电子工程师评职范文微机变压器保护分析
摘要:本文论述了微机变压器保护的技术特性、保护原理以及与可靠性相关的各个方面，尤其是软件可靠性潜力的开发研究和推广应用。
关键词:变压器,保护可靠性,期刊投稿网
引言
变压器是电力系统的主要设备，对其保护性能的要求非常高，尤其是保护的可靠性，不解决微机保护的可靠性问题，微机变压器保护在电力系统当中的应用将受到限制。
微机变压器保护的可靠性包括两个方面：不误动和不拒动。影响保护可靠性的方面很多，如：保护的原理、配置、软件、调试、抗干扰、元器件质量等。从保护原理方面来说，主要指微机变压器差动保护原理，它包括五个方面：(1)涌流判别原理(2)比率差动原理(3)涌流加速原理(4)CT断线判别原理(5)保护启动原理，不同的保护原理有不同的可靠性;从保护配置方面来说，构成微机变压器保护的三个组成部分为差动保护、后备保护和开关量保护，不同的保护配置有不同的可靠性;从保护软件方面来说，由于变压器后备保护不定型，保护软件如何来适应这一要求，直接影响到微机变压器后备保护的可靠性;从保护调试方面来说，如何增加微机变压器保护的透明度，增加各种调试手段，从而使得由于调试不当影响保护可靠性的因素彻底消除;从抗干扰、元器件质量等方面来说，要保证微机变压器保护的可靠性，必须遵循微机保护抗干扰的措施要求，必须有对元器件质量进行在线自动检测的手段及必要的措施。
1 保护原理与可靠性
1.1 涌流判别原理
在变压器差动保护中，励磁涌流判别是关键问题。用于区分励磁涌流与内部故障的原理主要有以下几种：(1)二次谐波判别原理(2)间断角判别原理(3)磁通量判别原理。
二次谐波判别原理，主要是应用励磁涌流中含有较大成分的二次谐波分量来构成的，该原理有如下缺陷：首先由于采用或门制动即三相电流中有一相制动即对三相全部制动，因此故障相除了受本相中谐波的影响，还受到健全相涌流的制动，具体表现在空投变压器内部故障或外部故障切除后，电压恢复时变压器内部故障，差动动作速度不稳定，特别是内部单相匝间短路时，动作速度可能大于300毫秒。其次随着电网电压等级的提高和系统规模的扩大以及变压器单机容量的增大，大型变压器内部严重故障时，由于谐振使短路电流中的二次谐波含量明显增大，有可能使二次谐波制动，引起差动保护延时动作。再者变压器端部接长线或静补电容串联电抗器后接入系统，变压器内部故障时，暂态自由电流的频率可能接近二次谐波，同样可能使保护制动延时动作。
间断角判别原理，主要是根据励磁涌流波形出现间断来区分内部故障和励磁涌流的。该原理有如下结论：偏向一侧的简断波形一定含有二次谐波;对称的间断波形不一定含有二次谐波，含有二次谐波的波形不一定间断。这就是二次谐波判别原理为何采用或门制动且在某些情况下差动延时动作的原因。
但间断角判别原理也有其弱点：当CT饱和时，间断角中将产生反向电流，饱和越严重，间断角中的反向电流越大，使得间断角消失。再有小电流情况下电流中的谐波含量以及频率的变化对间断角的测量影响很大，但这两个弱点在采取相应的措施后是可以消除的。实践证明微机变压器保护采用间断角原理是可行的。其动作速度非常稳定，大约20毫秒。
磁通量判别原理，主要是利用磁通量—电流特性或者磁通量变化率—电流特性来区分内部故障和励磁涌流的。但该原理需要引进电压量且必须知道变压器各侧的漏感(漏抗)，这在实际工作中是困难的。
1.2 比率差动原理
在变压器差动保护中，比率差动原理也是一个关键问题。用于区分外部故障与内部故障的原理主要有以下几种：(1)普通比率差动原理(2)复式制动原理(3)Δ差动原理。
普通比率差动原理是目前使用最为广泛的一种原理，其关系式如下：
ICD=I1+I2+I3+I4等
ICD=Max(I1+I2+I3+I4等)
K=(ICD-ICD1)/(IZD-IZD1)
式中：ICD差动电流，IZD为制动电流，I1、I2、I3、I4为变压器各侧电流，K为制动特性斜率，ICD1为差动门槛，IZD1为起动制动门槛。
如果画出动曲线则可以看出，斜线并不通过坐标原点，即在内部匝间短路或内部高阻接地情况下，有可能不进入制动区，且有较高灵敏度。
复式制动原理，其关系如下：
I CD = I1 + I2+ I3 + I4 ------(4)
IZD =ICD -(ㄧI1ㄧ+ㄧI2ㄧ+ㄧI3ㄧ+ㄧI4ㄧ ) ------(5)
