配电系统变压器微机继电保护2.docx

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配电系统变压器微机继电保护2

配电系统变压器微机继电保护

姚家祎

核工业总公司第二研究设计院

北京电气设计委员会

北京电气设计情报网

2011年11月

一、规范规程

二、微机保护装置的构成

三、一般要求

四、电力变压器的保护

五、主变压器保护测控装置

六、3~10kV配电变压器保护测控装置

配电系统微机继电保护

一、规范规程

1.继电保护和自动装置设计有关规范、规程

1）《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》GB／T50062-2008

2）《继电保护和安全自动装置技术规程》GB／T14285-2006

3）《电流互感器和电压互感器选择及计算导则》DL／T866-2004

4）《电力系统微机继电保护技术导则》DL／T769-2001

5）《3~110kV电网继电保护装置运行整定规程》DL／T584-2007

2.变电所二次接线设计有关规范、规程

1）《电力装置的电测量仪表装置设计规范》GB／T50063-2008

2）《火力发电厂变电所二次接线设计技术规程》DL／T5136-2001

3）《电力工程直流系统设计技术规程》DL／T5044-2004

4）《电测量及电能计量装置设计技术规程》DL／T5137-2001

3.变电所综合自动化设计有关规范规程

1）《电力系统调度自动化设计技术规程》DL／T5003-2005

2）《地区电网调度自动化设计技术规程》DL／T5002-2005

3）《电测量及电能计量装置设计技术规程》DL／T5137-2001

4）《220~500kV变电所计算机监控系统设计技术规程》DL／T5149-2001

5）《远动设备及系统传输规约基本远动任务配套标准》DL／T634.510l-2002

6）《远动设备及系统传输规约采用标准传输协议子集的网络访问》

DL／T634.5104-2002

7）《多功能电能表通信协议》DL／T645-2007

8）《远动设备及系统第5部分：

传输规约第102篇

电力系统电能累积量传输配套规约》DL／T719-2000

9）《变电站通信网络和系统》（IEC61850．1~.10）DL／T860.1~.10-2004．2006

二、微机保护装置的构成

1.微机保护的硬件一般包括以下三大部分。

1）数据采集系统（或称模拟量输入系统）。

数据采集系统包括电压形成、模拟滤波、采样保持（S／H）、多路转换（MPX）以及模数转换（A／D）等功能块,完成将模拟输入量准确地转换为微机能够识别的数字量。

2）微型机主系统。

微型机主系统包括微处理（MPU）、只读存储器（ROM）或闪存内存单元（FLASH）、随机存取存储器（RAM）、定时器、并行接口以及串行接口等。

微型机执行编制好的程序,对由数据采集系统输入至RAM区的原始数据进行分析、处理,完成各种继电保护的测量、逻辑和控制功能。

3）开关量（或数字量）输入／输出系统。

开关量输入／输出系统由微型机的并行接口（PIA或PIO）、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成,以完成各种保护的出口跳闸、信号、外部触点输入、人机对话及通信等功能。

图1为一种典型的微机保护硬件结构示意框图

图2用DSP构成的微机保护硬件模块示意框图

图2示出了用DSP（数字信号处理器）构成的微机保护硬件模块示意框图,图中示出了两个完全独立的相同CPU板,每个CPU板由两个数字信号处理芯片（DSP）和一个32位单片机组成,并具有独立的采样、A／D变换、出口回路。

CPU板主要完成保护功能、逻辑运算和跳闸出口功能,同时完成事件记录、打印、录波、保护部分的后台通信与面板CPU的通信。

管理板内设装置总起动元件,起动后开放出口继电器正电源；此外,还具有完整的故障录波功能。

如果保护装置较为单一,则DSP数量可减少,同时只要一块CPU板就可以了。

需要指出,图2和图1获得输入模拟量的数字量,工作原理是相同的。

DSP是一种经过优化后特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器,可实时快速地实现各种数字信号处理算法。

