电力网中变压器的微机继电保护系统设计方案及模拟毕业设计.docx

1、电力网中变压器的微机继电保护系统设计方案及模拟毕业设计电力网中变压器的微机继电保护系统设计方案及模拟摘 要电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备,它在整个电力系统中起着能量和电压转换的作用。它的运行是否安全,直接关系到电力系统能否连续稳定地运行。随着电力系统规模的不断扩大和它在国民经济中地位的不断提升,对其保护也提出了更高的要求,本论文针对变压器保护的要求,围绕着变压器微机保护系统的研究展开设计工作。论文首先介绍了微机继电保护的发展状况和本设计的研究的具体内容。在三相电力变压器的保护方式以瓦斯保护、差动保护、电流速断保护、变压器过负荷保护和过励磁保护中详细分析了电力电压器的保护。并在遥测量的

2、测量中对变压器、采集模拟量测量值和模数转换对A/D转换器进行分析和改进。研究保护配置与整定计算详细分析、确定了本电力变压器微机保护系统的保护配置。关键词：微机保护 电力变压器 变送器AbstractPower transformer in power system is a very important electrical equipment in the power system, it plays the role of energy and voltage conversion. Its operation is safe, is directly related to the con

3、tinuous and stable operation of power system can be. With the enlargement of power system scale and its status in the national economy continues to improve, the protection is also put forward higher requirements, this paper aimed at the request of the transformer protection, around the transformer m

4、icrocomputer protection system of design work.The thesis first introduces the microcomputer relay protection development and the design of the specific content. In the three-phase power transformer protection with gas protection, differential protection, current quick break protection, overload prot

5、ection and transformer over excitation protection of a detailed analysis of the power transformer protection. And in the remote measurement of transformer, the acquisition of analog measurement and conversion of A / D converter is analyzed and improved. Study on protection configuration and setting

6、calculation of detailed analysis, to determine the power transformer microcomputer protection system protection configuration.Key Word：Microcomputer protection Power transformer Transmitter第一章 绪论1.1 变压器微机继电保护的发展历史20世纪60年代以来，电子计算机(简称计算机)技术迅猛发展，特别是近30年来，计算机的应用广泛而深入地影响着科学技术、生产和生活等社会各个领域，它给各领域带来了巨大的变化，计

7、算机技术同样影响到电力系统继电保护技术的发展。20世纪70年代初、中期，计算机技术发展出现了重大突破，大规模集成电路技术讯速发展，微处理器进入了实用阶段，计算机价格大幅度下降，可靠性大为提高。在20世纪70年代的中、后期己有不少样机在电力系统试运行，微型计算机保护趋于实用。20世纪80年代，在改革开放以及建设有中国特色的社会卞义市场经济的背景下，国内从事微机保护的科学工作者，研制出了适合我国电力系统的继电保护装置，全面提升了我国电力系统的竹理水平，研制的继电保护装置性能基本上达到了国际同类产品先进水平，我国的计算机保护技术进入了蓬勃的发展时期。20世纪90年代初，国内高校和一些科研院、所的工作

8、者研制成功国内第1套微机变压器保护装置。经过几年的试运行，取得了很好的运行经验。在微处理器高速发展的今天，随着计算机技术的发展，以前传统的装置无法实现的变压器保护原理在今天变为现实，并任然在不断完善。科学技术的不断发展，变压器的容量、变压能力有了很大的提高，以及其它设备的先进性，使得电力网的复杂程度和对于继电保护有了更高的要求，所以变压器继电保护也就走向了一个新的发展方向，它在电力网安全运行中大量节约我们设备的损耗，一旦发生故障，能够很及时的切除电力变压器内部和外部的故障，使得我们电力网安全可靠地运行，直到发展到今天。下图1-1，就是一个电力变压器微机继电保护的一个基本可视观测装置，它由微机和

9、信号传递装置组成，当信号到达我们微机的时候就可以很好的反应出来电力网是否安全稳定的运行。随着计算机技术、微电子技术、网络通信技术、信息技术的不断发展，最新研制的微机继电保护的体积更小，功能更强，性能更优，如硬件结构方面，采用具有强大数据处理功能的ASP微处理芯片，低功耗可编程逻辑芯片(CPLD)和高集成度专用芯片(ASIC)后，使装置的体积，功耗，可靠性等方面得到很大提升。我国微机继电保护正向微型化、网络化、智能化和人性化方面高速发展。图1-1 现代变压器微机保护系统1.2 变压器微机继电保护装置的发展过程在继电保护装置方面，20世纪50年代，开始出现了晶体管式继电保护装置。这种保护功率消耗小

