微机保护与测控装置技术培训资料手册文档格式.docx
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4.2 电动机比率差动保护问题分析27
4.3 反时限过流保护问题27
4.4 保护装置出口继电器的容量问题27
4.5 交流电源经过整流桥进入开入问题28
4.6 保护计量精度问题28
4.7功率显示不正确的问题28
4.8各PT二次接地不一致导致产生零序电压的问题29
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29
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。
29
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。
30
4.12 单相弧光接地对频率测量和频率保护的影响31
4.13 ＡＤ电源的滤波电容不稳定发电导致的问题31
4.14 ＡＤ基准滤波电容发生不稳定放电导致的问题31
第５部分 技术答疑32
第６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3 AD774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１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０。
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，ＰＴ变比为
，对于接地系统ＰＴ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Ｐ和无功Ｑ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ＰＴ变比和ＣＴ变比。
我公司的积分电度是每1s累加一次。
假设在一段时间Ｔ（s）内，有功功率为P0，在Ｔ时间以前有功率为０，则电度累积公式为:
例如：
假设表底为０，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3KV~35KV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，10KV~35KV当接地电流小于10A时，一般选择告警，并可继续运行1~2h。
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１ 中性点不接地系统电网允许的最大接地电流
额定电压（KV）
3~6
10
35
最大接地电流（A）
30
第２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ＰＴ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１ 复合电压闭锁方向过流保护逻辑框图
minUφφ=min{Uab,Ubc,Uca}
U2的计算同第１部分的序电压提取里的负序电压提取公式。
需要注意的是，ＰＴ断线信号只有在投入了ＰＴ断线告警功能，并且发生了ＰＴ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 ＰＴ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）。
①最大相间电压小于30V，且任意一相电流大于0.1In；
②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
①|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；
②|Ua+Ub+Uc∣>
7V，最小线电压小于18V；
用于检测两相断线。
③MAX{Uab，Ubc，Uca}<
7V且任意一相电流大于0.1In时，认为PT三相断线。
以上是600Hb保护，ＰＴ断线告警判断逻辑。
对上面的判断逻辑进行几点说明：
１，对于Ｙ-Ｙ方式接线中的①，主要是防止不接地系统在单相接地时误判断ＰＴ断线，同时在ＰＴ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57.7Ｖ。
当发生两相断线时，最小线电压为0,最大线电压为57.7Ｖ。
因此，在单相断线、两相断线时都可以准确判断。
2，对于Ｙ-Ｙ方式接线中的②，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０，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，ＰＴ发生Ｂ、Ｃ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ＰＴ电阻。
图2 ＰＴ发生Ｂ、Ｃ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ＰＴ发生Ｂ、Ｃ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*Ua
K=r2/（3r1’+r2）<
1
由此，可以得出结论：
在该情况下，Ua>
Ub=Uc=KUa
如果没有条件②而只有条件①，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）Ua>
18V，假设Ua=57.7V，那么K<
0.688时可以满足断线条件。
如果大于该值则不能判断出断线。
增加了条件②之后，可很容易的判断出断线情况。
早期310Hb并没有这条判别，因此有此情况时，出现了不能判断出断线的问题。
在最新的程序中，已经增加了这条判别。
2.3 电动机磁平衡保护
电动机磁平衡保护，在近些年已越来越多的有了应用。
因此有必要讨论下此保护。
图 ５ 电动机磁平衡保护示意图
电动机每相绕组的始端和终端引线分别入、出磁平衡电流互感器TA0的环形铁芯窗口一次。
在电动机正常运行或外部短路时，各相始端和终端电流一出一进，互感器一次安匝为０，二次无输出，保护不动作。
由此可见，在电动机没有发生相间短路的情况下，依靠互感器一次励磁安匝磁平衡，差动继电器中没有不平衡电流；
由于磁平衡原理，互感器二次侧断线也不会出现过电压现象；
这些都是电流平衡式保护所无法做到的，而且彻底根除电动机自启动和外部短路暂态过程中的误动作。
2.4 零序方向元件
600Hb保护的零序针对了不同接地方式，设置了不同的零序保护方向元件。
对于不接地系统来说，接地电流为电容电流。
相对与线路的对地电容的容抗来说，线路上的阻抗完全是可以忽略的。
因为jωC>
>