主要特点如下：

1）在一个指令周期内可完成—次乘法和一次加法。

2）支持流水线操作,取指、译码、执行等操作可重叠进行,增强了处理器的处理能力,同时也减少指令执行时间。

一般流水线深度从2～6级不等,即处理器可并行处理2~6条指令,每条指令处于流水线上的不同阶段。

3）程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据。

4）芯片内只有快速RAM,可通过独立的数据总线在两块中同时访问。

5）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。

6）快速的中断处理和硬件I／O支持。

7）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。

8）可并行执行多个操作。

2．现代微机保护装置软件系统需要完成以下功能：

1）保护功能

只有完整的电流、电压、频率、过负荷、启动电流监测以及其他各种各样必要的保护功能,并可以根据实际应用的需要任意选取和组合。

各个保护功能和保护段完全独立,可以独立地整定。

2）测量功能

包括相电流、零序电流、线电压、相电压、零序电压、频率、有功和无功功率测量以及电能和功率因数测量。

3）控制功能

包括断路器和隔离开关的“就地”和“远方”控制,一次设备的分合控制,可调节设备的状态控制,自动重合闸的投、退等。

4）状态监测

包括操作计数、气体压力监测、断路器跳合闸、电气老化监测、断路器运行时间记录、辅助电压监视等。

5）功能模块

功能模块具有独立的输入、输出接口。

在参数变化时,采用图形化方式进行,简单有效；具有强大的PLC功能；可简化接线要求是高效的编程工具。

6）事件记录

包括独立的事件生成、用户定义事件、具有事件过滤功能、事件分辨率为1ms、可以记录最近多个事件。

7）故障录波

采集故障前、故障时刻及跳闸后相关的电流、电压、相关的开关量信号、事件等信息,采用COMTRADE规约为记录格式,供继电保护装置事故分析。

8）通信功能

前面板串行通信口（维护口）用于整定及参数变化,背板通信口用于与系统通信。

微机继电保护装置软件系统应该围绕着上述功能实施。

保护软件包括涉及继电保护算法的功能软件、人机交互软件、通信软件、系统管理软件、后台分析软件等。

这些软件可以采用汇编语言编程也可采用C语言等高级语言编程。

但从系统的设计、升级、移植、维护等考虑,采用C语言可能是发展趋势。

三、一般要求

中压配电网络中,可能发生各种故障和不正常运行状态,都可能在网络中引起事故。

除应采取各项措施消除和减少发生故障的可能性以外,还应装设继电保护装置,迅速而有选择性地切除故障元件,保证配电网络的安全运行。

继电保护的设计应以合理的运行方式和可能的故障类型为依据,并应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性四项基本要求。

（1）可靠性是指保护该动作时应动作,不该动作时不动作。

为保证可靠性,宜选用可能的最简单的保护方式,应采用由可靠的硬件和软件构成的装置,并应具有必要的自动检测、闭锁和报警等措施。

保护装置应便于整定、调试和运行维护。

（2）选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障。

当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时,才允许由相邻设备、线路的保护或断路器失灵保护切除故障。

为保证选择性,对相邻设备和线路有配合要求的保护和同一保护内有配合要求的两元件（如起动与跳闸元件或闭锁与动作元件）,其灵敏系数及动作时间,应相互配合。

在某些条件下必须加速切除短路时,可使保护无选择性动作,但必须采取补救措施,例如采用自动重合闸或备用电源自动投入来补救。

（3）灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生故障时,保护装置应具有必要的灵敏系数。

灵敏系数应根据不利的正常（含正常检修）运行方式和不利的故障类型计算,但可不考虑可能性很小的情况。

灵敏系数Km为被保护区发生短路时,流过保护安装处的最小短路电流Ik·min与保护装置一次动作电流Idz的比值,即

Km=Ik·min/Idz

（1）

对多相短路保护,Ik·min取两相短路电流最小值Ik2·min；对中性点不接地系统的单相短路保护,取单相接地电流最小值Ic·min；对中性点接地系统的单相短路保护,取单相接地电流最小值Ik1·min

各类短路保护的最小灵敏系数列于表1。

表1短路保护的最小灵敏系数

保护分类

保护类型

组成元件

最小灵敏系数

备注

主保护

带方向和不带方向的电流保护或电压保护

电流元件和电压元件

1.3~1.5

200km以上线路,不小于1.3；（50~200）km线路,不小于1.4；50km以下线路,不小于1.5

零序或负序方向元件

1.5

线路纵联保护

跳闸元件

2.0

对高阻接地故障的测量元件

1.5

个别情况下,为1.3

变压器、电动机的纵联差动保护

差动电流元件的启动电流

1.5

按照保护安装处短路计算

变压器、线路和电动机的电流速断保护

电流元件

1.5

后备保护

远后备保护

电流、电压和阻抗元件

1.2

按照相邻电力设备和线路末端短路计算（短路电流应为阻抗元件精确工作电流1.5倍以上）,可考虑相继动作

零序和负序方向元件

1.5

近后备保护

电流、电压元件

1.3

按照线路末端短路计算

零序和负序方向元件

2.0

辅助保护

电流速断保护

1.2

按照正常运行方式保护安装处短路计算

a）保护的灵敏系数除表中注明者外,均按被保护线路（设备）末端短路计算。

b）保护装置如反映故障时增长的量．其灵敏系数为金属性短路计算值与保护整定值之比：

如反映故障时减少的量,则为保护整定值与金属性短路计算值之比。

c）各种类型的保护中,接于全电流和全电压的方向元件的灵敏系数不作规定。

d）本表内未包括的其他类型的保护,其灵敏系数另作规定。

（4）速动性是指保护装置应能尽快地切除短路故障,其目的是提高系统稳定性,减轻故障设备和线路的损坏程度,缩小故障波及范围,提高自动重合闸和备用电源或备用设备自动投入的效果等。

