中鐵電氣化鐵路運(yùn)營(yíng)管理有限公司 蘇 萬

變壓器的正常運(yùn)行與否關(guān)系著區(qū)域電力系統(tǒng)持續(xù)工作的穩(wěn)定性，同時(shí)電力系統(tǒng)可靠工作也離不開變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行。而且變壓器由于要滿足大容量和高電壓所以制造難度大技術(shù)要求高，所以每臺(tái)機(jī)器造價(jià)較高，一旦發(fā)生故障使其遭到破壞，維修費(fèi)用與其維修所導(dǎo)致停工可能造出社會(huì)損失都是不容小覷的。因此，要高度重視并根據(jù)電力變壓器的容量和電壓等級(jí)和區(qū)域重要性，盡可能的考慮到變壓器投入運(yùn)行中發(fā)生的各種不正常運(yùn)行狀態(tài)和故障類型，進(jìn)行針對(duì)性的裝設(shè)工作靈敏可靠和經(jīng)濟(jì)性和方便檢修控制這三者同時(shí)兼顧的繼電保護(hù)裝置。而變壓器微機(jī)保護(hù)就是一種安全靈敏可靠，檢修方便和經(jīng)濟(jì)性好的繼電保護(hù)裝置。

1 變壓器保護(hù)發(fā)展概況

1.1 國(guó)內(nèi)外變壓器微機(jī)保護(hù)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)于變壓器微機(jī)保護(hù)理論的研究一直都在不斷地進(jìn)步，保護(hù)理論研究得較為充分地得到勵(lì)磁涌流造成的誤動(dòng)作較多，我國(guó)判斷勵(lì)磁涌流的方法主要是以間斷角和二次諧波制動(dòng)這兩個(gè)特性的辨別進(jìn)行判斷，外國(guó)的判斷勵(lì)磁涌流則是由二次諧波來辨別。通過判別勵(lì)磁涌流而達(dá)到閉鎖比率差動(dòng)保護(hù)的效果，變壓器微機(jī)保護(hù)主要可以分為兩種不同的保護(hù)模式，一種是主保護(hù)和后備保護(hù)集中在一個(gè)裝置的微機(jī)保護(hù)模式[1]。另外一種是只實(shí)現(xiàn)變壓器的主保護(hù)，需要額外配置獨(dú)立的變壓器后備保護(hù)的模式。采用那種模式主要根據(jù)變壓器所處的系統(tǒng)線路的電壓等級(jí)和保護(hù)需求所決定的，對(duì)于110kV 及以下的電壓等級(jí)則主要采用前者，對(duì)于110kV 以上的則出于穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的考慮主要采取后者進(jìn)行保護(hù)[2]。

1.2 微機(jī)保護(hù)發(fā)展趨勢(shì)

變壓器微機(jī)保護(hù)的未來創(chuàng)新趨勢(shì)主要是向著數(shù)字化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)化、人工智能化，多功能一體化的方向前進(jìn)。在科學(xué)信息技術(shù)飛躍式跨越式發(fā)展的現(xiàn)代，不同的繼保裝置能夠?qū)⒏髯詼y(cè)量的數(shù)據(jù)通過信號(hào)通道傳輸?shù)阶陨砘蛘咂渌b置的各個(gè)部分從而達(dá)到各部分繼電保護(hù)協(xié)調(diào)一體化工作的結(jié)果，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

可以說網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)步也帶動(dòng)的微機(jī)保護(hù)可以在一定程度上提高保護(hù)的性能及可靠性。芯片技術(shù)的算法和存儲(chǔ)空間以及自身體積壓縮的水平不斷提高，可以完成微型甚至家用電腦的功能，繼保裝置數(shù)字化將是勢(shì)如破竹。人工智能的發(fā)展可以替代人們煩瑣工作，而人工智能在繼電保護(hù)中起到的作用是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)判，繼保準(zhǔn)確動(dòng)作的前提是準(zhǔn)確的狀態(tài)評(píng)估。由于人工智能快速的邏輯處理，人工智能已經(jīng)成為評(píng)判運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵性工具。

2 變壓器微機(jī)保護(hù)概述

2.1 變壓器的故障類型和不正常運(yùn)行狀態(tài)

