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微机保护与测控装置技术培训手册 珠海万力达电气股份有限公司微机保护与测控装置技术培训手册部门：研发中心保护部编写：姜万东、吴艳虎审阅：林存利日期：2008-10-11目录前言4第部分基础理论知识51.1序电流分量提取51.2序电压分量提取61.3两表法功率计算71.4积分电度的实现71.5相角显示实现原理71.6电力系统接地方式的分析8第部分保护逻辑与功能92.1复合电压闭锁方向过流92.2断线告警功能分析102.3电动机磁平衡保护112.4零序方向元件122.5 变压器差动原理分析152.6 转子接地保护的原理分析172.7 纵向零序电压保护和基波零序电压保护的区别192.8 发电机失磁保护19第部分产品功能拓展213.1线路保护的遥控和手动同期合闸213.2电动机的正/反转控制213.3电动机的软启动功能213.4电动机启动电流记录223.5GPS硬对时功能223.6103规约双RS485通讯，104规约以太网通讯233.7AD的动态自检测功能23第部分常见问题分析254.1测量电流或电压反相序对功率的影响254.2电动机比率差动保护问题分析274.3反时限过流保护问题274.4保护装置出口继电器的容量问题274.5交流电源经过整流桥进入开入问题284.6保护计量精度问题284.7 功率显示不正确的问题284.8 各PT二次接地不一致导致产生零序电压的问题294.9 变压器差动因接线形式整定不当导致差动误动的问题294.10 区外故障、同期合闸或雷击使CT饱和而导致差动误动的问题。294.11 发电机电压小于5%或大于90%专用出口的应用注意事项。304.12单相弧光接地对频率测量和频率保护的影响314.13电源的滤波电容不稳定发电导致的问题314.14基准滤波电容发生不稳定放电导致的问题31第部分技术答疑32第部分附录33附录1基于采样点计算频率原理在电压变化时的误差分析33附录2中原燃气MTPR-620Hb差动速断保护误动作分析37附录3AD774正电源放电引起的采样变化图46附录4晖春电厂问题分析48前言该培训手册的编写，目的是为了公司工程技术人员、售后人员整体了解我公司的综合保护测控装置的一般原理、应用以及常见问题的处理而编写的。作为编写人员，由于技术水平的限制，难免有所偏颇和错误之处。同时，有一部分原理和问题上的分析，是完全属于编写者本人的一般性见解，如果有异议或者其他意见，本人将非常欢迎进行探讨，并能一起进步。第部分基础理论知识1.1序电流分量提取序分量法，在保护原理和应用上非常重要的意义。通常，我们可以把不对称分量分解为正序分量、负序分量和零序分量。不对称短路时，电源一侧提供了正序电流，而故障点处提供了负序电流和零序电流。所以，对于负序方向元件和零序方向元件与相间方向元件的动作区，是有很大区别的。对于三相接线: 保护装置通过FFT（傅立叶运算），分别采样并计算得到Ia、Ib、Ic向量的实部，虚部，通过对上面三个应用和通道，可以很方便的计算出正序电流、负序电流和零序电流。对于不接地系统，由于有时为了节省投资，采用两相互感器。因此，计算序分量的计算就不能直接应用上面的三个公式。对于零序，就不能用该公式了。但考虑到，不接地系统，在运行和发生单相接地时零序电流都很小，可认为值为。Ia +Ib + Ic =3I0 = 0,将Ib-(Ia + Ic)带入到正序和负序电流的计算公式中，则可以推导出下面的两个公式：两相接线时，正、负序电流算法：对于零序电流，不接地系统一般用穿芯互感器从外部取得。即使三相接线，也不采用上面的零序计算公式进行计算。主要的原因是，由于不接地系统的零序电流很小，一般为几百个mA左右，而采用保护电流计算，由于保护电流的误差比较大，同时通道的不平衡，都导致计算出的零序电流和实际零序电流有很大区别。因此不接地系统零序电流都是外采的。如果为接地系统，则可以用零序计算公式来合成，因为接地系统的零序电流很大，通道的误差不会带来多大的影响。