（5）配电系统中的电力设备和线路应装设短路故障保护,短路故障保护有主保护和后备保护,必要时可再增设辅助保护。

主保护是满足系统稳定和设备安全要求,能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护。

后备保护是主保护或断路器拒动时,用以切除故障的保护。

后备保护可分为远后备和近后备两种方式。

远后备是当主保护或断路器拒动时,由相邻电力设备或线路的保护来实现的后备。

近后备是由本电力设备或线路的另一套保护实现后备的保护。

辅助保护是为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护。

（6）如果为了满足相邻保护区末端短路时的灵敏性要求,将使保护过分复杂或在技术上难以实现时,可按下列原则处理：

1）在变压器后短路的情况下,可缩短后备保护作用的范围：

2）后备保护灵敏系数可仅按常见的运行方式和故障类型进行验算；

3）后备保护可无选择地动作,但应尽量采用自动重合闸或备用电源自动投入装置来补救。

（7）在配电系统正常运行情况下,当电压互感器的二次回路断线或其他故障能使保护装置误动作时,应装设自动闭锁装置,将保护解除动作并发出信号。

当保护装置不致误动作时,一般只装设电压回路断线信号装置。

四、电力变压器的保护

1.保护配置

电力变压器的继电保护配置见表2。

2.整定计算

电力变压器的各种整定计算见表3。

表2电力变压器的继电保护配置

变压器容量/kVA

保护装置名称

备注

带时限的①

过电流保护

电流速

断保护

纵联差

动保护

低压侧单相接地保护②

过负荷

保护

瓦斯保护

温度保护④

<400

-

-

-

-

-

≤315kVA的车间内油浸变压器装设

-

一般用高压熔断器保护

400～630

高压侧采用断路器时装设

高压侧采用断路器且过电流保护时限>0．5s时装设

-

装设

并联运行的变压器装设,作为其他备用电源的变压器根据过负荷的可能性装设③

车间内变压器装设

-

-

800

-

装设

-

1000～1600

装设

过电流保护时限>0．5s时装设

-

装设

2000—5000

当电流速断保护不能满足灵敏性要求时装设

-

≥5000kVA的单相变压器宜装设远距离测温装置

≥8000kVA的变压器宜装设远距离测温装置

6300～8000

单独运行的变压器或负荷不太重要的变压器装设

并列运行的变压器或重要变压器或当电流速断保护不能满足灵敏性要求时装设

-

≥10000

装设

-

装设

-

装设

装设

注：

①当带时限的过电流保护不能满足灵敏性要求时,应采用低电压闭锁的带时限过电流保护,或复合电压启动的过电流保护

②当利用高压侧过电流保护及低压侧出线断路器保护不能满足灵敏性要求时,应装设变压器中性线上的零序过电流保护。

③低压电压为230／400V的变压器,当低压侧出线断路器带有过负荷保护时,可不装设专用的过负荷保护。

④干式变压器为温度保护。

⑤干式配电变压器容量至2500kVA。

表3电力变压器的电流保护整定计算

保护名称

计算项目和公式

符号说明

过电流保护

保护装置的动作电流（应躲过可能出现的过负荷电流）

（A）

保护装置的灵敏系数\[按电力系统最小运行方式下,低压侧两相短路时流过高压侧（保护安装处）的短路电流校验\]

Km=

≥1.3

保护装置的动作时限（应与下一级保护动作时限相配合）,一般取0.3~0.5s

Kk—可靠系数,对微机保护用于过电流保护及用于电流速保护时取1.1,用于低压侧单相接地保护时（在变压器中性线上装设的）取1.1,用于过负荷保护时取1.05～1.1

