电气工程科研训练

1、学校代码：10128学 号：201311202029胡弟丿耒夬学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 0变压器微机保护设计齐向楠（内蒙古工业大学）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颯应用，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

2、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，髙选择性， 髙灵敏度。微机保护装苣硬件包括微处理器（单 片机）为核心，配以输入、输岀通道，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。变圧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， 照明完全熄火，严重时会发生重大火灾乃至造成 人身伤

3、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汁，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虽: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 故和提髙供电可靠性，变电站的微机

4、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 提岀了更高的要求：同时在我国当前的经济及能 源形势下，对电网建设也提岀了很多新的要求： 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让具有 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

5、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，岀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

6、 数继电保护装垃都只能反应保护安装处的电气继电保护的作用也只限于切除故障元件、缩 小事故影响范国。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用，还要保证全系统的安全稳左运行。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，确保系统的安全稳左运行，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 设备的保护装宜用计算机网络联接起来，亦即实 现微机保护装置的网络化。继电保护装苣能够得 到的系统故障信息愈多，则对故障性质、故障

7、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 力系统讣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

8、 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。这种用汁算机网络 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髙的可靠 性和经济性。微机保护装宜网络化、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

9、取得了一泄的成 绩，将这些人工智能方法适当结合可以提髙保护 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髙。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宜通常是由五 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

10、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、左值整定、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RS 422/485、RS 一232、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

11、、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及左时器等构 成。保护装置的任务，由EPROM中设置的程序去 执行，并将由数拯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，电源系统为整个装垃提供所需的 稳压直流电源。为确保整个装置的可靠供电，通 常将髙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

12、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 括数拯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）主要是对采样左时器 进行初始化，对RAM区中运行时要运用到的一切 软件汁数器及标志位进行全部淸零。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

13、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 疑和重要程度考虑装设性能良好，工作可靠的继 电保护装苣。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。汕箱外的故障，主要是套管和引 出线上发生相间短

14、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 额宦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，由于其额泄工作 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、瓦斯保护对变压器汕箱内的各种故障以及油而的降 低，应装设瓦斯保护，它反应于汕箱内部所产生 的气体或汕流而动作。英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

15、断路 器。应装设瓦斯保护的变压器容量界限是： SOOkVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上 的车间内汕浸式变压器。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、套管及引岀线上的故障， 应根拯容量的不同，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， 容疑为6300kVA以上时;单独运行的变圧器，容 M lOOOOkVA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lOOOOkVA以下的变压 器，且其过电流保护的时限大于0. 5s时。对 2000kVA

16、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。 对髙压侧电压为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 护装宜的整左值应考虑事故状态下可能岀现的 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)

17、 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【忙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

18、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 电网的成功方而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。它们采用系统化设讣思想，采用成熟可靠的 保护原理，应用最先进的汁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、分散式的而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D

19、F3300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。髙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，一方而要求变压器保护装置的可靠工 作，另一方而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

20、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苣方式。变圧器的 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、低压电网的变圧器保护 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、 低压侧及第四侧配程过电流保护等，适用于 中、低压电网的电力变

21、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变压器本体保护装宜，具有六路 跳闸回路和五路信号回路，适用于油浸式电力变 压器的开关疑保护；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，髙、低压侧 零序过压告警，过负荷保护等，特別适用于农用 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