變壓器差動(dòng)保護(hù)實(shí)驗(yàn)面板的研究設(shè)計(jì)

王思華

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

虛擬儀器改變了傳統(tǒng)儀器的概念、模式和結(jié)構(gòu)，使用者完全可以自己定義儀器的功能和參數(shù)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在經(jīng)濟(jì)性、靈活性和可擴(kuò)展性等方面都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái)(laboratory virtual instrument engineering workbench，Lab-VIEW)是一種圖形化的編程語言，簡(jiǎn)稱G語言[1]。它是目前應(yīng)用范圍較廣、功能較為強(qiáng)大的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)[2]。將虛擬儀器應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)更加靈活生動(dòng)，從而減少對(duì)硬件儀器的依靠，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的不足，降低了實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與管理成本，同時(shí)對(duì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)也具有重大意義。

變壓器的差動(dòng)保護(hù)是變壓器保護(hù)的一個(gè)核心單元，目前變壓器的差動(dòng)保護(hù)一般采用二次諧波制動(dòng)的微機(jī)保護(hù)裝置[3]。為了能夠讓學(xué)生充分理解二次諧波制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)的原理，就必須通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備來驗(yàn)證。但目前的實(shí)驗(yàn)裝置一般是微機(jī)化裝置，通過實(shí)驗(yàn)不能直觀顯示其內(nèi)部處理過程，僅僅是給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不便于學(xué)生理解整個(gè)差動(dòng)保護(hù)原理。本文結(jié)合變壓器差動(dòng)保護(hù)研究，采用LabVIEW編程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基于虛擬儀器的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

1 變壓器差動(dòng)保護(hù)的原理

差動(dòng)保護(hù)是變壓器的主要保護(hù)。變壓器差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)范圍是變壓器兩側(cè)電流互感器安裝地點(diǎn)之間的區(qū)域，以保護(hù)變壓器內(nèi)部及兩側(cè)套管和引出線上的相間短路故障。其基本原理與其他差動(dòng)保護(hù)相同，但是由于變壓器空載合閘時(shí)，將會(huì)在電源側(cè)出現(xiàn)數(shù)值較大的電流，即勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流的存在，即使在保護(hù)范圍內(nèi)沒有故障時(shí)，也會(huì)造成一個(gè)較大的不平衡電流流過繼電保護(hù)裝置，如果變壓器保護(hù)門坎值低，將會(huì)造成變壓器保護(hù)的誤動(dòng)。因此，要提高整個(gè)差動(dòng)保護(hù)的可靠性和靈敏度，就必須設(shè)法減小和避免不平衡電流[3－4]。

傳統(tǒng)的差動(dòng)保護(hù)是利用速飽和變流裝置以及相關(guān)平衡繞組來躲過不平衡電流的。這對(duì)目前采用的微機(jī)變壓器保護(hù)是不現(xiàn)實(shí)的。因此，必須采用其他原理來糾正不平衡電流的影響。目前，可以實(shí)現(xiàn)變壓器微機(jī)差動(dòng)保護(hù)原理有多種方式，從性價(jià)比來講，二次諧波制動(dòng)的比率差動(dòng)保護(hù)是應(yīng)用最多的變壓器差動(dòng)保護(hù)，其動(dòng)作特性如圖1所示[5]。

圖1 比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性Fig.1 Percentage differential protection features

為了使學(xué)生能更好地理解比率差動(dòng)保護(hù)的原理，本文利用LabVIEW編程設(shè)計(jì)提供的相關(guān)模塊，進(jìn)行了變壓器差動(dòng)保護(hù)實(shí)驗(yàn)面板的設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

整個(gè)面板主要由帶通濾波器、輸入信號(hào)頻率控制、告警電壓裝置、二次諧波的門坎設(shè)定裝置、延時(shí)裝置、輸入信號(hào)示波器、二次諧波示波器、基波示波器和相關(guān)測(cè)試窗口組成。

實(shí)驗(yàn)面板用帶通濾波器來模擬變壓器保護(hù)的差動(dòng)電流采集裝置。帶通濾波器根據(jù)變壓器微機(jī)保護(hù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求輸入一定范圍的頻率信號(hào)。通過該帶通濾波器可以很方便地設(shè)置高頻和低頻，同時(shí)通過輸入信號(hào)幅值控制旋鈕來模擬變壓器差動(dòng)電流的幅值。通過帶通濾波器和輸入信號(hào)幅值控制旋鈕這兩個(gè)裝置，學(xué)生可以方便地設(shè)定輸入差動(dòng)電流的相關(guān)數(shù)值，并且通過輸入信號(hào)示波器進(jìn)行差動(dòng)電流的顯示，使學(xué)生在理解差動(dòng)電流的輸入環(huán)節(jié)上更直觀。