R+jωL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０。
图 ６ 不接地系统单相接地示意图
对于故障相零序电流I03=-（I01+I02）=-jω（C1+C2）U0
非故障相零序电流I01=jωC1U0,I02=jωC2U0
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0°
<
arg（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 ８ 直接接地系统单相接地序阻抗示意图
U0M1=-I01*Z01U0M2=-I02*Z02
由上面公式，I01是超前U0一个角度,角度为180°
-φ0,φ0为Z01或Z02的零序阻抗角（70°
~85°
）。
因此直接接地系统的零序方向动作区，一般为-20°
200°
图10不接地零序方向继电器动作区
图11直接接地零序方向继电器动作区
2.5变压器差动原理分析
差动保护因为其具有的选择性好、灵敏度高等一系列优点成为变压器、发电机等元件的主保护。
差动保护原理基本相同，但主变差动比起发电机差动，还要考虑到变压器接线组别、各侧电压等级、CT变比等因素的影响。
所以同其它差动保护相比，主变差动保护实现起来要更复杂一些。
另外，作为主保护和快速保护，差动也是动作频率最高的，包括正确动作和误动作。
因此经常需要分析差动保护动作原因。
2.5.1变压器差动转角原理分析
变压器各侧绕组接线形式为Y或△，正常运行时，各侧的同相电流之间，相位有个相角差，因此差动要通过转角处理，使正常运行时没有差流。
微机保护同传统保护相比，保护原理并没有太大的变化，主要是实现的方法和计算的精度有了很大提高。
早期有些微机差动保护，可能是运算速度不够的缘故，相角转换还是采用外部CT接线来消除。
现在的微机差动保护，CT都是采取Y/Y接线，相角归算由内部完成：
通过电流矢量相减消除相角误差。
主变差动为分相差动，对于Y/△-11接线，同低压侧IAl相比较运算的并不是高压侧Iah，而是Iah*=Iah-Ibh（矢量减），这样得到的线电流Iah*，角度左移30度，同低压侧Ial同相位。
对于Y/△-11接线，参与差流计算的Y侧3相电流量分别是：
Iah*=Iah-Ibh、
Ibh*=Ibh-Ich、
Ich*=Ich-Iah
对于Y/△-1接线，参与差流计算的Y侧3相电流量分别是：
Iah*=Iah-Ich；
Ibh*=Ibh-Iah、
Ich*=Ich-Ibh
以上都为矢量减，矢量图以Y/△-11接线为例：
通过减超前相或滞后相电流的不同，从而实现相角滞后或前移30度。
不过，幅值放大了√3，这可以在平衡系数中消除。
另外这种相电流相减转角的方式同时也起到滤去零序电流的作用，因为在区外不对称故障时，△侧零序电流是CT采集不到的，而Y侧的可以。
要特别说明的是对接线组别Y/Y的变压器，程序对两侧均作了Y→△变换，目的主要是消除高压侧CT中可能流过的零序电流对差流的影响，确保高压侧发生区外接地故障时差动保护不误动。
2.5.2变压器差动二次谐波判据分析
变压器在空投时，会产生很大的励磁涌流，形成差流；
而励磁涌流具有典型的二次谐波特征，因此为防止空投时差动动作，通过滤波算法，计算出差流中的二次谐波含量，超过定值则闭锁差动。
然而这种闭锁措施，也带来一些负面影响，主要是在区内严重故障时，电流很大，CT可能饱和，饱和就有二次谐波分量，因此二次谐波闭锁判据将延缓动作速度，甚至拒动。
因此配置差动速断保护，差动速断保护定值躲过涌流，不需要经二次谐波闭锁，也不经其它任何闭锁，就是差流过流。
2.5.3差分算法滤去非周期分量的应用
差动保护用的CT，暂态特性可能不一致，各侧CT对非周期分量的传变不一致，因而产生差流，如果采用全波傅氏算法计算差流，基本上可以滤去，但像MTPR-620H，原来采用半波算法，是不能滤除非周期分量的。
因此采用差分+半波，差分的原理是相邻采样点相减，然后乘以还原系数，还原基波的幅值。
差分算法公式：
差分的根据：
.
其幅值还原系数为
的倒数；
N为每周波采样点数，对于N=24，即系数为：
3.83，相位平移了82.5度。
2.5.4复式比率制动特性
N
|Ic|>
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
=
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Ⅰ侧为基准，计算变压器各侧（m侧）平衡系数
、
分别为Ⅰ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：
—（3）
（5）
转子一点接地为Rg小于定值；
转子两点接地为△α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|<
|j（XA-XB）/2|时，失磁阻抗元件动作。
失磁保护动作逻辑如图A3所示。
其中，Xst为联系电抗，XA＝1/2*Xd’，XB＝K*Xd（Xd为同步电抗，Xd’为瞬态电抗可靠系数K一般取1.2）。
图A1静稳阻抗特性圆
图A2异步阻抗特性圆
图A3失磁保护动作逻辑
第３部分 产品功能拓展
3.1 线路保护的遥控和手动同期合闸
手动和遥控同期合闸，是在310Hb保护中已经增加的内容．在新的以太网版本程序中，准备增加上去。
同期合闸采用的是脉冲启动，准同期方式合闸。
但为了简化处理，只针对线路同期设计，不增加越前角合闸功能。
3.2 电动机的正/反转控制
电动机正、反转控制，是为了适应需要电机正转，也同时需要反转两种情况下保护和测量。
为了能实现在反转时，功率的正确计算，正、负序分量提取正确。
增加了一个反转开入。
在电机反转合闸前，给出该信号。
装置通过开入判断后，确认是反转。
自动调整正、负序分量算法。
同时根据反转选相中的反转相序（AB\AC\BC），来调整功率算法。
3.3 电动机的软启动功能
电动机软启动功能，是针对一些需串电抗器或者电阻启动的电机。
下面是电动机软启动控制一个一次接线图。
其中，QF1在启动柜内，QF2在运行柜内。
启动的模式是，首先先合启动柜，QF1先合闸。
当电机的启动时间到或者启动电流下降到一定值。
则合运行柜，合QF2。
这样相当于把串入的电抗器短接掉，完成了整个的启动过程。
当保护跳闸时，一般只需要跳启动柜，而运行柜通过启动柜的跳闸而启动运行柜的跳闸。
一般保护不去跳运行柜。
图 12 电动机软启动一次接线图
合QF2的时机，有两种模式，一个是启动时间和启动电流“与”逻辑，另一种是“或”逻辑。
“与”对系统的冲击更小些，但启动耗能比较大；
“或”逻辑对系统冲击相对“与”逻辑要大一些，但启动耗能小一些。
因
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