密级：内部变压器微机保护
摘要
作为电力系统继电保护重要组成部分的变压器继电保护，对保障变压器的安全运行具有十分重要的作用。本文在介绍电力系统微机保护原理及其发展趋势的基础上,对电力系统中大量应用的220/35KV电压等级的变压器的继电保护进行了专门研究, 分析了影响变压器差动保护可靠性和灵敏度的不平衡电流的产生原因和特点，利用微机技术补偿不平衡电流的影响。根据这一类变压器的运行特点，吸取以往各种保护方法的长处，制定了一套适合于220/35KV电压等级的电力变压器保护方案，以差动保护和瓦斯保护为主保护，低电压启动的过电流保护为后备保护。以所制定的保护方案为依据，选择了以MCS-96 系列16位单片机8098为核心的变压器微机保护装置的硬件平台,进行保护装置的硬件系统设计和软件模块设计。在硬件设计方面，主要包括数据采集系统、CPU主系统、开关量输入/输出系统及跳闸出口部分等电路的设计。在软件设计方面, 对现有主要的微机保护算法进行了比较、分析，选择具有计算简便、收敛速度快、收敛过程稳定等优点的递推最小二乘算法，满足了变压器保护对算法估计精度和估计速度的要求。
关键词：变压器；差动保护；继电保护；微机保护
Abstract
Transformer relaying protection is one important part of power system relay protection, it is very important to the transformers' safe operation. This paper is on introduce the microprocessor-based protection power system to protect the foundation of the principle and its development trend , to power system inside large quantity application of 220/35KV electric voltage the grade 's transformer of relay protection the specialized researched, and analyze the produce cause and characteristic of the unbalanced current which influence the reliability and sensitivity of transformer differential protection, some microcomputer-based methods are compensating the unbalanced current. According to this the transformers' movement characteristics , absorb the strength of the every kind of protection method before , formulation a suitable for 220/35KV electric voltage the grade’s transformer protect the project , with differential protection and protect with gas to main protection , and the low electric voltage is after starting of protect over the electric current for to have the protection . With the established protection the project is a basis , and with the transformer microcomputer-based protection that MCS-96 series 16 single-chip machine 8098 for the core to choice ,hardware that protect the device terrace hardware that combine the right protect the device the system design and software mold the piece designed. Design the aspect in the hardware , include data collecting system , CPU main system , switch amount to import / output the system and trip to export the design of such circuit as some ,etc. mainly. Design the aspect in the software , protect algorithms to compare , analyze to the existing main computer, is it calculate simple and fast convergence speed , convergence course to is it recursive minimum 2 algorithm to pass advantaging such as being steady to have to choose, and satisfy the request that the transformer protects and estimates the precision and estimates the speed to the algorithm.
Keywords:Transformer Differential Protection
Relay Protection Microprocessor-based Protection
目录
第1章绪论 (1)
1.1电力系统继电保护概述 (1)
1.2计算机继电保护的国内外发展历程 (2)
1.2.1国内外计算机继电保护发展概况 (2)
1.2.2变压器保护理论发展现状 (3)
1.3计算机变压器保护的特点 (4)
1.4本次论文的主要内容 (6)
第2章变压器微机保护原理及整定 (7)
2.1变压器微机继电保护的特点及其现状 (7)
2.1.1变压器故障类型及不正常运行状态 (7)
2.1.2变压器保护功能要求 (7)
2.1.3变压器保护面临的问题及解决方法 (8)
2.1.4变压器微机保护方案的确定 (11)
2.2比率差动保护装置的原理 (11)
2.2.1变压器差动保护装置的现状 (11)
2.2.2比率差动保护装置的原理 (12)
2.3瓦斯保护原理 (15)
2.4变压器后备保护 (16)
2.5变压器保护整定计算 (18)
2.5.1变压器主保护整定计算 (20)
2.5.2变压器后备保护整定计算 (25)
第3章变压器微机保护的硬件原理 (28)
3.1硬件系统的结构组成 (28)
3.2数据采集系统设计 (29)
3.2.1电流电压采集 (29)
3.2.2电压形成 (31)
3.2.3VFC型A/D转换回路 (32)
3.3 CPU主系统设计 (34)
3.4开关量输入与输出回路 (35)
3.4.1开关量输入回路 (35)
3.4.2开关量输出回路 (38)
3.5跳闸出口回路及信号电路设计 (38)
3.5.1跳闸出口回路 (38)
3.5.2 信号回路 (39)
第4章变压器微机保护的算法研究 (41)
4.1概述 (41)
4.2递推最小二乘算法的推导 (41)
4.3递推最小二乘算法中频响特性及精度分析 (43)
第5章微机变压器保护软件设计 (45)
5.1软件系统的结构组成 (45)
5.2主程序设计 (45)
5.3中断服务程序设计 (50)
5.4故障处理子程序设计 (50)
总结 (55)
参考文献 (57)
致谢 (58)
第1章绪论
电力工业担负着为工农业生产和人民生活提供能源的重要性。因为电力系统故障引发的电力系统事故是非常严重的，它可能造成对用户少送电或电能质量变坏以至到不能容许的地步，甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏，带来巨大的经济损失。可以说，电力系统故障是国民经济的灾难。因此提高电力系统运行的可靠性和保证安全是极其重要的。
1.1电力系统继电保护概述
电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是各种形式的短路。在发生短路是可能产生以下的后果：通过故障点很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件遭到破坏；
短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用引起它们的损坏或缩短它们的使用寿命。
