劉得剛

(廣西綠能電力勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣西 南寧 530031)

1 引言

變壓器是電力系統(tǒng)輸變電中極其重要的組成部分，廣泛應(yīng)用于各種工廠中，其工作狀況直接影響著電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。近年來，由于變壓器保護(hù)［1］不當(dāng)，造成故障的案例很多，甚至引發(fā)了大面積停電事故，造成生產(chǎn)的巨大損失。因此，變壓器的微機(jī)型保護(hù)［2，3］裝置的研發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和很好的市場潛力。本文針對中小型工廠10kV/0.4kV型，容量3150kV·A內(nèi)的廠用變壓器，研究由ATmega128為核心構(gòu)成的變壓器微機(jī)型保護(hù)裝置。

2 Dyn11聯(lián)接變壓器概述

國際上很多國家的10kV配電變壓器都以Dyn11聯(lián)結(jié)方式為主流?！癉”指一次側(cè)用三角形接法，“y”指二次側(cè)用星形接法，“11”指二次側(cè)電壓相位“滯后”一次側(cè)30°。我國已頒布的GB/T6451－1999油浸式變壓器和GB/T10228－1997干式變壓器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，新頒布的《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》、《工業(yè)與民用供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》及《10kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)范等都倡導(dǎo)10kV配電變壓器采用Dyn11聯(lián)結(jié)方式。Dyn11聯(lián)接方式與舊式的Yyn0相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)［4，5］:

(1)Dyn11聯(lián)結(jié)中高壓側(cè)三角形接法有利于抑制高次諧波電流注入電網(wǎng)。

(2)Dyn11聯(lián)結(jié)中低壓側(cè)承受不平衡負(fù)載的能力增強(qiáng)，且利于單相接地短路故障的保護(hù)和切除。

(3)Dyn11聯(lián)結(jié)可減少變壓器的附加損耗和發(fā)熱。

3 Dyn11聯(lián)結(jié)變壓器的兩側(cè)的電流對應(yīng)關(guān)系

Dyn11聯(lián)結(jié)方式的變壓器的繞組接線圖，如圖1所示。

圖1 Dyn11繞組接線圖

由圖1可得:

設(shè)變壓器的電壓變比為n，得Dyn11聯(lián)結(jié)變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)的電壓對應(yīng)關(guān)系:

線電壓比:

變壓器兩側(cè)的相電流比:

結(jié)合(1)式和(4)式，可以推導(dǎo)出Dyn11聯(lián)結(jié)高壓側(cè)和低壓側(cè)的電流對應(yīng)關(guān)系:

4 保護(hù)裝置的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ATmega128芯片作為測控保護(hù)裝置的處理器，其資源包括:工作于 16MHz時(shí)性能為16MIPS，即每秒鐘可以運(yùn)行16M條簡單指令。內(nèi)部含有8個(gè)外部中斷，兩個(gè)16位定時(shí)器和兩個(gè)8位定時(shí)器，4K字節(jié)的內(nèi)部SRAM，128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，4K字節(jié)的EEPROM 等［6］。外圍電路模塊主要有:前端的信號(hào)調(diào)理模塊、中端的交流采集和處理模塊、末端的繼電器控制模塊，還有液晶、時(shí)鐘、通信等電路模塊。保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)框如圖2所示。

二次電壓、二次電流信號(hào)中的Ia、Ic、I0、IAB、IBC、ICA為主要檢測信號(hào)，IA、IC為專用的測量CT輸入，保證測功率、遙測量有足夠的精度。I0用于零序電流保護(hù)。IAB、IBC、ICA在本裝置中作為測量用電壓輸入，與IA、IC一起計(jì)算線路瞬時(shí)的Ia、Ib、I0。特別要說明是按照繼電保護(hù)的規(guī)程:使用兩組CT，使用保護(hù)組CT測量Ia、Ic、I0;使用測量組 CT 測量IA、IC。

圖2 保護(hù)裝置的硬件框圖

保護(hù)組的CT量程大、精度低。繼電保護(hù)裝置必須檢測短路的實(shí)際電流才能可靠保護(hù)，因此，必須選用磁飽和系數(shù)大的互感器，由于保護(hù)并不需要太精確的測量值，為了節(jié)省投資，CT的精確度要求可以低很多，一般可以選用3級或5級。

測量組的CT精度高、量程小。測量級的互感器在一次額定電流下可以成正比，準(zhǔn)確地反映在二次回路上，如果涉及到功率測量和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析，要求測量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確，必須選著高精度的CT。但是，這種互感器的鐵心磁飽和系數(shù)比較小，容易出現(xiàn)磁飽和，當(dāng)一次側(cè)電流很大時(shí)，鐵芯磁飽和，也保護(hù)了儀表不被損壞。

10kV繼電保護(hù)的兩組CT一般選用0.5/5P10級精度。測量繞組是0.5級的，即在額定電流下，該電流互感器的復(fù)合誤差小于±0.5%。保護(hù)繞組是5P10級的，5P10表示當(dāng)一次側(cè)電流在其額定電流的10倍以下時(shí)，該繞組的復(fù)合誤差小于±5%。“10”代表準(zhǔn)確限值系數(shù)，如果此時(shí)一次側(cè)電流比較大，就要選用5P20的，甚至還可能選用5P30的。

