CN202424144U - 一种主变压器低压侧故障快速切除装置 - Google Patents

一种主变压器低压侧故障快速切除装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种电力系统保护装置,具体是提供一种主变压器低压侧故障快速切除装置。其结构包括中央处理器系统,中央处理器系统分别连接扩展板系统和背板系统,所述背板系统连接人机界面系统。与现有技术相比,其能够实时比较主变支路电流和馈线支路电流的大小和方向,能够识别当前的运行方式,能够快速切除母线故障和启动开关失灵,大大缩短切除低压侧近区故障的时间。

Description

一种主变压器低压侧故障快速切除装置
技术领域
本实用新型涉及一种电力系统保护装置,具体是提供一种主变压器低压侧故障快速切除装置。
背景技术
随着系统容量的增大,主变压器低压侧短路容量随之增大。主变压器的低压侧发生近区故障时对主变压器会造成严重的冲击,需要快速切除。但考虑到保护选择性和灵敏性等原因导致主变低压侧近区故障往往不能快速切除,如主变压器低压侧母线发生故障时,对主变压器的冲击是非常大的,但由于在主变压器差动保护范围之外,在未安装母差保护时,只能依靠主变压器低压侧后备保护动作切除故障,按照现在的保护配合关系,至少需要0.9秒以上才能切除。
当低压侧出线出口发生短故障时,因馈出线CT(current transformer,电流互感器)铁芯尺寸限制,有可能因为短路电流很大造成馈出线的电流互感受器严重饱和,电流互感器传变出很小的二次电流,从而导致该线路保护拒动。此时只能依靠主变压器后备保护动作切除故障,一般延时也会在0.9秒以上。这样一方面扩大了停电范围,一方面强烈的短路冲击有可能对主变压器的绝缘造成损害。随着系统短路容量的越来越大,保证低压侧馈出线电流互感器在出口故障时不饱和难度较大。近区故障不能快速切除对主变压器的绝缘往往是最严重的考验,能够快速切除或缩短切除主变低压侧近区故障的时间,具有重要工程意义。
发明内容
本实用新型是针对以上问题,提供一种主变压器低压侧故障快速切除装置,其通过电流互感器饱和判断和数据延拓技术提高近区故障的灵敏度,实现了馈线开关失灵保护功能和馈线电流速断功能,在不提高出线电流互感器容量的前提下,解决了因电流互感器饱和造成的拒动,快速切除主变压器低压侧的故障。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种主变压器低压侧故障快速切除装置,包括中央处理器系统,中央处理器系统分别连接扩展板系统和背板系统,所述背板系统连接人机界面系统。
中央处理器系统由管理板、保护板、模拟量模块和开出模块构成,所述保护板通过高速总线连接所述的扩展板系统,所述管理板上设置有通信接口,并通过高速总线连接保护板,所述保护板连接所述的模拟量模块,并通过控制总线连接开出模块。
扩展板系统包括控制器,所述控制器通过高速总线连接所述的中央处理器系统。
背板系统由通信总线、接口总线、控制总线、高速总线和模拟信号元件构成,所述的通信总线用于连接中央处理器系统的通信接口和管理板;所述的接口总线用于连接所述管理板的人机接口总线和人机界面系统的人机接口控制元件;所述的控制总线用于连接所述管理板的显示器控制器和人机界面的液晶显示器;所述的高速总线用于连接中央处理器系统的管理板和保护板,所述的模拟信号元件用于连接所述保护板和中央处理器系统的模拟量模块。
人机界面系统由指示灯、按键和液晶显示屏构成,所述指示灯和按键通过人机接口控制元件连接所述的背板系统,所述液晶显示屏连接背板系统。
近区故障不能快速切除对主变压器的绝缘往往是最严重的考验,能够快速切除或缩短切除主变低压侧近区故障的时间,具有重要工程意义。本装置具备传统的母差保护,采用计算大差和小差的方式区别区内区外故障,选择故障母线,解决母线故障对系统和主变元件的冲击、损害。同时,本装置通过电流互感器饱和判断和数据延拓技术提高近区故障的灵敏度,实现了馈线开关失灵保护功能和馈线电流速断功能,在不提高出线电流互感器容量的前提下,解决了因CT饱和造成的据动。
本实用新型的一种主变压器低压侧故障快速切除装置,能够实时比较主变支路电流和馈线支路电流的大小和方向,能够识别当前的运行方式,能够快速切除母线故障和启动开关失灵,大大缩短切除低压侧近区故障的时间。
附图说明
图1是一种主变压器低压侧故障快速切除装置的整体结构原理框图;
图2是一种主变压器低压侧故障快速切除装置的系统结构示意图;
图3是一种主变压器低压侧故障快速切除装置的馈线速断保护启动判断逻辑图;
图4是一种主变压器低压侧故障快速切除装置的馈线速断保护逻辑图。 
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型的一种主变压器低压侧故障快速切除装置作进一步的描述。