為了進(jìn)一步理解二次諧波制動(dòng)概念，在系統(tǒng)面板上設(shè)置了二次諧波的門坎電壓輸入裝置。通過該裝置學(xué)生可以在一定幅值范圍內(nèi)進(jìn)行二次諧波電流的輸入調(diào)節(jié)，并在面板上設(shè)計(jì)了差動(dòng)電流門坎電壓輸入裝置和動(dòng)作時(shí)間控制裝置，便于學(xué)生理解保護(hù)動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)間的概念。同時(shí)，設(shè)置了基波信號(hào)與二次諧波信號(hào)顯示器，使學(xué)生理解輸入的差動(dòng)電流的成分。

3 系統(tǒng)前面板的設(shè)計(jì)

變壓器差動(dòng)保護(hù)前面板的設(shè)計(jì)以LabVIEW為基礎(chǔ)，利用圖形化的編程方式，實(shí)現(xiàn)變壓器微機(jī)保護(hù)的數(shù)字濾波、過壓告警、二次諧波制動(dòng)和差動(dòng)保護(hù)[6－7]。由于整個(gè)程序過于龐大，現(xiàn)僅取三相電流中的一相進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)。微機(jī)保護(hù)主界面主要包括輸入信號(hào)幅值旋鈕、輸入信號(hào)頻率控制旋鈕、帶通濾波器旋鈕、二次諧波制動(dòng)的門坎電壓旋鈕、時(shí)間控制旋鈕、三個(gè)信號(hào)顯示窗口、差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)和停止開關(guān)以及差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)指示燈和二次諧波制動(dòng)信號(hào)指示燈。為了進(jìn)一步揭示輸入的模擬差動(dòng)電流的波形，在實(shí)驗(yàn)面板上設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠顯示含有高斯噪聲的差動(dòng)電流信號(hào)示波器。通過差動(dòng)電流示波器可以較直觀地觀察輸入差動(dòng)電流的大小及波形，如圖2(a)所示。實(shí)驗(yàn)面板程序通過對(duì)含有高斯噪聲的差動(dòng)電流進(jìn)行數(shù)字濾波，獲取其基波信號(hào)，從而進(jìn)行差動(dòng)基波電流有效值計(jì)算。面板采用第二個(gè)示波器來顯示其大小波形，如圖2(b)所示。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)面板程序通過對(duì)上述含有高斯噪聲的差動(dòng)電流進(jìn)行數(shù)字濾波，獲取二次諧波信號(hào)，從而進(jìn)行二次諧波電流有效值的計(jì)算，且實(shí)驗(yàn)面板用第三個(gè)示波器來顯示二次諧波信號(hào)波形大小，如圖2(c)所示。將計(jì)算的差動(dòng)電流基波有效值和二次諧波電流有效值，與設(shè)定的門坎值進(jìn)行比較，最后由實(shí)驗(yàn)面板裝置給出動(dòng)作結(jié)果，其動(dòng)作或制動(dòng)結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)面板指示燈給出。

圖2 實(shí)驗(yàn)面板電流波形Fig.2 Current waveforms of experiment panel

4 系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)面板建立的關(guān)鍵是程序的搭建。如何構(gòu)建一個(gè)功能完善的差動(dòng)保護(hù)的實(shí)驗(yàn)面板，關(guān)鍵是對(duì)整個(gè)變壓器微機(jī)差動(dòng)保護(hù)的原理要深入理解，同時(shí)也要熟練掌握LabVIEW編程技巧。本文利用LabVIEW提供的相關(guān)模塊，搭建變壓器差動(dòng)保護(hù)實(shí)驗(yàn)面板程序。實(shí)驗(yàn)面板程序模塊主要包括2個(gè)低通濾波器、1個(gè)帶通濾波器、基波處理單元、二次諧波處理單元、比較單元和邏輯出口單元等。仿真信號(hào)由程序產(chǎn)生，然后經(jīng)濾波、測(cè)量和比較，由指示燈給出保護(hù)的結(jié)果[8]。程序中加入延時(shí)是為了更清楚地觀察信號(hào)的變化及濾波后的結(jié)果;程序中的參數(shù)是為了驗(yàn)證程序的正確與否而給定的，與理論上的參數(shù)不同，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)實(shí)際情況具體設(shè)定。