电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏了用户工作的稳定性或影响产品质量。
破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个系统瓦解。
造成停电事故，会对人们生活、生命财产造成重大损失。
电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障，这种情况属于不正常运行状态。例如，因负荷超过电气设备的额定值而引起的电流升高（一般又称过负荷），就是一种最常见的不正常运行状态。由于过负荷，使元件载流部分和绝缘材料的温度不断升高，加速绝缘的老化和损坏，就有可能发展成故障。此外，系统发生功率缺额而引起的频率降低，发电机突然甩负荷而产生的过电压，以及电力系统发生振荡等，都属于不正常运行状态。故障和不正常运行状态，都可能在电力系统中引起事故。
在电力系统中，除了应采取各项积极措施消除或减少发生事故的可能性以外，故障一旦发生，必须迅速而有选择地切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一，切除故障的时间常常要求小到几十毫秒甚至十几毫
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秒，实践证明只有装设在每个电气元件上的继电保护装置才有可能满足这个要求。继电保护装置，就是指能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于短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、有选择地将故障元件从电力系统中切除，保证其它无故障部分迅速恢复正常运行，使故障元件免于继续遭到破坏。
2.反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件（例如有无经常值班人员），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，而是带有一定的延时，以保证选择性。
继电保护系统是电力系统自动化的重要组成部分，是保证电力系统安全可靠运行的主要措施之一。在现代电力系统中，如果没有专门的继电保护系统，要想维持系统的正常可靠工作是不可能的。
1.2计算机继电保护的国内外发展历程
近三十年来，计算机技术的飞速发展深入地影响了科学技术、生产、生活的各个领域，计算机技术同样影响到继电保护技术的发展。
1.2.1国内外计算机继电保护发展概况
始于四十年代的静态型继电器保护经历了半导体、晶体管、集成电路的发展阶段，已进入以微机处理器控制为核心的时期。计算机在继电保护领域里的应用是一个重要的里程碑，自六七十年代计算机保护概念提出后，继电保护装置的技术才真正有可能进入真正的自动化，智能化、高性能的新阶段。二十年来，各国都在微机继电保护方面进行了不懈的研究。
国外在微型计算机应用于继电保护方面研究较早。1965年初，英国剑桥大学的P.C.Maclaren等提出了利用采样技术实现输电线路的距离保护。接着1966年下半年，澳大利亚新南威尔士大学的 I.F.Morrison 预测了输电线路和变电站采用计算机控制的前景，包括利用计算机作为继电保护的前景，接着他们对计算机保护的理论进行了更深的研究。1969年，美国西屋公司的G.D.Rockeffeler等开始进行具体装置的研究，并于1972年发表了该装置的运行样机的原理结构和现场实验结果。这是第一套比较完整的用于现场的计算机继电保护装置。1972 年在P.G.Maclaren 指导下，剑桥大学的https://www.doczj.com/doc/3616153136.html,gcock 完成了以计算机继电保护为题的博士论文，研究了计算机继电保护中的信息处理
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技术。1977 年英国Bath 大学的M.A.Martin 在其博士论文中对计算机继电保护中信号的有限变换的频谱分析方法进行了研究。七十年代大规模集成电路的发展对计算机继电保护有实质性的推动作用。特别是八十年代以来，高性能价格比的微处理器问世以来，继电保护技术得到了飞速发展，各种基于微处理器的继电保护装置从实验室走向实际现场，使电力系统保护产生质的飞跃。微处理器技术的飞速发展使传统的保护原理得以数字化实现，各种数字信号处理技术被应用于对电网复杂信号的分析和高速计算，为新的和复杂的保护方法的应用提供了丰富的手段。