Kjx—接线系数,接于相电流时取1,接于相电流差时取

Kh—继电器返回系数,对微机保护取0.9

Kgh—过负荷系数①,包括电动机自启动引起的过电流倍数,一般取2~3,当无自启动电动机时取1.3～1.5

nl—电流互感器电流比

I1rT—变压器高压侧额定电流,A

I2k2·min—最小运行方式下变压器低压侧两相短路时,流过高压侧（保护安装处）的稳态电流,A

I2k2·min=I22k2·min/nT（Yyn0）

I2k2·min=

I22k2·min/nT（Dyn11）

Idz—保护装置一次动作电流,A,其值为

Idz=Idz·jnl/Kjx

I″2k3·max—最大运行方式下变压器低压侧三相短路时,流过高压侧（保护安装处）的超瞬态电流,A

I″1k2·min—最小运行方式下保护安装处两相短路超瞬态电流②,A

I2k1·min—最小运行方式下变压器低压侧母线或母干线末端单相接地短路时,流过高压侧（保护安装处）的稳态电流,A

I2k1·min=

I22k1·min/nT（Yyn0）

I2k1·min=

I22k1·min/nT（Dyn11）

I22k1·min—最小运行方式下变压器低压侧母线或母干线末端单相接地稳态短路电流,A

nT—变压器电压比

Kph—配合系数,取1.1

Idz·fz—低压分支线上零序保护的动作电流,A

I2rT—变压器低压侧额定电流

Kh—电压继电器返回系数,取1.1

ny—电压互感器变比

Umin—运行中可能出现的最低工作电压（如电力系统电压降低,大容量电动机启动及电动机自启动时引起的电压降低）,一般取0.5～0.7UrT（变压器高压侧母线额定电压）

Ush·max—保护安装处的最大剩余电压,V

电流速断保护

保护装置的动作电流（应躲过低压侧短路时,流过保护装置的最大短路电流）

（A）

保护装置的灵敏系数（按系统最小运行方式下,保护装置安装处两相短路电流校验）

Km=

≥1.5

低压侧单相接地保护（利用高压侧三相式过流保护）

保护装置的动作电流和动作时限与过电流保护相同保护装置的灵敏系数\[按最小运行方式下,低压侧母线或母干线末端单相接地时,流过高压侧（保护安装处）的短路电流校验\]

Km=

≥1.3

低压侧单相接地保护③（采用在低压侧中性线上装设专用的零序保护）

保护装置的动作电流（应躲过正常运行时,变压器中性线上流过的最大不平衡电流,其值按国家标准GB1094.1～5《电力变压器》规定,不超过额定电流的25％）

Idz·j=Kk0.25I2rT/n1（A）

保护装置的动作电流尚应与低压出线上的零序保护相配合

Idz·j=KphIdz·fz/n1（A）

保护装置的灵敏系数（按最小运行方式下,低压侧母线或母干线末端单相接地稳态短路电流校验）

Km=

≥1.3

保护装置的动作时限一般取0．3~0．5s

过负荷保护

保护装置的动作电流（应躲过变压器额定电流）

（A）

保护装置的动作时限（应躲过允许的短时工作过负荷时间,如电动机启动或自启动的时间）一般定时限取9~15s

低电压启动的带时限过电流保护

保护装置的动作电流（应躲过变压器额定电流）

（A）

保护装置的动作电压

（V）

保护装置的灵敏系数（电流部分）与过电流保护相同

Km=

=

≥1.3

保护装置动作时限与过电流保护相同

注：

①带有自启动电动机的变压器,其过负荷系数按电动机的自启动电流确定。

当电源侧装设自动重合闸或备用电源自动投入装置时,可近似地用下式计算

式中,uk为变压器的阻抗电压相对值；SrT为变压器的额定容量,kVA；SM∑为需要自启动的全部电动机的总容量,kVA；

Kq为电动机的启动电流倍数,一般取5。

②两相短路超瞬态电流I″k2等于三相短路超瞬态电流I″k3的0.866倍。

③Yyn0接线变压器采用在低压侧中性线上装设专用零序互感器的低压侧单相接地保护,而Dyn11接线变压器可不装设。

3.变压器的纵差保护

3.1变压器纵差保护的特点

变压器的纵差保护需要解决躲开流过差动回路中的不平衡电流问题。

（1）由变压器励磁涌流所产生的不平衡电流防止励磁涌流影响的方法如下：

1）鉴别短路电流和励磁涌流波形的差别（涌流具有间断角）；

2）利用二次谐波制动（涌流中的高次谐波以二次谐波为主）。

（2）由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流

消除这种不平衡电流的影响,通常是将变压器星形侧的三个电流互感接成三角形,而将变压器三角形侧的三个电流互感器接成星形,并适当考虑联接方式后即可把二次电流的相位校正过来。