5 實(shí)驗(yàn)面板的應(yīng)用

為了進(jìn)一步說明變壓器差動(dòng)保護(hù)實(shí)驗(yàn)面板的應(yīng)用，本文結(jié)合變壓器差動(dòng)保護(hù)原理接線來詳細(xì)說明。變壓器差動(dòng)保護(hù)的接線原理如圖3所示，其主要由變壓器兩側(cè)電流互感器和微機(jī)保護(hù)裝置構(gòu)成。電流互感器通過差接法形成變壓器的差動(dòng)電流，微機(jī)保護(hù)裝置是對(duì)差動(dòng)電流進(jìn)行分析運(yùn)算，最后得出是否動(dòng)作的結(jié)論。

圖3 變壓器差動(dòng)保護(hù)接線原理圖Fig.3 Wiring principle of transformer differential protection

由圖3可知，差動(dòng)電流由I'1和I'2構(gòu)成。將差動(dòng)電流送入微機(jī)保護(hù)裝置，由微機(jī)保護(hù)裝置根據(jù)圖1動(dòng)作特性決定是否給出差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)面板是利用輸入信號(hào)幅值旋鈕及其頻率旋鈕，通過程序產(chǎn)生1個(gè)差動(dòng)電流輸入信號(hào)，用此信號(hào)模擬圖3中的差動(dòng)電流信號(hào)。該信號(hào)通過內(nèi)部程序的運(yùn)算，在實(shí)驗(yàn)面板的3個(gè)顯示窗口分別顯示出差動(dòng)電流輸入信號(hào)、基波信號(hào)和二次諧波信號(hào)。最后通過控制實(shí)驗(yàn)面板二次諧波制動(dòng)門坎值和基波動(dòng)作電流的門坎值，就可得知該輸入電流是否在圖1的動(dòng)作區(qū)或制動(dòng)區(qū)。如當(dāng)變壓器內(nèi)部短路時(shí)，其基波電流大、二次諧波電流小，差動(dòng)電流即進(jìn)入動(dòng)作區(qū)，保護(hù)動(dòng)作。這時(shí)實(shí)驗(yàn)面板的差動(dòng)保護(hù)指示燈亮。當(dāng)變壓器空載合閘時(shí)，盡管差動(dòng)電流數(shù)值較大，但其含有豐富的二次諧波，差動(dòng)電流則進(jìn)入圖1的制動(dòng)區(qū)。這時(shí)二次諧波制動(dòng)指示燈亮，避免變壓器合閘時(shí)的誤動(dòng)作。

另外，利用該實(shí)驗(yàn)面板裝置還可以讓學(xué)生理解差動(dòng)速斷保護(hù)的概念，即當(dāng)上述基波差動(dòng)電流有效值大于圖1所示的Isd時(shí)，就進(jìn)入差動(dòng)速斷保護(hù)區(qū)。在實(shí)驗(yàn)過程中，加大輸入信號(hào)的幅值，當(dāng)基波差動(dòng)電流有效值超過設(shè)定門坎值后，即使調(diào)節(jié)二次諧波門坎值，其保護(hù)不受影響，相當(dāng)于進(jìn)入差動(dòng)速斷保護(hù)環(huán)節(jié)。

6 結(jié)束語

要設(shè)計(jì)一個(gè)界面良好、功能較為齊全且操作方便安全的變壓器差動(dòng)保護(hù)實(shí)驗(yàn)面板，首先要對(duì)變壓器微機(jī)差動(dòng)保護(hù)原理進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和研究;其次要對(duì)虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行研究，利用它提供的一些模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過該實(shí)驗(yàn)面板的運(yùn)行，可以讓學(xué)生既能加深對(duì)微機(jī)保護(hù)原理認(rèn)識(shí)與理解，又可以很方便在理論課堂上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)討論。

總之，該設(shè)計(jì)可以大大減輕真實(shí)設(shè)備硬件的負(fù)擔(dān)，實(shí)驗(yàn)時(shí)安全可靠，又能使學(xué)生認(rèn)識(shí)整個(gè)差動(dòng)保護(hù)的實(shí)質(zhì)和過程，為以后實(shí)驗(yàn)的開發(fā)提供了一定的借鑒。

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