微机型电力变压器差动保护装置设计

微机型电力变压器差动保护装置设计

设计题目：

微机型电力变压器差动保护装置的设计

设计目的:

了解电力系统基本概念，特点，变压器的作用，类型，变压器保护方式，熟悉工程设计方法，熟悉微机保护的基本原理及应用

设计内容：

1.了解国内外大型变压器保护的发展,最新技术

2.采用比率制动和二次谐波制动的变压器差动保护方式

3.设计变压器的保护接线

4.设计主芯片，设计保护装置主电路

5.设计软件流程图

设计要求：

1.查阅相关文献资料，撰写综述

2.语言流畅，图纸规范

3.方案合理，层次清楚

4.按时独立完成设计任务

摘要

一．国内外大型变压器保护的发展及变压器发展现状及前景二．变压器的工作原理及变压器的保护分类

三．微机型变压器的差动保护原理，比率制动，二次谐波制动四．微机型电力变压器差动保护装置

1工作原理，

2保护电路设计

3硬件电路设计

4主电路设计

5软件电路设计

五．参考文献

摘要

电力变压器是电力系统的重要设备，它主要用于电能的传输，电压的变换。本文介绍一种微机型电力变压器差动保护装置。该装置利用微型计算机快速检测、准确判断的智能特点,通过检测变压器回路

断路器的运行状态,对变压器施以相应的控制方式。如果变压器已处于正常运行状态，则微机对差动保护回路的差动电流和制动电流进行检测、比较,从而判别变压器的内部与外部故障。如果制动电流大于差动电流,则判定为变压器正常运行或外部故障,差动保护不动作；如果制动电流小于差动电流,则判别为变压器内部故障，保护装置即发出变压器跳闸命令脉冲。

如果检测到变压器处于停运状态，则由微机继续监测变压器状态,一旦发生变压器投运则利用Kalman filter对变压器回路电流进行滤波分析。通过对直流偏移、基波分量及二次谐波分量的检测、比较,来判别变压器的励磁涌流和投运于内部故障。如果判定为非投运于内部故障,则利用二次谐波的制动原理，使差动保护有效地躲过励磁涌流而不致于误动作。本装置的主要优点是可以成功地躲过变压器空载投运时的励磁涌流和变压器外部短路时的不平衡电流而不致于降低保护装置的灵敏度。同时,由于实施了微机控制,本差动保护较之传统的差动保护检测精确，判断准确,动作可靠性高。

关键词变压器继电保护励磁涌流自动控制差动电流

一．国内外大型变压器保护的发展及变压器发展现状及前景

国外在世界范围内形成了几大集团：乌克兰扎布洛斯变压器厂，年生产能力100GVA；俄罗斯陶里亚第变压器厂，年生产能力40GVA，ABB 公司29个电力变压器厂年生产能力80－100GVA，英法GEC－Alshtom 年生产能力40GVA，日本各厂总和（三菱、东芝、日立、富士）年生

产能力65GVA，德国TU集团年生产能力40GVA。

这些公司生产的已在系统运行的代表性产品：1150kV、1200MVA，735－765kV、800MVA，400－500kV、3－750MVA或1－550MVA，220kV、3－1300MVA电力变压器；直流输电±500kV、400MVA换流变压器。

我国是变压器的发展大国，我国变压器企业约一千五百家。500kV 以上变压器的生产企业近30家；220kV及以上企业约50家；110kV 及以下生产企业在统计范围内具有一定规模的生产企业约130家左右。国内我国沈阳变压器厂、西安变压器厂、保定变压器厂均已成批生产500kV级电力变压器，在500kV系统内运行，最长的已超过17年，经过十几年的不断改进，其运行指标与进口变压器完全相当，总产量达150GVA。

在影响变压器产品质量几种不良现象：以铝代铜”合同欺诈、铝线可以做变压器线圈“二次片的再利用”导磁性能、外表绝缘、损耗、噪音超标、变压器容量“缺斤短两”

国年产变压器需求量均在13亿千伏安左右。国变压器行业产能约30亿千伏安，产能过剩情况严重。近3年来。其中沈、西、保三集团产能约5亿千伏安。前几年，国电力建设发展迅猛，变压器需求量迅速增加，导致国内相当一局部变压器企业快速扩大产能，甚至个别企业产能翻番。2009年以来，国家电力建设速度放缓，国内变压器需求量有所降低。特别是国网公司、南网公司采用集中招标方式推销变压器，低价中标导致企业竞争空前激烈。