10、，动作速度快无机械转动部分，称之为电子式静态保护装置。随着大规模集成电路的发展，80年代后期，集成电路继电保护装置很快取代了晶体管继电保护装置，成为静态继电保护装置的主要型式。在60年代末，电子计算机一问世，便进行了对继电保护计算机算法的大量研究，为今天微型计算机式继电保护(以下简称微机继电保护)的发展奠定了理论基础。随着微处理器技术的迅速发展及其价格急剧下降，在70年代后期，出现了比较完善的微机保护样机，并投人到电力系统中试运行。80年代微机保护在硬件结构和软件技术方面已趋成熟。微机保护具有巨大的计算、分析和逻辑判断能力，有存储记忆功能，因而可用以实现任何性能完善巨复杂的保护原理。微机继电保

11、护可连续不断地对本身的工作情况进行自检，其工作可靠性很高。此外，微机继电保护可用同一硬件实现不同的保护原理，这使保护装置的制造大为简化，也容易实行保护装置的标准化。微机继电保护除了具有保护功能外，还有故障录波、故障测距、事件顺序记录，以及与调度计算机交换信息等辅助功能，这对于简化保护的调试、故分析和事故后的处理等都有重大意义。进人20世纪以来，在我国得到大量应用，已成为继电保护装置的主要型式，是当今电力系统保护、控制、运行调度及事故处理的综合自动化系统的重要组成部分。以上是变压器继电保护原理的发展过程。与此同时,构成继电保护装置的组件、材料、保护装置的结构型式和制造工艺也发生了巨大的变革。20

12、世纪继电保护装置都是由电磁型、感应型或电动型继电器组成的。这些继电器都具有机械转动部件，统称为机电式继电器。由机电式继电器组成的继电保护装置称为机电式保护装置这种保护装置体积大，消耗功率大，动作速度慢，机械转动部分和触点容易损坏或粘连，调试维护比较复杂，不能满足超高压、大容量电力系统的要求，目前正逐渐被淘汰。图1-2变压器继电保护基本装置继电保护技术随着电力系统的发展而发展，基本的变压器继电保护装置就如图1-2所示，但是对于不同电力网的要求我们的保护装置各个单元的大小和功能都是不同的，比如熔断器，断路器等。同时也随着通信、信息、电子、计算机等相关技术的发展而不断创新。熔断器就是最早的、最简单的

13、的过电流保护方式，这种保护方式至今仍广泛应用于低版线路和用电设备。熔断器的特点是融保护装置与切断电流的装置于一体，其结构最为简单。由于用电设备的功率、发电机的容量虽不断增大，发电厂、变电站和供电网的结线不断复杂化，电力系统中正常工作电流和短路电流都不断增大，熔断器己不能满足选择性和快速性的要求，于是出现了作用于断路器的过电流继电器。之所以我们的继电保护装置也是在循序渐进的发展着。1.3 本论文研究设计的内容变压器微机继电保护技术的成熟与发展是近三十年来继电保护领域最显著的进展。经过长期的研究和实践，现在人们已普遍认可了微机保护在变压器继电保护中无可替代的优势。微机保护具有自检功能，有强大的逻辑

14、处理能力、数值计算能力和记忆能力，并且具备很强的数字通信能力，这一切都是电磁继电器、晶体管继电器所难以匹敌的。计算机技术的进步，更高性能、更高精度的数字外围器件的采用，一直是微机继电保护不断发展的强大动力。我所研究的是对于一个小型的变压器采用微机继电保护来实现变压器的安全可靠稳定的运行。1.3.1 国内外微机继电保护发展的现状在国内，目前我国对变压器微机继电保护的研究着重集中在线路保护方面；有关变压器的保护却研究的较少。从依已发表的有关计算机继电保护的文献资料来看，关于电力变压器微机保护目前尚处于可行性研究阶段，主要研究算法、在实验室做离线模拟实验、或用小型机做动摸实验，未见有做成装置接受现场

15、考研的报导。在线路保护方面，我国近年来也成功地研制了一套微机距离保护，并已投入运行实验。在国外，对于变压器微机继电保护的研究，在理论和实践方面都已经取得了显著的成果。在美国、日本、加拿大、西德等国家，已经制造出微机保护装置的样机，并且已正式投入现场使用或受现场考验。1.3.2 本论文的具体调研内容传统的变压器继电保护装置，调试工作量很大，尤其是一些复杂的保护. 微机具有高速运算、逻辑判断和记忆能力，微机保护是通过软件程序实现的，具有极大的灵活性，也因而微机保护可以实现很复杂的保护功能，也可以实现许多传统保护模式无法实现的新功能。目前，微机保护的平均无故障时间长达十万小时以上，这说明了微机保护是

