矿用变压器的保护设计本科毕业论文.doc
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1、矿用变压器的保护设计摘要随着我国电力工业的迅速发展,在现代电力系统中,变压器保护装置能否准确、及时、可靠的动作是保证电网安全运行的关键因素之一。目前,对变压器保护装置的实时性、计算精度和大量数据运算速度的要求不断提高,单片机系统在很多场合下已经不能很好的满足用户要求。而DSP系统由于运算速度快、精度高等特点,正逐渐取代单片机系统。DSP拥有快速的指令周期以及地址、数据总线分离等适合快速数字信号处理的优点。除此之外,它有着丰富的硬件资源,强大的功能,先进的开发环境及开发平台,能够极大地提高保护产品的性能。文章以MOTOROLA公司的DSP2407芯片为核心,提出了集测量、保护、控制、通信等功能于
2、一体的变压器后备保护装置设计方案。论文主要研究了微机保护的可靠性、微机保护算法以及变压器后备保护装置的设计。文章在微机保护可靠性方面进行了较为深入的理论分析与计算,构造了状态空间模型,为带自检的变压器保护装置的可靠性作出了估算。给出了提高变压器保护装置可靠性的措施,并将部分措施应用于装置设计中,取得了预想的效果。另外,文章也对几种典型的微机保护算法进行了详细的理论分析。最后,在了解变压器保护装置的结构和功能的基础上,文章提出了变压器保护装置的设计方案,介绍了部分硬、软件的设计。关键词变压器保护;微机保护;保护回路DESIGN OF PROTECTION OF MINING TRANSFORME
3、RABSTRCTWith the rapid development of power industrial in our country,the protection device for transformer whether can exactly, timely, reliably act, which is one of animportant factor for power grid to guarantee running securely in modern electricsystem. Now, the real time, precision of calculatio
4、n and the velocity of runningdatum are required to improve on backup protection device for transformer.Single-chip system cant satisfy users requirements in many situations. However,DSP system will gradually substitute single-chip system because of its advantages,such as the velocity of running and
5、high precisionDSP owns rapid instruction periods,address buses separated from data buses,which can excellently adapt to the rapid digital signal process. Besides, it has abundance of hardware resources, strong instructions, excellence developing circumstance and corresponding with developing platfor
6、m, which greatly improve performance of protection products. Based on the DSP2407 chip of MOTOROLA Company, this paper proposes a designing scheme of backup protection device for transformer,which includes measuring,protection and communication etcThe reliability of microcomputer protection,protecti
7、on algorithm of microcomputer and designing of device are studied in this paper. Firstly, the reliability of microcomputer protection is analyzed and calculated according to theory. At the same time, the reliability of backup protection device for transformer with self-exam is estimated by construct
8、ing state-module. Some measurements of reliability about backup protection device for transformer are also presented. Secondly, some of typical protection algorithms about micro computer are researched in theory. Lastly, based on understanding the structure and function of backup protection device f
