礦用變壓器繼電保護裝置的硬件改造及動態試驗研究

李 鵬

（山西潞安配售電有限公司， 山西 襄垣 046200）

引言

供電系統是煤礦生產的動力源，采煤機、刮板輸送機、液壓支架等大型設備均由電力驅動。礦用變壓器作為煤礦供電系統的重要組成部分，其是否能夠穩定運行直接關系著供電系統的穩定性，也決定著綜采設備是否能夠穩定、安全地運行。在實際生產中，需根據變壓器的容量等相關性能設計變壓器繼電保護裝置。目前，變壓器繼電保護裝置在實際應用中受到其他元器件的干擾，導致其內部電流不平衡，影響了繼電保護裝置正常功能的發揮[1]。因此，本文重點對礦用變壓器繼電保護裝置進行硬件改造，并對改造后裝置的性能開展動態性能試驗。

1 礦用變壓器繼電保護裝置硬件改造的總體設計

針對傳統變壓器繼電保護裝置存在電流不平衡的問題，本文將基于DSP 為核心實現對礦用變壓器的微機保護。目前，工業中常應用的微機保護裝置硬件普遍采用插件式結構，基于該種結構可將礦用變壓器分為多個功能模塊，包括有雙CPU 模塊、輸入/輸出模塊、信號采集輸入模塊、人機接口模塊以及通信模塊等。礦用變壓器微機保護裝置的基本硬件結構如圖1 所示。

如圖1 所示，變壓器微機保護裝置由雙CPU 結構為核心實現對變壓器的保護，一個CPU 承擔保護功能，具體對變壓器實現主保護和后備保護，另一個CPU 承擔監控功能。其中，保護CPU 以DSP 處理器為核心實現對所采集信號的模數轉換、濾波處理以及通過保護算法實現對變壓器的保護。監控CPU 以另一塊DSP 處理器為核心完成人機交互功能、通信功能以及保護啟動功能的實現[2]。結合當前工業中DSP 處理器的應用類型，本工程選用的兩塊處理器型號為TMS320LF2407A，設計繼電保護裝置，實現對礦用變壓器的保護。

圖1 變壓器微機保護裝置硬件結構框圖

2 變壓器微機保護裝置的硬件改造

2.1 變壓器微機保護裝置的硬件改造設計

針對變壓器微機保護裝置的硬件部分，重點完成信號采集電路、輸入/輸出電路、外設電路等硬件的設計。

2.1.1 信號采集轉換電路的設計

目前，可應用的信號采集轉換電路方式分為直流采樣和交流采樣。其中，直流采樣電路具有算法簡單且便于濾波的優勢，但是該種采樣電路成本較大，適用性并不強。而交流采樣電路具有較好的實時性、數據相位失真少且便于維護[3]。因此，本工程采用交流采樣電路對信號進行采集。交流采集轉換電路如圖2所示。

圖2 交流采集轉換電路圖

以圖2 所示的交流采集轉換電路為基礎，配置10 bit ADC 模塊，其中包含有16 個模擬輸入通道，并可實現自動排序功能。

2.1.2 輸入/輸出電路的設計

針對微機保護裝置控制信號的特殊性，必須將開關量信號轉換為微機可接收/發送的電平信號后才能夠傳輸。因此，需要為變壓器繼電保護裝置設計專用開關量輸入電路和開關量輸出電路，如圖3 所示。

圖3 開關量輸入/輸出電路

針對開關量輸入電路，采用型號為DLP521-1 的光耦電路，提高了整個回路的抗干擾能力。針對開關量輸出電路，采用型號為TLP521-1 的光耦隔離放大電路，能夠將微機保護裝置的電源與數字系統實現相互隔離，解決了電源對數字系統造成的干擾，解決了保護裝置中電流不平衡的問題[4]。通過開關量輸出電路，能夠根據工況實現跳閘、合閘、驅動繼電器動作，并發出聲光報警。

2.2 微機保護裝置抗干擾設計

為進一步提升礦用變壓器微機保護裝置的抗干擾能力，有效避免因不穩定電流存在而導致的保護裝置誤動作和延遲動作，在完成保護裝置基本功能設計的基礎上，還需強化抗干擾設計。結合設計和實踐生產的經驗，針對保護裝置硬件抗干擾設計采取如下措施：

1）為變壓器保護裝置的電源增加一個匹配的電源濾波器，抑制電磁干擾對系統回路的耦合路徑。

2）鑒于傳統管腳接地布線的連續性較差，為了減少實際裝配時的過孔數目，本工程采用貼片封裝的方式對DSP 等元件進行封裝。

3）結合微機保護裝置的特點，將保護裝置的機殼、電源的共模濾波器通過靜電屏蔽層實現與大地的連接，保證接地電阻小于10 Ω。

此外，在上述基礎抗干擾措施之外，還存在少量干擾信號耦合進入微機保護裝置的可能性。因此，為了進一步提升微機保護裝置的抗干擾能力，還需對保護裝置的相關硬件和插件進行合理分配和布置。具體措施為：將變壓器保護裝置的核心部分包括CPU、ROM、RAM以及A/D 轉換器等放入屏蔽箱內，實現干擾源與薄弱環節之間的空間隔離[5]。

3 變壓器保護裝置的動態試驗分析

為驗證所設計的變壓器微機保護裝置的動態性能，基于MATLAB 建立變壓器的故障模型，并將模型應用于保護裝置中，重點對保護裝置的電流速斷保護功能的性能進行試驗。本文所設計的保護裝置針對電流速度保護包含有三個動作時間，分別為電流速斷保護時間為0.1 s，電流反時限速斷保護時間為0.8 s，定時限速斷保護時間為4.2 s。同時，所設計的繼電保護裝置的額定工作電流為3 A，設定電流值在5 A 和8 A 時動作，并對響應能力進行仿真，仿真結果如表1 所示。

表1 微機保護裝置動態響應特性

如表1 所示，微機保護裝置能夠實現對變壓器可靠、有效的保護，在不同的電流保護范圍內，系統動作電流值與整定值的相對誤差均控制在±3%之內，達到了設計要求。

4 結語

變壓器為煤礦供電系統必不可少的電氣裝置，其工作的可靠性和穩定性直接決定其是否能夠為采煤機、帶式輸送機等機電設備提供穩定的電能。傳統變壓器繼電保護裝置存在容易被干擾的薄弱環節，導致其內部存在不平衡的電流，進而造成保護裝置誤動作、延時動作。為解決上述問題，本文以雙DSP 處理器對傳統繼電保護裝置的硬件進行改造，并根據設計和實踐經驗，增加了保護裝置的抗干擾設計。測試結果表明，微機保護裝置能夠實現對變壓器可靠、有效的保護，在不同的電流保護范圍內，系統動作電流值與整定值的相對誤差均控制在±3%之內，達到了設計要求。