主變壓器保護跳閘矩陣測量儀的研制及應用

席宇鵬

（錫林郭勒電業局，內蒙古 錫林浩特026000）

0 引言

主變壓器的高、中、低壓側后備保護邏輯較為復雜，不同類型保護的不同時限對應的跳閘矩陣邏輯各不相同，在新主變壓器保護投運和舊主變壓器保護裝置定檢工作中，校驗保護裝置的動作及跳閘邏輯的正確性非常重要[1-2]。以220 kV電壓等級的主變壓器保護為例，通常除了配置比率差動保護的主保護外，在高、低、中壓側配置復壓（方向）過流保護、零序（方向）過流保護、距離保護等多種類型的后備保護。其中，每種類型的保護又可以分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段，每段一般又分為1、2、3時限，每種類型不同時限的保護動作后跳閘邏輯不同，導致主變壓器保護跳閘矩陣的測量較為復雜。

為了驗證主變壓器各類保護動作后，保護裝置所對應的跳閘矩陣邏輯是否與定值單一致，傳統的跳閘矩陣邏輯測量有兩種方法。一種是利用萬用表的直流電壓檔測量電位法[3-5]。由于保護裝置的跳閘節點動作時間一般都是ms級的（100 ms左右），致使每次試驗最多只能對2—3個跳閘出口進行測量，這樣就必須重復2—3次試驗才能完成某類保護的某個時限保護動作后跳閘矩陣的校驗，要想完成主變壓器所有保護跳閘矩陣邏輯校驗十分耗時，且測量的準確性難以保障。另一種方法是利用繼電保護試驗儀的無源開入節點[6]。由于保護試驗儀的無源節點只有4個，無法將所有的跳閘節點接入試驗儀內，而且采用無源節點方式，要求拆除保護跳閘線，易導致運行間隔跳閘。

目前通常采用第一種方法，對于兩套主變壓器保護，保護邏輯多達數十種，至少需要兩人配合對保護跳閘矩陣的邏輯進行數十次的測量，既耗時費力，又存在漏測的可能。文獻[4]提出了一種以單片機為核心的保護裝置跳閘出口校驗方法，但是單片機的抗干擾能力較差，限制了測量儀的可靠運行。文獻[7]對一種保護壓板快速測量的方法進行了闡述，但并未給出具體的實施方案。本文基于可編程邏輯控制器（PLC）抗干擾能力強、易于維護、穩定性好和易于編程等特點，研制了以PLC為核心的主變壓器保護跳閘矩陣測量儀。

1 測量儀設計原理

主變壓器保護的跳閘矩陣定義及邏輯情況見表1、表2。將相應跳閘出口設為橫坐標，各種保護動作設為縱坐標，某個保護動作與繼電器出口交點為“1”，則說明該保護動作，啟動該繼電器出口。

表1 跳閘矩陣定義表

為保證研制的測量儀具有通用性，能適應各種電壓等級和多跳閘出口的主變壓器保護的要求，實現模擬一次故障就能校驗一種保護動作的跳閘矩陣邏輯，裝置需要滿足以下需求：（1）脈沖電壓的檢測范圍為90~130 V；（2）監測輸入端口6個以上，滿足多出口跳閘壓板測量的需求；（3）能夠測量跳閘出口動作時間；（4）測量跳閘出口時，不能發生直流接地故障。

對此，采取了以下設計方法：（1）測試儀的控制元件采用S7-200 SMART系列中的ST-20型PLC控制器，掃描周期為5 ms，滿足所測的脈沖電壓精度要求；（2）多數變電站的跳閘出口數量為6個，本文在此基礎上增設了1個計時啟動輸入端口，共計7個跳閘輸入檢測口；（3）基于PLC控制器的計時功能，對動作的跳閘出口進行計時；（4）將200 kΩ電阻與12 V額定電壓的中間繼電器串聯，作為跳閘出口的輸入回路，保證在極端情況下直流系統不會發生接地故障。

1.1 硬件電路設計

測量儀硬件電路原理如圖1所示，中間繼電器與電阻串聯接到壓板下端口進行跳閘出口電壓檢測，當某個跳閘出口動作后，其相應壓板的下端口會流過直流正電流，此時與跳閘壓板對應的中間繼電器線圈帶電、常開觸點閉合，這時PLC對應的輸入點收到跳閘開入信號，將跳閘信息（動作開關和動作時間）顯示到觸摸屏。

