变压器保护装置

本文就此问题对当前变压器出现的各种故障及相应的保护原理进行了简要分析，并在此基础上对变压器保护装置进行了简单设计。该设计的硬件部分以ATmega16为系统的核心，通过对温度、电压及电流进行数据采集并送入信号处理电路，从而准确地得到控制系统可以识别的数字信号。
该设计的软件部分介绍了三种AVR单片机的应用软件，并对系统的主要流程作出了说明，讲述了单片机如何对处理得到的数字信号进行监视、判断处理，及时对各种保护装置发出声光报警或跳闸信号，进而更好地提高变压器运行的安全性和可靠性，确实做好变压器保护工作。
（一）国内外变压器微机保护现状分析
目前国内外生产变压器微机保护的厂家很多，就主保护而言，国外保护装置基本是以二次谐波制动为主的比率差动保护，而国内则以二次谐波制动和间断角两种原理为主导，以波形对称原理为补充的格局正在形成。
国内外微机变压器保护装置主要分为下述两类：
1.变压器微机保护装置同时实现变压器的主保护和后备保护；
(二)变压器的分类
变压器的种类是多种多样的，但就其工作原理而言，都是按照电磁感应原理制成的。一般情况下，常用变压器的分类可归类如下：
1.2
变压器微机保护的研究始于60年代末70年代初。在20世纪70年代国外就开始了用计算机实现发电机和变压器个别保护的研究。1969年Rockerfeller首次提出数字式变压器保护的概念，揭开了数字式变压器保护研究的序幕，使对变压器的保护进入微机化时代，之后，O.P Malik和Degens也对变压器保护的数字处理和数字滤波做出了研究。1972年Syskes等人发表了计算机式的变压器谐波制动保护，为微机元件保护在原理及算法上奠定了理论基础。随着微型计算机飞速发展及应用微机保护进入了实用性阶段。从80年代起，国外开始研制变压器整套微机保护。1990年，波兰人Korbasiewcz发表了发电机变压器组微机保护系统的文章。同年，印度Verma等人也发表了变压器全套微机保护的研究成果。我国研制微机元件保护是从80年代初开始的，1988年以后有许多企业单位研制成功了变压器微机保护装置，大型机组保护的微机化发展方向在我国已逐渐被普遍接受。未来的继电保护技术向计算机，网络化，保护、控制、测量、数据通信一体化和人工智能化方向发展。
2.只实现变压器的主保护，同时采用独立的变压器后备保护。
（二）国内外变压器保护装置普遍存在的一些问题
1.对于变压器，可供选择的主保护原理有带二次谐波制动特性、间断角原理和波形对称原理的比率差动保护。这三种变压器主保护均是利用鉴别变压器励磁涌流的特征来对差动保护实现制动，保护装置出现误动的几率较大。对于比率差动保护，其运行经验尚未成熟。
虽然相对于输电线路和发电机来说，变压器的故障是比较少的，因为它无旋转部件，结构简单，运行可靠性高，但是由于变压器停电的机会很少，而且绝大部分安装在室外，受自然环境条件的影响较大；另外变压器时刻受到外接负荷的影响，特别是受电力系统短路故障的威胁较大，因而在实际运行中变压器仍有可能发生各种类型的故障和不正常运行情况。因此必须根据变压器的容量和重要程度并考虑到可能发生的各种类型的故障和不正常工作的情况，装设性能良好、工作可靠的继电保护装置。
2001年5月于南京召开全国电网调度工作会议，会上公布了“九五”期间我国继电保护的运行统计资料，220kV、330kV和500kV系统保护，正确动作率高达98.5%以上，但主设备保护的运行情况却相差甚远，100MW及以上发电机保护正确动作率为97.05%，220kV及以上变压器保护的正确动作率只有77.33%。
最后对论文作一个全器的基本原理
变压器是一种静止的电气设备，其利用电磁感应原理，以交变磁场为媒介，把线圈从电源吸收的某一种电压的交流电能转变成频率相同的另一种电压的交流电能，再由另一线圈向负载提供。
变压器的基本工作原理图如图2-1所示。
图2-1变压器基本工作原理图
当一个正弦交流电压 加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流 并产生交变磁通 ，沿着铁芯穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势 ，同时 也会在初级线圈上感应出一个自感电势 ， 的方向与所加电压 的方向相反而幅度相近，从而限制了 的大小。为了保持磁通 的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时初级线圈没接负载，而初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流”。
特别应该指出，作为新发展的微机保护的正确动作率分别为：
220kV及以上系统保护99.33%
100MW及以上发电机保护98.2%
220kV及以上变压器保护68.96%
我国继电保护的运行统计资料表明，2002年全国220kV以上变压器保护正确动作率为74.77％，仍远远低于系统保护的正确动作率99.09％，其中220kV变压器匝间故障率占本体故障率的20.83％，500kV则为42.86％，由此可见对于变压器保护动作的正确率急需提高，对于变压器保护装置及技术的改进与完善成为当前社会亟需解决的问题。
The design of software introduces three kinds of applicationsoftwareand shows the main flow chart of the system, explains how the SCM to monitor and judge the digital signals had handled, send sound and light alarm or tripping signal to the protective device promptly, which serves to improve the operation of the transformer safely and reliability better, really do a good job on transformer protection.
