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PST-1200数字式变压器保护装置培训资料

●微机变压器保护的历史

微机变压器保护经过二十多年的发展，以历经时代：

1、第一代以保护的微机化为代表，CPU为8位；

2、第二代以提高保护性能和保护操作液晶界面为代表，CPU为16位；

3、第三代以汉化界面和提高通信性能（与综自系统等的联系）的运用为代表，CPU为32位；

4、第四代以网络化、实时嵌入式系统和新型互感器的应用为标志。

●PST-1200系列数字式变压器保护的硬件

本装置在总体设计及各模件设计上充分考虑可靠性要求，在采样数据传输、程序执行、信号指示、通信等方面尤其注重。

经试验，在本装置任何端子上实施4kV瞬变干扰脉冲，在装置任何部位实施15kV空间静电放电干扰或8kV接触静电放电干扰，本装置未出现数据传输错误，未出现CPU复位，未出现异常信号或异常液晶信息显示，保护不拒动、不误动，远高于国家标准要求。

由于本装置在抗干扰能力上有充分考虑，故本装置组屏时，不需要安装另外的交、直流输入抗干扰模件。

机箱结构

本系列装置外形为19英寸4U标准机箱，采用整面板、背插式结构。

整面板上包括大屏幕液晶显示器、全屏幕操作键盘、信号指示灯等。

背插式结构即插件从装置的背后插拔，各插座间的连线在整母板上，母板位于机箱的前部。

而不使用端子绕线式，提高了装置本体的抗干扰性能，同时减少了人为的差错因素，保证了品质的一致性。

该结构具有以下优点：

（1）各插件自带可插拔端子，母板上只有保护内部使用的5V和24V电压等级回路连线，强弱电完全分开，可大大减少外部电磁干扰在弱电侧的耦合，增强装置的抗干扰能力，提高其可靠性和安全性；

（2）可使母板连线按总线方式布置，使装置在功能配置上具有很强的灵活性，

（3）可取消交流变换模件的大电流端子，再不会出现电流端子顶不开导致的CT二次侧开路和分流问题，提高装置的可靠性。

（4）便于插件按模块化设计。

（5）可以根据用户的需要更换或增加部分模件，扩充或更改装置的功能；

模/数转换模块（A/D）

模/数转换模块（A/D），由无源低通滤波、模/数转换（A/D）及微处理器构成。

其中A/D采用14位高精度、高稳定性器件，精确工作电流可达0.04In，精确工作电压达0.2V，提高保护的测量精度。

各模拟量经无源低通滤波，可有效滤除高次谐波，而对基波量的衰减不到1％，且各通道模拟量的衰减率及相移皆能达到很好的一致性。

保护功能模件（CPU）

保护功能模件（CPU）用于处理A/D模块传来的数据，执行设定的保护功能。

保护功能模件（CPU）由A/D模块、状态量输入、状态量输出（用于跳合闸脉冲输出、告警信号输出、闭锁继电器的开放及其它信号输出）、微处理器MPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM、闪存FLASHMEMORY、电可擦除电可改写存储器EEPROM等构成。

高性能的微处理器CPU（32位），大容量的ROM（256K字节）、RAM（256K字节）及FLASHRAM（1M字节），使得该CPU模件具有极强的数据处理及记录能力，可以实现各种复杂的故障处理方案和记录大量的故障数据，可记录1500条以上的事件和12~48份事故录波报告（视故障的复杂程度而有所变化，通常可保存30份左右录波报告，内含定值、采样值、过程标志集以及与之相关的电气量计算值，等等）。

C语言编制的保护程序，可使程序具有很强的可靠性、可移植性和可维护性，保护功能的扩展具有很好的开放性。

各种与CPU有关的器件集中于一块插件上，各输入、输出状态量皆经光耦隔离。

本CPU模件设有两片微处理器，主处理器用于运行保护程序，辅助处理器用于监视主处理器工作状况。

当本模件有器件出现异常，主处理器驱动闭锁继电器，切断状态量输出光耦输出侧的工作电源。

当主处理器工作异常，辅助处理器驱动上述闭锁继电器。

闭锁继电器的需掉电方能复归。

双处理器相互监视，确保了装置工作的可靠性。

CPU模件的端子主要用于接入该CPU上保护所需的压板及专用输入、输出信号等。

人机对话模件（MMI）

人机对话模件（MMI）安装于装置整面板后，该模件是PS6000系列数字式保护产品的通用件，在上述产品中硬件和软件完全兼容。

该模件包括：

微处理器（32位），大容量ROM（512K字节）、RAM（1M字节）、FLASHMEMORY（1M字节），EEPROM，状态量输入、输出，通信控制器件，时钟，大屏幕液晶显示器（240×128），全屏幕操作键盘，信号指示灯等。

