第九章故障滤波器及快切装置

1、第九章 故障录波器及快切装置第一节 故障录波器为了分析电力系统的故障及便于快速判定线路故障点以及掌握大型发电机变压器组故障及异常情况，为此在110KV以上变电站及发电厂大型机组上均装设故障录波及其他类型的故障自动化记录装置。目前应用广泛的是微机型故障录波装置。一.对于录波装置的配置及录取量应按如下考虑1.录波器的配置应考虑如下几点：(1).便于分析事故；(2).便于寻找故障点；(3).便于了解系统运行情况；(4).便于监视系统中的主要设备。按上述要求，一般220KV线路23回装一套,每台200MW以上发电机装一套.2.故障录波器录取量的选择一般应满足以下要求:(1).线路零序电流必录;(2).

2、录取波形应能明确地看出故障类型、相别、故障电流、电压值及变化规律、跳合闸的时间等；(3).录波量力求完整，如对220KV及以上线路三相电流应当录全；(4).在可能发生振荡的线路上，可录一相功率量；(5).对于装有高频保护的线路，应录高频讯号；(6).当需录记忆量时，可录一组相电流及一组相电压。零序电流一般可录稳态值，不必经延迟。二. 故障录波器的组成故障录波器主要有两大部分组成。一部分是起动元件，另一部分是录波器。目前，电力系统广泛应用的故障录波器绝大部分是根据高压输电系统的特点而设计制造的，适用于110KV500KV输电线路。而作为电力系统最重要、最昂贵的主设备之一的发电机和变压器，也是最复

3、杂的电气设备，它们的故障和异常工况与高压输电系统有很大的差别：1.机组保护种类多，既有相间、匝间和接地短路保护，又有多种异常工况保护；既有定子方的保护，又有转子方的保护；既要考虑旋转状况下的保护，还要考虑起动或停机过程中的保护。2.作为机组故障的电气特征量，不仅有基波，更有各次谐波（2，3，4，5，6，7次等高次谐波）；不仅有交流量，更有励磁系统的直流量和非工频量； 3.励磁直流量的采集要求响应速度快、输入阻抗大、耐压水平高；4.机组故障不仅有电气量，而且还有物理特征量（汽机、锅炉、发电机、主变、厂变等的压力、液位、温度等等），它们与机组的安全运行密切相关； 5.发电机组的动态过程与原动机（水

4、轮机、汽轮机）的阀门开度、蒸汽温度、压力或水流量大小、水头高低等有关，原动机的基本工况，直接影响到发电机组的动态过程；6.发电机、变压器内部短路，特别是绕组匝间短路时，机组内部短路电流很大，设备严重损伤，但发电机或变压器的三相引出端的电流却不一定显著增大，这使得大机组故障录波的启动条件与线路完全不同；7.发电机电压系统较常出现非线性铁磁谐振现象和动态过电压；8.机组故障录波的分析要求，如阻抗、功角分析等，比线路故障录波的故障测距分析的要求更高、更全面。 ZH-2B发变组故障录波分析装置是采用当今世界最先进的DSP技术、通讯技术并结合电力系统的最新发展开发出的具有自主知识产权的新一代多功能微机型

5、发电机变压器动态记录及分析装置，可记录与监测发电机组的运行状态。它可广泛应用于发电机变压器组、主变压器的故障录波。耀光电厂每台机组均配一台武汉中元华电科技有限公司生产的ZH-2B型微机发变组故障录波与分析装置本章将分别予以介绍。第二节 ZH-2B型微机发变组故障录波与分析装置一. ZH-2B型微机发变组故障录波与分析装置的主要特点 1. 集故障录波、稳态记录、实时监测与保护动作行为分析为一体l 不定长暂态录波，自动地对扰动全过程按要求进行暂态记录；l 记录系统发生大扰动时的时刻：年、月、日、时、分、秒、毫秒；l 记录系统发生大扰动前后各输入量(电流、电压、直流电压/电流、开关状态等)的变化过程

