阻抗匹配平衡牽引變壓器微機(jī)差動保護(hù)的研究

摘要：　　簡單闡述了阻抗匹配平衡牽引變壓器的一般原理，提出了利用計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)阻抗匹配平衡牽引變壓器差動保護(hù)的方案。
　　關(guān)鍵詞：　　阻抗匹配平衡牽引變壓器;差動保護(hù)；微型計算機(jī)
　　中圖分類號：TM922.3；TM772文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1006-6047(1999)06-0042-03

　　阻抗匹配平衡變壓器(簡稱平衡變壓器)是湖南大學(xué)最近研究成功的電氣化鐵道供電變壓器，由云南變壓器廠生產(chǎn)，在我國電氣化鐵道牽引供電中已開始集中采用。該變壓器低壓側(cè)接電氣化鐵道上行線和下行線兩相負(fù)載，兩相負(fù)荷的電流隨列車的運行情況變化而變化；高壓側(cè)接三相電力系統(tǒng)。其最大優(yōu)點是：在低壓側(cè)兩相不對稱負(fù)荷的各種運行方式下，變壓器高壓側(cè)三相電流具有較好的對稱性，減小了負(fù)序電流以及負(fù)序電流對電力系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的電能質(zhì)量。隨著電氣化鐵道的迅速發(fā)展，阻抗匹配平衡變壓器具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　阻抗匹配平衡變壓器在結(jié)構(gòu)性能上與Y/△-11電力變壓器有很大的不同，變壓器低壓側(cè)兩相電流相位差為90°，高壓側(cè)電流與低壓側(cè)電流相位差隨列車運行方式的變化在0°～90°之間變化。上述特點給設(shè)計平衡變壓器的差動保護(hù)帶來了困難。本文在研究平衡變壓器高低壓側(cè)電流變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，不經(jīng)輔助TA變換和常規(guī)差動繼電器，采用計算機(jī)技術(shù)，實現(xiàn)差動保護(hù)，滿足了平衡變壓器繼電保護(hù)的需要。
　　1平衡變壓器　　
　　阻抗匹配平衡牽引變壓器原邊應(yīng)接成星形聯(lián)結(jié)并抽出中性點，副邊接成三角形并在B相外延兩個支臂，如圖1所示。
　　
　　圖1變壓器繞組圖
　　圖1中，W₁為變壓器原邊相繞組匝數(shù)，W₂為副邊相繞組匝數(shù)，ΔW為支臂匝數(shù)。通過推算可得到：
　　
　　在副邊三角形內(nèi)，設(shè)阻抗Z_ac=Z_bc=Z₂,而Z_ab=K_z^.Z₂。按照I_α，I_β在三角形內(nèi)各支路上的電流分配關(guān)系，在各支路上應(yīng)用疊加原理得到各支路的總電流。再應(yīng)用各芯柱上的磁勢平衡原理，略去勵磁電流I_O，可以寫出副邊I_α，I_β與原邊I_A，I_B，I_C的線性映射關(guān)系式如下：
　　 (1)
　　如強(qiáng)制要求三相一次側(cè)中性點電流I_N=0(即零序電流無條件為零)，可以推出。
　　當(dāng)且令時上列陣式(1)可轉(zhuǎn)化為
　　 (2)
　　當(dāng)I_α≠I_β時，原邊三相電流為平衡系，I_N=0，即無零序，并滿足方程(2)式。
　　當(dāng)副邊兩臂負(fù)載相等，即I_α=I_β=I₂時原邊三相電流將組成三相對稱系，即
　　 (3)
　　 (4)
　　 (5)
　　而副邊三角形內(nèi)的電流為
　　 (6)
　　 (7)
　　如平衡變壓器原邊輸入三相電壓為110kV,而副邊反相輸出電壓為27.5kV時，其變化為
　　 (8)
　　 (8)式中K值是差動保護(hù)中的一個整定項。
　　2保護(hù)原理　　
　　以(2)式為數(shù)學(xué)模型，把低壓側(cè)α，β相電流轉(zhuǎn)換成高壓側(cè)的三相電流。阻抗匹配平衡變壓器的高壓側(cè)(110kV)是三相對稱系統(tǒng)(三相電壓大小相等，相位相差120°)，低壓側(cè)(27.5kV)輸出，為使27.5kV側(cè)電流與110kV側(cè)電流的作用相當(dāng)于幅值相等，相位一致，故需將27.5kV側(cè)電流在程序中用軟件進(jìn)行兩相—三相變換，得到三相電流。
　　按下式,i_α和i_β進(jìn)行矢量運算，得到：

