（电力系统及其自动化专业论文）基于avr单片机的配电变压器保护装置研制.pdf

d e s i g no fd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r p r o t e c t i o nd e v i c eb a s e d o n a v rs i n g l ec h i p a b s t r a c t 量j o w e rt r a n s f o r m e ri sv e r yi m p o r t a n ti np o w e r s y s t e m ，o n eo ft h em a i nd e v i c e s t h r o u g hw h i c ht oc o n n e c td i f f e r e n tv o l t a g el e v e l so fp o w e r g r i df o re n e r g ye x c h a n g e a sah u bf o rp o w e rt r a n s m i s s i o n ，t h ew o r ks t a t e o fp o w e rt r a n s f o r m e rh a si m p a c t d l r e c t l yo nt h ep o w e rs y s t e m s e c u r i t y ，s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y t h e r e f o r e i ti s n e c e s s a r y t oi n s t a l la g o o dp e r f o r m a n c e ，r e l i a b l e r e l a yp r o t e c t i o nd e v i c ei n a c c o r d a r i c ew i t ht h e c a p a c i t ya n di m p o r t a n c eo ft h et r a n s f o r m e r t r a d i t i o n a l t r a n s i b r m e rp r o t e c t i o nd e v i c e sc o m m o n l yu s e dp l u g - i nd s p p r o c e s s i n gc h i ps t r u c t u r e c a nn o tm e e tt h es p e e da n dr e a l t i m e r e q u i r e m e n t s i nt h i sp a p e r w ed e s ig n e da p o w e rd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rp r o t e c t i o nd e v i c e sb a s e da v r s i n g l e c h i p ，i nl i g h to f t h ea c t u a lr e s e a r c hp r o je c t f i r s t ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h et r a n s f o r m e rr e l a yp r o t e c t i o nt e c h n 0 1 0 9 y ，t h e n ， a n a l y z e st h ee x i s t i n gp r o b l e m so ft h eh a r d w a r ea n dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m f o i l o w e d b ys t u d yo ft h ec u r r e n tt r a n s f o r m e rp r o t e c t i o np r i n c i p l ec o m m o n l yu s e d o nt h eb a s i s o 士t t h es t u d y ，w ed e s i g n e dt h ep r o t e c t i o nd e v i c ew i t ha t m e g a 6 4m i c r o p r o c e s s o ro f a t m e lc o r p o r a t i o na st h ec o r e p r o t e c t i o nd e v i c