變壓器運(yùn)行狀態(tài)受內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化如相間短路或者接地短路，或者受外界線路或者負(fù)載的影響比較大，所以就導(dǎo)致了變壓器會(huì)發(fā)生故障情況或者是不正常運(yùn)行情況，這對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行造成了一定的影響，所以應(yīng)該設(shè)置多種保護(hù)來電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定與可持續(xù)工作。

2.2 變壓器微機(jī)保護(hù)原理

2.2.1 瓦斯保護(hù)

瓦斯保護(hù)是由兩對(duì)不同觸點(diǎn)的氣體繼電器支撐工作的，輕瓦斯保護(hù)動(dòng)作于輕微的油箱內(nèi)部故障，重瓦斯保護(hù)則動(dòng)作于嚴(yán)重的油箱內(nèi)部故障，輕瓦斯動(dòng)作的情形是油箱發(fā)生輕微故障，短路電流加熱變壓器油以及相關(guān)絕緣材料產(chǎn)生氣體，重瓦斯動(dòng)作的情形是短路電流造成變壓器油受熱膨脹和氣體產(chǎn)生，通過氣體體積變化的效果將觸發(fā)在油箱和油枕通道間的氣體繼電器進(jìn)而起到保護(hù)作用。瓦斯保護(hù)就是利用以上所述的各類特征進(jìn)行保護(hù)的[3]。

2.2.2 變壓器差動(dòng)保護(hù)基本原理

如果流入某節(jié)點(diǎn)的電流與流出該點(diǎn)的電流數(shù)值相同，則該點(diǎn)電流平衡，就可以表示該裝置內(nèi)部無故障，而假如流入該點(diǎn)的電流與流出該點(diǎn)的電流數(shù)值不一致，就說明該點(diǎn)電流不平衡，進(jìn)而表示該點(diǎn)中可能存在其他電流回路從而打破該點(diǎn)的電流平衡，表示該點(diǎn)可能發(fā)生故障，這就是人們?cè)陔娏ο到y(tǒng)中運(yùn)用的最為廣泛的原理基爾霍夫電流定律，基于以上的一個(gè)原理，可以通過把輸入電流與輸出電流進(jìn)行作差，而把這部分電流差來作為保護(hù)動(dòng)作量的就是差動(dòng)保護(hù)的來由。

2.2.3 變壓器比率差動(dòng)保護(hù)

比率差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作電流值是隨著變壓器外部故障時(shí)產(chǎn)生的短路電流從而按一定的比率進(jìn)行提高。通過比率制動(dòng)保護(hù)這一種保護(hù)方式不僅可以保證當(dāng)變壓器發(fā)生內(nèi)部短路故障時(shí)繼電保護(hù)動(dòng)作局有較高的靈敏度，還能保證當(dāng)變壓器發(fā)生外部故障時(shí)繼電保護(hù)不誤動(dòng)。而且采取比率差動(dòng)保護(hù)可以使繼電保護(hù)具有更高的穩(wěn)定性。

2.2.4 變壓器勵(lì)磁涌流

在電力系統(tǒng)中運(yùn)行中，勵(lì)磁電流是因?yàn)樽儔浩骺蛰d投入或者是外部故障切除時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致的繞組鐵芯發(fā)生嚴(yán)重飽和，進(jìn)而產(chǎn)生瞬時(shí)的數(shù)量值很大的勵(lì)磁電流，這一大電流可能會(huì)導(dǎo)致微機(jī)保護(hù)的誤動(dòng)作。比率制動(dòng)保護(hù)主要根據(jù)勵(lì)磁涌流的兩個(gè)特點(diǎn)來識(shí)別，第一是大量的非周期分量且波形靠近時(shí)間軸側(cè)；第二是含有大量的二次諧波。

2.2.5 差動(dòng)速斷保護(hù)

變壓器比率制動(dòng)原理的差動(dòng)保護(hù)在日常運(yùn)行的普通情況下執(zhí)行變壓器的主保護(hù)功能是非常足夠的，可是如果變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障的這一瞬間，變壓器發(fā)生的現(xiàn)象是短路電流會(huì)突然變得很大從而導(dǎo)致電流互感器繞組嚴(yán)重飽和，此時(shí)比率差動(dòng)保護(hù)會(huì)動(dòng)作失靈不能準(zhǔn)確快速反應(yīng)，因此需要添加差動(dòng)速斷保護(hù)來補(bǔ)充完善這一情況[4]。