建国初期，我国电力工业基础十分薄弱，使用的继电保护装置也十分简陋。我国电力部门所使用的主要是进口的美国GE 、瑞典ABB 、英国GECM 和日本等国的一些简单的保护继电器。五十年代后期东北120/220 kv电网中引进了苏联制造的保护设备。六十年代中后期，我国研制成功成套330 kv晶体管高压电网保护装置，成功迈出了由机电型保护向静态型发展的关键一步。随后推出的220 kv成套线路保护设备标志着我国的电网保护已经进入电子技术时代。七十年代后期，我国开始研制500 kv超高压电网保护设备并投入运行，1985年，我国第一套集成电路距离保护在南京自动化研究所研制成功，标志着我国电力系统继电保护技术已经进入了微电子时代。八十年代末，我国第一套采用微电子技术的数字式距离保护装备研制成功，揭开了各高等院校集中研制微机保护的时代。九十年代初，我国微机主设备（变压器、发电机）保护成套装置开始问世，1989 年开始研制发电机全套微机保护，1994 年研制成我国第一套用于60万kw及以下容量水火发电机变压器组成套微机保护，随后国内又研制成用于水轮发电机变压器组的微机保护。总的看来，我国在微机保护方面的研究试验起步较晚，虽然发展较快，各种线路和主设备微机保护在投入运行或试运行中，都取得了肯定的效果，为今后进一步的发展应用创造了有利条件，但与世界先进水平相比还有很大的差距。因此对微机保护装置开展研究，开发出适合于我国国情的微机保护装置是非常有必要的。
1.2.2变压器保护理论发展现状
变压器保护成套设备由主保护和后备保护构成。主保护是变压器保护的核心，主要是由差动保护来完成的，对其中心要求有两个方面，即防止外部短路时的不平衡电流以及防止励磁涌流所致的误动。防止外部短路时的不平衡电流
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造成的误动，普遍采用比率制动方法，但它对高阻故障（低电流故障）不灵敏。美国 Mc Cleer等提出新的△差动继电保护方法，即将制动电流及差动电流中的故障前电流出去，这在微机保护中是易于实现的。这种保护在高阻故障时的灵敏度大于常见的比率差动保护，而在外部短路时仍保持相同的选择性。
对于防止励磁涌流导致的误动作，国内外多年一直进行研究，提出了不同的鉴别涌流与内部故障的方法，二次谐波制动法提出较早，在模拟式及微机保护中均应用较多，虽然由于内部故障时CT饱和，分布电容等影响，短路电流谐波分量很大但持续时间短将引起延时动作而使二次谐波制动有明显缺点，但因为二次谐波制动技术成熟，制动可靠，仍不失为一个实用的解决方案。间断角原理由我国率先提出，它利用励磁涌流波形特征，但对硬件要求较高，技术上实现较困难，美国和荷兰提出磁制动方案，根据工作点与磁化曲线的距离差别来鉴别涌流及内部短路，实时计算负担小，检测速度较快，而依据变压器导纳型等值电路检测变压器故障的方法对判别励磁涌流波形也有一定的应用价值，但均离实用化还有一定距离，需要在实践中加以验证和完善。
国内外还将各种数字信号处理技术应用于差动保护中，加拿大Murty 在理论上证明了基于Kalman滤波的算法可以在半周波内滤取所需的差流基波及谐波分量从而实现快速保护，并且在实验室中利用TMS320数字信号处理芯片实验了基于Kalman滤波的变压器差动保护实验装置。在印度进行了应用Harr函数，Walsh函数及Hartley变换算法用于微机变器差动保护的研究，利用小波变换对变压器差动保护的研究尝试也取得一定成效。此外国外学者还将专家系统，模糊逻辑和神经网络等人工智能方法引入变压器差动保护。各种新理论、新方法的应用使变压器等主设备继电保护系统正向着数字化，智能化，分布式保护控制一体化的方向发展。
1.3计算机变压器保护的特点
现代电力变压器的特点是容量大，电压等级高，而且价格昂贵和修理困难。大型变压器在电力系统中的地位非常重要，一旦发生故障，影响范围很大。为保证系统和变压器安全运行，减少事故损失，对变压器继电保护提出了更苛刻的要求:
(1)提高灵敏度要求差动保护能灵敏动作于匝间短路故障，同时亦要求灵敏动作于内部高电阻接地故障。
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(2)保持高速度对于接于超高压远距离输电线路的变压器，当发生内部故障
时，由于谐振亦会产生谐波电流，可能引起谐波制动的差动保护延缓动作，需要采取有效的加速措施或寻求新原理的励磁涌流鉴别方法。
计算机技术具有的长记忆功能和优越的信息处理功能，以及在结构上的特点，为解决这些难题提供了手段，主要表现在：
(1)在差动保护中可将CT 二次侧电流直接差接改为数字差由于CT副边不再并接在一起，可进一步减少因变比不匹配及特性不同而引起的环流所造成的不平衡电流增大，对于多侧差动的情形，比起采用平衡线圈更为合理和有效。