K = ICD / IZD ------(6)
当CT不饱合时：如发生外部故障，(5)式肯定大于(3)式，显然有利于制动;如发生内部故障，(5)式肯定小于(3)式，显然有利于差动。
当CT饱合时：如发生外部故障，(3)式肯定大于(5)式，显然不一定有利于制动，如发生内部故障，(5)式不一定大于(3)式，显然不一定有利于差动。
因此当CT不饱合时，普通比率差动的灵敏度也能保证;当CT饱合时，复式制动的可靠性则有可能比普通比率差动的可靠性低。
Δ差动原理，是利用消去故障前穿越电流的差电流和制动电流的故障分量来实现的，其关系式如下：
IΔCD = IΔ1+ IΔ2 + IΔ3 + IΔ4 ------(7)
IΔZD =Max( IΔ1, IΔ2, IΔ3, IΔ4 ) ------(8)
KΔ =IΔCD / I ΔZD ------(9)
以一关系式可用如下表示：
IΔCD =( I1 - Ip1 ) + ( I2 - Ip2 ) + ( I3 - Ip3 ) + ( I4 - Ip4)
= I1 + I2 + I3 + I4 - ( IP1 + I P2 + IP3 + IP4 )
= I1 + I2 + I3 + I4 ------(10)
IΔZD =Max(I1-I p1, I2-Ip2, I3-Ip3, I4-Ip4) ------(11)
KΔ =( I1 + I2 + I3 + I4 ) / IΔZD ------(12)
式中：IΔCD为突变电流，IΔZD为突变制动电流，IP1、IP2、IP3、IP4为突变前变压器各侧电流，KΔ为突变制动特性斜率
从(3)式和(2)式可以看出，KΔ与K几乎一样，因此所谓KΔ差动极大地提高内部匝间短路和高阻接地的灵敏度的说法，并没有什么吸引力，Δ差动制动曲线在动作区和制动区之间有较大的缓冲区的说法，也是值得推敲的。Δ差动还有一个致命弱点，即当故障为缓慢发展或由于干扰而未能捕捉到故障后的状态时，(10)式中IP1+IP2+IP3+IP4由于并为故障前的量,因而并非为零,而与I1+I2+I3+I4相接近，因而I为零，即拒动。
因此从可靠性角度分析，应首推普通比率差动原理。
1.3 涌流加速原理
涌流加速原理主要是针对二次谐波判别原理的某些缺陷而言的，即当变压器正常运行情况下，发生内部故障，则不经涌流判别，这样若此时差流中含有二次谐波，则动作不受影响。
目前涌流加速原理主要有电流加速原理和电压加速原理。
电流加速原理的主要依据是：变压器的励磁涌流一般只会在变压器空投或近距离外部故障被切除后，变压器端电压恢复过程中产生。因此可以通过记忆变压器暂态发生前一周波电流来判别变压器是否处在励磁涌流产生的条件中，若不是则不必经过二次谐波判别。
电压加速原理的依据是：变压器的端电压低于一定值时，则不可能产生涌流，实际上是基于变压器严重故障提出的电流加速原理经实践证明是不可靠的，电压加速原理需引入电压量。
由此可见涌流加速原理实际上没有必要，对于变压器严重故障有差流速断就可以了。
1.4 CT断线判别原理
CT断线判别原理是微机变压器保护提出的新课题，微机变压器差动保护为了提高灵敏度，其差动门槛一般整定较低，因此运行中如发生CT断线，必引起差动误动，因此有必要对CT断线进行判别。
目前CT断线判别原理主要有三种：(1)相电流判别原理(2)负序电流判别原理(3)零序电流判别原理。相电流判别原理主要将CT断线分为Y型侧断线和Δ型侧断线，根据断点在CT的不同位置时的相电流的变化来判别;负序电流判别原理主要依据断线侧有负序电流，而非断线侧无负序电流的方法来判别的，该原理在变压器空投内部故障时正好满足，因此可能将内部故障误判为CT断线而拒动;零序电流判别原理主要是依据三相电流之和同零序电流的关系，若CT断线则该关系就会被破坏，该原理涉及到变压器一侧CT和零序CT，如为自耦变时则涉及到变压器二侧CT和零序CT，因此当变压器发生故障，各侧CT饱和程度不同时，该原理所依据的方法就不成立，因此也有可能产生误判而拒动。
由此从可靠性角度分析，相电流判别原理有利而无害。