16、十分可靠的。变压器微机保护经过近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，计算机软硬件技术、网络通信技术、自动控制技术及光电子技术日新月异的进步，现代电力系统不断发展的新形势，对微机保护技术的发展提出了许多新的课题及挑战。 特高压输电线和直流输电在国内的建设、大容量紧凑型输电技术的应用、FACTS技术的发展，变电站自动化技术的成熟以及集成智能化电力设备（智能开关及组合电器）、电子或光电式互感器的投入运行都对微机保护技术的发展提出了新的课题，他们对保护运行的可靠性、抗干扰能力、快速性、灵敏性，

17、保护的构成方式，保护动作行为的改进，保护装置的高速通信能力以及保护新原理研究等方面提出了更高的要求。在新的硬件和软件基础上，这些性能需求能够得到更好的满足和实现。变压器经常出现的故障，是我们所关心的问题，一旦出现故障我们就要及时的去解决这个故障，对于变压器来说，故障由内部故障和外部故障构成，故障的种类很多，导致处理故障的方法很多在本文中一一把重要的故障和故障处理方法列举出来对于搭建微机保护系统微机保护在现场的普遍应用已经为现场继电保护人员带来了无可比拟的优越性，不仅保护的正确动作率大大提高，而且由于其调试的方便性使调试工作量大为减少，从而缩短了调试时间。然而，实现装置内部100%的实时状态监视

18、和自检，特别是加强对装置内部薄弱部位的监视以及实现装置的全自动化测试，不仅是继电保护装置安全稳定运行的要求，更是现场继电保护工作者不断追求的目标。通过大量的阅读资料和浏览其他关于继电保护和变压器继电保护方面相关论文，得到我调研想得到的知识，为我撰写论文打下了夯实基础。1.3.3 本论文的具体构思内容（一）、电力变压器微机继电保护和保护装置的发展状况（二）、变压器的故障及异常运行状态（三）、电力系统变压器的保护方式（四）、变压器微机保护方案设计（五）、变压器微机保护装置的硬件原理及仿真1.3.4 本论文具体研究实施的内容 如图1-3，通过变压器一次、二次侧和内部得到的动作信号，传达给继电保护装置

19、，继电保护装置通过通信口传给运动装置和后台监控机，运动装置的动作我们直接可以由后台机看到。当多组故障信号同时进入时，继电保护就要采取有力的就近原则，切除一切故障范围内的设备，使损失最小。图1-3 变压器微机继电保护的基本原理示意图1.4 研究变压器微机继电保护的目的及意义1.4.1 研究变压器微机继电保护的目的文节对现代微机保护软硬件技术的发展及设计进行了深入分析和阐述，提出了新的设计思路和解决问题的新概念新方法。电力系统运行要求安全可靠。但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异、运行情况复杂、覆盖的地域辽阔。因此，受自然条件、设备及人为因素的影响(如雷击、倒塔、内部过电压或运行人员误操作等)

20、，电力系统会发生各种故障和不正常运行状态。最常见、危害最大的故障是各种形式的短路。 （一）故障造成的很大的短路电流产生的电弧使设备损坏。（二）从电源到短路点间流过的短路电流引起的发热和电动力将造成在该路径铀F故障元件的损坏。（三）靠近故障点的部分地区电压大幅度下降，使用户的正常工作道到破坏或影响产品质量。（四）破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使该系统瓦解和崩溃。所谓不正常运行状态是指系统的正常工作受到干扰，使运行参数偏离正常值，如一些设备过负荷、系统频率或某些地区电压异常、系统振荡等。故障和不正常运行情况常常是难以避免的，但事故却可以防止。电力系统继电保护装置就是装设在每一个电

21、气设备亡，用来反映它们发生的故障和不正常运行情况，从而动作于断路器跳闸或发出信号的一种有效的反事故的自动装置。它的基本任务是：自动、有选择性、快速地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件损坏程度尽可能降低，并保证该系统相故障部分迅速恢复正常运行。反映电气元件的；正常运行状态，并依据运行维护的具体条件和设备的承受能力，发出信号、减负荷或延时跳闸应该指出，要确保电力系统的安全运行除了继电保护装置外，还应该设置电力系统安全自动装置。后者是着眼于事故后和系统不正常运行情况的紧急处理，以防止电力系统大面积停电和保证对重要负荷连续供电及恢复电力系统的正常运行例如自动重合闸、备用电源自动投入、自动切负荷、快