上面所推导的两相计算正、负序分量，理论的前提是，Ia + Ic + Ic = 3I0 = 0，如果是电阻接地系统，接地电流比较大时，序分量的误差将比较可观。因此，应该理解两相计算负序电流的应用条件。1.2序电压分量提取当发生不对称短路时，可以认为只有电源处提供了正序电源。而在故障点提供了负序或零序电源。因此，从电源处到故障点处，正序电压是降低的。负序电压，是从故障点处到电源处是降低的。零序电压，由于零序网络分布与接地点和变压器连接组别有关，因此与负序电压有所区别，但也是故障处零序电压最高，沿零序网络降低。 我们知道，把该公式带入到正序和负序电压计算公式中，可以得到下面两个公式：我公司的正序、负序电压，就是采用上面的两种算法。采用该算法的优点是，对于YY接线和VV接线，该算法都适合。对于零序电压，我们装置可以直接采集外部的开口三角电压。在零序方向判别时，用计算零序电压进行方向判别 对于不接地系统，当发生单相接地时，一次侧 ；而对于直接接地系统，当发生单相接地时，。对于不接地系统，变比为，对于接地系统变比为：。其中采用计算零序电压，在不接地系统中，发生接地时，零序电压为 3U0 = 173V，在接地系统中为57V。1.3两表法功率计算功率的计算可分为两表法和三表法。三表法在不对称负荷和各种情况都适用，因此精度相对两表法高。但在不接地系统中，测量互感器有时为两相，三表法则无法应用。因此，我公司采用的是两表法来计算功率。两表法的理论前提是 Ib = -(Ia + Ic)，然后带入到三表法中，得到的功率计算公式是：其中，是Uab和Ia的夹角，是Ucb和Ic的夹角。功率因数为：1.4积分电度的实现积分电度，实际就是我们所说的电度表功能。电度是单位时间内对有功P和无功Q进行累计。并转化成KWh和KVarh两个电度单位。我公司的积分电度是按照二次侧有功和无功进行累计的，因此都是二次值。如果想转化成一次侧值，需要在显示值上乘以变比和变比。我公司的积分电度是每1s累加一次。假设在一段时间（s）内，有功功率为P0，在时间以前有功率为，则电度累积公式为: 例如：假设表底为，Psum=0,T=10s,P0=866w，则在10s后，Psum = 5Ws=0.005KWh一般来说，我公司的积分电度功能，只用来参考，而不适合用于计算功率消耗等情况。累计的间隔为1s左右，对负荷变化比较剧烈的场合，累计误差随着时间的增加而增大。同时，由于功率的测量误差，有功为0.5,无功为1.0，长时间累计所造成的累加误差也不小。1.5相角显示实现原理对于电压和电流两个向量：Ur+jUx和Ir+jIx。如果要计算两者之间的相角差，首先要选取一个基准向量。假设选取向量U为基准向量。按照定义，经过推导有：电压、电流的实部和虚部很容易从FFT计算后获得，通过取反正切后，得到了两个矢量的相角差。由于arctan的取值范围是在-Pai/2到+Pai/2之间，因此通过一定的变换（包括角度弧度变换），就可以得到从0-360的角度值。1.6电力系统接地方式的分析电力系统的接地方式，可以分为：直接接地、电阻接地（小电阻、中阻、高阻）、消弧线圈接地和不接地几种。对于110KV及其以上电压等级（输电线路），一般考虑到设备的绝缘很难提高，或者提高后造价是不可容忍的，该电压等级一般都为直接接地方式。对于3KV35KV电压等级（配电线路），设备的绝缘造价不高，同时，为了提高供电的可靠性，一般选择不直接接地方式。对于220V/380V等民用线路，一般采用直接接地方式，主要是考虑人身安全。对于直接接地方式，当发生单相接地时，零序电流很大，保护直接动作于跳闸。对于不接地系统，按照规范要求，10KV35KV当接地电流小于10A时，一般选择告警，并可继续运行12h。在这期间可以查找故障，保证供电的连续性。当接地电流大于10A，应采取限制接地电流的措施，因为接地电流大于10A 以后，电流本身已经不能自熄弧。采取的方式有，加消弧线圈或电阻。消弧线圈一般都是过补偿方式。电阻接地一般分三种，小电阻、中阻和高阻。