主变压器保护跳闸矩阵测量仪的研制及应用

席宇鹏

（锡林郭勒电业局，内蒙古 锡林浩特026000）

0 引言

主变压器的高、中、低压侧后备保护逻辑较为复杂，不同类型保护的不同时限对应的跳闸矩阵逻辑各不相同，在新主变压器保护投运和旧主变压器保护装置定检工作中，校验保护装置的动作及跳闸逻辑的正确性非常重要[1-2]。以220 kV电压等级的主变压器保护为例，通常除了配置比率差动保护的主保护外，在高、低、中压侧配置复压（方向）过流保护、零序（方向）过流保护、距离保护等多种类型的后备保护。其中，每种类型的保护又可以分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段，每段一般又分为1、2、3时限，每种类型不同时限的保护动作后跳闸逻辑不同，导致主变压器保护跳闸矩阵的测量较为复杂。

为了验证主变压器各类保护动作后，保护装置所对应的跳闸矩阵逻辑是否与定值单一致，传统的跳闸矩阵逻辑测量有两种方法。一种是利用万用表的直流电压档测量电位法[3-5]。由于保护装置的跳闸节点动作时间一般都是ms级的（100 ms左右），致使每次试验最多只能对2—3个跳闸出口进行测量，这样就必须重复2—3次试验才能完成某类保护的某个时限保护动作后跳闸矩阵的校验，要想完成主变压器所有保护跳闸矩阵逻辑校验十分耗时，且测量的准确性难以保障。另一种方法是利用继电保护试验仪的无源开入节点[6]。由于保护试验仪的无源节点只有4个，无法将所有的跳闸节点接入试验仪内，而且采用无源节点方式，要求拆除保护跳闸线，易导致运行间隔跳闸。

目前通常采用第一种方法，对于两套主变压器保护，保护逻辑多达数十种，至少需要两人配合对保护跳闸矩阵的逻辑进行数十次的测量，既耗时费力，又存在漏测的可能。文献[4]提出了一种以单片机为核心的保护装置跳闸出口校验方法，但是单片机的抗干扰能力较差，限制了测量仪的可靠运行。文献[7]对一种保护压板快速测量的方法进行了阐述，但并未给出具体的实施方案。本文基于可编程逻辑控制器（PLC）抗干扰能力强、易于维护、稳定性好和易于编程等特点，研制了以PLC为核心的主变压器保护跳闸矩阵测量仪。

1 测量仪设计原理

主变压器保护的跳闸矩阵定义及逻辑情况见表1、表2。将相应跳闸出口设为横坐标，各种保护动作设为纵坐标，某个保护动作与继电器出口交点为“1”，则说明该保护动作，启动该继电器出口。

表1 跳闸矩阵定义表

为保证研制的测量仪具有通用性，能适应各种电压等级和多跳闸出口的主变压器保护的要求，实现模拟一次故障就能校验一种保护动作的跳闸矩阵逻辑，装置需要满足以下需求：（1）脉冲电压的检测范围为90~130 V；（2）监测输入端口6个以上，满足多出口跳闸压板测量的需求；（3）能够测量跳闸出口动作时间；（4）测量跳闸出口时，不能发生直流接地故障。

对此，采取了以下设计方法：（1）测试仪的控制元件采用S7-200 SMART系列中的ST-20型PLC控制器，扫描周期为5 ms，满足所测的脉冲电压精度要求；（2）多数变电站的跳闸出口数量为6个，本文在此基础上增设了1个计时启动输入端口，共计7个跳闸输入检测口；（3）基于PLC控制器的计时功能，对动作的跳闸出口进行计时；（4）将200 kΩ电阻与12 V额定电压的中间继电器串联，作为跳闸出口的输入回路，保证在极端情况下直流系统不会发生接地故障。

1.1 硬件电路设计

测量仪硬件电路原理如图1所示，中间继电器与电阻串联接到压板下端口进行跳闸出口电压检测，当某个跳闸出口动作后，其相应压板的下端口会流过直流正电流，此时与跳闸压板对应的中间继电器线圈带电、常开触点闭合，这时PLC对应的输入点收到跳闸开入信号，将跳闸信息（动作开关和动作时间）显示到触摸屏。