(2)变压器各侧绕组中因连接组关系而引起的电流相位移可由CT副边Y—△变换改变为数字计算补偿。传统差动保护对于Y/△变压器将Y侧三相CT副边接成△形，以保证变压器两侧同相电流相位一致。当变压器Y侧保护区发生不对称路时，故障相与非故障相流过的电流大小悬殊，各相CT工作条件可能极不相同。因它们各自工作点存在较大差异，会在△形相连的CT副边回路中引起额外的不平衡环流，导致差动回路中不平衡电流增大。对于计算机差动保护，Y/△变压器Y侧CT仍然可以Y接，而用数值计算完成Y—△变换，这样便可以消除不平衡环流的影响。
(3)可应用更多更复杂的原理来改善励磁涌流鉴别能力，目前提出鉴别励磁涌流的各种原理，需要更复杂的数学运算和逻辑处理，若用传统技术来实现可能会遇到困难。
(4)可通过采用灵活的算法来获得高速度和高灵敏度。例如，计算机差动保护除可继续沿用传统的差动速断和低电压加速措施外，还可通过长短数据窗算法的配合提高严重故障时的动作速度，利用计算机长记忆功能还可方便的获取故障分量，进一步提高内部故障时的动作灵敏度。
(5)采用复杂的运算和逻辑处理在一定程度上实现CT和PT断线的报警和闭锁。
(6)由CT变比标准化带来的误差可用数字运算进行补偿。这种补偿方法较之常规补偿方法更为准确，从而进一步减少了不平衡电流。
计算机变压器保护的优点远远不止这些，通过进一步研究，计算机技术所带来的益处会不断地被挖掘出来。
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1.4本次论文的主要内容
本文针对220/35KV电压等级的变压器进行了微机保护设计，提出了以MCS-96 系列16位单片机8098为核心的变压器微机保护装置的硬件平台,并对保护装置的硬件设计和软件设计进行了详细的研究。同时介绍了变压器主保护和后备保护的原理及整定计算。根据变压器保护的特点对现有主要的微机保护算法进行了比较、分析，研究表明应用递推最小二乘法具有计算简便，收敛速度快,实用性强等优点。
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第2章变压器微机保护原理及整定
2.1变压器微机继电保护的特点及其现状
2.1.1变压器故障类型及不正常运行状态
研究变压器保护，首先就要分析变压器可能发生的故障和异常情况。电力变压器本体一般没有旋转设备，运行起来比较可靠，故障机会较少。但是变压器是连续运行的，停电机会很少，而且绝大部分安装在室外，受自然环境条件的影响较大。另外，变压器时刻受到外接负荷的影响，特别是受电力系统短路故障的威胁较大。因此，变压器在实际运行中有可能发生各种类型的故障和不正常运行情况。
变压器的故障可分为内部故障和外部故障两种。内部故障是指变压器油箱里面发生的各种故障，主要故障类型有:各相绕组之间发生的相间短路、单相绕组部分线匝之间发生的匝间短路、单相绕组或引出线通过外壳发生的单相接地故障等。内部故障危害性很大，发生时应立即将变压器切除。变压器的外部故障，是指油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，主要故障类型有:绝缘套管闪络或破碎而发生的单相接地短路、引出线之间发生的相间故障等。发生这类故障时一般也应迅速切除变压器，以尽量减少或消除短路电流造成的危害。
变压器的不正常运行情况主要包括：由于外部短路或过负荷而引起的过电流、油箱漏油而造成的油面降低、变压器中性点电压升高或由于外电压过高而引起的过励磁等。
2.1.2变压器保护功能要求
针对上述变压器的各种故障和不正常运行情况，变压器继电保护装置一般应具有如下保护功能：
·防御变压器油箱内部各种短路故障和油面降低的瓦斯保护；
·防御变压器绕组和引出线多相短路、单相接地短路及绕组匝间短路的纵联差动保护或电流速断保护；
·防御变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和差动保护(电流速断保护)后备的过电流保护(或复合电压起动的过电流保护、或负序过电流保护)；
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·防御大接地电流系统中变压器外部接地短路的零序电流保护；
·防御变压器对称过负荷的过负荷保护；
·防御变压器过励磁的过励磁保护。
2.1.3变压器保护面临的问题及解决方法
A、差动保护中励磁性涌流判别