如附图1所示,一种主变压器低压侧故障快速切除装置,包括中央处理器系统1,中央处理器系统1分别连接扩展板系统2和背板系统3,所述背板系统3连接人机界面系统4。
中央处理器系统由管理板、保护板、模拟量模块和开出模块构成,所述保护板通过高速总线连接所述的扩展板系统,所述管理板上设置有通信接口,并通过高速总线连接保护板,所述保护板连接所述的模拟量模块,并通过控制总线连接开出模块。
扩展板系统包括控制器,所述控制器通过高速总线连接所述的中央处理器系统。
背板系统由通信总线、接口总线、控制总线、高速总线和模拟信号元件构成,所述的通信总线用于连接中央处理器系统的通信接口和管理板;所述的接口总线用于连接所述管理板的人机接口总线和人机界面系统的人机接口控制元件;所述的控制总线用于连接所述管理板的显示器控制器和人机界面的液晶显示器;所述的高速总线用于连接中央处理器系统的管理板和保护板,所述的模拟信号元件用于连接所述保护板和中央处理器系统的模拟量模块。
人机界面系统由指示灯、按键和液晶显示屏构成,所述指示灯和按键通过人机接口控制元件连接所述的背板系统,所述液晶显示屏连接背板系统。
本实用新型的目标是设计一个多处理器的体系的通用平台,其中一个处理器负责人机接口、内部管理和外部通信,包括一个以上的处理器负责实时数据采集和继电保护算法实现,他们之间具有独立的模拟采集通道,共享数字量输入接口,跳闸输出由则多个继电保护处理器跳闸输出按照特定策略实现逻辑综合输出。同时平台要具备如下一些特征:支持IRIG-B等多种授时同步方式、支持RS485/以太网多种组网方式、支持320x240 TFT LCD数字接口、支持打印和控制台接口等。
本实用新型专利采用组件化设计,按功能不同分为CPU组件、交流组件、通信组件、电源组件、开关量组件、显示组件等。对应通道测量精度应该满足测量和保护要求,方便不同应用灵活扩展。
中央处理器系统采用多处理器平台,包括一个MCU(管理板)和两片DSP及三片FPGA构成的SOPC平台。其中MCU选择外设丰富的Coldfire MCF54452,配合FPGA EP3C5F256完成显示、人机接口及内部高速串行互连总线,并负责人机交互、网络通信、设备管理、事件记录和应用数据管理及时间同步等功能。
DSP子系统(即保护板)负责实时数据采集和继电保护算法实,需要很高的运算性能,设计选用400Mhz高速DSP-BF533,Blackfin内核体系结构使得它非常适合运算和逻辑处理。每个保护板还包括FPGA EP3C5T144完成采样算法加速、时间同步和缓冲来自MCU子系统(以下简称管理板)的高速数据流,通过在FGPA上的ADC控制器、光模块编码解码器及多通道SPI控制器,使系统具有远程数据采集和同步及串行IO扩展能力,可以适应不同的应用。
本实用新型的工作原理主要依靠的是电流互感器饱和识别技术和故障电流最大值延拓电流互感器抗饱和技术。  
本装置通过修正和延拓电流采样值,实现抗电流互感器饱和。根据电磁电流互感器的磁化特性,电流互感器饱和时,二次电流产生严重畸变,二次输出电流远远小于应该传变二次电流值。电流互感器饱和时,但即使电流互感器严重饱,在最初的2-4ms内,电流互感器是不会饱和的,电流是可以正常传变的。基于此特征,可以得到电流互感器饱和前的电流采样值最大值记忆,并按照此最大值延拓一段时间,形成新的采样序列,进行富氏变换。从而计算出电流的有效值,作为故障算法中故障判别依据。电流互感器饱和时,二次电流谐波分量较大,特别是三次谐波分量,可以通过判断三次谐波分量的大小识别电流互感器是否饱和。
电流互感器饱和识别:
满足以上两个条件时,判断为电流互感器饱和。
最大值延拓技术:
通过电流互感器饱和识别技术判断线路电流互感器饱和后采用延拓后数据进行付氏计算和速断判断,这样即使电流互感器饱和,线路速断依然可以正常启动。可以清楚的看出延拓后数据以饱和数据的最大值拓展,然后再乘以一个系数k(k=0.85),即可以修正饱和后数据,解决电流互感器饱和造成的据动。
基于抗电流互感器饱和技术,提出了母差保护+失灵启动+馈线速切的主变近区故障的一体化解决方案。
本装置具备母差保护功能、馈线开关失灵保护功能、馈线电流速断功能。该装置实时比较主变支路电流和馈线支路电流的大小和方向,能够识别当前的运行方式,能够快速切除母线故障和启动开关失灵,大大缩短切除低压侧近区故障的时间。
1)母差保护
同传统的微机保护一致,采用计算大差和小差的方式区别区内区外故障,选择故障母线。
2)馈线开关失灵保护功能、馈线电流速断功能
如附图2所示,当线路支路近端故障时,线路之路电流突变增加同时主变支路的电流值达到定值。所以通过馈突变量启动元件和电源支路启动元件启动馈线电流速断功能。
  突变量启动元件:
  该启动元件为电流突变量启动元件。
Figure 2011205723278100002DEST_PATH_IMAGE002
       