微机保护中变压器星形侧的三个电流互感器接成星形,接线系数

计算时由软件完成。

（3）由电流互感器计算电流比与实际电流比不同而产生的不平衡电流

采用软件调整变压器各侧电流的平衡系数方法,把各侧的额定电流都调整到保护装置的额定工作电流In（In=5A或1A）。

（4）由两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流

两侧电流互感器型号不同,但其伏安特性曲线应相似和拐点电压应相同,并采用电流互感器的同型系数来修正。

（5）由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流

变压器带负荷调整分接头经常在改变,而差动保护的电流回路在带电的情况下是不能操作的,由此而产生不平衡电流应在纵差动保护整定值中予以考虑。

3.2装置的性能特性

（1）差动速断及比率差动保护性能：

1）差动速断保护实质上为反应差动电流的过电流继电器,用以保证在变压器内部发生严重故障时快速动作跳闸,典型出口动作时间小于15ms。

2）比率差动保护的动作特性如图3,能可靠躲过外部故障时的不平衡电流。

其中：

Id为动作电流,Ir为制动电流,Icdqd为差动电流起动值,Kbl为比率差动制动系数,Ie为变压器的额定电流,图中阴影部分为保护动作区。

（2）采用软件调整变压器各侧电流的平衡系数方法,把各侧的额定电流都调整到保护装置的额定工作电流In（In=5A或1A）。

（3）采用可靠的CT断线报警闭锁功能,保证装置在CT断线及交流回路故障时不误动。

（4）采用变压器接线方式整定的方法,使软件适用于变压器的任一接线方式。

（5）该装置算法的突出特点是在较高采样率的前提下,保证了在故障全过程对所有继电器的并行实时计算,装置有很高的固有可靠性及动作速度。

3.3比率制动差动保护整定计算

（1）平衡系数

对于变压器Y接线侧Kρh1=U1n×nTA1/S≤2.3

（2）

对于变压器Δ接线侧Kρh2=

U2n×nTA2/S≤4（3）

若报“平衡系数错”说明平衡系数太大应改变电流互感器电流比,以满足要求。

（2）比率差动元件的起动值

Icd·qd=KK（2fi（n）+ΔU+ΔM）In；

fi（n）——电流互感器在In下的比误差；

fi（n）=±0.03（10P）,fi（n）=±0.01（5P）；

ΔU——变压器分接开关调节引起的误差（相对额定电压）,取调压值的一半；

ΔM——电流互感器变比未完全匹配产生的误差,ΔM≈0.05；

In——变压器基本侧（高压侧）额定电流的二次值。

一般取变压器额定电流的30%~50%

Icd·qd=0.3In~0.5In（4）

（3）比率差动元件的动作电流（拐点）

第一比率差动拐点电流：

IZd·1=（0.5~1）In,一般取IZd·1=0.5In

第二比率差动拐点电流：

IZd·2=3In

（4）比率差动制动系数

Khl·1=0.3Khl·2=0.5~1（5）

（5）差动速断保护

Icd·sd=6In（6）

（6）二次谐波制动系数

Kxb=ld2φ/ldφ=0.15~0.2（7）

ldφ为三相差动电流的基波电流

（7）灵敏系数

Km=IK2min/nlIdz≥0.5（8）

式中,IK2min——最小运行方式下保护区内两相短路最小短路电流；

nl——电流互感器电流比：

Idz——差动继电器动作电流,根据制动电流的大小在相应制动特性曲线上求得相应的动作电流。

（8）间断角制动值

直接由各相涌流间断角θj实现制动θj≥65°

由涌流导数波形的间断角θd和波宽θw实现制动θd≥65°,θw≥140°

五、主变压器保护测控装置

66kV或35kV变压器保护装置有主保护（差动保护）、后备保护、非电量保护,当为分别设置的装置时,测控装置设在后备保护装置中；当设置为一套装置时,测控装置应另设。

主变器保护功能、装置闭锁和报警功能

1.保护功能

（1）差动速断保护；

（2）比率差动（二次谐波制动）保护；

（3）高压侧复合电压闭锁过流保护（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段）；

（4）低压侧复合电压闭锁过流保护（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段）；

（5）带延时的非电量保护（跳闸与信号）；

（6）过负荷保护,起动风机、闭锁调压信号报警；

（7）电流互感器断线报警及闭锁比率差动保护；

（8）电压互感器断线报警；

2.装置闭锁和装置报警功能

（1）装置本身硬件故障时发出装置闭锁信号,闭锁整套保护（只闭锁差动,过流保护,不闭锁非电量保护）；

硬件故障包括：

RAM,EPROM,定值出错和出口三极管长期导通,另外平衡系数错,接线方式错也将闭锁整套保护：

（2）当检测到下列故障时,发出运行异常报警；

1）