ei n a c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a i s i t u a t i o no fd i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e ri s e q u i p p e dw i t ho f f - s p e e dd i f 先r e n t i a l p r o t e c t i o n ，t h er a t i od i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o nw i t hs e c o n d h a r m o n i cr e s t r a i n t c o m p o u n dv o l t a g el o c k o u td i r e c t i o no v e r - c u r r e n t p r o t e c t i o n ，t h ez e r o s e q u e n c e o v e r c u r r e n tp r o t e c t i o n ，o v e r l o a dp r o t e c t i o na n dd e v i c es e l f - t e s tf u n c t i o n i na d d i t i o n ，t h ea r t i c l ea l s op r o v i d e sa ni n d e p t ht h e o r e t i c a l a n a l y s i so fs e v e r a l s p e c m cp r o t e c ta c t i o n sp r i n c i p l e s e c o n d l y ，t h eo v e r a l lh a r d w a r ed e s i g na n ds o f i w a r e d e s i g na r ei n t r o d u c e d t h ee n t i r eh a r d w a r ed e v i c ei s c o m p o s e do fs i xp a r t so ft h e c l r c u l t m o d u l e ，i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o na n da dc o n v e r s i o n ，a t m e g a 6 4 s w i t c h l n p u t o u t p u t ，c o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c e ，t h e k e y b o a r d d i s p l a ya n dp o w e r o nt h e a s p e c to fh a r d w a r ed e s i g n ，c i r c u i td e s i g ni s s u e so fa n t i i n t e r f e r e n c ei s r e s e a r c h e d a n u m b e ro fm e a s u r e st oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n d e v i c e sa r e d e v e l o p e d t h em a i np r o g r a ma n dt h es p e c i f i cf l o wc h a r to ft h es u b r o u t i n ea r e i n t r o d u c e di nt h ep a r to fs o f t w a r ed e s i g n a t m e g a 6 4c h i pt ou s e6 4 kb y t e so f p r o g r a m m a b l ef l a s h ，t h r o u g ht h er s 一4 8 5s e r i a lp o r tf r o map ct od o w n l o a dd i f f e r e n t p r o g r a m st o f l a s hi nt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ec o m p l e t i o no ft h e a p p r o p r i a t e p r o t e c