　　I_A，I_B，I_C分別與高壓側(cè)三相電流做差動計算，上式的計算先差分后，再用傅氏算法以消除直流分量。
　　3MCu插件　　
　　3.1主板
　　　主要實現(xiàn)模擬量的變換采集，保護(hù)計算處理，鍵盤和顯示的處理，串行通信及動作元件啟動，功能框圖如圖2。
　　
　　圖2主板功能圖
　　保護(hù)回路的5個模擬量經(jīng)無源低通濾波電路接到多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)，和2路自檢用直流+5V，-5V共7路經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)切換至AD1674，AD1674將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。
　　80C196KC是MCS96微控器中的增強(qiáng)型產(chǎn)品。除具有MCS96系列基本功能外，還具有多窗口結(jié)構(gòu)的特殊功能寄存器，PTS服務(wù)器，附加片內(nèi)256字節(jié)RAM，功能增強(qiáng)的全雙工串行通信接口UART等功能。具有低功耗，運算速度快等優(yōu)點。
　　PSD311為一無粘合接口芯片，內(nèi)含EPROM，RAM，PLD端口擴(kuò)展等功能，PSD311的使用使整個板可靠性提高，功耗降低。
　　MCu通過I/O線與串行E²PROM相連，將定值系數(shù)等重要信息保存在E²PROM中。E²PROM具有體積小，保存信息安全等優(yōu)點。
　　MCu的全雙工串行通信接口(UART)通過MAX1480至RS-485總線上，或通過MAX202E與RS-232接口，實現(xiàn)與通信管理單元的通信。
　　MAX705為本CPU插件提供加電、掉電及降壓情況下的復(fù)位輸出和獨立的看門狗輸出，以確保CPU插件的安全工作。
　　所有的開出量經(jīng)MCu的高速輸出口輸出。所有的開入經(jīng)PSD311開入。開入、開出均經(jīng)光電耦合器隔離。
　　3.2顯示板
　　　顯示板設(shè)有電源指示燈、運行指示燈和12位LCD液晶顯示器。可對系統(tǒng)的運行狀態(tài)、故障信息和定值設(shè)置等信息進(jìn)行顯示，通過與鍵盤配合可以方便地進(jìn)行定值改寫和讀內(nèi)部標(biāo)志及出口傳動等功能。
　　3.3接口板
　　　接口板為模擬量、開入量和開出量的輸入、輸出通道，有5個保護(hù)TA、跳閘繼電器和故障閉鎖繼電器，可完成模擬信號的變換，開關(guān)信號的采集和保護(hù)信號的出口功能等。
　　4突變量起動元件　　
　　裝置每相一個突變量起動元件，其算法如下(以A相為例)：
　　
　　式中i_k為某一瞬間差電流采樣值；i_k-n為20ms前同相差電流的采樣值；i_k-2n為40ms前同相差電流的采樣值。
　　采用上式可以補償由于電網(wǎng)頻率偏離50Hz時產(chǎn)生的不平衡輸出，三個突變量元件中任一個起動，就起動保護(hù)計算，開放差動速斷保護(hù)和差動保護(hù)。
　　4.1差動速斷元件
　　　本裝置的差動電流為
　　 I_cd=|I_n-I₁|
　　式中I_n為高壓側(cè)A，B，C任一相電流；I₁為對應(yīng)低壓側(cè)二相變?nèi)嗪螅珹，B，C中一相電流。
　　差動速斷元件采用一次差分濾波后，用半波傅氏算法計算，采用分相式。差動速斷定值按躲過外部故障時的最大不平衡電流和可能出現(xiàn)的最大勵磁涌流整定，其動作判據(jù)為I_cd>I_cdset。
　　4.2差動元件
　　　三相式，具有比例制動和諧波制動特性。差動保護(hù)采用一次差分濾波后，用全波傅氏算法，計算I_cd,I_zd,I₂,其中，差動電流I_cd=|I_h-I₁|,制動電流I_zd=|I_h+I₁|/2，二次諧波電流I₂為三相差動電流中含二次諧波最大相的二次諧波值。差動保護(hù)動作判據(jù)為
　　 I₂<K₂^.Icd
　　 I_cd>I_cdset+K₁(I_zd-I_zdset)
　　式中K₂為二次諧波制動系數(shù)，調(diào)整范圍0.12～0.40；K₁為比例制動系數(shù)，一段0.3，二段0.7；I_cdset為差動電流的門檻。
　　整定原則為I_cdset躲過正常運行時的最大不平衡差流，數(shù)據(jù)處理模塊軟件框圖如圖3所示。
　　
　　圖3數(shù)據(jù)處理程序框圖
　　 5結(jié)論　　
　　阻抗匹配平衡牽引變壓器已在電氣化鐵道中廣泛采用。用常規(guī)差動繼電器實現(xiàn)該變壓器差動保護(hù)時必須增加輔助變流器，給施工安裝帶來了困難，使用微機(jī)阻抗平衡變差動保護(hù)，可以省去輔助變流器，其變換在裝置內(nèi)部由軟件完成，減輕了現(xiàn)場調(diào)試工作和時間，并且相間保護(hù)靈敏系數(shù)也均為1，提高了可靠性和靈敏度。
　　作者簡介：　　宋永明(1966-)，男，工程師，從事電氣化鐵道繼電保護(hù)和監(jiān)控自動化裝置的設(shè)計研究工作；
　　袁德柱(1966-)，男，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及電氣化鐵道牽引變電所保護(hù)和監(jiān)控等自動化裝置的設(shè)計和研究工作。
　　作者單位：　　(阿城繼電器股份有限公司，黑龍江阿城150302)
　　參考文獻(xiàn)　　
　　〔1〕王維儉，劉俊宏.試論變壓器差動保護(hù)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.電力自動化設(shè)備，1996，16(4)：8～13