基于PLC的变压器成套保护装置设计.docx

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基于PLC的变压器成套保护装置设计

基于PLC的变压器成套保护装置设计

摘要：

变压器在运行中，由于内外部故障，有时候我们无法及时辨别和采取措施，容易引起一些事故。

分析变压器的保护原理及影响保护动作的误动作缘由，分析确定合适的整定值以及采用可编程逻辑控制器来提高保护系统的效率。

改善配电网变压器的保护正确率不高、查找故障停留时间过长进而影响生产供电可靠性等不足。

研究讨论了软硬件系统的搭接、模拟量扩展模块和定值算法等问题,并设计了基于PLC的配电变压器保护系统。

该系统具有结构简单、抗干扰性强、可靠性高等特点的数字化改造系统。

关键词：

变压器；继电保护；可编程逻辑控制器；模拟量；定值算法

BasedonPLCTransformerProtectionDevicePackageDesign

ABSTRACT：

Sometimes,Itisveryeasilyleadtoanumberofincidentsthatwecould’tidentifiedatimeandtotakeagoodmeasures,whenthetransformerswerebrokenwithinternalandexternalfaults,especiallyinoperationing.Analysisoftransformerprotectionprincipleandimpactprotectionactionscausemalfunctionanalysistodeterminetheappropriatesettingvalueandtheuseofprogrammablelogiccontrollertoimprovetheefficiencyoftheprotectionsystem.Themeasuresthatimprovethedistributionelectricitynetworktransformer'sprotectionaccuracynothigh,thetroubleshootresidenttime.Andproductionpowersupplyreliabilityandinsufficiencies.Ofsoftwareandhardwaresystemslapdiscussed,analogexpansionmoduleandsetarithmeticproblems,anddesignofPLCbasedprotectionsystemfordistributiontransformer.Thesystemhassimplestructure,stronganti-interferenceandhighreliabilityfeaturesofthedigitaltransformationofthesystem.

KEYWORDS：

transformer；relayprotection；Programmablelogiccontroller；analogquantity；Valuealgorithm

1绪论

　　电力变压器保护的正确动作率一直比较低，虽然近几年逐年提高，但是仍然不能与线路保护的性能相比拟，来自现场的意见是近几年变压器保护的问题不多，正确动作率不高的原因可能来源于变压器数量不能与线路相比，另外就是一些不明原因的动作也被归咎于变压器保护。

但是变压器保护在原理上存在客观的缺陷确是不争的事实。

　　在变压器正常运行时，由于励磁电流很小，变压器纵差动保护近似满足KCL，纵差动保护是能够正确区分变压器正常运行（外部故障）和内部故障这两个状态的。

但是，不幸的是，变压器除了这两个状态之外，还有一个状态是铁心饱和，若由于电压升高或频率降低造成的变压器铁心工作点下降，危害变压器的安全，则现有的过激磁保护会跳闸切除变压器。

但是，更为不幸的是，对于变压器还有一种饱和，并不是稳态的，仅仅是暂态的，且不危害变压器安全的铁心饱和，若这种情况下切除变压器，将不利于电力系统的稳定和供电的可靠性。

几代变压器保护工作者，都在和变压器铁心的这种暂态的饱和进行斗争，斗争的结果就是

一、全面提取涌流特征，提高励磁涌流识别能力，改善变压器差动保护性能。

尽管从差动保护作为变压器的主保护那一天起，正确识别励磁涌流就成为变压器差动保护所需要解决的重要问题，但是在没有完善的新原理可以取代差动保护前，必须不断提高变压器差动保护励磁涌流识别能力。

传统的二次谐波制动原理只利用了励磁涌流中明显的二次谐波特征信息，而各种辅助判据的使用意味着通过增加信息量来保证保护的正确动作。

间断角原理利用了电流波形间断角特征来识别励磁涌流，与二次谐波制动原理相比利用了更多的信息。

其他的基于波形特征的识别方法本质上与间断角原理类似，但是用来提取涌流特征的波形是包括了间断角的整个涌流波形，因此性能上来说更为优越。

随着小波分析、数学形态学等数学工具以及神经网络模糊逻辑等智能技术在励磁涌流识别方法中的应用，为励磁涌流特征的更为全面的提取提供了新的途径。

总之，为保证变压器差动保护正确可靠动作，综合利用变压器励磁涌流特征提取全面信息来识别励磁涌流是今后一段时间内的发展趋势。

　　二、摆脱现有技术的束缚，独辟蹊径，探寻变压器保护新的原理。

纵联差动保护原理上完全不反应外部短路，因此取得了被保护设备在内部故障时保护动作的灵敏性、快速性和选择性，被广泛用于电气主设备和输电线的主保护。

但是纵差保护只能用于满足电流基尔霍夫定律的纯电路设备，而在变压器差动保护范围内，不仅包含电路，而且包含非线性的铁心磁路，造成当变压器本身无故障空载合闸、外部故障切除电压恢复或过励磁时，差动保护中流过很大的励磁电流，因此最初变压器采用差动保护作为主保护就隐含了不满足差动保护应用的基本前提。

因此摆脱现有技术束缚，探寻新的变压器保护原理是今后研究的重点方向。

基于磁通特性的原理、等值电路法原理、等值方程原理以及功率差动原理就是一次有益的探索，但是这些新原理在实际应用中还存在着大量的问题，需要更进一步的完善和发展。

　　从应用的进程上来看，保护新原理的应用可能经历三个阶段：

第一阶段，由于保护新原理不受励磁涌流的影响，因此可以作为变压器差动保护励磁涌流识别方法进行应用，这也是很多新原理研究的出发点；第二阶段，新原理保护与差动保护配合使用，由于差动保护作为变压器主保护已经历了几十年的考验和完善，因此二者结合使用，可以取长补短。