本模件主要用于人机界面管理。

主要功能为：

键盘操作、管理液晶显示、信号灯指示、与调试计算机及变电站监控系统通信、GPS脉冲对时（分/秒脉冲对时）以及将控制信息传给CPU、从各CPU模件获取信息。

与各CPU的通信采用CAN总线，速率为100Kbps，保护动作事件可以主动上传至MMI，突破了装置内部通信的瓶颈，提高装置内部信息传送的速度。

对外通信有五个端口，一个设置在面板上，四个设置在通信接口模件的背板上。

在面板上的为RS232串口（新方案为USP接口），用于和PC机连接。

在通信接口模件的背板上的四路通信端口可根据需要设置成不同的物理接口。

MMI模件电原理示意图

通信接口模件（COM）

通信接口模件（COM），主要有两种功能：

本装置各CPU所需公共输入状态量（包括GPS对时脉冲输入）由此模件经光电转换后接入装置母板，供各CPU模件共享。

另一主要功能为MMI模件上的通信功能经本模件转换为相应物理接口输出，用于变电站自动化系统通信及打印通信。

本模件通信接口可根据变电站通信系统的物理媒介选择不同的配置方式。

当由本系列装置构成变电站自动化系统时，推荐采用以太网接口，全站构成以太网络通信系统，以克服以往产品的通信瓶颈，大大提高信息传输的实时性能。

在采用以太网通信时，使用基于以太网的平衡式IEC870－5－103通信规约及其通用报文可以兼顾通信规约的兼容性和通信的效率。

当本装置接入其它变电站自动化系统时，根据具体工程的特殊要求，在通信接口可设置成EIA422/485接口、CAN总线接口、LONWORK总线接口或光纤接口等，以满足不同的自动化系统需要。

但由于它们的传输效率比较低（在系统节点比较大时尤其明显），并且CAN总线和LONWORK总线缺少比较统一的通信规约，所以本公司不推荐这几种接口方式。

电源模件（POWER）

电源模件（POWER），用于将变电站内直流电源转换为保护装置所需的工作电压。

本模件输出一路5V，两路24V电压，5V电源用于装置数字器件工作，一路24V电源用于继电器驱动及各模件间相互信号交换，另一路24V电源输出装置，用于装置状态量输入使用。

各电压等级电源相互独立，不共地。

电源模件原理示意图见图3－4。

为增强电源模件的抗干扰能力，本模件的直流输入及引出端子的24V电源皆装设滤波器。

●设计寿命

在工作温度为25℃时，设计寿命为12年，其中电源为5年。

影响装置使用寿命的因素有：

1、环境，包括温度、湿度、气压等；

2、元器件的选择；

3、系统扰动频率（保护装置的启动和动作次数）；

4、系统最大短路容量（CT二次电流）；

5、直流系统（电压、纹波系数）；

6、系统电磁干扰强度。

●装置特点

1、人性化

●装置采用大屏幕全汉化液晶显示器，可显示15×8个汉字，显示信息多；

●事件和定值全部采用汉字显示或打印，摒弃了字符表述方式；

●定值以表格方式输出，录波数据可选择波形输出或数据输出；

●计算机界面的调试和分析软件Psview，不但能完成装置键盘上的功能，还能对保护录波数据分析；

●可独立整定32套定值，供改变运行方式时切换使用。

2大资源

●保护功能模件（CPU）的核心为32位微处理器，配以大容量的RAM和FlashRAM，使得本装置具有极强的数据处理能力和存储能力，可记录的录波报告为8至50个，可记录的事件不少于1000条。