t i o n ，s e tt h ed e v i c et oa c h i e v eaw i d er a n g eo fp r o t e c t i o n i nt h ee n d ，t h em a i nw o r ko ft h ep a p e ri ss u m m a r i z e d ，a n dt h ei n t e n d i n gr e s e a r c h w o r ki sa l s op r o s p e c t e d ，s ot h a tt h et h e s i sr e s e a r c hc a ni m p r o v ea n dp e r f e c tf u r t h e ri n t h ef u t u r e k e yw o r d s ：p o w e rt r a n s f o r m e r ；m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n ；d i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n ；s e c o n dh a r m o n i cr e s t r a i n t ；a t m e g a 6 4 i i i 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其它人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 哆如 v 学位论文使用授权说明 年月日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 囱即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名。罗渤芬导师签名彩 f 9 年 7 月矽日 ， 广西大等昀页士掌位论文 基于a v r 单片机的配电变压器保护装置萄h 哪 第1 章绪论 1 1微机继电保护的概述 继电保护装置，是指能反应电力系统中电气组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。微机保护是指以微型机、微控制器等器件 作为核心部件，再配以所需的相关外围芯片构成的继电保护装置。随着科学的发展、技 术的进步，微机保护在硬件和软件算法方面都得到了长足远大的发展，特别是现在人工 智能技术的引入，微机保护无论从动作速度、动作性能及可靠性方面都远远超过传统保 护。目前，微机保护已广泛应用于电力系统中，对电力系统安全稳定运行发挥了极其重 要的作用。 与传统的继电保护相比，微机继电保护具有以下特点【l j ： 1 可靠性高 微机继电保护通过软件编程，具有在线检测和综合分析、判断功能。它能够不间断 的对硬件和软件进行自检，实现常规保护很难办到的自动纠错，避免由于装置硬件异常 引起的保护误动作或电力系统出现故障时保护的拒动。同时，微机保护硬件采取了隔离、 屏蔽和抗干扰措施，在保护软件的编程时也考虑了消弱或消除干扰，防止由于采样信号 受到干扰而造成保护误动。因此微机继电保护具有很高的可靠性。 2 灵活性大 微机继电保护装置是由软件和硬件相结合来实现保护功能，随着微机继电保护装置 的日益完善，其硬件逐渐标准化，可用同一硬件实现不同的保护原理。目前，国内变电 站内不同一次设备的保护装置在硬件设计时，尽可能采用同样的设计方案。由于保护的 原理主要由软件决定，因此我们只需要改变软件就可以改变保护的特性和功能，从而可 灵活地适应电力系统发展对继电保护要求的变化，使微机继电保护装置具有很大的优越 性。 3 容易获得附加功能 微机继电保护装置配有通信接口，可连接打印机或者其它显示设备。它除了具有保 护功能外，还可兼有事件顺序记录、故障测距、故障滤波与调度计算机交换信息等辅助 功能。 4 维护调试方便 通常情况下传统继电保护装置的调试工作量很大，尤其是一些复杂原理的保护，例 如超高压线路的高频距离保护设备，调试一套保护装置通常需要一周，甚至更长的时间。 其原因是，这类保护装置是布线逻辑，保护的每一种功能都由相应的硬件和连线来实现， 我们需要把具备的所有功能都用模拟试验校核一遍，才能确认保护装置是否完好。微机 广西大掌硕士掌位论文 基于a v r 单片机的配电变压器保护装置研制 继电保护装置则不同，它的硬件核心是数字信号处理器或单片机( 单片微型计算机简称 单片机) ，各种复杂的功能都是由相应的软件来实现的。而保护装置对硬件和软件本身 都具有自诊断功能，一旦发现异常就会发出报警信号。我们只要给装置上电，而保护自 检通过，没有报警，就可以确认装置是完好的。