变压器制造行业的发展主要结合新产品新结构的特点研究出

与之相适应的的产品，并着重于新材料，新装备的开发应用以此来不断提高产品的质量和可靠性我国的变压器发展方向仍是节能型，低噪音，防火防爆型，高可靠性方面发展。

变压器的功能主要有：电压变换；电流变换，阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）;自耦变压器；高压变压器（干式和油浸式）等，变压器常用的铁芯形状一般3.变压器发展现状及前景

自“十五”以来，我国电力需求增长迅速，电力供应紧张，来自全国电网的高速建设和政府对固定资产的投资拉动大了输变电设备的市场需求。大发展带来了大繁荣，庞大的电力建设资金给变压器行业(包括变压器、互感器、电抗器、调压器、组件制造厂)带来了机遇和挑战，促使行业得到了有史以来的大发展。

随着我国国民经济的发展迅速对电力的需求也日趋上升，作为输变电系统中的主要设备——变压器也得到了长足的发展。为适应和满足市场需求，许多制造厂家不断地改进产品结构，提高产品性能，从国外引进先进的生产技术和装备，在新工艺新材料的探索方面做了不懈的努力，以此来不断提高产品的质量和可靠性，已经获得了长足的进步。另一方面，在全球化竞争中，虽然我国在小容量方面已经拥有相当的实力，并在国际市场中占有重要的地位，但是在高容量、超高容量变压器方面，我国的技术实力还非常薄弱，这就造成了欧美发达

国家高容量、超高容量变压器市场我国无法进入的情况，这将阻碍我国变压器行业今后的发展，需要引起高度的关注。

二．变压器的工作原理及变压器的保护分类

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。

描述理想变压器的电动势平衡方程式为

e1(t) = -N1 d φ/dt

e2(t) = -N2 d φ/dt

变压器是将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能的电力设备。

变压器一般采用的保护方式变压器的不正常工作状态主要有过负荷、外部短路引起的过电流、外部接地短路引起的中性点过电压、油箱漏油引起的油面降低或冷却系统故障引起的温度升高等。此外，大容量变压器，由于其额定工作磁通密度较高，工作磁密与电压频率比成正比例，在过电压或低频率下运行时，可能引起变压器的过励磁故障等。针对以上情况，大型变压器一般采用以下几种保护方式：

（1）过电流保护保护外部相间短路，并作为瓦斯保护和差动保护（或电流速断保护）的后备保护。

（2）差动保护、电流速断保护保护变压器绕组或引出线各相的相间短路、大接地电流系统的接地短路以及绕组匝间短路。

（3）瓦斯保护保护变压器内部短路和油面降低的故障。

（4）零序电流保护保护大接地电流系统的外部单相接地短路。

（5）过负荷保护保护对称过负荷，仅作用于信号。

三．微机型变压器的差动保护

1差动保护原理

由于在各种参考书中没有找到差动保护的具体定义，这里只根据自己所掌握的知识给差动保护下一个定义：当区内发生某些短路性故障的时候，在变压器各侧电流互感器CT的二次回路中将产生大小相同，相位不同的短路电流，当这些短路电流的向量和即差流达到一定值时，跳开变压器各侧断路器的保护，就是变压器差动保护

以两圈变变压器为例，针对以上所述变压器差动保护的定义，对差动保护进行阐述：

I2'-I2''nh

I1''

低图一nB

CT2

nl

I2''CT1I1'

高

I2'

Ia'低

In'高差动In Ia

1、 图一所示：为一两圈变变压器，降压变，具体参数如下：主变高压侧电压U 高=110KV,主变低压侧电压U 低=10KV,变压器容量Sn=240000KVA, 高压侧CT 变比1000/5,低压侧的CT 变比是1500/5.计算平衡系数。

I1’：流过变压器高压侧的一次电流；

I ”： 流过变压器低压侧的一次电流；

I2’：流过变压器高压侧所装设电流互感器即CT1的二次电流； I2”：流过变压器低压侧所装设电流互感器即CT1的二次电流； nh ： 高压侧电流互感器CT1变比；

nl ： 低压侧电流互感器CT2变比；

nB：变压器的变比；

各参数之间的关系：I1’/ I2’= nh I”/ I2”= nl I2’= I2” I1’/ I”= nh/ nl=1/ nB

2、区内：CT1到CT2的范围之内；

3、反映故障类型：高压侧内部相间短路故障，高压侧（中性点直接接地）单相接地故障以及匝间、层间短路故障

2比例制动

所谓比率制动特性差动保护简单说就是使差动电流定值随制动电流的增大而成某一比率的提高。使制动电流在不平衡电流较大的外部故障时有制动作用。而在内部故障时，制动作用最小。

I dz > I dz0 当I zd < I g

I dz > I dz0 + K z ( I zd - I g) 当I zd ≥I g(1)