3 變壓器微機(jī)保護(hù)硬件的構(gòu)成與設(shè)計(jì)

3.1 變壓器微機(jī)保護(hù)方案

根據(jù)上述所介紹的各種變壓器保護(hù)類型，本文針對(duì)型號(hào)為SFPZ4-63000/220的三相雙繞組變壓器微機(jī)保護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要保護(hù)設(shè)計(jì)配置如下：

本文中采取的主要保護(hù)是：輕瓦斯保護(hù)、重瓦斯保護(hù)、差動(dòng)電流保護(hù)，后備保護(hù)是：過負(fù)荷保護(hù)、過電流保護(hù)。

3.2 變壓器微機(jī)保護(hù)裝置硬件電流總體構(gòu)成

硬件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)變壓器微機(jī)保護(hù)的各種功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，他的設(shè)計(jì)好壞合理與否都將影響著微機(jī)保護(hù)功能的完成與否，而且還對(duì)軟件的設(shè)計(jì)有著起著重要的作用，所以一個(gè)好的完善的硬件設(shè)計(jì)即要考慮到功能的完成度，同時(shí)還要注重微機(jī)保護(hù)軟件設(shè)計(jì)的可靠便利與否。硬件模塊部分由數(shù)據(jù)采集部分、CPU 主部分、開關(guān)量輸入/輸出部分、人機(jī)交互部分組成，其中人機(jī)交互部分包括其液晶顯示，指示燈和鍵盤控制等功能。滿足電力系統(tǒng)保護(hù)的要求之一就是要在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)以第一時(shí)間的反應(yīng)以便迅速的處理。

因此，本裝置采取高性能CPU 的設(shè)計(jì)方法，CPU選用的是美國(guó)TI 公司生產(chǎn)的TMS320LF28335 DSP芯片，其為32位芯片，其系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為150MHz，能夠很好實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采樣處理和保護(hù)的邏輯判斷，本裝置設(shè)計(jì)采用單CPU 來同時(shí)控制不同的模塊可滿足軟硬件的要求，裝置硬件原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝置硬件原理結(jié)構(gòu)

微機(jī)保護(hù)硬件設(shè)計(jì)法通常采用的是模塊化設(shè)計(jì)，這有利于系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，便于內(nèi)容的組織和管理。

數(shù)據(jù)采集模塊：分為信號(hào)采集電路還有模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，信號(hào)采集電路主要負(fù)責(zé)將測(cè)試點(diǎn)的電流電壓這兩個(gè)模擬量進(jìn)行采集，然后通過調(diào)理電路進(jìn)行濾波和幅值的處理，將其處理成DSP 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路可以接受的電壓值，在通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

數(shù)據(jù)處理模塊：包括CPU、EPROM、EEPROM、RAM、定時(shí)器等，將數(shù)據(jù)采集模塊所采集得到的數(shù)字量在保護(hù)程序中得以執(zhí)行分析判斷處理，完成故障判定和保護(hù)實(shí)現(xiàn)的功能[5]。

開關(guān)量輸入輸出模塊：完成對(duì)觸點(diǎn)狀態(tài)和邏輯電平的轉(zhuǎn)換，來控制保護(hù)的跳閘回路和信號(hào)回路動(dòng)作與否。

電源模塊：用于對(duì)芯片，外設(shè)電路和繼電器供電，通常采用的是直流電源進(jìn)行供電。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊

3.3.1 信號(hào)采集電路

電流采集電路：電流互感器如圖接線，將變壓器的大電流轉(zhuǎn)換為二次設(shè)備可以接受的小電流，然后經(jīng)過調(diào)理電路的幅值和濾波處理，小電流進(jìn)一步的就會(huì)轉(zhuǎn)換成了模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊可以接受的0～3V 的正弦電壓信號(hào)，最終送入DSP 進(jìn)行信號(hào)處理。壓采集電路：電壓互感器二次側(cè)接至電壓采樣電路的輸入端，通過電壓互感器將變壓器強(qiáng)電壓轉(zhuǎn)換成了弱電壓信號(hào)，將要進(jìn)行采集的線路通過一定的連接線接到信號(hào)調(diào)理電路的左側(cè)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路的調(diào)理后，就會(huì)轉(zhuǎn)換成了模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊可以接受的0～3V 的正弦電壓信號(hào)，經(jīng)過3V 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓后輸出，最后送入DSP 進(jìn)行信號(hào)處理[6]。

