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摘 要：分析了变压器差动保护的基本原理，介绍了保护的总体结构和输入输出单元，并介绍了在硬件设计和软件编程上采取了多种抗干扰措施，便于从事保护专业的人员掌握和应用。
关键词：差动保护；基本原理；抗干扰措施
0 引言
变压器差动保护是为满足系统稳定和设备安全要求，反映变压器元件自身的故障，能以最快速度有选择地切除被保护变压器差动CT范围内故障的保护。保护装置具有体积小，功耗小，动作快，功能全，整定方便，运行维护简单等优点，已在电力系统中广泛应用。本文在分析变压器差动保护的原理基础上，进一步分析了其在系统中的应用和抗干扰措施。
1 电力变压器的差动保护原理
差动保护是比较被保护区各引出端电气量大小和相位的一种保护方法，本文所研制的微机保护装置采用比率制动特性的比率差动保护来避越不平衡电流，利用二次谐波制动来防止励磁涌流提高差动保护正确动作率。
所謂比率差动保护，简单说就是差动电流定值随制动电流的增大而成一定比率的提高，使制动电流在不平衡较大的外部故障时有制动作用，而在内部故障时，制动作用最小[2]。因此，比率差动保护较差动速断保护有较高的灵敏度。
图1 差动回路比率制动特性曲线
在变压器空载合闸或外部短路故障切除而使电压突然恢复时，会有励磁涌流通过，且仅在变压器的一侧流通，容易被误判断为变压器内部短路故障时进入差动回路的电流。因此，差动保护必须能够对此进行判断，不能在励磁涌流时出现保护误动作。
励磁涌流中含有的各次谐波中以二次谐波电流为最大，至少有一相的二次谐波会超过基波的15%；而短路电流中几乎不含有二次谐波分量[3]。因此，可通过计算差动电流中二次谐波含量来区分励磁涌流和短路电流，即二次谐波制动。
本文采用的二次谐波制动判据如下：
（1）
2 保护的总体结构
变压器差动保护的总体结构如图一所示：
图一 保护装置硬件系统的总体结构
变压器差动保护装置的硬件系统总体结构如图一所示，采用了由数字信号处理器（DSP）和单片机构成的双CPU结构。DSP使用TI公司的TMS320F2812，进行测量和保护，以保证快速算法和实时控制的实现。单片机则采用AT89C55，主要用于人机交互和通信接口。DSP和单片机之间的数据交换采用了双端口RAM结构，其特点是速度快、流量大。整个硬件系统由中央处理器、电源系统、交流信号采集与处理电路、开关量输入输出电路、通信接口电路、外围扩展等主要部分组成。
3 模拟量输入电路
保护装置需要采集的模拟量信号包括电网的电压和电流，经过一级互感器后的有效值分别为100V和5A。DSP的A/D输入电压要求在0～3V，故需要对其进行预处理。以某一相电流为例，其模拟量输入电路如图二所示。
图二 电流模拟量输入电路
其中，GCT-207B为5A/2.5mA的电流互感器，起到缩小电网中电流信号和隔离的作用。二极管用于限压从而保护，小电阻R3将小电流信号转换成小电压信号，经过R2，R7和运算放大器LM358将电压值调节到-1.6V～+1.6V范围输出到电阻R8。+5V的电压经过电阻R1、R4分压为+1.6V，经过电压跟随器LM310输出到电阻R5。两个电压信号经加法器叠加后就得到0～3.3V的电压信号，再经过由R10和C1组成的低通滤波器输入给DSP。
4 开关量输入输出模块
开关量输入电路如图三所示，输入开关量为闸刀的状态。当闸刀闭合时，信号经过RC低通滤波器虑除高频噪音并缓冲电压突变，齐钠二极管将光电耦合器的开通门槛电压限制在+5V。二极管将负的干扰信号虑除，保护光耦原边不被反相击穿（电阻起分流作用）。光耦副边输出DSP_GPIOG4为0V。当闸刀断开时，电容放电，下拉电阻将光耦原边电压拉低，从而保证DSP_GPIOG4输出稳定在+3.3V。
图三 开关量输入电路
图四 开关量输出电路
开关量输出电路如图四所示。输出开关量为继电器的闸刀状态。当DSP_GPIOE0为0V时，光耦副边导通，继电器线圈闭合，继电器的闸刀闭合，即输出开关量为接通状态。当DSP_GPIOE0为+3.3V时，光耦副边断开，继电器线圈与D4成回路续流，继电器的闸刀断开即输出开关量断开。