6、；l 具有连续记录发变组正常运行状况的稳态记录功能；l 实时监测，可实时显示电压、电流波形及系统的有功/无功/视在功率、电压电流相位关系、电压间的功率角、发电机变压器差流；l 故障分析；l 能完整地记录机组或电网连续多次发生大扰动时的每次扰动的全过程；l 功角、相角测量；l 记录油温、压力等非电气量的变化；l 记录保护和其它自动装置的动作情况。l 具有出线故障的测距功能。l 可进行以下试验：a) 发电机空载特性试验；b) 发电机短路特性试验；c) 发电机甩负荷特性试验；d) 发电机灭磁特性试验；e) 励磁机空载特性试验；f) 发电机变压器组同期特性试验。2. 模块化结构，硬件设计先进l 高速D

7、SP，16位A/D，采样速率10kHz可调，谐波分辨率99次，开关事件分辨率0.1ms；l 前置机最大配置为5块DSP板，可接入80路模拟量，160路开关量，每块DSP板可输入16路模拟量，32路开关量，DSP板可互换；l 模拟量可以是交流电压量(0180V)，交流电流量(0200A)，也可以是直流电压量(0-500V)，直流电流量(75mV/420mA/05V)，或励磁回路的电压/电流量(0400Hz)；l 采用扩展ISA总线和大容量双端口RAM，录波数据同步转存，可进行长时间录波；l 前置机存贮容量大，最大配置时有20Mb SRAM和160Mb固态盘；l 高速实时处理多种判据，1ms内完成

8、所有通道的突变量的判启动工作；l 模拟通道零漂自动补偿，每个通道具有独立的通道系数。25时，额定值下的电流、电压波形采样精度优于±0.5；l 前置机采用固态盘备份故障录波数据，掉电时，故障录波数据不丢失；l 采用新型电路结构和16000门大规模可编程逻辑器件，集成度高，抗干扰能力强，系统运行稳定；l 具有智能化自检功能、自复位功能和报警功能；l 直流采集回路的输入阻抗20K，时延1ms；l 后台机采用高性能工控机，内存128Mb，硬盘40G，可以保存1年以上录波数据。3. 多样化和高精度的录波启动方式l 后台机采用高性能工控机，内存128Mb，硬盘40G，可以保存1年以上录波数据；l

9、 越限启动量优于±2，突变启动量优于±5；l 任一路模拟量的突变量启动和越限启动（含高限和低限启动）均可单独地设置；l 相、序量突变量和越限启动；l 三次谐波电压启动；l 低励、失磁启动；l 发电机定子绕组接地启动；l 逆功率启动；l 转子绕组接地启动；l 过激磁启动；l 频率越限启动；l 频率变化率启动；l 定子、转子过负荷启动l 非全相启动；l 差流启动；l 开关量变位启动；l 手动及远方启动。4. 强大的软件功能l 后台软件运行于Windows 98平台上，通过VxD技术与前置机交换数据，系统稳定、可靠，实时性好；l 启动判据种类齐全，在各种短路、接地故障和其它异常工

10、况下灵敏启动录波；l 密码管理、数据报表管理、系统日志功能；l 详尽的故障分析功能，可对故障数据进行详细的分析，能智能判断故障性质，提供制表输出，内容符合DL/T553-94、DT/L 663-1999部颁标准；l 强大的计算和分析能力：1) 电压、电流的幅值、峰值、有效值、频率计算；2) 有功、无功功率、功率因数计算； 3) 功角、相角测量；4) 相量、序量和谐波分析；5) 机端测量阻抗分析和动态显示阻抗变化轨迹；6) 差流分析；7) 变压器过激磁分析；l 可统一分析稳态数据和暂态数据；l 公式编辑器可生成各种电量及其导出量的波形图，并可动态观察其随时间变化的轨迹，真实地再现故障全过程；l

11、以标准的ODBC接口管理故障文件数据库，实现资源共享；l 完善的波形显示、编辑迭加、组合、比较、剪辑、添加标注和选择性打印功能；l 故障录波数据自动上报；l 虚拟终端、软件对时、遥控；l 实时监测、实时显示功能；l 提供符合ANSI/IEEE C37.111-1991（COMTRADE）标准格式和EXCEL格式的录波文件；l 母线软切换。5. 完备的通讯功能和网络功能l 提供10M/100M自适应以太网接口；l 支持TCP/IP协议，支持IEC 870-5-103规约；l 可以通过MODEM和以太网与中心站联网，支持与综自和监控系统联网；l 数据传送具有“数据压缩”、“断点续传”、“选择调用”