22、关汽门、电气制动、远方切机、在技选定的开关上实现系统解列、过负荷控制等。电力是当今世界使用最为广泛、地位最为重要的能源。电力系统的运行要求安全可靠、电能质量高、经济性好。但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖的地域辽阔。因此，受自然条件、设备及人为因素的影响，可能出现各种故障和不正常运行状态。故障中最常见，危害最大的是各种型式的短路。为此，还应设置以各级计算机为中心，用分层控制方式实施的安全监控系统，它能对包括正常运行在内的各种运行状态实施控制。这样才能更进一步地确保电力系统的安全运行。1.4.2 研究变压器微机继电保护的意义电力变压器在运行中，可能发生各种类型的故障，对

23、电力系统的安全连续运行会带来严重影响，特别是大容量变压器的损坏，对系统的影响更为严重。尤其是随着电力事业的发展，超高压输电线路在我国的建设越来越普遍，大容量超高压的大型电力变压器的应用也随之扩大，其运行是否正常直接关系到整个电网的可靠性。因此必须根据电力变压器容量的大小、电压的高低和重要程度，设置性能良好，动作可靠的继电保护装置。微机变压器保护的主要性能指标：在提出全套实验方案之前，有必要对目前微机变压器保护的主要性能指标做一小结，因为这是确定实验方案的主要依据，同时也是不同产品质量比较的考察项目。 需要提出的是，作为使用单位的电力部门，由于受实验条件的制约，对保护产品的性能考察主要集中在保护

24、的可靠性、灵敏性、选择性和速动性上，即电力部门主要通过实验方法了解上述几方面的具体情况，而对产品的电磁兼容性、抗震性、湿热环境测试等特殊项目的了解则主要依据各厂家的质检报告，故以下的性能指标不考虑上述特殊项目。对微机变压器保护而言，需要考虑的性能指标和考察项目主要如下：选择性：主要通过各种变压器差动区内外实验来考察保护的动作情况，考察变压器发生内部故障时保护是否能正确动作，变压器发生外部故障时保护是否能可靠制动。可靠性:与其它保护相比较，变压器保护存在励磁涌流鉴别的特殊问题，因此在考察保护的可靠性指标时，除去与选择性指标类似的项目外，需要重点考察变压器保护鉴别励磁涌流的能力。另一方面，CT饱和

25、对保护可靠性的影响也是需要重点考察的项目。灵敏性:目前微机变压器保护产品所用的差动特性各不一样，主要有比率差动、标积制动、故障分量差动，即便是比率差动，由于所选的制动量的不同，其动作区与制动区的大小也各不相同，因而保护在灵敏度上存在差异。考虑到目前变压器内部故障中匝间故障占相当比例，灵敏度问题是变压器保护的一个主要考察问题，有必要在实验方案中将其作为重要项目来考察。速动性:考虑到变压器在系统连接和功率传送中所占的重要地位，必须有快速的保护为其提供安全保障，以便在变压器发生故障时快速切除，避免故障扩大和损坏变压器。目前，微机变压器保护产品由于理论基础不同，由于实现方法和软件编制上的差异，也会导致

26、速动性上的表现不尽相同。 第二章 电力变压器的故障及异常运行状态2.1 电力变压器的故障电力变压器的故障分为内部和外部两种故障。内部故障指变压器油箱里面发生的各种故障，主要靠瓦斯和差动保护动作切除变压器；外部故障指油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，一般情况下由差动保护动作切除变压器。速动保护（瓦斯和差动）无延时动作切除故障变压器，设备是否损坏主要取决于变压器的动稳定性。而在变压器各侧母线及其相连间隔的引出设备故障时，若故障设备未配保护（如低压侧母线保护）或保护拒动时，则只能靠变压器后备保护动作跳开相应开关使变压器脱离故障。因后备保护带延时动作，所以变压器必然要承受一定时间段内的区外故

27、障造成的过电流，在此时间段内变压器是否损坏主要取决于变压器的热稳定性。因此，变压器后备保护的定值整定与变压器自身的热稳定要求之间存在着必然的联系。2.2 电力变压器的不正常运行状态变压器外部短路引起短路的过电流，负荷长时间超过额定容量引起的过负荷，风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降等，这些不正常运行状态会使绕组和铁芯过热。此外，对于中性点不接地运行的星形接线变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性点过电压，威胁变压器的绝缘；大容量变压器在过电压或低频率等异常运行工况下会使变压器过电励磁，引起铁芯和其他金属构件的过热。变压器处于不正常运行状态时，继电保护应该根据其严重程度，发出告警信号，使

