一种变压器跳闸矩阵校验装置的研制与应用

王利波，左 晨，吴雪峰，黄晓峰，陈 昊

（浙江省电力有限公司金华供电公司，浙江金华 321000）

0 引言

变压器在变电站中起着枢纽作用，承担升、降压调节电压的重任，其运行状况的好坏直接决定了电力系统能否安全稳定运行。大型变压器一般结构复杂、价格昂贵，一旦因故障损坏则检修难度大，并将可能造成区域停电，对人们的生产生活造成较大影响[1]。因此，对变压器的保护十分重要。

变压器保护定期校验是验证变压器保护装置是否正常运行的重要手段，也是保证变压器稳定可靠运行最基本的措施。变压器保护跳闸矩阵校验作为变压器保护定期校验中的重要环节，主要用于校验变压器保护装置各种保护动作跳闸逻辑的正确性。

目前，大部分220 kV 变压器保护装置配置的保护类型有：纵联差动保护、差动速断保护、复压闭锁过流保护、零序过流保护、间隙保护。其中，复压闭锁过流保护、零序过流保护在220 kV变压器的高、中、低三侧均有配置，且这两种保护又可分为三段，每段最多可以配置3 个时限。变压器各侧不同类型不同分段不同时限的保护动作时跳闸及开出量的动作情况均有所不同，使得变压器保护跳闸矩阵较为复杂[2]。

传统变压器跳闸矩阵校验的方法主要有两种，一种是用数字多用表直接测量跳闸出口压板和开出压板，当保护动作时部分跳闸出口压板和开出压板的下端会有电位的变化，数字多用表可以检测到这种变化，这种校验方法需要多次重复试验，且试验过程中容易误操作导致试验失败；另一种是利用继电保护校验仪，将变压器保护的跳闸出口及开出接点连接至继电保护测试仪的开入量检测模块，当跳闸出口及开出接点闭合时将会被检测到，依据检测结果得出变压器跳闸矩阵，但继电保护测试仪一次只能测试四组接点，测试过程中需要频繁更改试验接线，且不能检测有源接点的开闭情况。

为解决上述试验方法问题，文献［3］以可编程逻辑控制器为核心，研制了一种主变压器保护跳闸矩阵测量仪，但此测量仪只能检测开关跳闸出口情况，无法检测其他开关量动作情况。文献［4］设计了以单片机作为核心的跳闸出口压板测试仪，但整个测试过程需要与继电保护测试仪配合才能完成跳闸矩阵的检验，试验过程相对繁琐。文献［5］研制了一套32 通道智能跳闸矩阵测试仪，具有一定的创新性，但该测试仪得出的试验结果不够直观，在与定值单上的跳闸矩阵作对比时容易出错。

针对上述问题，本文提出一种新型的变压器跳闸矩阵校验装置，基于CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件），具有接线简单、试验操作便捷、检测全面、试验结果直观等特点。

1 设计原理

变压器保护跳闸出口及开出压板主要有：跳高压侧开关、跳中压侧开关、跳低压侧开关、跳中压侧母联开关、闭锁低压侧母分开关备自投、高压侧开关失灵启动、高压侧开关失灵解除复压闭锁。在进行变压器保护跳闸矩阵校验时，需要监测上述压板电位变化情况，即检测压板是否动作，进而判断保护的动作逻辑是否正确。表1 为某变压器保护定值单中的部分跳闸矩阵，其中不包括其他开出压板。

表1 跳闸矩阵

为使研制的校验装置能够适用于大部分变压器保护装置，同时针对现有跳闸矩阵校验方法的弊端，本校验装置需具备以下特点：①能够快速检测压板下端直流电压变化，检测范围20～130 V；②能够一次性检测7 组以上开出量，满足跳闸矩阵检测要求；③能够记录跳闸出口压板及开出压板电位变化的时间；④可直接输出交流电压电流模拟量，模拟变压器故障时电压电流情况；⑤校验装置便携轻巧、操作简单。