小电阻接地和直接接地性质相差不多，一般直接出口跳闸。高阻接地和中阻接地都是为了限制接地电流。但高阻接地方式接地电流很小，和不接地相似。中阻接地方式接地电流比较大，一般直接出口跳闸。表中性点不接地系统电网允许的最大接地电流额定电压(KV)361035最大接地电流(A)301010第部分保护逻辑与功能2.1复合电压闭锁方向过流复合电压闭锁方向过流保护，是中压系统中应用较多的保护。该功能可分三部分：复合电压元件、相间方向元件、过电流元件。当复合电压闭锁、方向元件、过流功能都投入时，三个元件是“与”逻辑。但需注意，实际上，复合电压元件、相间方向元件还受PT断线影响。因为发生断线，复合电压元件和方向元件是无法保证其动作的正确性的。图复合电压闭锁方向过流保护逻辑框图minU = minUab,Ubc,UcaU2的计算同第部分的序电压提取里的负序电压提取公式。需要注意的是，断线信号只有在投入了断线告警功能，并且发生了断线时才产生。复合电压功能是保证保护的灵敏性而增加的。方向元件是满足双侧电源系统中，保证保护的择性而增加的。2.2断线告警功能分析根据接线方式不同，PT断线的判据也不同。PT断线闭锁功能投入时，如果PT断线，则闭锁低电压保护和复合电压元件、电流方向元件。PT断线判据如下：V-V方式接线电流最大的一相，其电流值小于最大负荷电流（取过负荷电流定值）。 最大相间电压小于30V，且任意一相电流大于0.1In； 负序电压大于8V。满足以上任一条件延时(可整定)报PT断线，断线消失后返回。Y-Y方式接线电流最大的一相，其电流值小于最大负荷电流（取过负荷电流定值）。 |Ua+Ub+Uc|7V时，且最大线电压和最小线电压的模差大于18V时,认为一相或两相PT断线； |Ua+Ub+Uc 7V，最小线电压小于18V；用于检测两相断线。 MAXUab，Ubc，Uca7V且任意一相电流大于0.1In 时，认为PT三相断线。满足以上任一条件延时(可整定)报PT断线，断线消失后返回。以上是600Hb保护，断线告警判断逻辑。对上面的判断逻辑进行几点说明：，对于-方式接线中的，主要是防止不接地系统在单相接地时误判断断线，同时在断线时能准确的将断线区分出来时。在单相接地时，线电压依然是对称的，因此最大线电压和最小线电压肯定小于18V。发生单相断线时，最大线电压为100V，最小线电压为57.7。当发生两相断线时，最小线电压为0,最大线电压为57.7。因此，在单相断线、两相断线时都可以准确判断。2，对于-方式接线中的，只所以有这条判断，是因为在电压互感器的二次侧如有其它表计接入，当发生两相断线时，受表计电阻的影响，导致断线的两相电压不为，而是非断线相电压的一部分。下面对该问题进行一下详细的分析：下图是接有表计情况下，发生、相两相断线情况的示意图，其中r1为表计电阻，r2为保护装置内置电阻。图2发生、断线带有表计的示意图对上面的示意图进行简化，有下图：图3简化后的发生、断线的示意图通过对图3进行电路的角-星变换，有下图：图4角-星变换后的电路图r1= r1/3 图4就可以方便的计算出Ub和Uc了.Ub = Uc = r2*Ua/(3r1+r2) = K*UaK = r2/(3r1+r2) Ub=Uc=KUa如果没有条件而只有条件，最大线电压为(1-K)Ua,最小线电压为0,要满足断线条件，则为(1-K)Ua18V，假设Ua=57.7V，那么KR+jL 所以对于中性点N到K之间的正序阻抗、负序阻抗、零序阻抗.全为。图不接地系统单相接地示意图对于故障相零序电流I03 = -(I01 + I02) = -j(C1+C2)U0非故障相零序电流I01 = jC1U0, I02 = jC2U0因此，对于故障相的不接地系统，I03滞后U0 电压90，而对于非故障相，I01,I02超前U0 电压90。不接地系统的动作区域为 0arg(U0/I0)180对于直接接地系统，如下图所示：图7直接接地系统单相接地示意图Z1，Z2分别是系统S1和S2的短路阻抗。