所以，对微机保护装置而言，除了输入 和修改定值及检查外部接线外几乎不用调试，可以大大减轻运行维护的工作量。 5 保护性能得到很好的改善 由于微处理器的使用，新原理的引入，人工智能技术和数学算法在微机保护中得以 实现，解决了传统形式继电保护中存在的很多技术问题。例如，接地距离保护承受过渡 电阻的能力、距离保护如何区分振荡和短路、母线保护如何检测电流互感器饱和、变压 器差动保护如何识别励磁涌流和内部故障电流等问题，都已经提出了许多新的原理和解 决方法。 6 经济性好 微处理器和集成电路芯片的性能不断提高而价格一直在下降，而电磁型继电器的价 格却在不断上升。而且微机继电保护装置是一个可以编程的装置，可以用同一硬件实现 多种保护功能，所以，微机继电保护装置在经济方面远远优于传统保护装置。 1 1 1电力系统继电保护的概述 电力系统是电能生产、交换、输送、分配和使用的各种电力设备按照一定的技术与 经济要求有机组成的一个联合系统。由于外界环境的干扰以及电力系统内部自身的问 题，电力系统在运行时可能处于不正常运行状态，也有可能会发生各种类型故障。其 中以短路故障发生的比重最大，同时也是最危险的。 一般情况下，发生短路时有可能产生以下的后果：( 1 ) 电力网中部分地区的电压大 大降低，破坏用户工作的稳定性，影响工厂产品的质量；( 2 ) 短路电流通过非故障组件， 由于发热和电动力的作用，造成器件损坏或缩短它们的使用寿命；( 3 ) 通过故障点出现 的大短路电流和燃起的电弧，使故障组件损坏；( 4 ) 破坏电力系统并列运行的稳定性， 引起系统振荡，甚至使整个系统瓦解1 2 l 。 在电力系统中，如果电气组件的正常工作遭到破坏，但是没有发生故障，这种情况 属于不正常工作状态。比如，因负荷超过供电设备的额定值引起的电流升高，称为过负 荷，这就是一种最常见的不正常运行状态。过负荷时，电气组件载流部分和绝缘材料温 度会逐渐升高，加速绝缘材料老化和损坏，并有可能发展成故障。此外，系统中出现有 功功率缺额而引起的频率降低，电力系统发生振荡，以及发电机突然甩负荷而产生的过 电压等，都属于不正常运行状态。 当系统处在不j 下常运行状态和发生故障时，都有可能引起事故，甚至引发新的故障。 为了防止事故扩大，保证非故障地区仍能持续可靠地供电，必须快速又有选择性地切除 故障器件。一般切除故障的时间要求短到几十毫秒甚至几毫秒。显然，由运行人员发现 2 基于a v r 单片机的配电变压器保护装置研制 并及时将故障设备切除是不合理的，只有在每一个电气设备上安装自动装置，即继电保 护装置才能满足要求。继电保护装置是指安装在被保护组件上，反应电力系统中电气组 件发生故障或不正常运行状态，并作用于发出信号或断路器跳闸的一种自动装置。 继电保护装置的基本任务慰u ： 1 ) 能反应保护组件的不正常运行状态，并根据电力系统运行和负荷用户的要求， 动作于发出信号、减负荷。针对这种情况，保护装置会根据对保护组件的危害程度有一 定的延时，而不是使保护迅速动作，这样能够避免不必要的动作。 2 )自动、迅速、有选择性地将故障组件从电力系统中切除，使故障组件避免于继 续遭到破坏，并保证其它无故障组件迅速恢复正常运行。 电力系统继电保护一词泛指继电保护技术和由各种继电保护装置组成的继电保护 系统，包括继电保护的原理设计、配置、整定、调试等技术，也包括由获取电量信息的 电压、电流互感器二次回路，通过继电保护装置到断路器跳闸线圈的一整套具体设备， 如果需要利用通信手段传送信息，还包括通信设备。可以说，电力系统继电保护是电力 系统中不可缺少的重要部分，是电力系统安全和可靠运行的重要保障。 1 1 2 变压器继电保护 变压器是电力系统中最重要的电气设备之一，它的故障将对供电可靠性和系统安全 运行带来严重的影响。和电力系统中其他设备相比，虽然变压器发生故障的几率少。但 是对于变压器来说，它在电力网中担当着重要的组成部分，如果发生了故障，首先会损 坏其本身，而其检修的难度随变压器的容量增大，使得电力系统的恢复时间延长，危害 加重，甚至会影响到整个电力系统的稳定运行，最后使整个电力网崩溃。因此必须针对 电力变压器的故障和异常工作情况，根据其容量和重要程度，装设动作可靠、性能良好 的继电保护装置。 近二十年来，我们国家的电力工业取得了迅猛的发展。依据电力网的运行数据，我 们可以总结收集得到，在1 9 0 0 2 0 0 4 这十几年之间，2 2 0 k v 及以上变压器保护运行情况， 如表1 1 和表1 2 【弼j 。 从这些统计数据可以看出，9 0 年代变压器平均正确动作率为6 9 2 ，2 0 0 0 2 0 0 4 年 比9 0 年代平均正确动作率百分点提高了8 5 9 ，为7 7 8 。虽然变压器保护运行情况有一 定的改善，但是改善的幅度不大。究其原因主要体现在制造部门出现的制造质量不良和 原理缺陷两方面。