的失往闭锁的题目。  

2.2方向题目  

零序方向元件由于采用自产3U0，电压极性易于保证。但是零序电流可采用自产或外接中性点电流，这就要求严格保证不同装置对中性点TA极性，只有保证中性点TA极性正确才能确保零序方向的正确性。  

3　非电量保护  

非电量保护即本体保护，在微机保护装置中与以往区别不大，相当于继电器箱。但是必须留意瓦斯保护启动中间继电器的动作电压题目。  

变压器重瓦斯保护启动跳闸中间继电器的控制电缆很长，电缆芯线对地电容较大，容抗Xc=1/jωC较小，通过线间电磁耦合过来的干扰电压较大，尤其在发生直流接地时，轻易造成重瓦斯保护无故障跳闸。对此国家电力公司颁布的《继电保护反事故措施要点》有相关规定，一定要进步重瓦斯保护启动跳闸中间继电器的动作电压，动作电压应进步到0.55～0.6 Ue。因此，在二次安装校验时，一定要进行检验。  

固然微机保护技术发展很快，但是瓦斯保护作为主保护的地位是不可动摇的，它和差动保护共同构成完整的主保护。  

4　直流电源  

变压器保护实现了双重化，其直流电源也必须分开，2套保护电源应取自不同的直流母线，2段母线由2组蓄电池供电，这样才能实现真正的双重化。即2套保护装置电源分别取自2段直流母线，如图2所示。正常运行时，应将1、3开关投进，2、4开关断开。  


5　TA分配题目  

双重化的变压器微机保护要求由不同的TA绕组供电，220 kV及以上电压的TA都有多组二次绕组。220 kV的多为6组，TA有一种常见故障是底部芯线对地闪络，原因是顶部端盖密封不严、漏水，由于TA内部积水而引起尽缘损坏。因此，在分配TA二次绕组时，原则是对该点故障，应在任何情况下均有快速保护。针对目前双重化的变压器微机保护主保护和后备保护一体的趋势，对2套保护TA二次绕组的分配，1套应注重差动保护，取靠近开关侧二次绕组；另1套注重后备保护，取靠近变压器侧二次绕组。这样，既保证了差动保护的范围及对TA故障保护，又保证了各侧对母线的后备保护。