9、or transformer, its hardware and software are designed and introduced.KEYWORDS Transformer protection, microcomputer protected, protection return rouIII安徽理工大学毕业设计目录 摘要IABSTRCTII1绪论11.1课题背景11.2电力变压器保护综述11.2.1变压器的故障11.2.2电力变压器的异常工作状态11.2.3电力变压器的保护方式21.3电力变压器保护研究现状21.4继电保护的发展31.4.1计算机化31.4.2网络化31.4.3保护
10、、控制、测量、数据通信一体化41.4.4智能化42变压器保护原理52.1气体保护52.1.1保护的工作原理52.1.2气体保护的缺点52.1.3气体保护的优点52.2电流速断保护62.2.1保护的工作原理62.2.2电流速断保护的特点72.3纵联差动保护72.3.1变压器差动保护基本原理72.3.2变压器差动保护不平衡电流分析92.3.3变压器纵差保护中不平衡电流的克服方法102.3.4实施纵差动保护遇到的问题122.4过电流保护122.4.1不带低电压起动的过电流保护122.4.2低电压起动的过电流保护132.4.3负序电流和单相低电压启动的过电流保护142.5零序电流保护152.5.1中性
11、点直接接地变压器的零序电流保护152.5.2中性点可能接地或不接地变压器的保护162.6过负荷保护182.7过励磁保护193 DSP原理简介213.1DSP的基本概述213.2DSP的发展213.3DSP芯片的特点213.4DSP芯片的分类233.5DSP微机保护的优越性233.6DSP技术在微机保护中应用的意义243.6.1DSP2407结构和引脚介绍244变压器的硬件保护274.1电源插件294.2CPU插件294.3模拟量输入插件294.4A/D转换304.5开关量输入输出插件315变压器微机保护的软件设计335.1软件设计的总体架构335.2主程序模块335.2.1系统初始化335.2
12、.2自检项目345.2.3模拟量采集365.2.4数据处理365.2.5事件处理365.3采样中断服务程序模块375.4系统软件可靠与抗干扰设计38结论39参考文献40致谢41ii1绪论1.1课题背景在电力系统中广泛使用变压器来升压或者降压。变压器是电力系统不可或缺的重要电气设备。利用电磁感应原理把一种电压的交流电能转变成频率相同的另一种电压的交流电能,在电力系统中,需要用变压器将电压升级进行远距离传输,以降低线路损耗,当电能到达用户区后,再采用不同等级的变压器将电能降压使用,因此,变压器的正常运行对保持系统的稳定与安全有着特殊的意义。它的故障将对供电可靠性和系统安全运行带来严重的影响,同时大
13、容量的变压器也是非常重要的设备。因此,应根据变压器的容量等级和重要程度,装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。将微型计算机技术应用于变压器保护是提高变压器保护水平的一个重要途径。采用微机保护技术构成的变压器保护系统,较现有的模拟式保护具有更加完善的功能,提高了电力系统安全运行水平。1.2电力变压器保护综述1.2.1变压器的故障电力变压器是电力系统中大量使用的重要电气设备,他的故障给供电可靠性和系统的正常运行带来严重的后果,同时大容量变压器也是非常贵重的元件,因此,必须根据变压器的容量和重要程度装设性能良好的、动作可靠的保护元件。电力变压器的故障分为内部和外部两种故障。内部故障指变压器油箱里面发
14、生的各种故障,主要靠瓦斯和差动保护动作切除变压器;外部故障指油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障,一般情况下由差动保护动作切除变压器。速动保护(瓦斯和差动)无延时动作切除故障变压器,设备是否损坏主要取决于变压器的动稳定性。而在变压器各侧母线及其相连间隔的引出设备故障时,若故障设备未配保护(如低压侧母线保护)或保护拒动时,则只能靠变压器后备保护动作跳开相应开关使变压器脱离故障。因后备保护带延时动作,所以变压器必然要承受一定时间段内的区外故障造成的过电流,在此时间段内变压器是否损坏主要取决于变压器的热稳定性。因此,变压器后备保护的定值整定与变压器自身的热稳定要求之间存在着必然的联系。1.2.
15、2电力变压器的异常工作状态变压器处于不正常运行状态时,继电器应根据其严重程度,发出警告信号,使运行人员及时发现并采取相应措施,以保安全。变压器不正常工作状态主要有:1.由于外部短路引起的过电流;2.由于电动机自起动或并联工作的变压器被断开及尖峰负荷等与原因引起的过负荷;3.外部接地短路引起的中性点过电压;4.油箱漏油引起的油面降低或冷却系统故障引起的温度升高;5.大容量变压器在过电压或低频等异常运行工况下导致变压器过励磁,引起铁芯和其他金属构件过热。1.2.3电力变压器的保护方式根据变压器的故障和异常工作状态,其通常装设的保护装置如下:1.瓦斯保护对变压器油箱内部的各种故障及油面的降低应装设瓦
16、斯保护。容量为800KVA及以上的油浸式变压器,对于容量为400KVA及以上的车间内油浸式变压器,匀应装设瓦斯保护。当油箱内部故障产生轻微瓦斯或油面下降时,;保护装置应瞬间动作于信号:当产生大量瓦斯时,瓦斯保护宜动作于断开变压器各电源侧断路器。对于高压侧未装设断路器的线路-变压器组,未采取使瓦斯保护能切除变压器内部故障的技术措施时,瓦斯保护可仅动作与信号。2.纵差保护或电流速断保护容量在10000KVA及以上的变压器应装设纵差保护,用以反应变压器内部绕组、绝缘套管及引出线相间短路、中性点直接接地电网侧绕组和引出线的接地短路以及绕组匝间短路。3.过电流保护变压器的过流保护用作外部短路及变压器内部