所以，变压器继电保护在理论和实践上需要更进一步的改善。 广西大学硕士掌位论文基于a v r 单片机的配电变压器保护装置研制 表1 19 0 年代2 2 0 k v 及以上变压器保护正确动作率统计 t a b l e1 1 s t a t i s t i c so fc o r r e c ta c t i o np e r c e n t a g eo ft r a n s f o r m e rp r o t e c t i o ni nt h e9 0 s 表1 22 0 0 0 2 0 0 4 年2 2 0k v 及以上变压器保护正确动作率统计 t a b l e1 2s t a t i s t i c so fc o r r e c ta c t i o np e r c e n t a g eo ft r a n s f o r m e rp r o t e c t i o nf r o m 2 0 0 0t o2 0 0 4 1 2 国内外变压器保护现状 1 9 3 1 年，r e c o r d r a y 9 1 首次提出了比率差动的变压器保护，开创了变压器保护的先 河。根据比较被保护元件两侧电流作为动作判据的差动保护，它的原理简单使其在变压 4 广西大学硕士学位论文基于a v r 单片机的配电变压器保护装置研制 器保护中得到了广泛的应用。但是，在差动保护中，引入的不平衡电流会使保护误动， 特别是励磁涌流与内部故障电流很难辨别，所以变压器保护的发展实际上是怎样鉴别励 磁涌流的发展史。 根据励磁涌流的特点，1 9 4 1 年，c d h a y w a r d 利用谐波制动来区分励磁涌流和故障 电流【lo l ，在一定程度上使保护误动得到了有效的抑制。在随后的十七年之后， w e g l a s s b u m 和r l s h a r p 1 l l 又利用二次谐波鉴别出了变压器励磁涌流，同时他们还 提出了在变压器故障严重时，引入差动速断保护。 随着计算机技术的发展，1 9 6 5 年，英国剑桥大学的p g m c l a r a n 和他的同事提出 了把计算机技术引入电力系统继电保护的设想。而在1 9 6 9 年，由r o c k e r f e r l l e r 首次提出 了数字式变压器保护的说法f 1 2 】【1 3 】。随后，d e g e n s 和o p m a l i k 对微机保护数据采集部分 前的数字滤波和模数转换之后的数字处理做了开创性的研究【1 4 】【1 5 】。文献 1 6 1 提出了计算 机变压器谐波制动保护方法。在理论研究之后，2 0 世纪7 0 年代中、后期，国外已有少 数样机在电力系统中得以试运行，这标志着微型计算机保护开始走入实用化阶段。 和发达国家相比，我们国家对微机继电保护的研究起步比较晚。起初是华北电力大 学，华中理工大学等高等院校和原电力部南京自动化研究所的继电保护科研人员，从事 这方面的研究，他们总结了国外的研究成果，最终把微机继电保护从理论研究转为了实 际应用【l 丌。而在1 9 8 4 年底，由华北电力大学的杨奇逊教授研制出了第一套微机距离保 护样机，并成功的在河北马头电厂投入试运行【i 引。从这之后，我国的微机继电保护的研 制得到了迅速的发展。到了9 0 年代中后期，随着各项技术的成熟，微机型继电保护装 置已经在我国电力系统中得到广泛的应用。 在我国，微机变压器保护装置的研制已经形成了比较成熟的技术理论体系。现投入 市场的有许昌继电器研究所的w b h 8 0 0 a 系列微机变压器保护装置，南自机电的 p d s 7 0 0 系列保护和自动装置，国电南京自动化股份有限公司的p s t - 6 2 0 系列、p s t - 1 2 0 0 系列，s gt 7 5 2 ，s gt 7 5 6 ，d p t 5 0 0 ，d p t 5 3 0 ，w b z 5 0 0 系列数字式变压器保护装置， 南瑞集团的r c s 9 7 8 系列，d s a 一2 3 0 0 系列等变压器保护装置，北京四方继保公司的c s c 系列微机保护装置。 随着数学领域在其他方面的拓展，人们把数字处理技术成功的应用在电力系统保护 中。从8 0 年代至今，不少学者把模糊理论、自适应理论、小波变换、人工神经网络i l 睨3 j 等技术运用到电力系统中，为电力系统继电保护技术的发展开辟了新的方向。 1 3 本研究课题的背景与意义 配电变压器是将电能直接分配给低压用户的电力设备，其运行数据是整个配电网基 础数据的重要组成部分。在城乡电网中，随着居民生活水平的提高，居民负荷占总负荷 的比例越来越大，居民对供电质量( 如电压合格率、频率等) 、供电可靠性的要求也越来 5 基于a v r 单片机的配电变压器保护装置研制 越高。