12、、“双向传输” 功能；l 联网后可完成：1）可实时显示全部电压信号、电流信号和电压频率；2）故障时故障录波数据和故障报告自动上报或远传；3）授权和密码校验远方整定定值和系统参数配置；4）授权和密码校验远方启动录波；5）功角、相角测量；6）后台机软件远程升级；7) 授权和密码校验远程控制。6. 抗电磁干扰能力强l 采用4层PCB、SMD和软件容错技术，抗干扰能力达到GB/T14598规定的严酷等级为级标准。7. 背插式组屏USB接口l 采用背插式组屏，屏体美观，操作方便；l 采用工业级12.1TFT液晶显示器，高亮度、高对比度、超广角可视范围，画面清晰锐丽、无辐射，满足环保要求；l 强弱电分离，

13、抗干扰能力强；l 提供闪驱，存取数据快捷、便利、容量大。 8交直流电源互为备用并自动切换采用电源冗余技术，交直流供电电源互为备用，即装置可同时接入二路电源交、直流电源。当主电源直流电源失电后，辅电源交流电源自动切换为主电源继续为装置供电。二. ZH-2B型微机发变组故障录波与分析装置的结构和配置1 装置的结构装置由一个4U 19传感器机箱、一个6U 19主机箱、一台80列打印机和一台Modem等组成。上层机箱为主机箱，下层为传感器机箱。主机箱内含一台高性能工控机、多至5块DSP板和12.1TFT液晶显示器。机箱为全密封背插式结构，操作方便并提高了抗电磁干扰能力。传感器机箱由PT、CT和直流电压

14、/电流隔离变送器板组成。装置安装在一个标准机柜内。机柜为全封闭结构，在机柜前面设有密封玻璃门。装置的进出线由柜底进出，柜内两侧端子排接模拟量、开关量、告警信号、对时信号及电源输入等，详见屏后端子排图。2 装置的硬件配置以ZH-2B/80 U4I14ZV4ZA4（可接入4路电压、14回电流、4路直流电压、4路直流电流、160路开关量）为例，其装置硬件原理框图如图15.2所示：图15.2 装置硬件结构图三. ZH-2B型微机发变组故障录波与分析装置的主要技术指标1 输入信号： 1） 额定频率：50Hz；2） 交流额定电压（PT二次侧电压值）：57.7V，50Hz；3） 交流额定电流（CT二次侧电流

15、值）：1A或5A，50Hz；4） 模拟量线性工作范围： a）交流电压回路：0.05V180V （电压回路，50Hz） 0.05V180V （开口三角电压回路，50Hz） b）交流电流回路：0.01IN40 IN （IN电流额定值） c）直流电压回路：0.05V750V d）直流电流回路：75mV，020mA，05V e) 频率：0400Hz5） 过载能力： a）交流电压回路：2倍额定电压，连续工作； b）交流电流回路：2倍额定电流，连续工作 10倍额定电流，工作10秒 40倍额定电流，工作1秒 2 采样指标1) 采样速率10 kHz可调；2) 谐波分辨率99次；3) 开关事件分辨率0.1ms；

16、4) 25时，额定值下的电流、电压波形采样精度优于±0.5；5) 装置的各路交流电压、交流电流相互之间的相位测量误差2°；6) 温度从-20至60的变化引起的误差不超过满刻度的±1.0%；7) 零漂自动调整。3 信号处理1） 高速DSP；2） 16 bit A/D。4 装置自身时钟精度及时钟同步精度1） 校时方式：脉冲方式，串口方式；2） 装置自身时钟精度24h误差±1s；3） 具有与GPS同步时钟信号同步功能，时、分、秒同步误差不大于-1s；4） 系统时间在GPS授时脉冲精度不劣于±1s的前提下，误差-10s。5 录波数据采样及记录方式1.