数据存入FLASHRAM中，装置掉电后可保持；

●A/D模件采用14位的A/D转换和无源低通滤波，使本装置具有极高的测量精度；

●采用CAN网作为内部通信网络，数据信息进出流畅，事件可随时上传。

3高可靠性

●装置采用背插式机箱结构和特殊的屏蔽措施，能通过IEC60255－22－4标准规定的IV级（4kV±10％）快速瞬变干扰试验、IEC60255－22－2标准规定的IV级（空间放电15kV，接触放电8kV）静电放电试验，装置整体具备高可靠性；

●组屏可不加抗干扰模件。

4开放性

●通信接口方式选择灵活，与变电站自动化系统配合，可实现远方定值修改和切换、事件记录及录波数据上传、压板遥控投退和遥测、遥信、遥控跳合闸。

5透明化

●记录保护内部各元件动作行为和录波数据；

●记录各元件动作时内部各计算值；

●可将数据在Psview软件上分析保护内部各元件动作过程。

6免调试

●在采样回路中，选用高精度、高稳定的器件，保证正常运行的高精度，避免因环境改变或长期运行而造成采样误差增大；

●细微的软件自动调整，提升装置精度；

●完善的自检功能，满足状态检修的要求；

●装置中无可调节元件，无需在现场调整采样精度，同时可提高装置运行的稳定性；

●PST-1200系列变压器保护的原理及应用

一、变压器简介

1、根据用途分类：

A．电力变压器

降压变

升压变

配电变

联络变

B．电炉变压器

二次电压低，电流大

C．整流变压器

工作电流波形为不规则的非正弦波

D．工频试验变压器

E．电抗器

F．调压器

G．矿用变压器

H．其它特种变压器（电磁式PT、CT）

2、电力变压器的性能参数：

A．额定容量（包括各侧容量）

B．相数（单相或三相）

C．频率

D．额定电压

E．绕组接线方式和联结组

F．变压器冷却方式

G．绝缘水平

H．负载特点

I．安装特点（户内或户外）

J．短路阻抗→成本随阻抗增加而增加

K．负载损耗→基本损耗（直流电阻）和附加损耗（涡流和漏磁）

L．空载损耗

M．空载电流

3、变压器的数学模型电路：

A）两卷单相变压器数学模型电路

B）三相变压器绕组联结方式

ABCABC

XYZ

XYZ

Y形△形

三相变压器绕组Z型联结：

ABC

uA1uB1uC1

uC2uA2uB2

C）自耦变压器

A

a

Xx

二、变压器保护用TA及对差动保护的影响

差动保护动作速度快（20~30ms），变压器各侧电流互感器在传变电流时的暂态特性应尽可能的一致。

以免出现过大的暂态不平衡电流，造成差动保护误动。

目前，220Kv系统中大量使用P级电流互感器，500KV系统使用带暂态特性的TP型电流互感器（T—暂态，P—保护）。

TP型电流互感器有四种型号：

有闭路铁心的TPS和TPX，有气隙铁心的TPZ和TPY；TPS型为底漏磁，其误差由励磁特性和匝数比偏差来确定，剩磁不限；TPX型在规定条件下峰值误差不超过10%，剩磁不限。

铁心气隙对电流互感器的影响

1、铁心气隙对暂态性能的影响

（1）加长电流互感器到达饱和的时间，即比闭路铁心电流互感器有更长的时间保持电流线性传变关系，关键是使剩磁减小到饱和磁密的10%以下。

（2）电流互感器励磁电抗显著减小，空载电流互感器的电流汲出效应严重，增大了差动保护的不平衡电流，相应地降低了该保护的灵敏度；在几个有气隙铁芯电流互感器并接的场合（如环形母线、一个半断路器接线等），汲出电流可能使断路器失灵保护误动作。

（3）铁芯气隙使剩磁大大减小，因此在切除短路后．电流互感器铁芯磁通由短路状态的很高值逐渐下降到很低的剩磁值．使二次电流继续存在（残余电流）较长时间，这容易引起灵保护误动作。

2，气隙对电流互感器稳态性能的影响

由于气隙的存在．使电流互感器励磁电流比闭路铁芯的大，稳态的电流互感器幅值误差和相角误差均加大，一般更多地影响测量仪表的精度，对灵敏的差动保护也有少许影响，即稳态平衡电流要略大些，动作整定值应稍作提高。

