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学校代码：10128学 号：201311202029本科生科研训练报告题 目： 变压器微机保护设计学生姓名： 齐向楠学 院： 电力学院系 别： 电力系专 业： 电气工程及其自动化班 级： 电气13-2指导教师： 李梅 2017年 1 月 12 日变压器微机保护设计 齐向楠（内蒙古工业大学）6摘要微机保护经过近20年的应用、研究和发展，已经在电力系统中取得了巨大的成功，并积累了丰富的运行经验，产生了显著的经济效益，大大提高了电力系统运行管理水平。近年来，随着计算机技术的飞速发展以及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用，新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中，以期取得更好的效果，从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展，其未来趋势向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。微机保护是用微型计算机构成的继电保护，是电力系统继电保护的发展方向（现已基本实现，尚需发展），它具有高可靠性，高选择性，高灵敏度。微机保护装置硬件包括微处理器（单片机）为核心，配以输入、输出通道，人机接口和通讯接口等。变压器是电力系统中的重要设备之一，它的故障对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。变压器故障通常是伴随着电弧和放电以及剧烈燃烧而发生，随后电力设备即发生短路或其他故障，轻则可能仅仅是机器停转，照明完全熄灭，严重时会发生重大火灾乃至造成人身伤亡事故。同时大容量的变压器也是非常贵重的设备，如何对变压器进行保护设计，确保变压器的安全运行受到了电力工程技术人员的广泛关注和高度重视，故此必须根据变压器容量和重要程度来进行保护设计和装设专用的保护装置，加强变压器的保护模式，以使电力供应更加安全可靠。变压器常用的保护装置有:瓦斯保护、纵联差动保护、过负荷保护。关键词：变压器,微机保护,继电保护1 绪论1.1研究的背景，目的和意义变压器是电力系统组成的一个重要环节，是电力网中的线路连接点，其主要作用是变换供电电压，汇集和分配电能。为保证电网安全可靠运行、改善电压质量、降低电力损耗、快速处理事故和提高供电可靠性，变电站的微机保护显得尤为重要。 随着我国经济的快速发展，工业及工业技术也在快速的发展，这对电网的可靠性也提出了更高的要求；同时在我国当前的经济及能源形势下，对电网建设也提出了很多新的要求:电网规模不断壮大，电压等级不断提高。西电东送，直流输电和智能电网成为电力系统主流课题。所以就要综合电力系统现有的变压器微机保护设计方法结合新形势下对变电站的要求进行变压器微机保护的设计，以适应以上新形势下对电网的要求。因此，变压器微机保护的设计具有很大的意义。2 国内外研究现状及发展趋势2.1研究现状计算机保护于20世纪80年代发展最快的是日本，我国起步较晚，但发展很快。自从由华北电力大学杨奇逊教授研制的第一代微机型高压输电线路继电保护装置投入现场运行起，我国的电力系统微机型继电保护的研制得到了迅速的发展。电力系统继电保护方式也随之从机电型、整流型、晶体管型、集成型的保护逐步演变到了微机保护型，其强大的功能，是以前各种保护形式所不具备的。20世纪90年代中后期人工智能以及网络技术的飞速发展，出现了以微机和光传输技术为特征的全数字控制智能保护系统，微机保护技术呈现出网络化，智能化，以及保护、控制、测量和数据通信一体化的发展趋势。2.2发展趋势变压器保护网络化趋势，网络技术作为信息和数据通信工具，已成为信息时代的技术支柱。在过去，由于缺乏强有力的数据通信手段，大多数继电保护装置都只能反应保护安装处的电气量，继电保护的作用也只限于切除故障元件、缩小事故影响范围。电力系统的飞速发展对继电保护提出新的要求，使继电保护的作用不仅限于切除故障元件和限制事故影响范围，还要保证全系统的安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，确保系统的安全稳定运行，这也就是分布式技术在继电保护中的应用。显然，实现这种系统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络联接起来，亦即实现微机保护装置的网络化。继电保护装置能够得到的系统故障信息愈多，则对故障性质、故障位置的判断和故障距离的检测愈准确。要真正实现保护对系统运行方式和故障状态的自适应，必须获得更多的系统运行和故障信息。网络技术的发展则为微机保护系统掘取更多的信息提供了通讯渠道，而分布式控制技术的成熟发展为保护系统的信息利用与协调提供了理论与物质础。保护、控制、测量、数据通信一体化趋势，整个保护系统实际上就是一个高性能、多功能的计算机局域网络。