适用于牵引变电所的单相变压器保护装置

摘要

本发明创造的牵引变电所的单相变压器保护装置，功能涵盖了单相变压器差动、后备、非电量等相关保护功能，简洁完整，不仅适用于常规V/V接线单相变压器保护模式而且适用于高速铁路牵引所AT供电方式下单相变压器接线模式。是一种简单、高性能、维护方便的单相变压器保护方案。

说明书

技术领域

本发明涉及电气化铁路牵引供电系统领域。尤其涉及高速电气化区段广泛采用的单相变压器保护领域。该发明创造实现了专用的单相牵引变压器的保护、测量及控制功能。

背景技术

高速铁路在世界上已经有了40年的历史，但在中国还处在筹划阶段，随着我国《中长期铁路网规划》的实施，特别是在全球金融危机的背景下，我国又追加了2万亿元用于铁路建设，我国的铁路建设迎来了新一轮高峰，其中高速铁路成为铁路建设的重点。高速铁路与常规铁路相比其速度高，功率大，而且要采用交-直-交电力机车，这些特点无疑为供电系统的保护提出了新的要求，为保证供电系统的安全，在技术上要上一个大的台阶，高速铁路的安全运行离不开牵引供电系统的保护。高速铁路牵引变压器类型的选择方面，从技术性考虑，不同的牵引变压器类型，单相负荷对电力系统的不平衡影响就不同。不平衡影响程度与负序源(负荷情况)、系统短路容量大小、其它限制或补偿措施的能力等因素有关。从经济性考虑，牵引变压器类型不同，变电所主结线就不同，补偿装置也有所不同，因而变电所的造价就有较大的差异。经过全面的比较分析，高速电气化区段用单相变压器具有明显的优势，应作为首选的接线形式。采用单相变压器，便于实现同相供电，接触网的分相问题被解决(或分相数量可最少)，对高速运行有利；单相变压器容量利用率高、能耗低，变电所及变压器结构简单，因而可靠性高，工程投资及运营维护费用低。

国内电气化铁道牵引变电所现存变压器接线类型主要有平衡型、SCOTT、Y/Δ-11或V/V等接线模式，各主要自动化保护厂家针对各种接线模式的变压器保护装置通常分离成变压器主保护(差动保护)装置、及变压器后备保护(非电量和过负荷等保护)装置两部分，由不同装置配合实现，存在的问题和不足之处体现为：

一、因要同时考虑和兼容各种接线形式的变压器保护，软件配置较为复杂，变压器保护功能也因要由不同装置配合完成使得二次接线及图纸设计也比较繁杂，成本较高，针对性不强；

二、对V/V接线由2台单相变压器构成模式，原1台变压器主保护装置或后备保护装置均要同时保护2台单相变压器，无法实现单相变压器的独立运行，对变压器的检修维护也带来不便；保护装置也因交流采集回路限制不能将保护及测量回路区分开导致测量精度不够。

因此，针对高速铁路单相变压器而专门开发的一种更简洁、高性能、维护方便的专用保护装置势在必行。

发明内容

为了概括本发明的目的，在这里描述了本发明的某些方面、优点和新颖特征。

为了弥补牵引变电所单相变压器保护现有保护装置的不足，本发明提出了一种一台保护对应一台单相变压器的保护装置实现方案：

步骤1，保护功能：差动速断保护、二次谐波制动的比率差动保护、低电压启动、高压侧过电流保护、低压侧过电流保护、过负荷保护(I段、II段)、失压保护、低压侧过电压保护、TV断线检测(高压侧、低压侧)、重瓦斯保护、轻瓦斯保护、温度保护(I段、II段)、压力保护、油位保护、故障再现等。

步骤2，遥测、遥控、遥信功能：能实现变压器高/低压侧电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数；频率、负荷录波、故障录波、故障报告、断路器分合闸时间统计的测量与记录；实现变压器高/低压侧断路器分合闸、电动隔离开关分合闸、装置信号复归、保护软压板投退；实现“当地/远方”运行方式、电动隔离开关位置、控制回路断线、高压侧断路器分/合闸闭锁、保护动作、装置异常呼唤、装置告警等。

步骤3，装置能预设定多套定值，可实现远方或就地切换；装置具有在线自动检测功能，能发出装置异常信号并闭锁保护出口；装置具有网络对时和手动对时功能；装置具有网络接口(以太网、CAN网、RS-485网)，可选用双绞线或光纤作为通信介质与变电站自动化系统配套使用，并可通过网络打印机实现当地打印；装置具有串行通信接口(RS-232C)，可与便携计算机通信，实现故障报告收集、故障再现、保护运行参数修改等功能；装置具有全汉化液晶显示屏及操作键盘，信息显示人性化，操作方便。

本发明采用新型的32位双CPU的硬件平台结构，工业用实时多任务操作系统，实现了大容量、高精度的快速、实时信息处理；保护模块与其他模块完全分开，保护模块在硬件、软件上均具有独立性。装置提供完备的保护功能，各保护元件相互独立，可自由选择是否采用。