17、模拟量采样方式模拟量采样及记录方式按图15.1执行：系统大扰动开始时刻A B C D S t=00.0000 t（s）图15.1 模拟量采样时段顺序时段：系统大扰动开始前的状态数据，记录时间为40ms100ms可调。采样频率10kHz、5kHz、2kHz、1kHz可设。时段：系统大扰动后初期的状态数据，记录时间200ms2000ms可调。采样频率同A段。时段：系统大扰动后中期的状态数据，记录时间1.0s10s可调。数据输出速率1kHz、0.5kHz可设。时段：系统动态过程数据，不定长录波，录波时间最长为30min，数据输出速率50Hz，10Hz，1Hz可设，输出为有效值。2. 不定长录波的实现

18、： 1）非振荡故障启动a) 第一次启动；b) 有且仅有一次故障，按ABCD顺序录波；c) 除A、B段外，如果正在录波又出现一次启动，则录波立即回到S点重新开始ABCD顺序录波。 2）自动终止记录条件 同时符合如下条件时，则自动停止记录：a) 记录时间3s；b) 所有启动量全部复归。3. 特殊记录方式如果出现长期的电压、频率越限或电流振荡，则由S时刻开始沿ABCD时段顺序录波，并延长D时段，直至所有起动量全部复归或振荡停息。其中频率值测量精度不劣于± 0.05Hz。4. 稳态记录方式装置投入运行后，可连续慢扫描记录发变组正常运行时电压、电流(含负序电流)、有功功率、无功功率、频率等发电

19、机组的重要电气量。数据间隔可设空，最小间隔不大于1S。稳态数据存储时间大于3天。5. 时间标签录波数据带有时间标签，对短路故障等突变事件，以系统大扰动开始时刻为该次事件的时间零坐标。时间标签的分辩率为0.1ms。6. 装置容量装置的前置机每块DSP板配有4Mbits高速SRAM和32Mbits固态盘，最大配置时装置有20Mbits SRAM和160M固态盘，前置机将故障数据送至后台机运算处理，后台机内存容量128Mb。硬盘40G，容量足以满足微机型发电机变压器动态记录装置技术准则（DL/T*-200*）的要求。7. 掉电保持前置机采用固态盘，装置掉电后，故障数据不丢失。6 启动1）所有输入信号

20、均可作为启动量并可启动录波；2）越限启动量优于±2；3）突变启动量优于±5。7 故障数据存储容量及方式装置采用扩展ISA总线和大容量双端口RAM，录波数据同步转存，故障后可连续记录，录波次数不限并可进行长时间录波。录波数据记录在硬盘中，硬盘容量大于40 GB。当硬盘空间不够时，系统自动删除部分最早的数据，使硬盘保留300M的空间，同时录波数据可通过录波网（以太网或Modem）主动送到中心站或被动/主动送到变电站综合自动化网。8 参数整定方式 1）在线、离线修改； 录波器在线运行时，可直接修改运行参数。 2）远程修改；上级管理部门可通过授权和密码校验远程修改。9 告警信号 装

21、置录波或装置发生故障时，输出告警信号，告警信号为空接点信号，可接至光字牌。告警信号的类型有： 1）装置故障和直流电源失电信号； 2）录波信号。10绝缘性能1. 绝缘电阻l 装置所有电路与外壳之间的绝缘电阻在标准试验条件下，不小于100M。2. 介质强度l 装置所有输入回路、输出端点、触点对地及无电气联系的各回路之间的介质强度能耐受交流50Hz、电压2kV（有效值）、历时1Min试验，而无绝缘击穿或闪络现象。l 整机带电部分对地能耐受交流50Hz，电压500V(有效值)，历时1min试验，而无绝缘击穿或闪络现象。11冲击电压l 装置的直流电源输入回路、交流输入回路、输出触点回路对地，以及各回路之