5 抗干扰措施
电力系统中的电磁干扰是非常严重的。这些干扰的特点是频率高、幅度大，保护装置可能会因为种种原因而无法正常工作，采取了以下硬件抗干扰措施：
1）将硬件部分安装在一个钢或者高导磁体制成的双层封闭箱内。
2）在220V工频交流电源引入后增加EMI滤波器，以抑制工频电源中的电磁干扰；在电源电压转换芯片的输入，输出端均增加储能大电容和去耦小电容，以稳定电压并抑制高频噪音。
3）对于并行长导线间的干扰，按照3W原则设计导线距，即导线轴间距须不少于导线线宽的三倍。
4）对于开关量电路，数字电路高频区，数字电路低频区，模拟电路间的相互干扰，可以将电路板分块，同块时分区设计，使其相互远离，并在其交叉处增加隔离器件。
5）对于导线电阻分流，分压产生的误差，尽可能增加导线线宽，特别是地线，电源线需加宽且局部敷铜，并且整板对数字地敷铜，同时尽量减少过孔，以减小导线电阻特别是接地电阻和接电源电阻。
6）对于特殊器件的处理，如初始化时需严格遵守A/D的上电时序从而提高其转换精度，对LCD需严格遵守操作时序并且插入延时等。
6 现场应用
在变压器差动保护现场应用中，根据保护装置的要求，一般令各侧调平衡系数等于1，折线斜率等于0.5，CT额定电流为1A时。如图五所示。
图五 差动动作特性曲线
在整定的差动动作特性曲线上，取定I1为制动电流Is，则可在差动动作曲线上求得对应的差流Id，并由Id=I1+I2求得另一差流臂I2。
7 结论
变压器的差动保护是变压器的主保护，其二次回路是按差流原理来实现的，主要用来保护双绕组或三绕组变压器绕组内部及其引出线上发生的各种相间短路故障，同时也可以用来保护变压器单相匝间短路故障。
参考文献
[1]贺家李，李永丽，董新洲等.电力系统继电保护原理（第四版）[M].北京：中国电力出版社，2010.
[2]尹项根，曾可娥.电力系统继电保护原理与应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2001.
作者简介：
沈新彬（1989-），男，河南新乡人，本科，讲师，从事变电检修及继电保护工作。
关键词：差动保护；基本原理；抗干扰措施
0 引言
变压器差动保护是为满足系统稳定和设备安全要求，反映变压器元件自身的故障，能以最快速度有选择地切除被保护变压器差动CT范围内故障的保护。保护装置具有体积小，功耗小，动作快，功能全，整定方便，运行维护简单等优点，已在电力系统中广泛应用。本文在分析变压器差动保护的原理基础上，进一步分析了其在系统中的应用和抗干扰措施。
1 电力变压器的差动保护原理
差动保护是比较被保护区各引出端电气量大小和相位的一种保护方法，本文所研制的微机保护装置采用比率制动特性的比率差动保护来避越不平衡电流，利用二次谐波制动来防止励磁涌流提高差动保护正确动作率。
所謂比率差动保护，简单说就是差动电流定值随制动电流的增大而成一定比率的提高，使制动电流在不平衡较大的外部故障时有制动作用，而在内部故障时，制动作用最小[2]。因此，比率差动保护较差动速断保护有较高的灵敏度。
图1 差动回路比率制动特性曲线
在变压器空载合闸或外部短路故障切除而使电压突然恢复时，会有励磁涌流通过，且仅在变压器的一侧流通，容易被误判断为变压器内部短路故障时进入差动回路的电流。因此，差动保护必须能够对此进行判断，不能在励磁涌流时出现保护误动作。
励磁涌流中含有的各次谐波中以二次谐波电流为最大，至少有一相的二次谐波会超过基波的15%；而短路电流中几乎不含有二次谐波分量[3]。因此，可通过计算差动电流中二次谐波含量来区分励磁涌流和短路电流，即二次谐波制动。
本文采用的二次谐波制动判据如下：
（1）
2 保护的总体结构
变压器差动保护的总体结构如图一所示：
图一 保护装置硬件系统的总体结构