如果馈线发生故障则该元件会启动,如果母线故障该元件不会启动。启动展宽3S。
电源支路启动元件:
T1、T3任一启动即启动Ⅰ母上所有馈线,T2、T3任一启动即启动Ⅱ母上所有馈线。
T1、T2、T3的启动判断如附图3所示,其中:
Ia、Ib、Ic为自然采集电流,Iayt、Ibyt、Icyt为最大值延拓后电流。
Iset整定考虑线路速断定值和变压器后备保护定值的配合。
Tset应小于馈线速断延时,延时无需整定,采用程序固化的方式方便应用。
保护运算:
1、采用全波傅氏算法计算出启动线路、两台主变低压侧进线三相电流基波幅值Ia, Ib, Ic,二次谐波Ia2, Ib2, Ic2和三次谐波Ia3, Ib3, Ic3。
2、进行启动线路的电流互感器饱和判断,如果电流互感器饱和,启用延拓数据进行全波傅氏算法计算出启动线路的三相电流基波幅值。
馈线近处故障速断保护逻辑:
1、如启动线路最大相电流大于该线路速断保护定值,则认为线路保护装置能可靠动作,保护动作,跳本馈线。
2、启动线路最大相电流小于速断保护定值,且启动线路CT不饱和,认为不属于近处故障,保护返回。
3、启动线路最大相电流小于速断保护定值,如启动线路CT饱和,对该馈线电流数据窗进行最大值延拓。根据延拓后的数据窗计算出延拓后的基波量幅值,最大相电流大于该线路速断保护定值保护动作跳开启动线路;最大相电流小于该线路速断保护定值则保护返回。
4、线路速断保护动作的同时即启动本馈线断路器失灵保护。失灵保护无需整定,作为快速切除保护的一部分直接投入。在失灵保护启动后的延时内,如果本馈线的速断返回(即故障消失),则失灵保护返回;如果在失灵保护启动后延时到,本馈线速断保护依然未返回(即故障未切除),失灵保护动作,首先再跳本馈线,经短延时后故障依然存在,立即跳本母线的电源支路(主变低压侧或分段开关),同时启动电源支路的失灵判断。
馈线速断保护逻辑框图如附图4所示,主要保护判据:
1、低电压闭锁元件:a、三相方式电压;b、零序电压;c、负序电压。
2、大差启动元件。
将多条母线上所有连接元件比较,形成大差,大差作为整个母差保护的启动元件。
3、每段母线实施以下保护判据:
a、比率制动差动判据。
Figure DEST_PATH_IMAGE003
瞬时值原理(采样值)。
 b、比相式原理。
c、瞬时值比相原理。
Figure 2011205723278100002DEST_PATH_IMAGE004
对每个采样点,计算所有正电流的连接元件数目及所有负电流的连接元件数目。 
4、所有线路支路实施馈线开关失灵保护功能、馈线电流速断功能
a、电流互感器饱和识别功能。
Figure 115307DEST_PATH_IMAGE001
满足以上两个条件时,判断为CT饱和。
b、最大值延拓功能。
识别出CT饱和后,记忆采样最大值并将最大值延拓,形成新的采样序列,并且通过付氏算法计算延拓后数据的基波幅值。
c、馈线启动元件。
突变量启动元件:
    该启动元件为电流突变量启动元件。
Figure 845497DEST_PATH_IMAGE002
          