3二次谐波制动

在电力系统中，二次谐波制动用于区分变压器的励磁涌流与内部故障。变压器空载合闸或外部故障恢复时会产生励磁涌流，可能导致变压器电流差动保护误动作（此时不是变压器内部故障，继电保护不应动作）。因此应当区分变压器励磁涌流与内部故障。当变压器内部发生故障时，应当由继电保护动作切除故障变压器；而产生励磁涌流时应当闭锁电流差动保护，使其不发生误动作。

由于变压器励磁涌流中含有大量谐波分量，特别是二次谐波分量，而内部故障时不会产生如此多的二次谐波分量，因此可以利用二次谐波含量的高低来区分是励磁涌流还是内部故障，这就是二次谐波制动原理。

低压侧电动机在启动的时候也会产生很大的谐波，如果没有二次、五次谐波闭锁，变压器差动保护误动的几率相当大。

四．微机型电力变压器差动保护装置

4.1.1 工作原理

众所周知：差动保护一直是电力变压器的一种基本保护装置。但传统的差动保护装置有许多不尽人意之处。一个突出的问题就是不平衡电流太大。运行中,差动保护的工作性能要受到变

压器空载投运时的励磁涌流、电流瞬变、变压器分接头改变、电流互感器匹配不当等诸多因素的影响。这一些因素的作用结果,都将导致差动保护不平衡电流的增大。这其中最突出的影响因素就是变压器的励磁涌流和外部短路所引起的不平衡电流。多少年来,国内外许多电力工作者都致力于研制一种工作性能更为理想的差动保护装置。近几年来,对于微机型差动保护研究也在逐步发展,一些新的想法、新的建议不断提出。我们基于国内外诸多电气专家的理论基础和设计思想、结合微机应用技术，提出一种新型的微机型变压器差动保护装置。该装置除了能够行使一般差动保护所具有功能之外,其突出的优点在于它能在不降低灵敏度的前提下,成功地躲过变压器空载投运时的励磁涌流和外部短路时的不平衡电流、克服了差动保护装置的一大难题。此微机型差动保护装置自动化程度高,通用性强,可用以保护多种型号的变压器。

对于传统的差动保护装置。为了躲过变压器空载运行时的励磁涌流和外部短路不平衡电流,往往采用如下几种主要方法

1、提高差动保护动作整定值，其缺点是降低了保护的灵敏度和快速性。

2、采用鉴别波形间断角原理躲过励磁涌流。

3、利用速饱和变流器解决励磁涌流的问题，其缺点是躲过外部短路的性能较差。

4、利用带制动特性的差动保护装置躲过外部短路引起的不平衡电流，

但躲过励磁涌流的性能较差。

5、利用二次谐波制动原理躲过变压器励磁涌流,同时配以对外部穿越性故障的制动回路。

现场使用的差动保护装置中,往往根据不同的要求,采用以上一种或几种方法组合构成。而对于传统的差动保护装置,功能越完善,辅助设备越多,导致设备性能不稳定、故障率越高,往往不能达到预期的效果。为了克服传统差动保护装置的诸多弊端,我们结合微机应用技术,研制了这种双重制动的微机型差动保护装置

4.1.2装置对变压器励磁涌流的制动原理

首先利用微机监测变压器的运行状态。如果变压器处于正常运行状态,则进行差动电流和制动电流的检测；如果变压器处于停运状态,则继续对变压器状态进行监测。一旦发现变压器合闸投运,便运用“Kalman filter”对变压器回路电流波形进行滤波分析,从而对变压器的励磁涌流和内部故障进行判别。对励磁涌流的频域分析表明,在励磁涌流中含有很大成份的二次谐波分量。一般约占基波分量的40%左右。根据这个特点,利用微机对变压器回路电流进行检测,如果电流中二次谐波超过基波分量一定百分数,则差动保护拒动。即,若满足

则发出保护拒动命令。式中I1,I2分别表示变压器初、次级电流,A1,A2分别表示分接头位置和电流互感器变比。K表示百分谐波参数I3,I4分别表示变压器初次级绕组中二次谐波电流。

上式可简写为St≥S0

式中St 和So 分别表示制动和动作信号。

若运用Z 状态变量Kalman filter,

其状态方程可表示为 K k HT k w w w w w x x x x x e x x x x x ????????????????+????????????????????????????????=??

???

???????????-+5432154321154321000000010001000100010000

其测量方程为：

[]k

k k u x x x x x kT kt T kT Z +??

?

??

???