本发明的有益效果：本发明创造的单相变压器保护装置通过上述的功能及特点，一台保护装置就可保护一台单相变压器，涵盖了单相变压器差动、后备、非电量等相关保护功能，简洁、高效而完整，不仅适用于常规V/V接线单相变压器保护模式而且适用于高速铁路牵引所AT供电方式下单相变压器接线模式。该技术方案成功应用与沪宁城际电气化铁路的变压器保护中，创造良好的经济效益。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。附图和具体实施方式并不限制本发明要求保护的范围。

附图说明

图1为本发明实施例中AT供电方式下单相变压器绕组的结线方式图；

图2为本发明实施例中单相变压器保护装置硬件结构图；

图3为本发明实施例中单相变压器保护装置MMI模件软件流程图；

图4为本发明实施例中单相变压器保护装置CPU模件软件流程图；

图5为本发明实施例中比率差动保护特性曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明从硬件组成、实现的功能原理、软件构架方案实施共三方面进一步描述。

1)硬件组成：

装置在总体设计时对各模块设计、程序执行、信号指示、通信实现等方面均充分考虑了抗干扰的要求，装置整体抗干扰能力较强，组屏或安装于开关柜上时，不需加装另外的抗干扰器件，硬件主要组成有：交流/采样模件、通信模件、保护CPU模件、开入模件；开出模件、出口模件、监控MMI模件、电源模件。

各模件关系见图2单相变压器保护装置硬件结构图，各模件功能如下：

●交流/采样模件：模件提供多个电压输入和电流输入回路，分别供保护和测量用，交流量经变换后通过有源低通滤波、采样保持、多路转换送到保护模件

●通信模件：模件提供了以太网、CAN网、RS-485网和RS-232C等通信接口。通过网络可接入变电站自动化系统。

●保护CPU模件：该模件由CPU、RAM、ROM、Flash Memory、和串行E²PROM构成。高性能的微处理器CPU(32位)，大容量的ROM(1Mbyte)、RAM(1Mbyte)使得该CPU具有极强的数据处理能力，可以实现各种复杂的故障处理功能，通过内部专用CAN网络和监控MMI面板高速通信，使各种事件都可得到快速响应。

●监控MMI模件：模件由CPU、RAM、ROM、Flash Memory、串行EEPROM和硬件时钟构成，负责键盘处理、液晶显示、保护报文存储及和变电站自动化系统的通信等功能。模件提供汉字液晶显示器和键盘输入，人机界面清晰易懂，操作方便、简单。

●开入模件：模件提供了多路开入量，所有开入量进入装置后都通过光耦进行电气隔离。

●开出模件：模件提供了多路开出量，所有开出量都以继电器空接点形式输出。

●出口模件：模件提供了非电量保护输入接口和跳闸开出回路。

●电源模件：提供多路稳压电源，给装置模件供电。

2)主要保护原理说明，图1为AT供电方式下单相变压器绕组的结线方式：

●差动保护：装置设置三段式差动保护。装置采集高压侧电流，低压侧电流为实现高、低压侧之间的差动电流平衡，电流由低压侧向高压侧平衡，平衡关系为：${{\stackrel{·}{I}}^{\prime }}_{L1}=\frac{1}{\mathrm{KPH}}{\stackrel{·}{I}}_{L1}$

${{\stackrel{·}{I}}^{\prime }}_{L2}=-\frac{1}{\mathrm{KPH}}({\stackrel{·}{I}}_{L1}+{\stackrel{·}{I}}_{L2})$

三段式差动保护动作判据：

特性曲线如图5所示

●低电压启动的高压侧过流保护及低电压启动的低压侧过流保护。

●过负荷保护：装置提供两段式过负荷保护，I段用于发预告信号，II段用于跳闸。两段过负荷保护特性均可选择为定时限或反时限，其中反时限特性提供了三种常见的反时限特性，即一般反时限、非常反时限、极端反时限。

●断路器分合闸时间统计功能；装置还具有高低压侧PT断线检测、非电量跳闸或发信号、失压保护、低压侧过压等常规保护功能，此不赘述；数据记录：装置具有故障录波功能。

3)软件实施方案

保护CPU模件软件实施方案：软件实施流程见附图4。采用实时多任务操作系统为保护装置操作系统，装置软件组成有：系统初始化模块；采样中断及开入扫描模块；时间继电器(定时器)模块；故障处理(保护逻辑)模块；开入处理模块；定值管理模块；面板通讯模块；系统自检模块。尤其开入防抖处理，定值模块管理思路，完善的自检内容，面板通信及监控模块的处理上，各模块工作相互独立，互不影响，紧密配合，极大的提高了保护功能的可靠性。

监控MMI模件软件实施方案：软件实施流程见附图3。采用实时多任务操作系统为保护装置面板操作系统，装置软件组成有：系统初始化模块；系统定时器模块；定值及时钟管理模块；站内网络通讯模块；串行口RS232/RS485通讯模块；面板通讯模块；面板监控模块；系统自检模块。

本装置分为监控MMI模块(负责人机界面，通信等功能)及保护CPU模块(负责保护计算及功能实现等)，两个模块之间通过内部CAN通讯实现互联，这样可以使两个模块工作相互独立，互不影响，从而提高了装置的硬件可靠性。软件编程基于采用实多任务操时作系统，将大幅度提高各个功能模块的多任务多线程处理能力，同时也大大提高了装置的软件可靠性。

以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。