CT接线问题也是值得分析的，一般为了使差动保护的各侧电流相位满足要求，变压器Y型侧CT有时需要接成Δ型，使用微机实现变压器保护后，CT的Y—Δ变换可以用保护软件来实现，而且这有利于CT断线的判别和现场接线。但是对于间断角原理的微机变压器保护来说，显然是不合适的，而且CT全Y型接线，在差动回路中将引入零序分量及三次倍频分量，对抗干扰不利。因此CT接线还是传统接线方式可靠性高。
1.5 保护启动原理
微机变压器保护的启动原理，不能借用微机线路保护采用的突变量启动原理。因为变压器中多数内部故障往往从变压器绕组内的小的放电电流开始，由于这些电流的继续流动，造成进一步的损坏，加速绝缘击穿，从而导致更严重的永久性故障。要检测因这些故障引起的电流变化是很困难的，因为突变量与变压器的负荷电流相比太小了。
因此从可靠性角度分析，微机变压器保护应采用自启动原理。
2 保护配置与可靠性
微机变压器保护一般配置为：差动保护、后备保护、开关量保护。这三部分保护的不同组合，有不同的可靠性。
配置方案一：独立的差动后备保护单元，独立的开关量保护单元。所谓独立，即指从输入，处理，输出，电源等相互独立，单元之间不存在电的联系。
配置方案二：独立的差动保护单元，独立的后备保护单元，独立的开关量保护单元。
配置方案三：独立的差动及部分后备保护单元，独立的开关量及部分后备保护单元。
配置方案四：独立的差动保护单元，独立的开关量保护单元，独立的相间保护单元，独立的接地保护单元。
配置方案五：独立的差动保护单元，独立的开关量保护单元，各侧独立的后备保护单元。
配置方案六：独立的开关量保护单元，两套独立的差动后备保护单元。
3 保护软件与可靠性
由于变压器种类、容量、电压等级、系统联接等原因，变压器的后备保护的构成和配置千差万别，因此微机变压器后备保护单元不能定型，特别是软件不能定型。这给设计，调试及安全管理带来相当大的工作量，而且可靠性不能保证。目前定型保护的方法有两种，其一是做大量的典设工作，其二是做各种种类足够数量的软件继电器库，再通过配置软件将库中的软件继电器按照保护要求联接起来。
4 保护调试与可靠性
微机变压器保护调试应实现调度微机化，人机界面汉化，操作菜单化。其能完成以下功能：交流通道测试，直流通道测试，所有单个继电器测试，所有整组继电器测试，自检微机总线控制的所有硬件，分析差动回路接线是否正确，分析功率方向继电器极性是否正确，简单的故障录波。
鉴于变压器保护动作概率比线路保护动作概率小，微机变压器保护如果是提供变压器外部故障由线路保护切除时本保护继电器中间动作过程记录，则采用了一种有效的对微机变压器保护进行考核的手段。
总之，微机变压器保护调试应努力增加保护的透明度，这有利于可靠性的提高。
5 抗干扰与可靠性
微机变压器保护抗干扰必须遵循微机保护抗干扰的普遍原则。一般从两个方面着手，其一是阻止干扰进入微机，作为第一道防线，即采取隔离，屏蔽，去耦，各种接地技术，合理布置插件等;其二是加强自身的抗干扰能力和识别干扰的能力，使得万一有干扰通过了第一道防线，也还可以防止造成误动或拒动的严重后果，这可以称作第二道防线，即硬件上采用超大规模集成芯片，多层印制板，出口闭锁，硬件WD，必要的冗余，软件上采用运算过程核对，不同算法结果比较，陷井技术，逻辑标志技术等。所有这些措施，实践证明对提高可靠性是行之有效的。
这里仅对硬件WD应进行讨论，众所周知，没有WD，微机保护就不能十分可靠地投入运行，因此对硬件WD应作严格规定。作者认为硬件WD应具有如下功能：(1)程序出格的自恢复，(2)RESET压死时的报警，(3)反复RESET时的报警。需要注意的是由中断定时器产生硬件WD触发脉冲是不可靠的而且锁住硬件WD的口线万一损坏应使硬件WD处于开放状态。
6 元器件质量与可靠性
元器件质量与可靠性有很大的关系，这是显而易见的，为了保证可靠性，首先应选用军级元器件，其次对元器件应能进行经常的，全面的在线自动检测。对一些微机总线不能控制的元器件应采用必要的冗余措施。
7 结论
影响微机变压器保护可靠性的因素是多方面的，提高微机变压器保护可靠性应从各方面入手，特别地应首先确保变压器保护原理的可靠性。
参考文献：
[1]王维俭，电气主设备继电保护原理与应用。中国电力出版社。
[2]陈德树，计算机继电保护原理与技术。水利电力出版社。
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