17、短路的后备保护。4.零序过流保护变压器中性点直接接地或经放电间隙接地时,应补充装设零序过流保护。用以提高保护在单相接地时的灵敏度。零序过流保护主要用作外部电网接地短路的后备保护。5.过负荷保护变压器过负荷时,应利用过负荷保护发出信号,在无人值班的变电所内可将其作用于跳闸或自动切除一部分负荷。1.3电力变压器保护研究现状随着计算机硬件的迅速发展,微机保护硬件也在不断发展。微机保护的硬件已由第一代单CPU硬件结构和第二代多单片机的多CPU硬件结构发展到以高性能单片机结构的第三代硬件结构,其具有电路简单的特点,抗干扰的性能进一步加强,并完善了通信功能,为实现变电站自动化提供了方便。近年来,数字信号处
18、理技术开始广泛应用于微机保护领域。DSP的特点是计算能力强、精度高、总线速度快,将数字信号处理应用于微机继电保护,极大地缩短了数字滤波、滤序和傅立叶变换算法的计算时间,可以完成数据采集、信号处理的功能和传统的继电保护功能。差动保护为变压器主保护的主要形式,长期以来受到保护工作者的关注。1931年, R. E. Cordray提出比率差动的变压器保护,标志着差动保护作为变压器主保护时代的到来。1958年R. L. Sharp和WE. GlassBurn提出了利用二次谐波鉴别变压器励磁涌流的新方法,并在模拟式保护中加以实现。目前国内外生产变压器继电保护装置的厂家很多,就主保护而言,国外保护装置基本
19、是以二次谐波制动为主的比率差动保护,而国内则以二次谐波制动和间断角两种原理为主导,以波形对称原理为补充的格局正在形成。1.4继电保护的发展1.4.1计算机化随着计算机硬件的迅猛发展,微机保护硬件也在不断发展。南京电力自动化研究院目前在研究32位保护硬件系统。天津大学一开始即研制以16位多CPU为基础的微机线路保护。采用32位微机芯片并非只着眼于精度,因为精度受A/D转换器分辨率的限制,超过16位时在转换速度和成本方面都是难以接受的;更重要的是32位微机芯片具有很高的集成度,很高的工作频率和计算速度,很大的寻址空间,丰富的指令系统和较多的输入输出口。CPU的寄存器、数据总线、地址总线都是32位的
20、,具有存储器管理功能、存储器保护功能和任务转换功能,并将高速缓存(Cache)和浮点数部件都集成在CPU内。电力系统对微机保护的要求不断提高,除了保护的基本功能外,还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间,快速的数据处理功能,强大的通信能力,与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力,高级语言编程等。这就要求微机保护装置具有相当于一台PC机的功能。现在,同微机保护装置大小相似的工控机的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小型机,因此,用成套工控机做成继电保护的时机已经成熟,这将是微机保护的发展方向之一。继电保护装置的计算机化是不可逆转的发展趋势。1.4.2网络化计算
21、机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱。它深刻影响着各个工业领域,也为各个工业领域提供了强有力的通信手段。到目前为止,除了差动保护和纵联保护外,所有继电保护装置都只能反应保护安装处的电气量。继电保护的作用也只限于切除故障元件,缩小事故影响范围。这主要是由于缺乏强有力的数据通信手段。因继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围,还要保证全系统的安全稳定运行,这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据,各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作,确保系统的安全稳定运行。显然,实现这种系统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络
22、联接起来,亦即实现微机保护装置的网络化。对于某些保护装置实现计算机联网,也能提高保护的可靠性。天津大学1993年针对未来三峡水电站500kV超高压多回路母线提出了一种分布式母线保护的原理,初步研制成功了这种装置。其原理是将传统的集中式母线保护分散成若干个母线保护单元,分散装设在各回路保护屏上,各保护单元用计算机网络联接起来,每个保护单元只输入本回路的电流量,将其转换成数字量后,通过计算机网络传送给其它所有回路的保护单元,各保护单元根据本回路的电流量和从计算机网络上获得的其它所有回路的电流量,进行母线差动保护的计算,如果计算结果证明是母线内部故障则只跳开本回路断路器,将故障的母线隔离。在母线区外
23、故障时,各保护单元都计算为外部故障均不动作。这种用计算机网络有较高的可靠性。微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性,这是微机保护发展的必然趋势。1.4.3保护、控制、测量、数据通信一体化在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下,保护装置是电力系统计算机网络上的一个智能终端。它可从网上获取电力系统运行和故障的信息和数据,也可将它所获得的被保护元件的信息和数据传送给网络控制中心或任何一终端。因此,每个微机保护装置实现保护、控制、测量、数据通信一体化。目前,为了测量、保护和控制的需要,室外变电站的所有设备,如变压器、线路等的二次电压、电流都必须用控制电缆引到主控室。所敷设的大量控制电缆不但要大
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