3.3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

變壓器微機(jī)保護(hù)中功能完成的穩(wěn)定性及可靠性主要取決于數(shù)據(jù)采集的精度、速度及動(dòng)態(tài)范圍，所以綜合考慮運(yùn)算速度和計(jì)算精度、還有經(jīng)濟(jì)性這幾個(gè)因素的情況下，通過對(duì)比專用A/D 轉(zhuǎn)換芯片與TMS320LF28335DSP 芯片中A/D 轉(zhuǎn)換模塊的并最終選擇芯片自帶的A/D 轉(zhuǎn)換模塊。

3.4 CPU主系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中采取的微機(jī)保護(hù)芯片是由美國(guó)TI 公司生產(chǎn)的TMS320LF28335DSP 芯片，首先對(duì)數(shù)據(jù)采集電路采集而來的數(shù)據(jù)進(jìn)行在A/D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化，然后根據(jù)軟件程序設(shè)計(jì)的判斷依據(jù)來進(jìn)行一定的邏輯判斷，同時(shí)對(duì)于開關(guān)量的輸入信號(hào)來進(jìn)行實(shí)時(shí)的事件分析處理，最后通過輸出開關(guān)量從而達(dá)到控制外部繼電器[7]。

3.5 開關(guān)量輸入/輸出回路設(shè)計(jì)

微機(jī)保護(hù)裝置通過監(jiān)測(cè)變壓器周圍的各類開關(guān)量信號(hào)從而保證保護(hù)的正常動(dòng)作，開關(guān)量輸入量的開或關(guān)兩種狀態(tài)決定著保護(hù)的邏輯判斷與否，進(jìn)而才能對(duì)變壓器故障做出正確迅速地保護(hù)動(dòng)作。微機(jī)保護(hù)中開關(guān)量輸出量作為控制信號(hào)主要控制繼電保護(hù)裝置，輸出量主要由跳閘信號(hào)、合閘信號(hào)、告警信號(hào)等組成。為了準(zhǔn)確迅速地進(jìn)行微機(jī)保護(hù)，也避免其他無關(guān)信號(hào)的干擾，通常采用設(shè)計(jì)光電隔離電路在開關(guān)量輸入輸出回路當(dāng)中，并且還要設(shè)計(jì)額外濾波電路來對(duì)開關(guān)量輸入回路去除干擾信號(hào)。開關(guān)量輸入量的兩種狀態(tài)是變壓器外部開關(guān)元件的開、閉狀態(tài)，由于開關(guān)元件與變壓器的傳輸距離較遠(yuǎn)，在傳輸工程容易受外界干擾信號(hào)進(jìn)行干擾，因此應(yīng)保證開關(guān)量傳輸應(yīng)確?？煽亢途咻^強(qiáng)的抗干擾能力。本次設(shè)計(jì)中采用電容濾波與光電隔離的方法提高輸入信號(hào)的抗干擾能力。

4 結(jié)語

變壓器微機(jī)保護(hù)是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)不斷進(jìn)步發(fā)展的產(chǎn)物。在科學(xué)技術(shù)日新月異的變化下，微機(jī)保護(hù)也跟著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的東風(fēng)不斷發(fā)展，從發(fā)展伊始的8位、16位微處理器到后來的32位微處理器，芯片的運(yùn)算能力和處理信息的能力不斷加強(qiáng)，這就不斷要求人們從傳統(tǒng)的保護(hù)原理邏輯上不斷進(jìn)步。本文根據(jù)中性點(diǎn)接地雙繞組電力變壓器的運(yùn)行特點(diǎn)，針對(duì)型號(hào)為SFPZ4-63000/220的三相雙繞組變壓器制定了以差動(dòng)保護(hù)為主保護(hù)的一系列主后備保護(hù)方案，并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)而對(duì)微機(jī)裝置進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，以此為電力系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)提供具有可操作性的借鑒作用。