5 A/D交流采樣電路

交流采樣的三相信號(hào)必須保持原先的相位關(guān)系以及功率因數(shù)角，是繼電保護(hù)的信號(hào)采集的基本要求，因此，要同時(shí)采樣三相電壓和電流值?？紤]到Dyn11型聯(lián)結(jié)的配電變壓器高壓側(cè)采用的是三角形接法，無論低壓側(cè)負(fù)載是否平衡，三相電壓和電流的矢量和為零，即采用三角形變換，可以由兩相電壓和電流推算出第三相的電壓和電流值。因此，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)檢測的電量信號(hào)為UAB、UBC、UCA、Ia、Ic、Io、Ia、Ic共八路。其中Ia和Ia2路交流電流信號(hào)用于保護(hù)判定，IA和IC2路交流電流信號(hào)用于測量和備用保護(hù)。

ATmega128單片機(jī)內(nèi)部含有8路10位ADC通道，但是轉(zhuǎn)換精度和速度都不能達(dá)到繼電保護(hù)的要求，所以本裝置采用了MAX125交流采樣芯片。MAX125是高速2×4通道同步采樣14位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器芯片。芯片單通道A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為2μs。4個(gè)采樣/保持放大器可對4個(gè)通道的模擬信號(hào)同時(shí)采樣。

圖3 交流采樣電路原理圖

6 頻率相位測量電路

設(shè)計(jì)中，采用ATmega128的測頻率腳外部中斷電平變換的間隔時(shí)間來實(shí)現(xiàn)頻率的測量。

頻率測量需要一路的方波信號(hào)，而相位角就需電壓電流兩路的方波信號(hào)，因此設(shè)計(jì)原理電路圖如圖4所示。電子開關(guān)CD4052將從互感器出來的兩路電壓電流信號(hào)分時(shí)的輸出，經(jīng)過運(yùn)放，過零比較器將信號(hào)送入單片機(jī)，其中前兩個(gè)二極管用于預(yù)防輸入電壓過大，保護(hù)過零比較器，后一發(fā)光二極管用與表面監(jiān)控，當(dāng)有信號(hào)通過是發(fā)光表明電路正常，如此單片機(jī)中斷口處就可得到有正上升沿的方波信號(hào)，然后觸發(fā)單片機(jī)中斷口，在運(yùn)用單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)功能，便可測量頻率和相位角。整形后的電壓信號(hào)輸入ATmega128的外部中斷引腳INT0，設(shè)置電平變換觸發(fā)中斷。記錄下電平變換的間隔時(shí)間即為一個(gè)周期，其倒數(shù)為頻率。整形后的電流信號(hào)輸入AVR的外部中斷引腳INT1。只要測得電網(wǎng)電壓和電流信號(hào)的上升沿中斷的時(shí)間差，即可求得相位角及相位角差的方向，并推斷出電壓和電流之間的時(shí)間關(guān)系。如圖5所示，使用本方法［8］可以在一個(gè)周期內(nèi)采集到電網(wǎng)的頻率、電壓與電流之間的相位角，并判斷出電壓和電流在時(shí)間上的關(guān)系。

圖4 頻率和相位檢測電路圖

圖5 相位角檢測圖

式(6)中，θ指功率因數(shù)角;T指INT0中斷的時(shí)間間隔，即信號(hào)的周期;t指INT0啟動(dòng)后，檢測到INT1中斷的時(shí)間間隔。

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

交流電壓采樣使用MAX125芯片完成，使用全波傅立葉算法計(jì)算電壓的有效值。每周期采樣N=12個(gè)點(diǎn)，采樣頻率fs=600Hz，具體程序如下所示:

%12點(diǎn)采樣計(jì)算基波實(shí)部系數(shù)a1

采樣計(jì)算基波虛部系數(shù)b1

交流采樣實(shí)驗(yàn)使用的是全周波采樣12個(gè)點(diǎn)的形式還原交流信號(hào)，利用全波傅里葉算法計(jì)算出有效值和標(biāo)準(zhǔn)電壓表(D26－V型)實(shí)測值對比，如表1所示。

通過比較發(fā)現(xiàn)，實(shí)際值與測量值有一定誤差，但是相對誤差并不大，在0.5%以內(nèi)，如表2所示。符合繼電保護(hù)電壓測量0.5級精度的標(biāo)準(zhǔn)，采用本裝置可獲得較準(zhǔn)確的交流信號(hào)參數(shù)，能夠滿足中小型工廠配電變壓器繼電保護(hù)的測量精度要求。

表1 全周波12點(diǎn)交流采樣數(shù)據(jù)表

表2 采樣電壓誤差表

［1］王維儉，桂林.大型發(fā)電機(jī)變壓器保護(hù)技術(shù)的現(xiàn)狀剖析和發(fā)展動(dòng)向［J］.電力設(shè)備.2003，4(5):15 －19.

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