????????--=5432112sin 2cos sin cos ωωωω

初始协方差-

O

P 矩阵和系统协方差Q 矩阵用来表达状态范围和驱动函数数量值。

4.1.3 装置对保护范围外部短路的制动作用原理

若发生外部短路，如图1中1D 点短路，流过差动电流检测元

件1JC 中的电流为''2'2i i -，如果忽略变压器两侧电流互感器特性差异所

导致的不平衡电流，此时0''2'2=-i i ，而流过制动电流检测元件2JC 中的电流为''2i ，显然，制动电流大于差动电流，故保护装置不动作。

4.1.4 保护范围内部短路时，差动保护动作原理

保护范围内部短路时如图2中2D 处，流过差动电流检测元

件1JC 的电流为''2''2'22i i i =-，流过制动电流检测元件2JC 的电流为''2I ，因

为差动电流大于制动电流（几乎是制动电流的两倍），故保护装置动作，发出跳闸命令脉冲。

4.2保护主电路设计

变压器状态信号可由变压器电源侧断路器辅助触点输入。如果此信号难以取得，亦可由变压器初、次级绕组电流信号输入。保护装置的差动电流及制动电流可由变压器各侧电流互感器二次侧取得。这里要注意的是，当保护装置用于保护双绕组变压器时，制动电流宜由变压器受电侧取得。而当用于保护三绕组变压器时，制动电流宜由变压器电源侧取得。当三绕组变压器三侧都有电源时，则宜由电源最强一侧取得。

4.3硬件电路设计

说明：

变压器状态信号可由变压器电源侧断路器辅助触点输入，如果此信号难以取得,亦可由变压器初、次级绕组电流信号输入。保护装置的差动电流及制动电流可由变压器各侧电流互感器二次侧取得。这里要注意的是,当保护装置用于保护双绕组变压器时，制动电流宜由变压器受电侧取得。而当用于保护三绕组变压器时,制动电流宜由变压

器电源侧取得。当三绕组变压器三侧都有电源时,则宜由电源最强一侧取得。

本装置的硬件设计如图1所示。

在图1所示的硬件电路里，采用美国船公司生产的16位、自带采样／保持器的高性能并行输出MD转换器AI)$7805对交流信号进行采样；应用美国Xieor公司生产的X25043实现EEP- ROM中数据的保护，供电电源欠压保护，可编程的看门狗定时器管理；DSP(数字信号处理机)采用美国，I1公司生产的 TMS320F206数字信号处理器实现保护算法的运算等数字信号处理功能 J。有关CI’、调理电路、模拟低通滤波电路、多路开关、遥信量接口、继电器出口、通信以及人机对话部分省略

4.4微机型电力变压器差动保护装置设计的主电路

电力变压器在电力系统变电、输电和配电每个环节中广泛应用，因而研究其保护算法和工程实现装置具有重要意义，并且微机变压

器保护装置具有广阔的应用领域。本文给出了适用于 110KV线路以下等级变电站中变压器微机保护装置设计方法。

1. 电力变压器微机差动保护装置原理和算法

1．1 电力变压器微机差动保护原理

1．1．1差动速断元件

差动速断保护主要是为了在变压器差动区内发生严重故障时，快速切断变压器，以确保变压器的安全，为了保证装置动作

正确，差动速断的电流定值必需躲过空投变压器时可能产生的

最大励磁涌流和躲过变压器的差动区外端部故障时穿越电流造

成的不平衡电流。差动电流计算如下：

公式中分别表示A、B、C三相差动电流，任意一相差动电流大于整定值，差速断出口。

1．1．2差动元件

差动元件包括两段式比率制动特性判据，二次谐波制动判据。A．比率制动特性判据为了保证区外短路，差动可靠、不动作，建立比率制动特性。

三相制动电流计算如下：

公式中为A、B、C三相制动电流；为 A、B、C三相高侧电流；为A、B、C三相中侧折向高侧电流；

为A、B、C三相低侧折向高侧电流

4.5软件电路设计

说明：

（1）延时时限

t取为变压器回路断路器全断开时间，可根据

1

变压器回路断路器的形式而定。

（2）差动保护动作跳闸失败后，可由其后备保护（如过电流保护）进行跳闸

。试验结果

A双绕组变压器空载投入，检测差动保护的二次谐波制动性能。

下面图5为本实验项目的实验录波图。

由图5可见，变压器空载合闸后，产生励磁涌流，由于采用二次谐波制动原理，差动保护装置制动，不发跳闸命令脉冲。

B保护范围内三相短路，差动保护动作特性。

下面图6为本实验项目的实验录波图

由图6可见，当差动保护范围内三相短路时，差动保护动作，发出断路器跳闸命令脉冲。

C 保护范围外三相短路、差动保护制动特性

下面图7为本实验项目的实验录波图