22、间，在规定的试验大气条件下，能耐受幅值为5kV的标准雷电波短时冲击；12寿命l MTBF > 50000h。13抗电磁干扰能力l 能承受GB/T14598.9-1998中4.1.1规定的严酷等级为III级的辐射电磁场干扰；l 能承受GB/T14598.10-1998中4.1.规定的严酷等级为级的快速瞬变干扰；l 能承受GB/T14598.13-1998中3.1.1规定的严酷等级为III级的脉冲群干扰；l 能承受GB/T14598.14-1998中4.2规定的严酷等级为级的静电放电干扰。14通讯支持标准TCP/IP协议和IEC870-5-103规约。1. 通讯方式l 通过RS-422/48

23、5接口，与变电站综合自动化系统联网；l 通过RS-232接口、调制解调器、电话交换网与中调联网；l 通过10M/100M以太网卡，与当地局域网接口。2. 通讯速率l 串口通讯速率高达115.2k bps，线路通讯速率最高可达56k bps，实际通讯速率与通讯线路质量和Modem有关；l 以太网通讯速率为10/100M。15环境条件1）环境温度：-10+55；2）相对湿度：5%95%；3）大气压力：86kPa106kPa；4）运输、储存温度：-25+70。16供电电源1) 交流电源a) 额定电压：单相220V，允许偏差-20%+15%；b) 频率：50Hz，允许偏差±3Hz；c) 波形

24、：正弦，波形畸变不大于5%。2) 直流电源a) 额定电压：220V、110V；b) 允许偏差：-20%+15%；c) 纹波系数：5%。 3) 功率消耗a) 工作电源： 直流不大于100W，交流不大于200W；b) 交流电压回路：当额定电压时，每相不大于1VA；c) 交流电流回路：当IN=5A时，每相不大于1VA；当IN=1A时，每相不大于0.5VA。四. ZH-2B型微机发变组故障录波与分析装置的操作指南1运行环境ZH-2B发变组故障录波分析装置的录波主程序运行于Windows 98系统平台下，采用大家熟悉的Windows标准界面，操作简便，亲善友好，易于维护。主控程序有如下功能：·

25、修改、设置和查看定值；·自动将录波数据转换成标准COMTRADE格式；·查询历史故障数据和历史运行记录；·将录波数据复制到移动盘上；·连续慢扫描；·在线打开装置记录的各种波形曲线；·实时显示电压电流相位关系、发电机功率、变压器功率、厂用变功率、通道的波形曲线、差流和电压间的功角；·有效值、瞬时值、最大值和相位等多种参量自由切换；·一次侧值/二次侧值之间自由切换；·用图形方式显示电压和电流的相位关系；·用图形方式显示两个电压之间的功率角；·实时监视发电机差流、变压器差流和发变组差流；&#

26、183;用表盘方式显示功率；·自动修正通道零漂和通道系数；·发变组特性试验记录；·同时支持以太网通信和MODEM拨号通信；2 界面介绍装置上电后自动进入录波主程序，其界面除了大家熟悉的菜单栏、工具栏、状态栏以外，主体部分由以下4个区域组成：系统运行状态记录列表 该列表中详细记录了系统运行过程中发生的各种事件，例如系统启动、录波、修改定值、修改配线、DSP复位、系统出错等，一个事件占用一行，不同类型的事件用不同的图标显示，同时有详细的文字说明和事件发生的时间。表中最多可以列出最近的9999个条目（根据用户指定），更早的条目存放在数据库中，用户可以随时查阅。：由此切换

27、到最近录波文件列表，最多可以列出999个，更早的则存于数据库中。用鼠标双击该表中的项目可以显示该故障文件的波形。：状态指示灯。运行灯绿色表示正常，红色表示故障。电源告警灯绿色表示正常，红色表示故障。试验灯亮表示正在做特性试验。录波灯绿色表示正在录波，DSP板指示灯绿色表示正常，红色表示有故障，黄色表示正在录波。第三节 厂用电快速切换装置一.备用电源自动投入装置的分类从运行状态来看备用电源自动投入装置（简称切换）可分为两大类：1.正常切换在机组启动或停机时用，由运行人员分别操作备用电源（或工作电源）的断路器，就可切换厂用电源。2.事故切换在正常运行情况下，当工作电源故障时，切换装置启动，备用电源