3，有铁芯气隙电流互感器的优点和缺点

与闭路铁芯的电流互感器作对比，有隙铁芯的电流互感器有以下优点：

（1）剩磁大大减小，改善电流互感器暂态特性；

（2）电流互感器时间常数减小，使铁芯截面缩小；

（3）为避免饱和，在同一电流下．闭路铁芯电流互感器尺寸大；

（4）二次开路电压小（励磁电抗小）；

（5）二次侧功率因数对为防止饱和而加大尺寸的影响，有隙铁芯电流互感器比闭路铁芯电流互感器小。

4、有隙铁芯BA的缺点：

（1）励磁电流大，电流互感器误差大；

（2）汲出电流大，残余电流延续时间长，易引起保护的误动或降低保护的灵敏度；

（3）比闭路铁芯电流互感器的机械强度低、价格高；

（4）铁芯气隙使电流互感器二次漏电抗增大，影响电压（高阻抗）差动保护的整定值和灵敏度

（5）气隙的尺寸和结构可能经一段时间后会发生些微变化，影响特性的稳定。

5、电流互感器的暂态饱和对差动保护的影响

保护用电流互感器要求在规定的一次电流范围内，二次电流的合误差不超出规定值。

对于有铁芯的电流互感器，形成误差的最主要因数是铁芯的非线性励磁特性及饱和。

电流互感器的饱和可分为：

①稳态饱和：

大容量短路稳态对称电流引起的饱和；

②暂态饱和：

短路电流中含有非周期分量和铁芯存在剩磁而引起的饱和。

两类饱和的特性有很大不同，引起的误差也差别很大。

在同样的允许误差条件下，考虑暂态饱和要求的互感器铁芯截面可能是仅考虑稳态饱和的数倍互数十倍。

A．稳态饱和特性及对策

当电流互感器通过的稳态对称短路电流产生的二次电动势超过一定值时，互感器铁芯将开始出现饱和其特点是：

畸变的二次电流呈脉冲形，正负半波大体对称，畸变开始时间小于5ms（1/4周波）。

二次电流有效值将低于未饱和的情况。

对于反映电流值的保护，如过电流保护和阻抗保护等，饱和将使灵敏度降低，对于差动保护差电流取决于两侧互感器饱和特性的差异。

例如：

1200/5的电流互感器，制造部门提供的规范为5P20，30VA，5P为准确等级，30VA为二次负荷额定值，20为准确限制系数（ALF），电流互感器在额定负荷下，二次极限电动势

En=ALF·I·（Rct+Rbm）

此时综合误差应不超过5%，综合误差也可适用10%（10P）当前工程中，经常遇到的问题是短路电流过大，ALF不满足要求，但实际负荷比额定负荷小得多。

B．暂态饱和

短路电流一般含有非周期分量，这将使电流互感器的变特性严重恶化，原因是电流互感器的励磁特性是按工频设计。

在变单效频率很低的非周期分量时，铁芯的磁通（励磁电流）需要大大增加。

是否考虑短路电流的暂态过程，电流互感器分为P和TP类，P类电流互感器要求ΦAC情况下不饱和（纯交流）而TP类电流互感器要求整个工作情况下的总磁通ΣΦ=ΦAC+ΦDC不饱和，因此要求TP类的铁芯远大于P类。

