阻抗匹配平衡牵引变压器微机差动保护的研究

摘要：　　简单阐述了阻抗匹配平衡牵引变压器的一般原理，提出了利用计算机技术实现阻抗匹配平衡牵引变压器差动保护的方案。
　　关键词：　　阻抗匹配平衡牵引变压器;差动保护；微型计算机
　　中图分类号：TM922.3；TM772文献标识码：B文章编号：1006-6047(1999)06-0042-03

　　阻抗匹配平衡变压器(简称平衡变压器)是湖南大学最近研究成功的电气化铁道供电变压器，由云南变压器厂生产，在我国电气化铁道牵引供电中已开始集中采用。该变压器低压侧接电气化铁道上行线和下行线两相负载，两相负荷的电流随列车的运行情况变化而变化；高压侧接三相电力系统。其最大优点是：在低压侧两相不对称负荷的各种运行方式下，变压器高压侧三相电流具有较好的对称性，减小了负序电流以及负序电流对电力系统的影响，提高了系统的电能质量。随着电气化铁道的迅速发展，阻抗匹配平衡变压器具有广阔的应用前景。
　　阻抗匹配平衡变压器在结构性能上与Y/△-11电力变压器有很大的不同，变压器低压侧两相电流相位差为90°，高压侧电流与低压侧电流相位差随列车运行方式的变化在0°～90°之间变化。上述特点给设计平衡变压器的差动保护带来了困难。本文在研究平衡变压器高低压侧电流变化规律的基础上，不经辅助TA变换和常规差动继电器，采用计算机技术，实现差动保护，满足了平衡变压器继电保护的需要。
　　1平衡变压器　　
　　阻抗匹配平衡牵引变压器原边应接成星形联结并抽出中性点，副边接成三角形并在B相外延两个支臂，如图1所示。
　　
　　图1变压器绕组图
　　图1中，W₁为变压器原边相绕组匝数，W₂为副边相绕组匝数，ΔW为支臂匝数。通过推算可得到：
　　
　　在副边三角形内，设阻抗Z_ac=Z_bc=Z₂,而Z_ab=K_z^.Z₂。按照I_α，I_β在三角形内各支路上的电流分配关系，在各支路上应用叠加原理得到各支路的总电流。再应用各芯柱上的磁势平衡原理，略去励磁电流I_O，可以写出副边I_α，I_β与原边I_A，I_B，I_C的线性映射关系式如下：
　　 (1)
　　如强制要求三相一次侧中性点电流I_N=0(即零序电流无条件为零)，可以推出。
　　当且令时上列阵式(1)可转化为
　　 (2)
　　当I_α≠I_β时，原边三相电流为平衡系，I_N=0，即无零序，并满足方程(2)式。
　　当副边两臂负载相等，即I_α=I_β=I₂时原边三相电流将组成三相对称系，即
　　 (3)
　　 (4)
　　 (5)
　　而副边三角形内的电流为
　　 (6)
　　 (7)
　　如平衡变压器原边输入三相电压为110kV,而副边反相输出电压为27.5kV时，其变化为
　　 (8)
　　 (8)式中K值是差动保护中的一个整定项。
　　2保护原理　　
　　以(2)式为数学模型，把低压侧α，β相电流转换成高压侧的三相电流。阻抗匹配平衡变压器的高压侧(110kV)是三相对称系统(三相电压大小相等，相位相差120°)，低压侧(27.5kV)输出，为使27.5kV侧电流与110kV侧电流的作用相当于幅值相等，相位一致，故需将27.5kV侧电流在程序中用软件进行两相—三相变换，得到三相电流。
　　按下式,i_α和i_β进行矢量运算，得到：

