一種變壓器跳閘矩陣校驗裝置的研制與應用

王利波，左 晨，吳雪峰，黃曉峰，陳 昊

（浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江金華 321000）

0 引言

變壓器在變電站中起著樞紐作用，承擔升、降壓調節電壓的重任，其運行狀況的好壞直接決定了電力系統能否安全穩定運行。大型變壓器一般結構復雜、價格昂貴，一旦因故障損壞則檢修難度大，并將可能造成區域停電，對人們的生產生活造成較大影響[1]。因此，對變壓器的保護十分重要。

變壓器保護定期校驗是驗證變壓器保護裝置是否正常運行的重要手段，也是保證變壓器穩定可靠運行最基本的措施。變壓器保護跳閘矩陣校驗作為變壓器保護定期校驗中的重要環節，主要用于校驗變壓器保護裝置各種保護動作跳閘邏輯的正確性。

目前，大部分220 kV 變壓器保護裝置配置的保護類型有：縱聯差動保護、差動速斷保護、復壓閉鎖過流保護、零序過流保護、間隙保護。其中，復壓閉鎖過流保護、零序過流保護在220 kV變壓器的高、中、低三側均有配置，且這兩種保護又可分為三段，每段最多可以配置3 個時限。變壓器各側不同類型不同分段不同時限的保護動作時跳閘及開出量的動作情況均有所不同，使得變壓器保護跳閘矩陣較為復雜[2]。

傳統變壓器跳閘矩陣校驗的方法主要有兩種，一種是用數字多用表直接測量跳閘出口壓板和開出壓板，當保護動作時部分跳閘出口壓板和開出壓板的下端會有電位的變化，數字多用表可以檢測到這種變化，這種校驗方法需要多次重復試驗，且試驗過程中容易誤操作導致試驗失敗；另一種是利用繼電保護校驗儀，將變壓器保護的跳閘出口及開出接點連接至繼電保護測試儀的開入量檢測模塊，當跳閘出口及開出接點閉合時將會被檢測到，依據檢測結果得出變壓器跳閘矩陣，但繼電保護測試儀一次只能測試四組接點，測試過程中需要頻繁更改試驗接線，且不能檢測有源接點的開閉情況。

為解決上述試驗方法問題，文獻［3］以可編程邏輯控制器為核心，研制了一種主變壓器保護跳閘矩陣測量儀，但此測量儀只能檢測開關跳閘出口情況，無法檢測其他開關量動作情況。文獻［4］設計了以單片機作為核心的跳閘出口壓板測試儀，但整個測試過程需要與繼電保護測試儀配合才能完成跳閘矩陣的檢驗，試驗過程相對繁瑣。文獻［5］研制了一套32 通道智能跳閘矩陣測試儀，具有一定的創新性，但該測試儀得出的試驗結果不夠直觀，在與定值單上的跳閘矩陣作對比時容易出錯。

針對上述問題，本文提出一種新型的變壓器跳閘矩陣校驗裝置，基于CPLD（Complex Programmable Logic Device，復雜可編程邏輯器件），具有接線簡單、試驗操作便捷、檢測全面、試驗結果直觀等特點。

1 設計原理

變壓器保護跳閘出口及開出壓板主要有：跳高壓側開關、跳中壓側開關、跳低壓側開關、跳中壓側母聯開關、閉鎖低壓側母分開關備自投、高壓側開關失靈啟動、高壓側開關失靈解除復壓閉鎖。在進行變壓器保護跳閘矩陣校驗時，需要監測上述壓板電位變化情況，即檢測壓板是否動作，進而判斷保護的動作邏輯是否正確。表1 為某變壓器保護定值單中的部分跳閘矩陣，其中不包括其他開出壓板。

表1 跳閘矩陣

為使研制的校驗裝置能夠適用于大部分變壓器保護裝置，同時針對現有跳閘矩陣校驗方法的弊端，本校驗裝置需具備以下特點：①能夠快速檢測壓板下端直流電壓變化，檢測范圍20～130 V；②能夠一次性檢測7 組以上開出量，滿足跳閘矩陣檢測要求；③能夠記錄跳閘出口壓板及開出壓板電位變化的時間；④可直接輸出交流電壓電流模擬量，模擬變壓器故障時電壓電流情況；⑤校驗裝置便攜輕巧、操作簡單。