在上述变压器各种保护中，作为变压器主保护的〔纵联〕差动保护是变压器保护装置的关键，而差动保护中的一个关键问题就是励磁涌流判别问题。变压器在正常运行情况下的励磁电流很小，当空载变压器投入电网或变压器外部故障切除后电压恢复时，励磁电流大大增加，其值有可能达到变压器额定电流的6-8倍;该电流称为励磁涌流。由于励磁涌流在数值上可与变压器内部故障时的短路电流相比拟，因此容易造成继电保护装置误动作:所以变压器差动保护需要解决的一个突出问题就是要能够可靠地躲过励磁涌流，同时对短路电流又能正确反应，使差动保护可靠动作。这是变压器微机保护面临的首要问题，针对该问题提出的各种区分励磁涌流与内部故障的判别原理的研究和分析也是当前变压器微机保护相关问题的研究重点。用于区分励磁涌流与内部故障的原理主要有二次谐波判别原理、间断角判别原理、磁通量判别原理和波形对称原理。下面分别就其原理进行简要分析：
1) 二次谐波判别原理主要是应用励磁涌流中含有较大的二次谐波含量来构成的，无论双绕组或三绕组电力变压器的励磁涌流中，均含有较大成分的二次谐波分量(约占30%-70%)，但在变压器内部故障或外部故障的短路电流中，二次谐波分量所占比例较小。因此，可利用上述特点构成二次谐波制动的差动保护，使之有效地躲过励磁涌流的影响。
2) 国内比较成熟的间断角判别原理主要是利用励磁涌流波形具有明显的间断角特征进行判别的，对硬件要求较高。变压器内部故障时，非周期分量电流迅速衰减后，流入差动保护回路的是周期电流。当变压器出现励磁涌流的起始阶段，涌流波形偏于时间轴一侧，且相邻波形间出现间断角。根据上述特点即可构成间断角判别原理的差动保护。
3) 磁通量判别原理，主要是利用磁通量一电流特性或者磁通量变化率一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绕组的漏感(漏抗)，这在实际工作中是困难的。
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4) 国内刚刚起步的波形对称原理的比率差动保护，利用微分后差流的前半波和后半波作对称比较，将变压器在空载时产生的励磁涌流和故障电流区分开。但由于运用该原理的装置投入运行并不多，所以现在尚无成熟的运行经验。
上述几种判别原理均不是非常完善，各有其优缺点:
二次谐波制动原理主要是利用励磁涌流中含有较大的二次谐波分量来构成的，这一原理的提出时间最早，在国内外的应用也最为广泛。传统上的“或”门制动的二次谐波原理有如下缺陷:(1)三相中有一相全部制动，因此故障相除了受本相中的谐波的影响，还受到其它相涌流的制动，具体表现为空投内部故障时，差动保护动作速度不稳定，会延缓动作。(2)随着电网电压等级的提高和系统规划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加，有可能使二次谐波制动的差动保护延时动作。针对以上两点有人提出了涌流加速判据，它包括电流加速判据和电压加速判据两种;电流加速判据的理论依据时:变压器的励磁涌流一般只会在变压器空载投入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。电流加速在某些情况下，会引起差动保护误动，已被证明是不可靠的。电压加速判据的理论依据是:变压器的端电压低于一定值时，不可能产生涌流，这一理论在变压器内部轻微故障时会无效，且需引入电压量增加保护复杂性。
间断角原理，主要是根据励磁涌流波形出现间断特征来区分内部故障和励磁涌流的。从物理上看，二次谐波只反映了励磁涌流的频域特征且很单一(只反映二次谐波)，而间断角原理，则反映了时域，频域两方面的特征，这就决定了间断角原理相对于二次谐波原理的优越性。针对二次谐波原理的弱点，间断角原理可大大提高变压器合闸于内部故障时的动作速度。国内模拟式间断角原理变压器差动保护的大量应用实践也证明了这一点。但该原理存在着如下缺陷:1)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;2)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较大，因此在系统振荡时可能误动。对上述的反向电流问题和间断角测量精度问题，利用微机的记忆、强大的运算、分析能力，可以很好地解决。实践证明，微机间断角原理保护可以实现快速，稳定的差动保护，其动作速度20-25ms。
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在设计大型变压器差动保护的双重化配置时，往往采用成熟的二次谐波原理，在变压器空投于内部故障时，采用间断原理和分相差动式的差动保护来弥补二次谐波原理保护的缺点，这两种原理具有互补性。
B、外部故障和内部故障的区分
