电力系统变压器微机保护及硬件设计

中铁电气化铁路运营管理有限公司 苏 万

变压器的正常运行与否关系着区域电力系统持续工作的稳定性，同时电力系统可靠工作也离不开变压器安全稳定运行。而且变压器由于要满足大容量和高电压所以制造难度大技术要求高，所以每台机器造价较高，一旦发生故障使其遭到破坏，维修费用与其维修所导致停工可能造出社会损失都是不容小觑的。因此，要高度重视并根据电力变压器的容量和电压等级和区域重要性，尽可能的考虑到变压器投入运行中发生的各种不正常运行状态和故障类型，进行针对性的装设工作灵敏可靠和经济性和方便检修控制这三者同时兼顾的继电保护装置。而变压器微机保护就是一种安全灵敏可靠，检修方便和经济性好的继电保护装置。

1 变压器保护发展概况

1.1 国内外变压器微机保护研究现状

国内对于变压器微机保护理论的研究一直都在不断地进步，保护理论研究得较为充分地得到励磁涌流造成的误动作较多，我国判断励磁涌流的方法主要是以间断角和二次谐波制动这两个特性的辨别进行判断，外国的判断励磁涌流则是由二次谐波来辨别。通过判别励磁涌流而达到闭锁比率差动保护的效果，变压器微机保护主要可以分为两种不同的保护模式，一种是主保护和后备保护集中在一个装置的微机保护模式[1]。另外一种是只实现变压器的主保护，需要额外配置独立的变压器后备保护的模式。采用那种模式主要根据变压器所处的系统线路的电压等级和保护需求所决定的，对于110kV 及以下的电压等级则主要采用前者，对于110kV 以上的则出于稳定性和经济性的考虑主要采取后者进行保护[2]。

1.2 微机保护发展趋势

变压器微机保护的未来创新趋势主要是向着数字化、工业互联网化、人工智能化，多功能一体化的方向前进。在科学信息技术飞跃式跨越式发展的现代，不同的继保装置能够将各自测量的数据通过信号通道传输到自身或者其他装置的各个部分从而达到各部分继电保护协调一体化工作的结果，从而保证系统的稳定可靠运行。

可以说网络化的进步也带动的微机保护可以在一定程度上提高保护的性能及可靠性。芯片技术的算法和存储空间以及自身体积压缩的水平不断提高，可以完成微型甚至家用电脑的功能，继保装置数字化将是势如破竹。人工智能的发展可以替代人们烦琐工作，而人工智能在继电保护中起到的作用是对系统运行状态的评判，继保准确动作的前提是准确的状态评估。由于人工智能快速的逻辑处理，人工智能已经成为评判运行状态的关键性工具。

2 变压器微机保护概述

2.1 变压器的故障类型和不正常运行状态

变压器运行状态受内部结构变化如相间短路或者接地短路，或者受外界线路或者负载的影响比较大，所以就导致了变压器会发生故障情况或者是不正常运行情况，这对电力系统稳定运行造成了一定的影响，所以应该设置多种保护来电力系统运行的稳定与可持续工作。

2.2 变压器微机保护原理

2.2.1 瓦斯保护

瓦斯保护是由两对不同触点的气体继电器支撑工作的，轻瓦斯保护动作于轻微的油箱内部故障，重瓦斯保护则动作于严重的油箱内部故障，轻瓦斯动作的情形是油箱发生轻微故障，短路电流加热变压器油以及相关绝缘材料产生气体，重瓦斯动作的情形是短路电流造成变压器油受热膨胀和气体产生，通过气体体积变化的效果将触发在油箱和油枕通道间的气体继电器进而起到保护作用。瓦斯保护就是利用以上所述的各类特征进行保护的[3]。

2.2.2 变压器差动保护基本原理

如果流入某节点的电流与流出该点的电流数值相同，则该点电流平衡，就可以表示该装置内部无故障，而假如流入该点的电流与流出该点的电流数值不一致，就说明该点电流不平衡，进而表示该点中可能存在其他电流回路从而打破该点的电流平衡，表示该点可能发生故障，这就是人们在电力系统中运用的最为广泛的原理基尔霍夫电流定律，基于以上的一个原理，可以通过把输入电流与输出电流进行作差，而把这部分电流差来作为保护动作量的就是差动保护的来由。

2.2.3 变压器比率差动保护

比率差动保护的动作电流值是随着变压器外部故障时产生的短路电流从而按一定的比率进行提高。通过比率制动保护这一种保护方式不仅可以保证当变压器发生内部短路故障时继电保护动作局有较高的灵敏度，还能保证当变压器发生外部故障时继电保护不误动。而且采取比率差动保护可以使继电保护具有更高的稳定性。

2.2.4 变压器励磁涌流

在电力系统中运行中，励磁电流是因为变压器空载投入或者是外部故障切除时间过长导致的绕组铁芯发生严重饱和，进而产生瞬时的数量值很大的励磁电流，这一大电流可能会导致微机保护的误动作。比率制动保护主要根据励磁涌流的两个特点来识别，第一是大量的非周期分量且波形靠近时间轴侧；第二是含有大量的二次谐波。

2.2.5 差动速断保护

变压器比率制动原理的差动保护在日常运行的普通情况下执行变压器的主保护功能是非常足够的，可是如果变压器内部发生严重故障的这一瞬间，变压器发生的现象是短路电流会突然变得很大从而导致电流互感器绕组严重饱和，此时比率差动保护会动作失灵不能准确快速反应，因此需要添加差动速断保护来补充完善这一情况[4]。