非周期分量导致互感器暂态饱和时二次电流波形是不对称的，开始饱和的时间较长，但铁芯有剩磁时，将加重饱和程度和缩短开始饱和时间。

为了减缓暂态饱和对保护的影响，需要采取必要的措施。

这种措施有两类，一类是保护装置具备减缓饱和影响的能力，另一类是选择适当的电流互感器类型和参数。

保护对电流互感器两大要求：

①保证保护的可依赖性。

（不影响保护的可靠性）

②保证保护的安全性（不会导致保护误动或无选择动作）

保护装置抗饱和的能力

母差外部故障时各支路的短路电流分布可能很不均匀，饱和情况可能不一致。

为保证母差保护的正确性，要求母线保护装置必须采取措施，减缓暂态饱和的影响并不对电流互感器提出特殊要求。

母线差动为标准的满足基尔霍夫定律因母线本身无电感铁芯电容等影响。

对于变压器差动保护，未提出明确要求。

电流互感器本身与电力变压器一样也是采用同样的原理，因此保护要区分饱和的原因是电流互感器还是变压器本身引起。

目前国内的主变保护产品未采取合适的方法。

有厂家采取了一些方法但效果不理想，存在差动保护误动的情况，特别是空载合闸于故障变压器时。

暂态饱和与稳态饱和的波形特征不同采取措施时也要区别对待。

针对TA饱和问题，国内外提出一些判别TA饱和的方法：

（1）采用附加额外电路来检测TA饱和，现场工作不方便；

（2）提高定值，降低保护动作灵敏度；

（3）采用流出电流判别的比率差动保护；

（4）异步法TA饱和判别，利用TA饱和时电流波型中谐波含量高、波形明显不对称等特征；

（5）时差法；TA饱和时，差动电流比制动电流落后；

（6）利用电压与差电流的变化不同步；

三、变压器内部故障主保护

A．概述

主保护：

瓦斯保护和差动保护

1、瓦斯保护

瓦斯保护为变压器本体内故障的一种主要保护，特别是铁心故障。

无论差动保护还是其他内部短路保护如何改进，都不能代替瓦斯保护，当然瓦斯保护也不能代替差动保护，电气故障是瓦斯保护的反映较慢。

瓦斯保护在运行中，误动较多，主要为回路和瓦斯继电器本身的故障率较高。

对于保护装置，只起到记录动作信息和转换保护动作出口的作用。

瓦斯保护的动作原理图

为提高瓦斯保护的可靠性，XHJ和CKJ的动作电压有所不同。

XHJ的动作电压较低，为额定电压的55%~60%；CKJ的动作电压较高，为额定电压的65%~70%；XHJ的动作时间为10ms，CKJ的动作时间为20ms。

（规程规定继电器的动作时间>10ms。

本设计方案能有效的防止因绝缘破坏和直流单点接地引起保护误动作。

2、比率制动式差动保护

采用这一原理既能在外部短路时可靠的制动，又能在内部短路时有较高的灵敏度，但对内部短路时流出电流的适应能力较差。

对励磁涌流和过励磁也要有特殊方式。

比率制动式差动保护的方法较多，现介绍PST-1200采取的方式

2.1启动元件

保护启动元件用于开放保护跳闸出口继电器的电源及启动该保护故障处理程序。

各保护CPU的启动元件相互独立，且基本相同。

启动元件包括差流突变量启动元件、差流越限启动元件。

任一启动元件动作则保护启动。

a）差电流突变量启动元件的判据为：

|iφ（t）-2iφ（t-T）+iφ（t-2T）|>0.5Icd；

其中：

φ为a,b,c三种相别；

Icd为差动保护动作定值；

当任一差电流突变量连续三次大于启动门坎时，保护启动。

b）差流越限启动元件是为了防止经大电阻故障时相电流突变量启动元件灵敏度不够而设置的辅助启动元件。

该元件在差动电流大于差流越限启动门坎并持续5ms后启动。

差流越限启动门坎为差动动作定值的80%。

2.2差动电流速断保护元件

本元件是为了在变压器区内严重性故障时快速跳开变压器各侧开关，其动作判据为：

Id>Isd

其中：

Id为变压器差动电流

Isd为差动电流速断保护定值

2.4五次谐波制动元件

本元件是为了在变压器过励磁时防止差动保护误动,其动作判据为：

I

>Id*XBB5

其中：

I

为差动电流中的五次谐波含量；

Id为变压器差动电流

XBB5为差动保护五次谐波制动系数,软件设定为0.38；

2.5比率制动元件

本元件是为了在变压器区外故障时差动保护有可靠的制动作用,同时在内部故障时有较高的灵敏度，其动作判据为：