对如何区分外部故障和内部故障，理论方面的研究是较为成熟的，普通比率差动原理在实际装置中应用最为广泛，且最成功。而突出变量差动原理等存在一些缺点。:在做实验时，在某种条件下均出现过一定程度的误动或拒动。究竟应采用何种原理的主保护，应根据变压器装置本身的特性及其运行条件、运行环境而定。
C、变压器微机差动保护CT二次回路断线判别原理
CT断线判别原理是微机变压器保护提出的新课题。为了不至于因CT二次出口断线引起变压器保护误动，必须设置相应的二次回路断线闭锁功能。目前CT断线判别原理主要有相电流判别、负序电流判别和零序电流判别原理。相电流判别原理，主要是将CT断线分为Y型侧断线和△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。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，故必须增加其它判据;零序电流判别原理，主要依据三相电流之和同零序电流的关系，如果CT断线的话，那么该关系就会遭到破坏。该原理涉及到变压器一侧CT和零序CT，如为自祸变压器则涉及到变压器二侧CT和零序CT,所以当变压器发生故障，各CT饱和程度不一样时，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，此外零序CT断线时也会拒动。据此，零序电流判据也必须增加其它判据。因此从可靠性的角度分析，一般采用相电流判别原理。
另外CT接线问题也是一个比较佰得汁意的问题。常规的变压器差动裸护为了保证Y/△接法变压器差流的平衡，一般将Y侧CT接成△型，而将△侧CT 接成Y型。Y型接法CT断线的判断比较简单，而△型接法CT断线的类型较多，有的难以与故障区别开，使判断十分复杂。使用微机实现变压器保护后，CT 的Y/△变换完全可以用软件实现，而且这有利于CT断线的判别和现场接线。因此在本论文中采用了两侧CT均接成Y型的CT接线方式，Y/ d的变换由数学运算完成:由于Y/△变换的数学运算量很小，而且这种接法具有现场接线简单，又可优化故障时的电流分布的特点，因此可进一步提高CT断线判断的可靠性。
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D、差动保护的硬件可靠性
对微机保护装置这类长时间连续工作的系统，其核心部分如CPU、模数转换模块的可靠性，对装置的可靠性影响很大。装置因环境变化、电源干扰、元器件性能波动、电磁干扰等因素引起的偶然性故障往往会产生误动作或拒动。由可靠性理论可知，瞬时故障—包括间歇性故障和偶然性故障，在整个故障中所占比例很大，是系统出错的主要根源。
随着各类系统尤其是数字系统不断扩大，为了提高可靠性，人们总结出两种方法:一种方法是避错，试图构出一个不包含故障的“完美”系统，但绝对做到这一点是不可能的，同时还将大大提高系统的造价:第二种方法叫做容错(Fault Tolerance),所谓容错是指当出现某些指定的硬件故障或软件错误时，系统仍能执行规定的功能，并且执行结果也不包括系统中故障所引起的差错。容错的基本思想是在系统体系结构上精心设计，利用外加资源的冗余技术来达到当系统故障时掩蔽故障的影响，从而保持正常服务。外加资源可以是硬件、信息、时间和软件。实践中应用较广的三模块冗余法(TMR,Triple Modular Redundancy)由J. Von. Neuman最先提出，是硬件冗余中静态冗余法的一种。
2.1.4变压器微机保护方案的确定
论文根据220KV/35KV电压等级配电系统的特点，结合上述变压器微机保护的机理研究，配置保护功能如下：
1).主保护方案：
·差动电流保护（二次谐波制动的比率差动保护）
·瓦斯保护
2).后备保护方案：
·过电流保护 (低电压闭锁的过电流保护)
2.2比率差动保护装置的原理
2.2.1变压器差动保护装置的现状
目前我国变压器的差动保护装置大多数采用带短路线圈的加强型速饱和变流器构成的差动继电器(如BCH-2和DCD-2型差动继电器)。该继电器利用励
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磁涌流中的非周期分量使速饱和变流器迅速饱和，以防止误动作。但是该继电器存在下列缺陷:
(1)由于外部短路时在差动回路中有较大的不平衡电流以及空投变压器时三相励磁涌流中的一相有时无非周期分量，这将使该相的速饱和变流器失去作用。为了防止误动，需要提高装置的动作电流整定值，其结果使装置的灵敏度降低，甚至有时不能满足要求。另外动作电流整定值提高以后，当变压器出现轻微故障(如匝间短路)时，因短路电流较小，不足使装置动作，将使故障继续扩大，造成变压器的损坏程度愈来愈严重。