第三阶段，新原理保护取代差动保护，这是保护新原理研究的目标。

2继电保护装置的工作原理

2.1继电保护装置简述

继电保护装置是指能反映电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置，它的基本任务是：

①自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其它无故障部分迅速恢复正常运行；②反映电器元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件而动作于发出信号、减负荷或跳闸。

此时一般不要求保护迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免不必要的动作和由于干扰而引起的误动作。

对电力系统的继电保护的基本要求：

①选择性②速动性③灵敏性④可靠性。

在它们之间，既有矛盾的一面，又有一定条件下统一的一面。

2.2变压器继电保护

（1）电流速断保护：

故障电流超过保护整定值无时限（整定时间为零）立即发出跳闸命令。

（2）电流延时速断保护：

故障电流超过速断保护整定值时，带一定延时后发出跳闸命令。

（3）过电流保护：

故障电流超过过流保护整定值，故障出现时间超过保护整定时间后发出跳闸命令。

（4）过电压保护：

故障电压超过保护整定值时，发出跳闸命令或过电压信号。

（5）低电压保护：

故障电压低于保护整定值时，发出跳闸命令或低电压信号。

（6）差动保护：

当流过变压器中性点线路或电动机绕组，线路两端电流之差变化超过整定值时，发出跳闸命令成为纵差动保护，两条并列的线路或两个绕组之间电流差变化超过整定值时，发出跳闸命令称横差动保护。

（7）过负荷保护：

运行电流超过过负荷整定值（一般按最大负荷或设备额定功率来整定）时，发出过负荷信号。

（8）瓦斯保护：

对于油浸变压器，当变压器内部发生砸间短路时出现电火花，变压器又被击穿出现瓦斯气体冲击安装在油枕通道管中的瓦斯继电器，故障严重，瓦斯气体多，冲击力大，重瓦斯动作于跳闸，故障不严重瓦斯气体少，冲击力小，轻瓦斯动作于信号。

3变压器的主保护

3.1变压器故障分析

电力变压器的故障可分为油箱内部故障和油箱外部故障。

油箱内部故障有绕组的相间短路、匝间短路、单相接地短路。

这些故障所产生的电弧可能烧坏绕组的绝缘和铁心，使绝缘材料和变压器油气化，可能引起油箱爆炸，酿成火灾。

油箱外部故障主要是套管和引出线上发生的相间短路与接地短路。

变压器的不正常工作情况主要有：

变压器过负荷，外部故障引起的过电流，油箱内部的油面降低等。

根据故障分析变压器一般装设相应的保护装置。

3.2瓦斯保护

3.2.1瓦斯保护的范围

瓦斯保护的范围是变压器内部多相短路、匝间短路，匝间与铁心或外皮短路，铁心故障（发热烧损），油面下降或漏油，分接开关接触不良或导线焊接不良。

瓦斯保护的优点是不仅能反映变压器油箱内部的各种故障，而且还能反映差动保护所不能反映的不严重的匝间短路和铁心故障。

此外，当变压器内部进入空气时也有所反映。

因此，是灵敏度高、结构简单、动作迅速的一种保护。

其缺点是不能反映变压器外部故障（套管和引出线），因此瓦斯保护不能作为变压器各种故障的唯一保护。

瓦斯保护抵抗外界干扰的性能较差，例如剧烈的震动就容易误动作。

如果在安装瓦斯继电器时未能很好地解决防油问题或瓦斯继电器不能很好地防水，就有可能漏油腐蚀电缆绝缘或继电器进水而造成误动作。

3.2.2瓦斯保护的工作原理

瓦斯保护（气体保护）反应油箱内部部故障及油面降低而动作。

其中轻瓦斯保护作用于信号，重瓦斯保护作用于跳闸。

瓦斯保护是变压器内部故障的主要保护元件，对变压器匝间和层间短路、铁心故障、套管内部故障、绕组内部断线及绝缘劣化和油面下降等故障均能灵敏动作。

当油浸式变压器的内部发生故障时，由于电弧将使绝缘材料分解并产生大量的气体，其强烈程度随故障的严重程度不同而不同。

瓦斯保护就是利用反应气体状态的瓦斯继电器（又称气体继电器）来保护变压器内部故障的。

在瓦斯保护继电器内，上部是一个密封的浮筒，下部是一块金属档板，两者都装有密封的水银接点。

浮筒和档板可以围绕各自的轴旋转。

在正常运行时，继电器内充满油，浮筒浸在油内，处于上浮位置，水银接点断开.档板则由于本身重量而下垂，其水银接点也是断开的。

当变压器内部发生轻微故障时，气体产生的速度较缓慢，气体上升至储油柜途中首先积存于瓦斯继电器的上部空间，使油面下降，浮筒随之下降而使水银接点闭合，接通延时信号，这就是所谓的“轻瓦斯”;当变压器内部发生严重故障时，则产生强烈的瓦斯气体，油箱内压力瞬时突增，产生很大的油流向油枕方向冲击，因油流冲击档板，档板克服弹簧的阻力，带动磁铁向干簧触点方向移动，使水银触点闭合，接通跳闸回路，使断路器跳闸，这就是所谓的“重瓦斯保护”。

重瓦斯动作，立即切断与变压器连接的所有电源，从而避免事故扩大，起到保护变压器的作用。

3.2.3瓦斯保护的装设

瓦斯保护主要由安装在变压器油箱与油枕之间的连接管道中的瓦斯继电器（气体继电器）构成如图3.1所示。

为了不妨碍气流的运动，在安装具有瓦斯继电器的变压器时，要把油枕一侧的滚轮垫高，使变压器顶盖与水平面的坡度为

，通往油枕的连接管道的坡度为