由于用电量迅速增加，原来的配电变压器容量小，小马拉大车，不能满足用户的 需要；季节性和特殊天气等原因造成用电高峰，这都会造成变压器过负载运行，给变压 器造成损害，甚至影响整个电网的安全运行。因此必须根据变压器的容量和重要程度装 设性能良好的保护装置。 本文研究课题“基于a v r 单片机的配电变压器保护装置研制 是与企业联合研制， 针对低压配电变压器开发的保护装置。该装置应用的保护方案采用了国内比较成熟的保 护原理，比率差动保护采用二次谐波制动方式。该装置以a t m e g a 6 4 作为硬件核心，其 强大的数据吞吐率和丰富的软、硬件资源大大降低了保护的动作时间，提高了变压器保 护的可靠性和速动性。 1 4 本论文的研究内容 本课题的主要工作是针对工程实际要求，研究基于a v r 单片机的配电变压器保护 装置的硬件设计和保护实现方案以及软件的开发。 本论文研究的内容包括以下几部分： ( 1 ) 分析了国内外微机变压器保护现状及存在的问题，针对企业给出的具体要 求，提出了基于a v r 单片机的配电变压器保护装置的研制。 ( 2 ) 论述了变压器保护的配置及其原理，分析了变压器励磁涌流的特点，重点分 析了二次谐波制动的比率差动保护、复合电压闭锁方向过电流保护、零序过电流保护 的原理。 ( 3 ) 首先介绍了保护参数相位的校正和电流平衡的调整，然后对变压器保护参数 的整定计算做了详细的介绍。 ( 4 ) 重点研究了基于a v r 单片机的配电变压器保护装置的硬件电路，并针对每 个构成电路模块进行详细介绍。 ( 5 ) 介绍保护的整体软件流程，并详细分析了各个模块子程序。整个软件由c 语言来编程，在a v r 的软件集成开发环境( a t m a n a v r ) 中进行程序的编译与调试。 ( 6 ) 最后总结论文的工作，并结合自己的体会，对进一步研究工作提出一些想法 和展望，以便进一步完善变压器保护装置。 6 广西大学硕士掌位论文 基于a v r 单片机的配电变压器保护装置研制 第2 章变压器保护原理的研究 2 1变压器应配置的保护 变压器保护的任务就是反应其故障和不正常运行状态，通过断路器或隔离开关切除 故障变压器或发出信号。安装在变压器两侧的微机继电保护装置应能够根据被保护器件 的重要程度，发出警告信号，通过远方通信平台，使运行人员及时发现并采取相应的措 旖消除异常情况，以确保变压器甚至整个电力网的安全运行【2 4 1 。变压器保护还用作相邻 组件( 如母线) 的后备保护。根据电力行业的有关规定，变压器一般应考虑配置以下几种 保护【2 5 1 。 1 纵差动保护和电流速断保护 变压器绕组的匝间和相间短路、中性点接地侧的接地、引出线上的相间短路和接地 等等，对于这些故障类型，应在变压器各侧装设纵差保护和电流速断保护。而在变压器 内部发生短路，比如匝间短路故障，装设的电流速断保护和纵差动保护不起作用，不能 切除故障器件。 对6 3 m v a 及以上并列运行的变压器，1 0 m v a 及以上单独运行的变压器，6 3 m v a 及以上发电厂厂用的工作变压器和工业中的重要变压器，和电流速断保护灵敏度不能达 到要求而容量在2 m v a 以上的变压器，都应遵照国家标准装设纵差保护。而对于有些特 别情况还应装设双差动保护，例如高压侧电压达到3 3 0 k v 及以上的变压器。 2 瓦斯保护 针对于变压器内部故障的严重程度，瓦斯保护可分为重和轻两种。一般情况下轻瓦 斯动作于发出告警信号，重瓦斯动作于跳开断路器。针对于变压器油箱内部故障所产生 的气体或漏油时，瓦斯保护动作，跳开两侧的的断路器，为了防止保护出口继电器的 触点抖动，动作后应有自保持措施。对带负荷调压的油浸式变压器的调压装置，应设 有瓦斯保护。 3 过流保护 用作变压器外部短路故障和作为变压器的瓦斯保护、纵差动保护( 或电流速断保护) 的后备保护，主要有下面几种： 1 ) 过电流保护，接线原理简单，一般用于降压变压器，动作直接跳开变压器两侧 的断路器。保护的整定值按照躲开事故状态下变压器内可能出现最大过负荷电流来考 虑； 2 1 低电压起动的过电流保护，接线比较复杂，保护动作有一定的延时，一般用于 6 3 m v a 及以上的变压器。 3 1 复合电压起动的过电流保护，接线简单，灵敏系数高，一般用于升压变压器和 7 广西大学硕士掌位论文基于a v r 单片机的配电变压器保护装置研制 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； 4 接地保护 在中性点不接地或经消弧线圈接地电网( 小电网) 中，采用零序电压保护作为变压 器的接地保护。对于中性点直接接地电网( 大电网) 中，装设零序电流保护作为变压器 的接地保护。零序电流保护还可以用作变压器外部接地故障和中性点直接接地侧绕组、 引出线接地故障的后备保护。 