28、自动投入。近几年来，随着发电机容量的不断增长，厂用电容量也相应增大。因此，厂用电在切换过程中对大型锅炉运行工况的影响，尤其是在原子能电站的出现，对厂用电切换的断电时间提出了更高的要求。以断路器的动作时间和顺序为特征，切换方式可分为五大类：(1).延时切换在工作电源断路器断开后，不是瞬时合上备用电源断路器，而是延迟一点时间后再合上备用电源断路器。采用延时切换的目的是为了防止厂用电动机承受过大的压力。这因应为以往采用的短路器的操作机构是电磁型的，其合闸时间都是在0.20.3S（10-15HZ）左右，在这个固有和闸时间内，母线残压与备用电源之间的相角差已接近于180°，电动机将承受最大的冲

29、击力。然而，长时间的延时，也会引起锅炉蒸汽循环的破坏，不利于锅炉的安全运行。近年来，随着原子能电站的出现，考虑到原子能电站反应堆的循环冷却泵不能失电过长，对厂用电切换允许的最长时间提出了更高的要求。如美国在1280MW原子能发电机组的设计中，要求厂用电切换时间不能大于10HZ。(2).串联切换在工作电源断路器权不断开时才能合上备用电源断路器。一般使用工作电源断路器的辅助接点直接串联（或经中间机电器）在备用电源断路器的合闸回路中，我国现有的厂用电切换方式就是采用这种方式：母线断电时间取决于断路器的合闸时间，对于电磁型操作机构的断路器，其固有合闸时间约为15HZ左右。在这个固有的合闸时间内，母线残

30、压与备用电源母线电压之间的相角差已接近于180°，此时已超过电动机冲击电流的安全区。因此，我国又的厂用电备用投入装置是不符合厂用电切换准则的，有待于进一步的改进。(3).并联切换在切换时间内，工作电源和备用电源是并联运行的。这种切换方式也可称为“不断电切换”它对机组的运行和防止电动机的冲击都有利。因此，国内外正常的切换都广泛应用这种方式。(4).同时切换备用电源断路器合闸和工作电源断路器跳闸是同时进行的。通常断路器的合闸时间大于其跳闸时间。所以，断电时间等于断路器的固有合闸时间减去跳闸时间；断电时间将随着断路器动作时间不同而有差异。同时切换比串联切换的断点时间要短，但它对断路器的跳合

31、闸时间调整的精确度要求较高。如果断路器调整不好，可能会发生跳闸时间等于或大于合闸时间，即产生所谓断路器的重迭现象。在事故情况下，发生重迭现象有可能将备用电源重合到故障上去，使故障范围进一步扩大。(5).快速切换工作电源和备用电源断路器的动作采用的是同时切换或串联切换的方式，而且要求断路器的合闸必须是快速的，即断路器的合闸时间必须小于或等于5HZ，具有这种特征的切换方式称为“快速切换”。二.机组厂用电源快速切换随着大容量机组的不断出现，厂用电容量也在不断地增长。因此，对于常用工作点源于事故（或称启动）备用电源之间的切换问题更加关注了。尤其是大型锅炉运行工况的稳定性和对电动机的冲击电流的影响，将成

32、为更加突出的矛盾了。近年来，在厂用电源切换的设计中，提出了采用快速切换的方式，它比较满意地解决了厂用电源在切换过程中，对大型锅炉运行工况的稳定性和对电动机冲击的影响。1.厂用电源切换成功的准则第一准则：厂用电系统的任何设备不能由于厂用电源切换而承受不必要的过载和冲击。这里所指的任何设备，主要是指电动机和断路器。它们不应因受到过大的压力而损坏。由于在工作电源断路器跳闸后，工作电源母线电压不会马上消失，而是逐渐衰减并移相的。如果备用电源在此时合到母线上，且工作母线残压与备用电源之间相角差180°，则将产生很大的冲击电流。此冲击电流的大小与母线残压大小，残压与被用电源之间的相角差以及残压频率有关。一般情况下，断路器能承受住这种冲击。因此，电动机在厂用电源切换过程中，不应受到过大的冲击力。电动机受到过大的冲击力，会造成如下的危害性：(1).使电动机绕组从槽中移位而损坏。(2).电动机轴受到扭曲。