每个分布式保护元件是整个电力系统计算机局域网络上的一个智能终端，它可从网上获取电力系统运行和发生故障时的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或终端。因此，每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。利用微机保继电器自身具有的测量功能，通过通信网络向系统传送遥测值，就可取消大量的常规变送器，此法造价低，也简化了变电站内二次接线。这种用计算机网络实现的分布式保护、控制、测量、数据通信一体化原理，比传统的集中式保护原理有更高的可靠性和经济性。微机保护装置网络化、控制、测量、数据通信一体化已成为微机保护发展的必然趋势。变压器微机保护智能化的趋势，近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、专家系统、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域的应用研究也取得了一定的成绩，将这些人工智能方法适当结合可以提高保护的动作速度以及动作的可靠性。并且，当前电力系统正向大容量、超高压、大机组、大电网的方向发展，随着电网规模的不断增大，电压等级的不断提高，其对整个电网运行的安全性、可靠性、经济性以及全网管理水平的要求将越来越高。利用微机取代常规控制保护方式，实现变电站综合自动化，已成为电力部门的热门话题和共同追求。3 本设计研究内容及拟采用方案3.1微机保护装置的硬件组成和软件结构3.1.1硬件组成一套完整的微机保护系统装置通常是由五个部分的硬件构成，如图1所示，即开关量输入/输出系统、人机接口与通信系统、数据采集系统、CPU主系统及电源系统。开关量输入/输出系统，微机保护同外部设备的联系电路就是开关量输入/输出系统，由光电耦合器、中间继电器以及并行扩展芯片等构成。该系统主要执行各种保护的信号报警、外部接点输入以及出口跳闸等功能。图1微机继电保护功能图人机接口与通信系统是由通信芯片、液晶显示器、键盘及打印机等构0成的人机接口与通信系统，主要具备系统状态显示、定值整定、完成装置调试以及实现与其他设备进行通信的功能。全部的保护装置都具有标准的RS422/485、RS232、LONWORK或CAN等现场通信的网络接口电路。数据采集系统数据采集系统（模拟量输入系统）可以将TA、TV传输到保护系统的电流、电压等模拟量中，并快速的转化为现实的数字量。该部分主要由模拟滤波、多路开关、电压形成、模数转换及采样保持构成。CPU主系统微机保护系统的核心就是CPU主系统，它主要由EPROM、CPU、RAM及定时器等构成。保护装置的任务，由EPROM中设置的程序去执行，并将由数据采集系统搜集到的信息输入到RAM区，并展开汇总、分析及处理，最后完成全部的继电保护作用。电源系统，电源系统为整个装置提供所需的稳压直流电源。为确保整个装置的可靠供电，通常将高频交流电源利用输入的直流电源进行逆变然后再整流为适当电压等级的直流电源。这种经过改变的电源系统产生很强的抗干扰特性，可以消除变电站中因断路器跳、合闸等因素引起的强干扰。3.1.2软件结构微机保护可以利用具有管理和保护功能的软件对硬件电路实现继电保护。常用的微机保护系统的主要程序流程如图2所示。由图可知其包括数据采集系统的初始化分、初始化（一）及初始化（二）。数据采集系统的初始化主要对取样值所在的地址指针加以初始化。初始化（一）主要为了保证出口继电器都不运作，对微处理器CPU、保护输出的开关量出口及扩展芯片均赋以正常的初值。初始化（二）主要是对采样定时器进行初始化，对RAM区中运行时要运用到的一切软件计数器及标志位进行全部清零。图2微机保护系统的主要程序流程图3.2 变压器的故障不正常运行状态及其相应的保护方式 电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。同时大容量的电力变压器也是十分贵重的元件，因此，必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好，工作可靠的继电保护装置。3.2.1变压器的故障不正常运行状态 变压器的内部故障可以分为油箱内和油箱外故障两种。油箱内的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁心的烧损等，对变压器来讲，这些故障都是十分危险的，因为油箱内故障时产生的电弧，将引起绝缘物质的剧烈汽化，从而可能引起爆炸，因此，这些故障应该尽快加以切除。油箱外的故障，主要是套管和引出线上发生相间短路和接地短路。上述接地短路均系对中心点直接接地电力网的一侧而言。变压器的不正常运行状态主要有：由于变压器外部相间短路引起的过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压;由于负荷超过额定容量引起的过负荷以及由于漏油等原因而引起的油而降低。此外，对大容量变压器，由于其额定工作时的磁通密度相当接近于铁心的饱和磁通密度，因此在过电压或低频率等异常运行方式下，还会发生变压器的过励磁故障。