ZL1，ZL2分别为短路点将线路分开的阻抗。M1，M2为两母线保护按装处。将该系统的零序阻抗图为：图直接接地系统单相接地序阻抗示意图U0M1 = -I01*Z01 U0M2 = -I02*Z02由上面公式，I01是超前U0一个角度,角度为180-0, 0为Z01或Z02的零序阻抗角(7085)。因此直接接地系统的零序方向动作区，一般为 -20arg(U0/I0)Icd 且 |Ic| K1 |Ic|-|Ii|i=1动作判据：譬如两圈变，差流Ic = I1+I2，待进公式：可以分析出此制动判据，无论单侧电源或双侧电源，正常运行及区外故障时均有强烈的制动作用，保护不会误动作；而在区内故障时制动作用非常小，具有很高的灵敏度，保证了保护的可靠性与选择性。2.5.5 变压器平衡系数计算平衡系数用于消除不平衡电流的影响，具体计算如下：1 计算变压器各侧的一次额定电流式中， 为变压器最大额定容量，为变压器各侧额定电压（应以运行的实际电压为准）。2 计算变压器各侧二次额定电流=式中，为各侧CT变比，为CT二次接线系数（变压器Y接线侧为，接线侧为1）。3 以侧为基准，计算变压器各侧（m侧）平衡系数式中，、分别为侧的额定电压、CT变比及CT二次接线系数，、分别为m侧的额定电压、CT变比及CT二次接线系数。2.6 转子接地保护的原理分析本装置采用乒乓式开关切换原理，通过求解两个不同的接地回路方程，实时计算转子接地电阻值和接地位置。原理如图所示。其中：S1、S2为由微机控制的电子开关，Rg为接地电阻，a为接地点位置，E为转子电压。两个降压电阻R，一个测量电阻R1。转子接地保护回路原理图通过求解两个回路方程，可以推导Rg和a的计算公式：回路1（S2闭合，S1断开）： (1)回路2（S1闭合，S2断开）： (2) 相对而言，装置测得的是负值，则(2)式中其实也是正值，也可在软件内部对R1上的压降U1或U2求绝对值。所以公式等效为： (3)求接地阻值： (1) 式 + (3) 得：解方程得： (4)求接地位置：(1) 式 (3) 得： 解方程得： （5）转子一点接地为Rg小于定值；转子两点接地为值大于定值。2.7 纵向零序电压保护和基波零序电压保护的区别这两个保护虽然都判的是发电机的零序电压，但作用各不同。前者为保护匝间短路用，后者为保护定子接地用。纵向零序电压保护采自PT1，PT1为纵向PT，当定子接地时，PT1的开口PT是没有零序电压的，因而保证了选择性。PT1跟PT2的区别在于PT一次中性点联结的位置不同。2.8 发电机失磁保护MGPR-620Hb设置两段失磁保护，发电机励磁系统故障使励磁降低或全部失磁，从而导致发电机与系统间失步，对机组及电力系统的安全造成重大危害。本保护采用静稳阻抗圆和异步阻抗边界圆判据。本保护可选择经硬压板控制。保护特性如图A1、图A2所示。当满足|Z-j(XB+Xst)/2|j(XB-Xst)/2|,且在190度电抗线和350度电抗线下方时，静稳阻抗元件动作；当满足|Z-j(XA+XB)/2|0,相接反；P0.1Ie）一段时间，然后突加故障电流来测量动作时间。2 只加中性点侧电流比差不投入问题由于电动机差动保护只有在起机闭锁过后才能投入，而起机是判断了机端侧电流。因此，在没有加机端侧电流时，比差是无法投入的。这实际给实验造成了麻烦，因此，在以太网版本的程序中，判电动机启动，机端侧电流和中性点侧电流都进行判断，就不会引起实验的麻烦。但现场的程序还是按机端侧电流判断的。所以要注意该点。4.3反时限过流保护问题反时限保护，应该注意的有一点。反时限对加入的电流倍数是有限制的，如果超过一定的倍数，反时限继电器只是按最大的倍数动作。这样的目的是，反时限保护认为在大于一定的倍数时，需要靠速断和差动等主保护去切除，而反时限不应抢先动作。600Hb取的是15倍电流作为上限。（310Hb取10倍）4.4保护装置出口继电器的容量问题 保护装置的出口继电器，它的接点容量一般是指接通容量。其断弧能力是非常脆弱的。一般出口继电器的额定接通电流是8A,接通电压是250Vac。