两侧差动：

Icdd=|I1+I2|；Izdd=max（|I1|,|I2|）；

三侧差动：

Icdd=|I1+I2+I3|；Izdd=max（|I1|,|I2|,|I3|）；

四侧差动：

Icdd=|I1+I2+I3+I4|；

Izdd=max（|I1|,|I2|,|I3|,|I4|）；

（1）Icdd≥Icd

（2）Izdd<=Izd

或3Izd>Izdd>IzdIcdd-Icd≥K1*（Izdd-Izd）

或Izdd>3IzdIcdd-Icd-K1*2Izd≥K2*（Izdd-3Izd）

其中：

I1为I侧电流；I2为II侧电流；

I3为III侧电流；I4为IV侧电流；

Icd为差动保护电流定值；Icdd为变压器差动电流；

Izdd为变压器差动保护制动电流，

Izd为差动保护比率制动拐点电流定值,设定为高压侧额定电流值；

K1,K2为比率制动的制动系数，软件设定为K1=0.5,K2=0.7；

关于k1=0.5，k2=0.7选取的考虑：

1）变压器匝间故障时，差动电流较小，制动电流也较小。

这时，保护的TA工作在线性范围，能够准确的传变故障电流，同时保证差动保护的动作灵敏度。

这种情况下，考虑负荷电流的影响，差动保护应工作在k3和k1段；

2）当变压器引线故障时，故障电流较大，负荷电流的影响可忽略；

3）区外故障时，故障电流较大，会造成TA饱和等，造成流入变压器差动保护的差流较大，因此提高比例制动特性；在转换性故障时，TA不能准确的传变故障电流，造成差动保护误动作，国内已有实例应采取其他方法解决。

2.6TA回路异常判别元件

本元件是为了变压器在正常运行时判别TA回路状况，发现异常情况发告警信号，并可由控制字投退来决定是否闭锁差动保护。

其动作判据为：

（1）|⊿iφ|≥0.1In且|IH|<|IQ|；

（2）相电流≤IWI且ID≥IWI；

（3）本侧|Ia+Ib+Ic|≥IWI（仅对TA为Y形接线方式）；

（4）max（Ida,Idb,Idc）>IWI

（5）max（Ida,Idb,Idc）>0.577Icd

其中：

⊿iφ为相电流突变量Ida,Idb,Idc为A,B,C三相差流值；

Icd为差动保护电流定值In为额定电流

IQ前一次测量电流IH当前测量电流

ID无流相的差动电流IWI无电流门槛值，取0.04倍的TA额定电流；

以上条件同时满足

（1）、

（2）、（3）、（4）判TA断线，仅条件（5）满足，判为差流越限。

2.7变压器各侧电流相位补偿

（1）变压器接线组别对差动保护的影响

对于Y/Y0接线的变压器，由于一二次绕组对应的电压相位相同，故一二次两侧对应相电流的相位几乎完全相同，而常用的Y/d11接线的变压器，由于三角形侧的线电压与星形侧相应相的线电压相位相差30°。

由于变压器中平衡绕组（△形绕组）的存在，当Y形绕组中性点接地运行，系统发生接地故障时，Y形侧各相电流中含有零序电流，△形绕组或不接地的Y形绕组中无零序电流，因此必须对Y形绕组各相电流进行处理，以消除零序电流对差动保护的影响。

（2）常规补偿措施

为了消除由于变压器接线引起的不平衡电流的影响，可采用相位补偿法，即将变压器星形侧的电流互感器接成三角形，而将变压器形侧的电流互感器接成Y形，从而把二次电流的相位校正过来这就是所谓的相位补偿。

IAY、IBY、ICY表示变压器Y形侧三相电流

IA△、IB△、IC△表示经转角后变压器Y形侧电流

Ia△、Ib△、Ic△表示变压器形侧三相电流

流入差动继电器的电流为IA△、IB△、IC△，Ia△、Ib△、Ic△这两组电流幅值相同，相位相同。

（3）PST-1200对变压器接线组别的补偿

在本装置内，变压器各侧电流存在的相位差由软件自动进行校验，变压器各侧均采用CT星形接线。

各侧的CT极性均指向母线，用软件进行相位校正时，PST-1200选用变压器Y→△形侧校正的原理，且差动保护的所有计算均以高压侧为基准。

对于Y0/△—11的接线，其校正方法如下：

Y0侧：

Ia’=（IA-IB）/

；Ib’=（IB-IC）/

；Ic’=（IC-IA）/

△侧：

Ia＇=IaIb＇=IbIc＇=Ic