为使装置具备以上技术特点，采用以下技术方案：①主控制器使用STM32F4，配备有Cortex-M4 内核和高级模拟外设，主频高达168 MHz，能够快速高效处理试验数据，满足校验装置实时性要求；②装置配置8 个输入量检测端子，能够一次性完成所有出口压板的检测；③CPLD 选用EMP3128，是一种基于EEPROM 的高性能可编程逻辑控制器，其具有稳定可靠、组态灵活、I/O 模块齐全的特点，与SM32F4 配合，实现校验装置的主要功能；④配置无线通信模块，通过无线连接至移动终端，能够控制校验装置交流电压电压的输出，同时将校验装置的测试结果传送至移动终端，实时直观地查看试验结果；④采用可充电锂电池作为装置电源，集成电路设计，减小装置体积，便于移动携带。

2 硬件电路设计

本检测装置的硬件电路主要包括无线通信模块电路和开关量采集检测电路，后者完成对跳闸出口压板及开出压板电位变化的检测。

无线通信模块将主控制器的串口输入转化为RS232 电平，再与无线集成模块连接，实现电气协议的转换，主控制器可通过无线通信进行数据的接受和发送，完成对校验装置的控制和输出试验结果。

开关量采集检测电路如图1 所示。电路的输入端连接变压器保护压板的下端头，检测压板电位的变化，输出端与微控制器的输入/输出端口连接。当检测电路的输入端检开关量处与高电平时，检测电路的输出端将会输出一个中断信号至微控制器。此外，输出端还会产生一个中断信号，微控制器会自动记录中断信号产生的时间，即输入端开关量变化的时间，同时也是跳闸出口压板及开出压板电位变化时间。

图1 开关量采集检测电路

3 软件程序设计

依据所设计的开关量采集检测硬件电路，开关量电位发生变化时即会产生一次内部中断，微控制器将会记录开始实验到接收到中断的时间间隔，即为跳闸出口及开出量动作时间。开关量采集检测程序流程如图2 所示。

图2 开关量采集检测程序流程

4 应用效果

4.1 校验装置测试方法

校验装置测试示意如图3 所示，具体方法如下：通过试验线连接校验装置与被测变压器保护装置，输出电压电流模拟量，接收保护装置压板下端头电位的变化。变压器保护装置接收交流电压和交流电流后，达到保护的动作条件后，保护装置动作，不同类型的保护动作跳闸矩阵的动作情况会不一样。整个试验接线简单，一次接线完成后，即可依据整定单上所列的保护进行每个保护跳闸出口矩阵的测试。

图3 试验测试示意

4.2 现场应用

表2 为2018—2022 年变电检修中心主变压器跳闸矩阵校验时间统计，试验结果均采用传统继电保护校验仪得出。从表2 可以看出，6 座220 kV 变电站单台变压器保护跳闸矩阵的校验时间均在2 h 以上，单台主变压器保护平均校验时间为141 min。

表2 2018—2022 年主变压器跳闸矩阵校验时间统计

将变压器保护跳闸矩阵校验装置应用于作业现场，并对跳闸矩阵的校验时间进行统计，统计结果见表3。

表3 变压器保护跳闸矩阵校验装置现场应用时间统计

由表3 可知，变压器保护跳闸矩阵校验装置的应用将校验时间降到60 min 以下，平均时间为56 min，相较传统的校验方法缩短了60%。此外，整个校验过程无错项、漏项，各跳闸出口及开出量动作时间的测试结果均与现场整定单一致，校验结果的正确率为100%。

5 结束语

基于CPLD 设计的变压器保护跳闸矩阵校验装置与微控制器配合，实现电位变化的快速采集，借助无线通信模块将测试结果输送至移动终端，能够直观查看，同时也能实时控制校验装置的输出。本校验装置在作业现场的应用，简化了跳闸矩阵测试的试验过程，提高了工作效率，同时保证校验结果的正确率。由于该装置能够输出交流电流和电压，因此还可应用于保护装置的定值校验。