28、运行人员及时发现并采取相应的措施，以确保变压器的安全。2.3 变压器出现故障的原因1.避雷器接地电阻高由于避雷器接地电阻高，所以雷电流流过接地电阻时导致变压器外壳电位增高。当其超过一定数值时，就会引起变压器绝缘击穿损坏。2.避雷器接地引下线截面太小或长度太长截面太小在雷击时易被烧断，起不到保护作用，长度太长在某一陡度电流通过时，接地引下线上的压降与避雷器的残压叠加在一起，作用到变压器绕组上有可能破坏变压器绝缘。3.变压器本身缺陷根据原北京电力建设科学技术研究所调查、分析，14800台年配电变压器的运行经验表明：在雷击损坏事故中，大约有37%是因绝缘存在缺陷而引起的。4.过载由于电流的增加，变压

29、器线圈温度迅速增加，造成绝缘材料变脆弱，加速老化，形成大量裂纹甚至脱落，严重时使线体裸露，而造成匝间短路。或者由于外部故障冲击力导致绝缘破损，进而发生故障。5.线路涌流现在，除非明确属于雷击事故，一般的冲击故障均被列为“线路涌流”。线路涌流（或称线路干扰）在导致变压器故障的所有因素中被列为首位。这一类中包括合闸过电压、电压峰值、线路故障/闪络以及其他输配方面的异常现象。其中以变压器出口突发性短路危害最大，当变压器二次侧发生短路接地等故障时，一次侧将产生高于额定电流20-30倍的短路电流，而在一次侧必然要产生很大的电流来抵消二次侧短路电流的消磁作用，如此大的电流作用于高电压绕组上，线圈内部将产生

30、很大的机械应力，致使线圈压缩，其绝缘衬垫、垫板就会松动脱落，铁芯夹板螺丝松驰，高压线圈畸变或崩裂，变压器极易发生故障。6.分接开关故障（1）变压器漏油使分接开关裸露在空气中，裸露的分接开关绝缘受潮一段时间后性能下降，导致放电短路，损坏变压器。（2）变压器分接开关在频繁的调动中会造成触头之间的机械磨损、电腐蚀和触头污染，电流的热效应会使弹簧的弹性变弱，从而使动、静触头之间的接触压力下降。7.引线接头过热引线接头过热是常见的故障之一，一旦发生将造成导电杆与接线端子间打火，甚至损坏导电杆丝扣，烧断接头，同时发热会造成桩头密封圈老化渗油，油溢至套管，沾粘吸附上导电性的金属尘埃，当遇到潮湿天气、系统谐磁

31、、雷击过电压等就可能发生套管闪络放电或爆炸。8.其他原因（1）工艺、制造不良有少部分变压器故障是由于本身存在故障，例如：出线端松动或无支撑，垫块松动，焊接不良，铁芯绝缘不良，抗短路强度不足等。（2）维护不良变压器保护装置不正确，冷却剂泄漏，污垢淤积以及腐蚀受潮，连接松动等都属于维护不良范畴。保养不够被有关统计列为第四位导致变压器故障的因素。2.4 电力变压器故障的预防措施变压器故障有相当部分是完全可以避免的，还有一些只要加强设备巡视严格按章操作，随时可以把事故消除在萌芽状态，这样不但将显著地减少变压器故障的发生以及不可预计的电力中断，而且可大量节约经费和时间。1.严格按照有关检修技术标准做好变

32、压器运行前的检查和试验，防患于未燃。2.运行维护（1）保持瓷套管及绝缘子的清洁。定期清理变压器上的污垢，检查套管有无闪络放电，接地是否良好，有无断线、脱焊、断裂现象，定期遥测接地电阻不大于4，或者采取防污措施，安装套管防污帽。（2）在油冷却系统中，检查散热器有无渗漏、生锈、污垢淤积以及任何限制油自由流动的机械损伤。同时，应经常检查变压器的油位、油色，有无渗漏，发现缺陷及时消除。（3）保证电气连接的紧固可靠。（4）定期检查分接开关。并检验触头的紧固、灼伤、疤痕、转动灵活性及接触的定位。（5）每三年应对变压器线圈、套管以及避雷器进行介损的检测。（6）每年检验避雷器接地的可靠性。接地必须可靠，而引线应尽可能短。引线应符合规定，无断股现象，旱季应检测接地电阻，其值不应超过5。应坚持每年一度的预防试验，将不合格的避雷器更换，减少因雷击过电压损坏变压器。（7）变压器应定时大、小修，在运行中或发生异常情况时，可及时大修。（8）应考虑将在线检测系统用于最关键的变压器上。大型变压器在线监测系统（氢气、局部放电及绝缘在线监测）能预先发现运行中变压器的异常状态。在