為使裝置具備以上技術特點，采用以下技術方案：①主控制器使用STM32F4，配備有Cortex-M4 內核和高級模擬外設，主頻高達168 MHz，能夠快速高效處理試驗數據，滿足校驗裝置實時性要求；②裝置配置8 個輸入量檢測端子，能夠一次性完成所有出口壓板的檢測；③CPLD 選用EMP3128，是一種基于EEPROM 的高性能可編程邏輯控制器，其具有穩定可靠、組態靈活、I/O 模塊齊全的特點，與SM32F4 配合，實現校驗裝置的主要功能；④配置無線通信模塊，通過無線連接至移動終端，能夠控制校驗裝置交流電壓電壓的輸出，同時將校驗裝置的測試結果傳送至移動終端，實時直觀地查看試驗結果；④采用可充電鋰電池作為裝置電源，集成電路設計，減小裝置體積，便于移動攜帶。

2 硬件電路設計

本檢測裝置的硬件電路主要包括無線通信模塊電路和開關量采集檢測電路，后者完成對跳閘出口壓板及開出壓板電位變化的檢測。

無線通信模塊將主控制器的串口輸入轉化為RS232 電平，再與無線集成模塊連接，實現電氣協議的轉換，主控制器可通過無線通信進行數據的接受和發送，完成對校驗裝置的控制和輸出試驗結果。

開關量采集檢測電路如圖1 所示。電路的輸入端連接變壓器保護壓板的下端頭，檢測壓板電位的變化，輸出端與微控制器的輸入/輸出端口連接。當檢測電路的輸入端檢開關量處與高電平時，檢測電路的輸出端將會輸出一個中斷信號至微控制器。此外，輸出端還會產生一個中斷信號，微控制器會自動記錄中斷信號產生的時間，即輸入端開關量變化的時間，同時也是跳閘出口壓板及開出壓板電位變化時間。

圖1 開關量采集檢測電路

3 軟件程序設計

依據所設計的開關量采集檢測硬件電路，開關量電位發生變化時即會產生一次內部中斷，微控制器將會記錄開始實驗到接收到中斷的時間間隔，即為跳閘出口及開出量動作時間。開關量采集檢測程序流程如圖2 所示。

圖2 開關量采集檢測程序流程

4 應用效果

4.1 校驗裝置測試方法

校驗裝置測試示意如圖3 所示，具體方法如下：通過試驗線連接校驗裝置與被測變壓器保護裝置，輸出電壓電流模擬量，接收保護裝置壓板下端頭電位的變化。變壓器保護裝置接收交流電壓和交流電流后，達到保護的動作條件后，保護裝置動作，不同類型的保護動作跳閘矩陣的動作情況會不一樣。整個試驗接線簡單，一次接線完成后，即可依據整定單上所列的保護進行每個保護跳閘出口矩陣的測試。

圖3 試驗測試示意

4.2 現場應用

表2 為2018—2022 年變電檢修中心主變壓器跳閘矩陣校驗時間統計，試驗結果均采用傳統繼電保護校驗儀得出。從表2 可以看出，6 座220 kV 變電站單臺變壓器保護跳閘矩陣的校驗時間均在2 h 以上，單臺主變壓器保護平均校驗時間為141 min。

表2 2018—2022 年主變壓器跳閘矩陣校驗時間統計

將變壓器保護跳閘矩陣校驗裝置應用于作業現場，并對跳閘矩陣的校驗時間進行統計，統計結果見表3。

表3 變壓器保護跳閘矩陣校驗裝置現場應用時間統計

由表3 可知，變壓器保護跳閘矩陣校驗裝置的應用將校驗時間降到60 min 以下，平均時間為56 min，相較傳統的校驗方法縮短了60%。此外，整個校驗過程無錯項、漏項，各跳閘出口及開出量動作時間的測試結果均與現場整定單一致，校驗結果的正確率為100%。

5 結束語

基于CPLD 設計的變壓器保護跳閘矩陣校驗裝置與微控制器配合，實現電位變化的快速采集，借助無線通信模塊將測試結果輸送至移動終端，能夠直觀查看，同時也能實時控制校驗裝置的輸出。本校驗裝置在作業現場的應用，簡化了跳閘矩陣測試的試驗過程，提高了工作效率，同時保證校驗結果的正確率。由于該裝置能夠輸出交流電流和電壓，因此還可應用于保護裝置的定值校驗。