3 变压器微机保护硬件的构成与设计

3.1 变压器微机保护方案

根据上述所介绍的各种变压器保护类型，本文针对型号为SFPZ4-63000/220的三相双绕组变压器微机保护进行设计，主要保护设计配置如下：

本文中采取的主要保护是：轻瓦斯保护、重瓦斯保护、差动电流保护，后备保护是：过负荷保护、过电流保护。

3.2 变压器微机保护装置硬件电流总体构成

硬件设计是实现变压器微机保护的各种功能的物质基础，他的设计好坏合理与否都将影响着微机保护功能的完成与否，而且还对软件的设计有着起着重要的作用，所以一个好的完善的硬件设计即要考虑到功能的完成度，同时还要注重微机保护软件设计的可靠便利与否。硬件模块部分由数据采集部分、CPU 主部分、开关量输入/输出部分、人机交互部分组成，其中人机交互部分包括其液晶显示，指示灯和键盘控制等功能。满足电力系统保护的要求之一就是要在电力系统发生故障时以第一时间的反应以便迅速的处理。

因此，本装置采取高性能CPU 的设计方法，CPU选用的是美国TI 公司生产的TMS320LF28335 DSP芯片，其为32位芯片，其系统时钟频率为150MHz，能够很好实现数据的采样处理和保护的逻辑判断，本装置设计采用单CPU 来同时控制不同的模块可满足软硬件的要求，装置硬件原理结构如图1所示。

图1 装置硬件原理结构

微机保护硬件设计法通常采用的是模块化设计，这有利于系统的整体设计，便于内容的组织和管理。

数据采集模块：分为信号采集电路还有模数转换电路，信号采集电路主要负责将测试点的电流电压这两个模拟量进行采集，然后通过调理电路进行滤波和幅值的处理，将其处理成DSP 模数转换电路可以接受的电压值，在通过模数转换电路进行将模拟量转换为数字量。

数据处理模块：包括CPU、EPROM、EEPROM、RAM、定时器等，将数据采集模块所采集得到的数字量在保护程序中得以执行分析判断处理，完成故障判定和保护实现的功能[5]。

开关量输入输出模块：完成对触点状态和逻辑电平的转换，来控制保护的跳闸回路和信号回路动作与否。

电源模块：用于对芯片，外设电路和继电器供电，通常采用的是直流电源进行供电。

3.3 数据采集模块

3.3.1 信号采集电路

电流采集电路：电流互感器如图接线，将变压器的大电流转换为二次设备可以接受的小电流，然后经过调理电路的幅值和滤波处理，小电流进一步的就会转换成了模数转换模块可以接受的0～3V 的正弦电压信号，最终送入DSP 进行信号处理。压采集电路：电压互感器二次侧接至电压采样电路的输入端，通过电压互感器将变压器强电压转换成了弱电压信号，将要进行采集的线路通过一定的连接线接到信号调理电路的左侧，经过信号调理电路的调理后，就会转换成了模数转换模块可以接受的0～3V 的正弦电压信号，经过3V 稳压二极管稳压后输出，最后送入DSP 进行信号处理[6]。

3.3.2 模数转换电路

变压器微机保护中功能完成的稳定性及可靠性主要取决于数据采集的精度、速度及动态范围，所以综合考虑运算速度和计算精度、还有经济性这几个因素的情况下，通过对比专用A/D 转换芯片与TMS320LF28335DSP 芯片中A/D 转换模块的并最终选择芯片自带的A/D 转换模块。

3.4 CPU主系统设计

本文中采取的微机保护芯片是由美国TI 公司生产的TMS320LF28335DSP 芯片，首先对数据采集电路采集而来的数据进行在A/D 转换模块进行A/D转化，然后根据软件程序设计的判断依据来进行一定的逻辑判断，同时对于开关量的输入信号来进行实时的事件分析处理，最后通过输出开关量从而达到控制外部继电器[7]。

3.5 开关量输入/输出回路设计

微机保护装置通过监测变压器周围的各类开关量信号从而保证保护的正常动作，开关量输入量的开或关两种状态决定着保护的逻辑判断与否，进而才能对变压器故障做出正确迅速地保护动作。微机保护中开关量输出量作为控制信号主要控制继电保护装置，输出量主要由跳闸信号、合闸信号、告警信号等组成。为了准确迅速地进行微机保护，也避免其他无关信号的干扰，通常采用设计光电隔离电路在开关量输入输出回路当中，并且还要设计额外滤波电路来对开关量输入回路去除干扰信号。开关量输入量的两种状态是变压器外部开关元件的开、闭状态，由于开关元件与变压器的传输距离较远，在传输工程容易受外界干扰信号进行干扰，因此应保证开关量传输应确保可靠和具较强的抗干扰能力。本次设计中采用电容滤波与光电隔离的方法提高输入信号的抗干扰能力。

4 结语

变压器微机保护是电力系统继电保护不断进步发展的产物。在科学技术日新月异的变化下，微机保护也跟着计算机技术以及互联网技术的东风不断发展，从发展伊始的8位、16位微处理器到后来的32位微处理器，芯片的运算能力和处理信息的能力不断加强，这就不断要求人们从传统的保护原理逻辑上不断进步。本文根据中性点接地双绕组电力变压器的运行特点，针对型号为SFPZ4-63000/220的三相双绕组变压器制定了以差动保护为主保护的一系列主后备保护方案，并以此为基础，进而对微机装置进行了模块化设计，以此为电力系统的微机保护提供具有可操作性的借鉴作用。