5 过励磁保护 过励磁保护可动作于发信号或跳闸。一般在超高压( 高压侧电压达到5 0 0 k v 及以上) 变压器上才装设过励磁保护。 6 过负荷保护 用来反映容量在o 4 a 及以上变压器的对称过负荷。过负荷保护接在单相的电流 上，根据变压器的容量和环境温度延时，发出于信号。特殊情况下对于无值班人员的变 电站，过负荷保护可以动作于自动减负或跳闸。 2 2 配电变压器的保护原理 按照上述变压器保护的配置原则，本文针对配电变压器研制的保护装置同时配备了 主保护和后备保护。下面就主保护和后备保护的原理进行论述。 2 2 1 配电变压器的主保护 配电变压器主保护反映其内部故障，由差动保护和瓦斯保护组成。在比率差动保护 中采用二次谐波闭锁原理来辨别励磁涌流和内部故障电流，有效的防止了励磁涌流误 动。差动保护由差动速断保护和比率差动保护配合构成。 2 2 1 1 变压器纵差动保护原理 纵差动保护是依据k c l 基本定理，利用比较被保护组件各端电流的幅值和相位来 构成的。把被保护设备看作是一个节点，规定线路流入被保护设备为电流正方向，当被 月 保护设备无故障时恒有= 0 ，即流入、流出电流之和为零。 f 8 广西大学硕士掌位论文基于a v r 单片机的配电变压器保护装置研制 图2 1双绕组单相变压器纵差保护的原理接线 f i g 2 1w r i n gd i a g r a mo fd o u b l e c o l u m ns i n g l e p h a s et r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n 图2 1 给出了双绕组单相变压器纵差保护的原理接线图。、厶分别为变压器两侧 电流互感器的一次电流，一、e 为电流互感器相应的二次电流，一般情况下规定流入 继电器方向为正方向。则经过接入线路流入继电器，一，的差动电流为： 1 ，：云+ 丘 ( 2 1 ) ，= f + 以 l 厶l j 考虑不平衡电流的影响，纵差保护的动作判据为： i ， j 删( 2 2 ) 式中：，差动电流的有效值； ，埘纵差保护的动作电流。 设变压器的变比为嘶= u ，v 2 ，式( 2 - 1 ) 可进一步表示为： ，：土+ 土 i i t a ln t a 2 考虑变压器二次电流互感器，式( 2 - 3 ) 可表示为： ：必些+ 1 一一n t a l n t1 土l2 尹+ l 一百j 意 式中，行黝，、n 喇：分别为两侧电流互感器的变比。理想情况下， 堑：玎， 力翻l 。 式( 2 4 ) 变为： ，：竺! 互垒 力翻2 纵差保护动作判据用下式表示： 9 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 电流互感器的变比满足 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 广西大学硕士掌位论文基于a v r 单片机的配电变压h - 保护装置研制 l l r l l ( 2 - 7 ) ll 式中，i s e t 为差动速断最小动作电流1 2 6 。 忽略变压器的损耗，根据基尔霍夫电流定律，正常运行和区外故障时，式( 2 1 ) 等于 零，即流入差动继电器的电流，为零，继电器，一，不会动作；当变压器内部发生故障 时，如果把变压器看成一个节点，则相当于从节点多引出了一条支路，此时流入继电器 的差动电流等于这条支路上流过的电流，所以只要式( 2 7 ) 成立，差动保护就能迅速动作。 2 2 1 2 变压器的励磁涌流及其特点 电力变压器正常运行时，用于建立磁场的励磁电流很小，通常不超过其额定电流的 2 - - 1 0 。当变压器在空载合闸或外部故障切除后，电压恢复时，由于变压器剩磁的存 在以及磁通的暂态特性，通过铁芯的磁通量超过饱和磁通，造成变压器铁芯的饱和，致 使励磁电流显著增加而产生励磁涌流。该励磁涌流仅在变压器的一侧流通，流入差动回 路，造成保护误动。由于励磁电流很大，若用动作电流来躲过其影响，纵差动保护在变 压器内部故障时灵敏度将会很低。因此，必须正确识别励磁涌流和短路电流。 下面以单相变压器为例，分析励磁涌流的特点。在变压器稳态工作情况下，铁芯中 有磁通。且滞后于外加电压9 0 。，如图2 2 所示。如果空载合闸时，正好在电压瞬时值 u = 0 时接通电路，根据磁链守恒原理，合闸前后铁芯中的合成磁通r 不能突变，因此， 产生了一个非周期分量的磁通。在半个周期后，合成磁通达到最大值甲。，若不 衰减，则。戤= 2 ：+ 。此时变压器的铁芯严重饱和，励磁电流将剧烈增大，此 电流即为变压器的励磁涌流，e f ，其数值可达到额定电流的6 8 倍。 j k z 爪 圣：m 越j x ：r母、 一- 。 