矿用变压器继电保护装置的硬件改造及动态试验研究

李 鹏

（山西潞安配售电有限公司， 山西 襄垣 046200）

引言

供电系统是煤矿生产的动力源，采煤机、刮板输送机、液压支架等大型设备均由电力驱动。矿用变压器作为煤矿供电系统的重要组成部分，其是否能够稳定运行直接关系着供电系统的稳定性，也决定着综采设备是否能够稳定、安全地运行。在实际生产中，需根据变压器的容量等相关性能设计变压器继电保护装置。目前，变压器继电保护装置在实际应用中受到其他元器件的干扰，导致其内部电流不平衡，影响了继电保护装置正常功能的发挥[1]。因此，本文重点对矿用变压器继电保护装置进行硬件改造，并对改造后装置的性能开展动态性能试验。

1 矿用变压器继电保护装置硬件改造的总体设计

针对传统变压器继电保护装置存在电流不平衡的问题，本文将基于DSP 为核心实现对矿用变压器的微机保护。目前，工业中常应用的微机保护装置硬件普遍采用插件式结构，基于该种结构可将矿用变压器分为多个功能模块，包括有双CPU 模块、输入/输出模块、信号采集输入模块、人机接口模块以及通信模块等。矿用变压器微机保护装置的基本硬件结构如图1 所示。

如图1 所示，变压器微机保护装置由双CPU 结构为核心实现对变压器的保护，一个CPU 承担保护功能，具体对变压器实现主保护和后备保护，另一个CPU 承担监控功能。其中，保护CPU 以DSP 处理器为核心实现对所采集信号的模数转换、滤波处理以及通过保护算法实现对变压器的保护。监控CPU 以另一块DSP 处理器为核心完成人机交互功能、通信功能以及保护启动功能的实现[2]。结合当前工业中DSP 处理器的应用类型，本工程选用的两块处理器型号为TMS320LF2407A，设计继电保护装置，实现对矿用变压器的保护。

图1 变压器微机保护装置硬件结构框图

2 变压器微机保护装置的硬件改造

2.1 变压器微机保护装置的硬件改造设计

针对变压器微机保护装置的硬件部分，重点完成信号采集电路、输入/输出电路、外设电路等硬件的设计。

2.1.1 信号采集转换电路的设计

目前，可应用的信号采集转换电路方式分为直流采样和交流采样。其中，直流采样电路具有算法简单且便于滤波的优势，但是该种采样电路成本较大，适用性并不强。而交流采样电路具有较好的实时性、数据相位失真少且便于维护[3]。因此，本工程采用交流采样电路对信号进行采集。交流采集转换电路如图2所示。

图2 交流采集转换电路图

以图2 所示的交流采集转换电路为基础，配置10 bit ADC 模块，其中包含有16 个模拟输入通道，并可实现自动排序功能。

2.1.2 输入/输出电路的设计

针对微机保护装置控制信号的特殊性，必须将开关量信号转换为微机可接收/发送的电平信号后才能够传输。因此，需要为变压器继电保护装置设计专用开关量输入电路和开关量输出电路，如图3 所示。

图3 开关量输入/输出电路

针对开关量输入电路，采用型号为DLP521-1 的光耦电路，提高了整个回路的抗干扰能力。针对开关量输出电路，采用型号为TLP521-1 的光耦隔离放大电路，能够将微机保护装置的电源与数字系统实现相互隔离，解决了电源对数字系统造成的干扰，解决了保护装置中电流不平衡的问题[4]。通过开关量输出电路，能够根据工况实现跳闸、合闸、驱动继电器动作，并发出声光报警。

2.2 微机保护装置抗干扰设计

为进一步提升矿用变压器微机保护装置的抗干扰能力，有效避免因不稳定电流存在而导致的保护装置误动作和延迟动作，在完成保护装置基本功能设计的基础上，还需强化抗干扰设计。结合设计和实践生产的经验，针对保护装置硬件抗干扰设计采取如下措施：

1）为变压器保护装置的电源增加一个匹配的电源滤波器，抑制电磁干扰对系统回路的耦合路径。

2）鉴于传统管脚接地布线的连续性较差，为了减少实际装配时的过孔数目，本工程采用贴片封装的方式对DSP 等元件进行封装。

3）结合微机保护装置的特点，将保护装置的机壳、电源的共模滤波器通过静电屏蔽层实现与大地的连接，保证接地电阻小于10 Ω。

此外，在上述基础抗干扰措施之外，还存在少量干扰信号耦合进入微机保护装置的可能性。因此，为了进一步提升微机保护装置的抗干扰能力，还需对保护装置的相关硬件和插件进行合理分配和布置。具体措施为：将变压器保护装置的核心部分包括CPU、ROM、RAM以及A/D 转换器等放入屏蔽箱内，实现干扰源与薄弱环节之间的空间隔离[5]。

3 变压器保护装置的动态试验分析

为验证所设计的变压器微机保护装置的动态性能，基于MATLAB 建立变压器的故障模型，并将模型应用于保护装置中，重点对保护装置的电流速断保护功能的性能进行试验。本文所设计的保护装置针对电流速度保护包含有三个动作时间，分别为电流速断保护时间为0.1 s，电流反时限速断保护时间为0.8 s，定时限速断保护时间为4.2 s。同时，所设计的继电保护装置的额定工作电流为3 A，设定电流值在5 A 和8 A 时动作，并对响应能力进行仿真，仿真结果如表1 所示。

表1 微机保护装置动态响应特性

如表1 所示，微机保护装置能够实现对变压器可靠、有效的保护，在不同的电流保护范围内，系统动作电流值与整定值的相对误差均控制在±3%之内，达到了设计要求。

4 结语

变压器为煤矿供电系统必不可少的电气装置，其工作的可靠性和稳定性直接决定其是否能够为采煤机、带式输送机等机电设备提供稳定的电能。传统变压器继电保护装置存在容易被干扰的薄弱环节，导致其内部存在不平衡的电流，进而造成保护装置误动作、延时动作。为解决上述问题，本文以双DSP 处理器对传统继电保护装置的硬件进行改造，并根据设计和实践经验，增加了保护装置的抗干扰设计。测试结果表明，微机保护装置能够实现对变压器可靠、有效的保护，在不同的电流保护范围内，系统动作电流值与整定值的相对误差均控制在±3%之内，达到了设计要求。