On this issue, the paper gives a brief analysis to the faults of transformer and the corresponding protection principle. And on the basis of this, carry out a simple design of transformer protective device. The design of hardware takes ATmega16 as the core, collecting the temperature, voltage and current and sending to signal processing circuit to obtain the digital signal that control system can identify accurately.
1.3
论文全面阐述了变压器保护的各种故障和不正常工作状态，变压器保护的基本要求和配置情况；论述了变压器保护的基本原理，包括变压器差动保护和后备保护。
本论文在第一章先概述了变压器保护的背景及意义，明确了本论文的主要工作。接下来在第二章对变压器的故障进行了简要的分析，并列出根据要求所应装设的保护配置。在此基础上，在第三章阐述了变压器的各种保护原理，包含其主保护和后备保护。在了解了变压器保护的各种基本知识以后，开始对保护装置进行硬件及软件设计。
Keywords:transformer protectionmicrocomputer-based protectionSCM differential protection
第一章
1.1
电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备，作为电能传送的枢纽，它在电力系统的发电、输电、配电等各个环节中广泛使用，且造价昂贵。而且一旦变压器因故障而遭到破坏，其检修难度大、周期长，将造成重大的经济损失，因而要求其性能好，运行安全可靠。
如果变压器次级接上负载，次级线圈就产生电流 ，并因此而产生磁通 ， 的方向与 相反，起了互相抵消的作用，是铁芯中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电势 减少，其结果使 增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时， 增加， 也增加，并且 增加部分正好补充了被 所抵消的那部分磁通，以保持铁芯里总磁通量不变。如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器，次级负载消耗的电功率也就是初级从电源取得的电功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈而改变次级电压，但是不能改变允许负载消耗的功率。
在第四章，讲述了采用ATmega16单片机为核心所设计的变压器保护装置及其硬件构成，并介绍了对温度、电压及电流这三个判断量的数据采集以及相应的信号处理电路。
对于保护装置的软件设计，本论文介绍了一种AVR单片机基于C语言的编译器和集成环境，在此环境下对ATmega16进行编译、开发，实现对保护装置状态的显示及对其的控制。
摘 要
变压器作为联系不同电压等级网络的设备，是电力系统中非常重要的元件。变压器的安全运行关系到整个电力系统供电的可靠性。随着变压器电压等级和容量的提高，变压器本身也越来越贵重。因此变压器保护显得尤为重要，如何能够快速准确的切除变压器故障，使损失降低到最小，同时又要保证有足够的可靠性，就成了变压器保护的主要问题。
当前，我国电力工业持续、快速发展，市场化改革在探索中前进，西电东送、南北互供、全国联网大格局正在形成的过程中。随着电力工业的迅速发展，大型变压器在电力系统中的数量越来越多，其保护的可靠性要求也非常高，而实际运行中，变压器保护动作的可靠性并不是很高，且有时候会出现一些原因不明的误动，对电力系统带来严重后果；同时电网电压等级的提高，以及变压器容量的增大，新材料和新技术的使用，高电压、大电流电力电子器件的使用，给变压器的保护带来了一定的影响，因此对于变压器的继电保护技术更需完善和发展，以此来保证其快速性、灵敏性、选择性等指标，确保电力系统稳定可靠地运行。
关键字：变压器保护微机保护单片机差动保护
Applications of Single chip in Transformer Protection