。 币二乒 0 图2 2 合闸角为零时变压器铁芯的磁化曲线 f i g 2 2m a g n e t i z a t i o nc u r v eo ft r a n s f o r m e rc o r ew h e nc l o s ea n g l ei sz e r o 实验数据分析表明【2 7 1 ，励磁涌流具有以下特点。 ( 1 ) 励磁涌流包含有大量的高次谐波，而以二次谐波为主，一般情况下二次谐波 不低于基波分量的15 。 ( 2 ) 励磁涌流包含有很大成分的非周期分量，波形偏于时间轴的一侧，但三相变 i o 广西大学明炙士掌位论文 基于a v r 单片机的配电变压器保护装置研制 压器的对称性涌流在时间轴两侧都有分布。 ( 3 ) 励磁涌流波形之间出现间断，在一个周期中间断角可能超过9 0 。 2 2 1 3 二次谐波闭锁的比率差动保护 1 差动保护逻辑框图 差动保护包括比率制动( 又称穿越电流制动) 组件和二次谐波制动的励磁涌流判别 组件，还有不灵敏的差动速断组件，其逻辑框图如图2 3 所示【2 引。 图2 3 差动保护逻辑框图 f i g 2 3 t h el o g i cd i a g r a mo fd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n 2 差流速断保护 当变压器绕组或电源侧的引出线上发生严重故障时，保护装置差动回路中的短路电 流迅速增大。为了快速切除故障，尽可能降低变压器的损害，防止事故范围扩大，应该 使保护装置瞬时动作。所以，在保护启动元件启动后，瞬时投入差流速断保护，切除保 护器件。当任一相差动电流大于差流速断整定值时瞬时动作于出口动作。判别式( 以a 相为例) 为： i a 厶( 2 8 ) 式中，d 为差流速断保护的整定值。 3 比率差动保护 在差动速断保护不动作的情况下，还应进行比率制动差动保护的判断。比率差动保 护【2 9 】例是在制动电流超过某个值后，差动电流随制动电流的增大而成一定比例的增大。 这样在不平衡电流较大的外部故障时，制动电流有制动作用，而在变压器内部故障时， 制动作用最小【3 1 1 。比率制动特性的原理是传统差动保护原理在数字保护上的改进，具有 较高的灵敏度。 基于a v r 单片机的配电变压器保护装置研制 它的比率制动特性如图2 4 所示，由三个部分组成：无制动区、制动区和动作区。图 中平行于横坐标的段为无制动段，动作电流值l 为常数启动电流。不随制动电流 变化而变化。当制动电流k 逐渐增加到超过最小制动电流k 。后，差动保护的动作电 流会随制动电流的增加而沿着一条直线n o 成定比例的增加。当发生严重故障动作电 流会增加到一定值即差动速断电流l 时，保护将无延时地动作跳闸出口。 l d is d i o p q 图2 4比率制动特性图 f i g 2 4 t h ec h a r a c t e r i s t i cf i g u r eo fr a t i ob r a k i n g 差动保护动作方程为： i 叩 io p n 当i 。ssi 哪 i p i ) p q 七s u 。一i 骶0 当i 。s l 。s q 式中：l 差动电流； 匕。差动最小动作电流整定值； ，。制动电流； 。最小制动电流整定值； s 制动段斜率； 乙差流速断整定值。 对于双绕组变压器差动电流、制动电流为： 2 p ，z | k = 挣引 对于三绕组变压器差动电流、制动电流为： 2 卜厶+ l i m a x ( 1 j 抖眺 差动元件各侧电流的方向都以指向变压器为正方向， 1 2 ( 2 - 1 4 ) ，2 ，厶分别为高压侧、 缈 d 芍 二o 0 j 0 0 q q q p 广西大掣页士掌位论文基于a v r 单片机的配电变压器保护装置研靠 中压侧、低压侧电流互感器二次侧的电流。而差动最小动作电流l _ o 、最小制动电流k 。 以及比率制动系数k 。，的定值整定根据相关国家标准及性能要求计算设定。 若式( 2 9 ) ，( 2 1 0 ) 成立，说明此时的差动元件动作并且在动作区，则可以认为可能 是变压器发生了内部故障，但还不一定是发生了内部故障；若不成立，说明差动元件不 动作在制动区，则能够判别为外部短路故障，制动继电器使其不动作。 4 二次谐波闭锁 若差动元件动作且在动作区，这时还应该判别是励磁涌流还是内部故障电流。若是 涌流，则应制动继电器使其不动作，若是内部故障电流，应瞬时出口使继电器动作。 保护利用三相差动电流中的二次谐波分量作为励磁涌流闭锁判据。分相计算差动电 流中的基波0 ，和二次谐波分量2 ，二次谐波3 2 1 制动判据如下： k 2 k 乞i( 2 1 5 ) 式中：l 。a ，b ，c z 相基波差动电流； l 。：相应的二次谐波电流； k 二