　　I_A，I_B，I_C分别与高压侧三相电流做差动计算，上式的计算先差分后，再用傅氏算法以消除直流分量。
　　3MCu插件　　
　　3.1主板
　　　主要实现模拟量的变换采集，保护计算处理，键盘和显示的处理，串行通信及动作元件启动，功能框图如图2。
　　
　　图2主板功能图
　　保护回路的5个模拟量经无源低通滤波电路接到多路模拟转换开关，和2路自检用直流+5V，-5V共7路经多路转换开关切换至AD1674，AD1674将模拟量转换成数字量。
　　80C196KC是MCS96微控器中的增强型产品。除具有MCS96系列基本功能外，还具有多窗口结构的特殊功能寄存器，PTS服务器，附加片内256字节RAM，功能增强的全双工串行通信接口UART等功能。具有低功耗，运算速度快等优点。
　　PSD311为一无粘合接口芯片，内含EPROM，RAM，PLD端口扩展等功能，PSD311的使用使整个板可靠性提高，功耗降低。
　　MCu通过I/O线与串行E²PROM相连，将定值系数等重要信息保存在E²PROM中。E²PROM具有体积小，保存信息安全等优点。
　　MCu的全双工串行通信接口(UART)通过MAX1480至RS-485总线上，或通过MAX202E与RS-232接口，实现与通信管理单元的通信。
　　MAX705为本CPU插件提供加电、掉电及降压情况下的复位输出和独立的看门狗输出，以确保CPU插件的安全工作。
　　所有的开出量经MCu的高速输出口输出。所有的开入经PSD311开入。开入、开出均经光电耦合器隔离。
　　3.2显示板
　　　显示板设有电源指示灯、运行指示灯和12位LCD液晶显示器。可对系统的运行状态、故障信息和定值设置等信息进行显示，通过与键盘配合可以方便地进行定值改写和读内部标志及出口传动等功能。
　　3.3接口板
　　　接口板为模拟量、开入量和开出量的输入、输出通道，有5个保护TA、跳闸继电器和故障闭锁继电器，可完成模拟信号的变换，开关信号的采集和保护信号的出口功能等。
　　4突变量起动元件　　
　　装置每相一个突变量起动元件，其算法如下(以A相为例)：
　　
　　式中i_k为某一瞬间差电流采样值；i_k-n为20ms前同相差电流的采样值；i_k-2n为40ms前同相差电流的采样值。
　　采用上式可以补偿由于电网频率偏离50Hz时产生的不平衡输出，三个突变量元件中任一个起动，就起动保护计算，开放差动速断保护和差动保护。
　　4.1差动速断元件
　　　本装置的差动电流为
　　 I_cd=|I_n-I₁|
　　式中I_n为高压侧A，B，C任一相电流；I₁为对应低压侧二相变三相后，A，B，C中一相电流。
　　差动速断元件采用一次差分滤波后，用半波傅氏算法计算，采用分相式。差动速断定值按躲过外部故障时的最大不平衡电流和可能出现的最大励磁涌流整定，其动作判据为I_cd>I_cdset。
　　4.2差动元件
　　　三相式，具有比例制动和谐波制动特性。差动保护采用一次差分滤波后，用全波傅氏算法，计算I_cd,I_zd,I₂,其中，差动电流I_cd=|I_h-I₁|,制动电流I_zd=|I_h+I₁|/2，二次谐波电流I₂为三相差动电流中含二次谐波最大相的二次谐波值。差动保护动作判据为
　　 I₂<K₂^.Icd
　　 I_cd>I_cdset+K₁(I_zd-I_zdset)
　　式中K₂为二次谐波制动系数，调整范围0.12～0.40；K₁为比例制动系数，一段0.3，二段0.7；I_cdset为差动电流的门槛。
　　整定原则为I_cdset躲过正常运行时的最大不平衡差流，数据处理模块软件框图如图3所示。
　　
　　图3数据处理程序框图
　　 5结论　　
　　阻抗匹配平衡牵引变压器已在电气化铁道中广泛采用。用常规差动继电器实现该变压器差动保护时必须增加辅助变流器，给施工安装带来了困难，使用微机阻抗平衡变差动保护，可以省去辅助变流器，其变换在装置内部由软件完成，减轻了现场调试工作和时间，并且相间保护灵敏系数也均为1，提高了可靠性和灵敏度。
　　作者简介：　　宋永明(1966-)，男，工程师，从事电气化铁道继电保护和监控自动化装置的设计研究工作；
　　袁德柱(1966-)，男，高级工程师，从事电力系统继电保护及电气化铁道牵引变电所保护和监控等自动化装置的设计和研究工作。
　　作者单位：　　(阿城继电器股份有限公司，黑龙江阿城150302)
　　参考文献　　
　　〔1〕王维俭，刘俊宏.试论变压器差动保护的现状与发展［J］.电力自动化设备，1996，16(4)：8～13