(2)变压器内部发生故障时，暂态短路电流中也含有非周期分量，由于速饱和变流器的作用会延迟装置的动作时间，其结果也会使故障的影响扩大。
鉴于以上原因，近年来国内有些变压器开始采用带二次谐波制动的比率差动保护装置(以下简称比率差动保护装置)。该装置为了避开励磁涌流的影响，利用励磁涌流中含有大量的二次谐波的独有特点，设有二次谐波制动。为了避免外部短路电流在差动回路引起不平衡电流的影响，该装置还设有与变压器两侧电流向量之和成正比的比率制动，其起动电流小，灵敏度:高，加之该装置的思维方式在微机由很容易!实现，因此该装置愈来愈得到人们为青睐。为了合理地应用该装置，本文将其原理予以介绍。
2.2.2比率差动保护装置的原理
目前比率差动保护装置的型式有晶体型、整流型和微机型。虽然各自的构造有所不同，但是原理基本相同，现以下图所示的整流型比率差动装置原理方框图为例予以说明
12
13 图2.1
上图中的j I 1、j I 2为变压器差动回路高、低压臂的电流， j j I I 21+、
j j I I 11-分别称为制动电流z I 、差动电流c I 。z I 流进比率制动回路后转化为与
其成正比的制动电压1。z U 。正常运行或外部短路时，若j I 1 = j I 2，则z I = 2j I 1，即制动电流为负荷电流(折算至装置侧——下同)或外部短路电流的2倍;内部出现故障时，制动电流于短路电流(变压器为两侧电源供电时)或等于短路电流(变压器为单侧电源供电时)。
c I 分别流进动作回路、二次谐波制动回路和速断元件。c I 流进动作回路后
将c I 中的基波含量转化为与其成正比的动作电压d U ,正常运行或外部出现故和 差
流
形
成
回
路 比 率 制 动 二次谐波制动 差 流 动 作 速 断 比较 出
口 比 率 差 动 保 护 装 置 原 理 方 框 图 j j I I 12- j j I I 12+ j I 1 j I 2
1.z U
2.z U d U
14 障时c I 理论上为零;内部出现故障时c I 等于短路电流。c I 流进二次谐波制动回路后将c I 中的二次谐波含量转化为与其成正比的制动电压2。z U 。
由上述各回路形成的 1。z U 、2。z U 和d U 进入差动元件的比较回路。当正常
运行或外部故障或有励磁涌流时，d U < 1。z U 或d U < 2。z U 该元件不动作;当内部故障时，d U >1。z U ,d U >2。z U ，该元件动作。
当变压器内部故障出现很大的短路电流时可能引起电流互感器饱和，使c
I 中也有较大的二次谐波含量，致使差动元件拒动，但是由于比率差动装置设有速断元件，当c I 达到一定值时该元件动作。
比率差动装置中差动元件的动作电流与制动电流z I 的关系用下图中曲线1所示的比率制动特性曲线表示。 3
2
1D
C
Idz
Idz.max
Idz.min
Idz.0
0Id.0Id.min Id.max Id 12动作电流和制动电流的关系曲线
图2.2
15 上图中的0。dz I 称为差动元件的动作电流，0。
z I 为有比率制动作用的最小制动电流。当z I 0。z I 。时，无比率制动作用，dz I =0。dz I 。
当z I >0。z I 。时，dz I 与z I 的增量△z I 成正比，其斜率称为比率制动系数z K 。 由于变压器两侧电流互感器的选择无法使j I 1 = j I 2，为此在采用晶体型
和整流型装置时需在差动回路高压臂(或在低压臂或在高、低压臂—本文是以在高压臂进行说明的)加装自耦变流器。微机型装置由于本身的功能无需加装自耦变流器。由于变压器调压范围、电流互感器误差以及自耦变流器误差等因素的影响，在正常运行或外部故障时，c I 中总有一个不大的不平衡电流(见上图中的曲线2)。为了防止误动作，在选择差动元件的动作电流0。dz I 。和比率制动系数z K 时要避免不平衡电流的影响，即如图所示，所选择的比率制动特性曲线上各点的动作电流均比对应的不平衡电流要大。.
2.3瓦斯保护原理
变压器差动保护虽然能保护变压器内部和外部故障,动作迅速，灵敏度高，
但接线复杂，多用于大容量重要的变压器作主保护，它并不能保护所有内部故障,如变压器油面降低,匝间短路等，因为匝间电流常小于动作电流,因此,常采用瓦斯保护,对变压器内部故障全面保护。
在油侵式变压器油箱内发生故障时，由于故障点的局部高温使变压器油温
升高油内空气被排除形成上升气泡,若故障点产生电弧，则变压器和其他绝缘材料分解出大量气体，这些气体自油箱流向油枕上部,故障越严重，产生气体越多，流向油枕气流速度越快.利用这种气体实现的保护叫瓦斯保护。