如果馈线发生故障则该元件会启动,如果母线故障该元件不会启动。启动展宽3S。
电源支路启动元件:
T1、T3任一启动即启动Ⅰ母上所有馈线,T2、T3任一启动即启动Ⅱ母上所有馈线。
d、馈线速断和失灵保护功能。
 以上所述的实施例,只是本实用新型。

Claims (5)

1.一种主变压器低压侧故障快速切除装置,包括中央处理器系统,其特征在于,所述的中央处理器系统分别连接扩展板系统和背板系统,所述背板系统连接人机界面系统。
2.根据权利要求1所述的一种主变压器低压侧故障快速切除装置,其特征在于,所述的中央处理器系统由管理板、保护板、模拟量模块和开出模块构成,所述保护板通过高速总线连接所述的扩展板系统,所述管理板上设置有通信接口,并通过高速总线连接保护板,所述保护板连接所述的模拟量模块,并通过控制总线连接开出模块。
3.根据权利要求1所述的一种主变压器低压侧故障快速切除装置,其特征在于,所述的扩展板系统包括控制器,所述控制器通过高速总线连接所述的中央处理器系统。
4.根据权利要求1所述的一种主变压器低压侧故障快速切除装置,其特征在于,所述的背板系统由通信总线、接口总线、控制总线、高速总线和模拟信号元件构成,所述的通信总线用于连接中央处理器系统的通信接口和管理板;所述的接口总线用于连接所述管理板的人机接口总线和人机界面系统的人机接口控制元件;所述的控制总线用于连接所述管理板的显示器控制器和人机界面的液晶显示器;所述的高速总线用于连接中央处理器系统的管理板和保护板,所述的模拟信号元件用于连接所述保护板和中央处理器系统的模拟量模块。
5.根据权利要求1所述的一种主变压器低压侧故障快速切除装置,其特征在于,所述的人机界面系统由指示灯、按键和液晶显示屏构成,所述指示灯和按键通过人机接口控制元件连接所述的背板系统,所述液晶显示屏连接背板系统。
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