最大的直流电压下，断开电流能力见下图：图16出口继电器直流负荷切断能力从图中可以看到，在直流220V条件下，继电器的切断电流能力要小于0.5A。由此可见，我们的出口继电器一般只负责接通强电回路，而断开强电需要通过其它结构或者中间继电器的接点来实现。操作回路里的跳闸保持继电器，对此特别有意义。4.5交流电源经过整流桥进入开入问题前一段时间，出现了用户的控制电源是交流电源，而我公司产品的开入为直流开入，不支持交流开入。现场采用了整流桥，将交流变换成了直流，但由于没有进行电容平波，因此造成了保护装置不能采集到开入的情况。图17 交流电压加入到开入量的情况从图我们可以清楚的看到，由于脉动电压的存在，导致开关量来回的在分合之间抖动。那么在装置上看到的开入状态是什么呢？是“分”状态。因为，开关量判别里有消除抖动的程序，确认时间为20mS，也就是一个周波。因为在一个周波内，状态连续变化了次，因此，开关状态是得不到确认的。解决的办法是，增加平波电容，消除脉动电压。4.6保护计量精度问题测量电流的精度: 0.2级测量电压的精度: 0.2级 保护动作精度: 3% 动作时间精度：1 s内误差不超过20mS，其他不超过1%4.7 功率显示不正确的问题在现场遇到，装置MTPR-635H-B的有功和无功测量跟实际偏差很大，用相序表测量三相电流为正序，然后相序表再换到测三相电压，相序也为正序，各电流电压幅值也对，但功率显示不对，功率因数也不对。改变测量相序的方法，用相序表同时测量电流电压六个量，显示电流电压之间相位不对，根本原因是本路CT的三相电缆联结到屏端子时，顺时针依次错位，虽然相序还是正序，但功率角不正确。4.8 各PT二次接地不一致导致产生零序电压的问题现场的现象是，当同期开关切换到手动时，MGPR-650H定子接地就误动作，零序电压动作值100V。查出原因是，高压侧PT二次为B相接地，机端PT二次为N相接地，当同期开关联通B相时，造成机端PT二次B相被短接，烧断PT二次保险，并产生零序电压。这种情况比较多见。4.9 变压器差动因接线形式整定不当导致差动误动的问题在二次CT全部为Y接线的前提下，变压器差动保护的转角是根据变压器接线形式判断怎么转角的。因此去现场处理差动动作原因分析，应该先核实平衡系数、接线形式、CT二次接线定值的正确性。常见的问题是，当高、低压侧颠倒接线时（如MTPR-620H，由于是主后一体的，涉及到电源侧在低压侧时），接线形式容易整定错。譬如：Y/-11,当颠倒接到装置时， 应该变成了/ Y-1接线。注意钟点数变化。4.10 区外故障、同期合闸或雷击使CT饱和而导致差动误动的问题。波形和动作报告在分析保护动作正确与否的过程中起关键性的作用，目前600H系列装置的录波在后台存储，可以在后台机展开查看。以下分别是MTPR-6110H主变差动和MGPR-610H的动作波形，动作原因为用户采用的CT特性不好，在雷击或同期合闸时，冲击电流导致一次CT饱和，且是单侧CT饱和：变压器接线Y/d11，高压侧CT变比20，低压侧变比80，下图为区外雷击瞬间性故障，差动动作波形。动作值：三相差流分别为：9.33A、9.95A、9.95A；三相制动电流为：8.97A、9.11A、9.26A；二次谐波电流为：0.6A、0.09A、0.47A；定值：35kV/10kV，速断定值：16.5A，比率差动定值：1.2A，0.5，0.15，平衡系数1.81。（这是高压侧IC、低压侧IC） 分析：绿线为高压侧C相，波形饱和特性明显，跟低压侧C相严重不平衡，I1+I2不等于零,必然产生差流。机端和中性点CT变比都为：1000/5。下图为主变高压侧非同期合闸是，发电机差动动作波形。动作值：B相，差流4.91A，制动电流：7.4A。分析：由于同期合闸角过大，产生很大的冲击电流，在其衰减的过程中，两侧CT暂态特性不一致，并有局部饱和，产生差流。4.11 发电机电压小于5%或大于90%专用出口的应用注意事项。