变压器差动保护装置的硬件系统总体结构如图一所示，采用了由数字信号处理器（DSP）和单片机构成的双CPU结构。DSP使用TI公司的TMS320F2812，进行测量和保护，以保证快速算法和实时控制的实现。单片机则采用AT89C55，主要用于人机交互和通信接口。DSP和单片机之间的数据交换采用了双端口RAM结构，其特点是速度快、流量大。整个硬件系统由中央处理器、电源系统、交流信号采集与处理电路、开关量输入输出电路、通信接口电路、外围扩展等主要部分组成。
3 模拟量输入电路
保护装置需要采集的模拟量信号包括电网的电压和电流，经过一级互感器后的有效值分别为100V和5A。DSP的A/D输入电压要求在0～3V，故需要对其进行预处理。以某一相电流为例，其模拟量输入电路如图二所示。
图二 电流模拟量输入电路
其中，GCT-207B为5A/2.5mA的电流互感器，起到缩小电网中电流信号和隔离的作用。二极管用于限压从而保护，小电阻R3将小电流信号转换成小电压信号，经过R2，R7和运算放大器LM358将电压值调节到-1.6V～+1.6V范围输出到电阻R8。+5V的电压经过电阻R1、R4分压为+1.6V，经过电压跟随器LM310输出到电阻R5。两个电压信号经加法器叠加后就得到0～3.3V的电压信号，再经过由R10和C1组成的低通滤波器输入给DSP。
4 开关量输入输出模块
开关量输入电路如图三所示，输入开关量为闸刀的状态。当闸刀闭合时，信号经过RC低通滤波器虑除高频噪音并缓冲电压突变，齐钠二极管将光电耦合器的开通门槛电压限制在+5V。二极管将负的干扰信号虑除，保护光耦原边不被反相击穿（电阻起分流作用）。光耦副边输出DSP_GPIOG4为0V。当闸刀断开时，电容放电，下拉电阻将光耦原边电压拉低，从而保证DSP_GPIOG4输出稳定在+3.3V。
图三 开关量输入电路
图四 开关量输出电路
开关量输出电路如图四所示。输出开关量为继电器的闸刀状态。当DSP_GPIOE0为0V时，光耦副边导通，继电器线圈闭合，继电器的闸刀闭合，即输出开关量为接通状态。当DSP_GPIOE0为+3.3V时，光耦副边断开，继电器线圈与D4成回路续流，继电器的闸刀断开即输出开关量断开。
5 抗干扰措施
电力系统中的电磁干扰是非常严重的。这些干扰的特点是频率高、幅度大，保护装置可能会因为种种原因而无法正常工作，采取了以下硬件抗干扰措施：
1）将硬件部分安装在一个钢或者高导磁体制成的双层封闭箱内。
2）在220V工频交流电源引入后增加EMI滤波器，以抑制工频电源中的电磁干扰；在电源电压转换芯片的输入，输出端均增加储能大电容和去耦小电容，以稳定电压并抑制高频噪音。
3）对于并行长导线间的干扰，按照3W原则设计导线距，即导线轴间距须不少于导线线宽的三倍。
4）对于开关量电路，数字电路高频区，数字电路低频区，模拟电路间的相互干扰，可以将电路板分块，同块时分区设计，使其相互远离，并在其交叉处增加隔离器件。
5）对于导线电阻分流，分压产生的误差，尽可能增加导线线宽，特别是地线，电源线需加宽且局部敷铜，并且整板对数字地敷铜，同时尽量减少过孔，以减小导线电阻特别是接地电阻和接电源电阻。
6）对于特殊器件的处理，如初始化时需严格遵守A/D的上电时序从而提高其转换精度，对LCD需严格遵守操作时序并且插入延时等。
6 现场应用
在变压器差动保护现场应用中，根据保护装置的要求，一般令各侧调平衡系数等于1，折线斜率等于0.5，CT额定电流为1A时。如图五所示。
图五 差动动作特性曲线
在整定的差动动作特性曲线上，取定I1为制动电流Is，则可在差动动作曲线上求得对应的差流Id，并由Id=I1+I2求得另一差流臂I2。
7 结论
变压器的差动保护是变压器的主保护，其二次回路是按差流原理来实现的，主要用来保护双绕组或三绕组变压器绕组内部及其引出线上发生的各种相间短路故障，同时也可以用来保护变压器单相匝间短路故障。
参考文献
[1]贺家李，李永丽，董新洲等.电力系统继电保护原理（第四版）[M].北京：中国电力出版社，2010.
[2]尹项根，曾可娥.电力系统继电保护原理与应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2001.
作者简介：
沈新彬（1989-），男，河南新乡人，本科，讲师，从事变电检修及继电保护工作。