3.2.2变压器的保护方式1、 瓦斯保护对变压器油箱内的各种故障以及油面的降低，应装设瓦斯保护，它反应于油箱内部所产生的气体或油流而动作。其中轻瓦斯保护动作于信号，重瓦斯保护动作于跳开变压器各电源侧断路器。应装设瓦斯保护的变压器容量界限是：800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器。同样对带负荷调压的油浸式变压器的调压装置，也应该装设瓦斯保护。2、 纵差动保护或电流速断保护对变压器绕组、套管及引出线上的故障，应根据容量的不同，装设纵差动保护或电流速断保护。纵差动保护适用于：并列运行的变压器，容量为6300kVA以上时;单独运行的变压器，容量10000kVA以上时;发电厂厂用工作变压器和工业企业中的重要变压器，容量为6300kVA以上时。电流速断保护用于10000kVA以下的变压器，且其过电流保护的时限大于0.5s时。对2000kVA以上的变压器，当电流速断保护的灵敏度不能满足要求时，也应该装设纵差动保护。对高压侧电压为330kV及以上的变压器，可装设双差动保护。上述各保护后，均应跳开变压器各电源侧的断路器。3、外部相间短路时，应采用的保护对于外部相间短路引起的变压器过电流，应采用下列保护作为后备保护。(1)过电流保护，一般用于降压变压器，保护装置的整定值应考虑事故状态下可能出现的过负荷电流;(2)复合电压起动的过电流保护。一般用于升压变压器、系统联络变压器及过电流保护灵敏度不满足要求的降压变压器上;(3)负序电流及单相式低电压起动的过电流保护，一般用于容量为63MVA及以上的升压变压器;(4)阻抗保护，对于升压变压器和系统联络变压器，当采用第(2)、(3)的保护不能满足灵敏度和选择性要求时，可采用阻抗保护。对500kV系统联络变压器高、中压侧均应装设阻抗保护。保护可带两段时限，以较短的时限用于缩小故障影响范围;较长的时限用于断开变压器各侧断路器。4、外部接地短路时，应采用的保护对中性点直接接地电力网内，由外部接地短路引起过电流时，如变压器中性点接地运行，应装设零序电流保护。零序电流保护可由两段组成，每段可各带两个时限，并均以较短的时限动作于缩小故障影响范围，或动作于本侧断路器，以较长的时限动作于断开变压器各侧断路器3.2.3 保护设计方案 根据DF3200系列微机变压器保护装置近五年、上千套产品的运行经验，把它们在中、低压电网的成功方面和不足之处进行总结的基础上，研制了新一代的DF3300系列微机变压器保护装置。它们采用系统化设计思想，采用成熟可靠的保护原理，应用最先进的计算机网络通信和控制技术，采用先进可靠的硬件技术和美观适用的结构，保护、监控、通信网络整体化设计，保护功能相对独立，符合DF3300变电站自动化系统的分层、分布、分散式的面向对象的整体设计思想要求。以下简要介绍新一代DF3300系列微机变压器保护装置的设计方案。 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。 3.2.4 保护配置方案 在设计保护的配置方案时，充分注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，如果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去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，满足四侧电流输入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，满足两侧电流输入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。满足两侧电流输入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作箱回路，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。总结新一代的DF3300系列变压器保护装置，在保护整体性能上有了显著的提高和发展。在对于变压器轻微故障的灵敏性、TA饱和、通信功能、故障分析、电磁兼容、配置应用等方面有了显著提高。试验和实际运行都表明该系列变压器保护装置达到了较高的设计水平。它们采用系统化设计思想，采用成熟可靠的保护原理，应用最先进的计算机网络通信和控制技术，采用先进可靠的硬件技术和美观适用的结构，保护、监控、通信网络整体化设计，保护功能相对独立，符合DF3300变电站自动化系统的分层、分布、分散式的面向对象的整体设计思想要求。参考文献1 王维俭， 电气主设备继电保护原理与应用， 北京：中国电力出版社， 19982 东方电子DF3300系列变压器保护装置技术说明书3 杨奇逊，微型机继电保护基础，北京:中国电力出版社，2005 4 贺家李，电力系统继电保护原理，北京：中国电力出版社，20105 傅翔华，贾长朱，微机变压器保护装置现状分析及改进建议，电力系统自动化，19976 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