图1 硬件电路原理

1.2 软件程序设计

采用梯形图语言编程，测量仪PLC内的软件工作流程如图2所示。

图2 软件程序流程

PLC编程采用STEP7-Micro/WIN SMART软件，程序语言采用梯形图，其程序如图3所示。

图3 梯形图程序

使用WinCC flexible SMART软件进行人机界面的组态，绘制画面并对各个控制进行数据链接，主画面如图4所示。

图4 人机界面主画面

对PLC和人机界面设备进行组态，设置PLC和人机界面的IP为同一个网段的不同地址，新建变量连接，通过以太网进行数据交换与信息通信。

2 测量仪应用效果

2.1 使用方法

该测量仪的接线比较简单，共有7个输入端，分别为计时启动输入、跳高压侧开关、跳中压侧开关、跳低压侧开关、跳高压侧母联、跳中压侧母联和跳低压侧分段，将6个跳闸输入用试验线和试验夹子接到相应的跳闸压板的下端口，计时启动输入端需要接至继电保护测试仪的开出端，当开始模拟故障时，测量仪的开出端闭合，当某一跳闸脉冲发送至PLC的输入端口时，PLC会对相应的跳闸脉冲到来的时间进行计时，并在显示屏上将动作时间显示在对应开关下面。

图5 为应用测量仪在110 kV东郊变电站2号主变压器高压侧零序（方向）过流Ⅰ段1、2时限的测量接线，图6为显示结果。由显示结果可以看出，显示屏上的高压侧母联和高压侧开关由红变绿，并且高压侧母联下方显示的动作时间为1520 ms，高压侧开关下方显示的动作时间为2093 ms。可以得出：零序（方向）过流Ⅰ段1时限动作跳的是高压侧母联开关，2时限动作跳的是高压侧开关，将测试结果与定值单要求的跳闸逻辑和跳闸时间进行比较，如相同则判断跳闸矩阵逻辑及跳闸时间正确，否则为不正确。

图5 测量仪使用接线图

该测量仪设计了Run和Simulation两种工作模式，Simulation模式主要是通过手触方式演示测量仪动作和时间显示效果；在正常测量时使用Run模式才能测量出主变压器保护跳闸矩阵动作情况。

2.2 应用效果

表3 统计了锡林郭勒电业局所辖部分变电站主变压器保护跳闸矩阵校验所需时间（采用万用表测量电压法）。

表3 采用万用表测量法校验时间统计结果

为了更好地统计和计算主变压器保护跳闸出口的校验时间，本文所指的单个保护逻辑具体到某段某时限保护，例如：过流Ⅰ段1时限为一个保护逻辑，过流Ⅰ段2时限为另一个保护逻辑。定义计算模型：跳闸矩阵校验时间=保护装置套数×（单个逻辑平均校验时间×保护逻辑数量/每套）。

采用主变压器保护跳闸矩阵测量仪对锡林郭勒电业局部分变电站的主变压器保护跳闸矩阵校验时间进行了统计，结果如表4所示。

表4 采用主变压器保护跳闸矩阵测量仪校验时间统计结果

可以看出：采用跳闸矩阵测量仪对主变压器保护跳闸矩阵进行校验所需时间比采用万用表测量所需时间短得多，220 kV主变压器保护跳闸矩阵平均校验时间缩短了60.42%，110 kV主变压器保护跳闸矩阵平均校验时间缩短了54.81%。同时，采用主变压器保护跳闸矩阵测量仪提高了测量的准确性，避免了漏测、错测情况的发生，且该测量仪还能对每个跳闸出口的动作时间进行测量，通过动作时间的长短可以辨别跳闸继电器的先后动作关系。

3 结语

本文所研制的跳闸矩阵测量仪采用PLC作为仪器的CPU，显示屏作为跳闸信息显示界面，依靠梯形图编程语言完成跳闸矩阵逻辑和跳闸出口动作时间测量，依靠组态软件完成跳闸出口动作和跳闸时间显示的编程，应用该测量仪不仅能缩短主变压器保护跳闸矩阵校验时间，提高工作效率，而且还提高了校验的准确性。该测量仪还可应用于其他多出口跳闸保护装置和安自等装置，例如小电流接地选线装置的跳闸矩阵的测量，具有灵活的可操作性和较强的实用性。