圖1 硬件電路原理

1.2 軟件程序設計

采用梯形圖語言編程，測量儀PLC內的軟件工作流程如圖2所示。

圖2 軟件程序流程

PLC編程采用STEP7-Micro/WIN SMART軟件，程序語言采用梯形圖，其程序如圖3所示。

圖3 梯形圖程序

使用WinCC flexible SMART軟件進行人機界面的組態，繪制畫面并對各個控制進行數據鏈接，主畫面如圖4所示。

圖4 人機界面主畫面

對PLC和人機界面設備進行組態，設置PLC和人機界面的IP為同一個網段的不同地址，新建變量連接，通過以太網進行數據交換與信息通信。

2 測量儀應用效果

2.1 使用方法

該測量儀的接線比較簡單，共有7個輸入端，分別為計時啟動輸入、跳高壓側開關、跳中壓側開關、跳低壓側開關、跳高壓側母聯、跳中壓側母聯和跳低壓側分段，將6個跳閘輸入用試驗線和試驗夾子接到相應的跳閘壓板的下端口，計時啟動輸入端需要接至繼電保護測試儀的開出端，當開始模擬故障時，測量儀的開出端閉合，當某一跳閘脈沖發送至PLC的輸入端口時，PLC會對相應的跳閘脈沖到來的時間進行計時，并在顯示屏上將動作時間顯示在對應開關下面。

圖5 為應用測量儀在110 kV東郊變電站2號主變壓器高壓側零序（方向）過流Ⅰ段1、2時限的測量接線，圖6為顯示結果。由顯示結果可以看出，顯示屏上的高壓側母聯和高壓側開關由紅變綠，并且高壓側母聯下方顯示的動作時間為1520 ms，高壓側開關下方顯示的動作時間為2093 ms。可以得出：零序（方向）過流Ⅰ段1時限動作跳的是高壓側母聯開關，2時限動作跳的是高壓側開關，將測試結果與定值單要求的跳閘邏輯和跳閘時間進行比較，如相同則判斷跳閘矩陣邏輯及跳閘時間正確，否則為不正確。

圖5 測量儀使用接線圖

該測量儀設計了Run和Simulation兩種工作模式，Simulation模式主要是通過手觸方式演示測量儀動作和時間顯示效果；在正常測量時使用Run模式才能測量出主變壓器保護跳閘矩陣動作情況。

2.2 應用效果

表3 統計了錫林郭勒電業局所轄部分變電站主變壓器保護跳閘矩陣校驗所需時間（采用萬用表測量電壓法）。

表3 采用萬用表測量法校驗時間統計結果

為了更好地統計和計算主變壓器保護跳閘出口的校驗時間，本文所指的單個保護邏輯具體到某段某時限保護，例如：過流Ⅰ段1時限為一個保護邏輯，過流Ⅰ段2時限為另一個保護邏輯。定義計算模型：跳閘矩陣校驗時間=保護裝置套數×（單個邏輯平均校驗時間×保護邏輯數量/每套）。

采用主變壓器保護跳閘矩陣測量儀對錫林郭勒電業局部分變電站的主變壓器保護跳閘矩陣校驗時間進行了統計，結果如表4所示。

表4 采用主變壓器保護跳閘矩陣測量儀校驗時間統計結果

可以看出：采用跳閘矩陣測量儀對主變壓器保護跳閘矩陣進行校驗所需時間比采用萬用表測量所需時間短得多，220 kV主變壓器保護跳閘矩陣平均校驗時間縮短了60.42%，110 kV主變壓器保護跳閘矩陣平均校驗時間縮短了54.81%。同時，采用主變壓器保護跳閘矩陣測量儀提高了測量的準確性，避免了漏測、錯測情況的發生，且該測量儀還能對每個跳閘出口的動作時間進行測量，通過動作時間的長短可以辨別跳閘繼電器的先后動作關系。

3 結語

本文所研制的跳閘矩陣測量儀采用PLC作為儀器的CPU，顯示屏作為跳閘信息顯示界面，依靠梯形圖編程語言完成跳閘矩陣邏輯和跳閘出口動作時間測量，依靠組態軟件完成跳閘出口動作和跳閘時間顯示的編程，應用該測量儀不僅能縮短主變壓器保護跳閘矩陣校驗時間，提高工作效率，而且還提高了校驗的準確性。該測量儀還可應用于其他多出口跳閘保護裝置和安自等裝置，例如小電流接地選線裝置的跳閘矩陣的測量，具有靈活的可操作性和較強的實用性。