发电机后备保护MGPR-620H中,为了水电上的需求，配置有电压小于5%保护和电压大于90%保护，这两个保护的出口是专用出口5和出口6，此时其它保护不能整定到这两出口上。当这两个保护投退控制字退出后，则这两个出口释放，可以跟其它的保护出口一样用。4.12单相弧光接地对频率测量和频率保护的影响见附录4.13电源的滤波电容不稳定发电导致的问题见附录4.14基准滤波电容发生不稳定放电导致的问题见附录第部分技术答疑第部分附录附录1基于采样点计算频率原理在电压变化时的误差分析1问题描述我公司的频率计算，基本上都采用了采样点来计算频率。但在单相接地时，导致低频率保护误动的问题。针对该问题也进行了实验模拟，在实验模拟中发现，如果电压在大幅度频繁快速变化（模拟不稳定的弧光短路）时，低频（或高频）在延时200ms情况下会误动作。2问题分析采样频率计算是基于过零点检测，然后采用相似三角形进行计算过零点附近的时间间隔。采样公式表示为：T = T1+(N-1)Tsamf+T2i(k+N+1)i(k+1)T2(N-1)TsamfT1i(k+N)i(k)Tsamf为采样周期，N为一周期采样点。令 A = |i(k)| , A+A=| i(k+1)|, B =| i(k+N)| , B+B= |i(k+N+1)|T1 = (A+A)Tsamf/( 2A+A)T2 = BTsamf/( 2B+B)T = T1+(N-1)Tsamf+T2 = (A+A)/(2A+A)+B/(2B+B)+N-1Tsamf = B/(2B+B)-A/(2A+A)+NTsamf令 2 =B/B 1 =A/A , |1|1, |2|1则 T = 1/(2+2)- 1/(2+1)+NTsamf令T j为工频周期，如果电压没有变化，既1 =2 =0 ，则Tj =N*Tsamf令频率变化标幺值：f(*) = (f-fj)/fj = f/fj-1 = Tj-T/T 代入 T,Tj N*f(*) = 1/(2+1)- 1/(2+2) |1|1, |2|1因为 2+11, 2+21, 所以 -2/3N*f(*)2/3-2/(3N) f(*)2/(3N)310Hb N = 12 -0.05556 f(*)0.05556 47.222Hzf52.778Hz600H N = 24 -0.02778 f(*)0.02778 48.611Hzf51.389Hz600Hb N = 64 -0.01042 f(*)0.01042 49.479Hzf50.521Hz可以看出，随着N的增大，频率变化的幅度减小，两者成成反比。如果是硬件测频，情况如何呢？理论上过零比较器的比较门槛电压U=0，则相当于N无穷大，则f(*)=0，频率无变化。但实际上的比较门槛电压U0,但如果U很小，则频率变化就非常小，从这点看，硬件测频比软件测频有优越性，但U小，抗谐波干扰的能力就弱，可见两者是矛盾的。上面的分析没有考虑到频率跟踪，如果考虑了频率跟踪的话，可能频率测量的误差还会增大，问题会更严重些。因为频率为正常，由于电压的波动导致频率测量错误，而误跟踪频率，那么导致的测量频率更加不准确了。3问题解决从2中的分析可以看出，当电压的幅值在变化时，会引起频率很大的变化，导致频率测量不准确。对于那些没有频率保护的产品，问题不大。只是引起频率的测量误差而已，但对于那些具有高频或低频保护的产品，影响就非常大了。如果发生相间弧光短路或接地弧光短路（具有电弧不稳定特点），那么频率保护很有可能会误动作。初步分析认为，如果在电压变化时，能迅速的闭锁频率保护一段时间，闭锁时间过后，如果电压变化已经很小，那么再开放保护。如果电压依然变化很大，则继续闭锁。那么电压变化多大时，能把频率变化限制在-0.02Hz以内，f(*)=-0.00041/(2+1)- 1/(2+2) =N*f(*) 令 C = 1/(2+2) ，则 1 = 1/（N*f(*)+C）-21/3C1N*f(*)=-0.0256 N=64N*f(*)=-0.0096 N=24N*f(*)=-0.0048 N=12考虑在电压一开始变化就检测变化，这样完全可以忽略2的变