CN110412400A - Pt断线及pt三相逆序的故障判断方法及故障保护装置 - Google Patents

Pt断线及pt三相逆序的故障判断方法及故障保护装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了PT断线及PT三相逆序的故障判断方法，包括采样获取PT输出的三相电压信号幅值、周期以及三相电压之间的相角差；判断PT输出的三相电压幅值的平均值是否大于PT故障检测启动阈值；进行PT逆序检测；进行PT单相断线检测；进行PT多相断线检测。本发明还公开了PT断线及PT三相逆序的故障保护装置。本发明提供了PT输出信号的逆序检测和判断，输出逆序故障开出信号至保护装置，使自动控制系统更加安全、可靠；通过相位对PT输出信号进行断线故障检测，减小误检的可能性，更精确可靠。

Description

PT断线及PT三相逆序的故障判断方法及故障保护装置
技术领域
本发明属于发电机组继电保护领域，具体涉及PT断线及PT三相逆序的故障判断方法及故障保护装置。
背景技术
电压互感器(Potential transformer)简称PT，是用于电压测量的传感器，可以降低信号幅值，并隔离原方和副方电路。PT在发电机励磁装置等诸多自动控制系统中有着广泛的应用。
PT原方接入外部高压信号，副方接入自动控制系统，正常的PT信号如图3-1所示。从现场运行分析，原方接线故障概率远高于副方。PT原方接线故障有两种，一种是接线顺序错误造成三相逆序故障如图3-2所示；另一种是断线故障。单相断线是原方三相信号有一相没有输入，副方有两相电压幅值减半，相位重合，如图3-3所示；如果出现原方二相信号或三相信号断线，则副方三相信号幅值均瞬时降低到0。
对于交流信号可以采用定频采样PT信号的幅值、相位和频率。如图5所示，当前一个测量值大于等于0，而后一个测量值小于0时，通过插值算法根据两个测量点的测量时刻和电压幅值计算得到电压为0时的时刻，即下降沿过零点时刻；前一个测量值小于等于0，而后一个测量值大于0时，同样可以通过插值算法计算上升沿过零点时刻。测量点时刻和电压信号过零点时刻一般使用CPU定时器的计数值，目前定时器计数频率都在1MHz以上，测频精度很高，且计数器一般为16位字或32位双字，可测频率范围很宽。
对于交流信号也可以采用交流采样，将信号转换成同步方波进行测频测相，对于交流信号的采样频率则跟踪信号频率，采样点在一个周期内均匀分布，通过傅里叶算法可以得到信号的实部虚部，进而获取幅值。
现有发电机励磁系统的PT故障判断方法通常对PT信号进行断线检测、判断，缺乏对PT输出信号逆序等故障的检测，如公开号为CN109541469A的中国专利“一种发电机励磁系统用PT断线判别方法”公开了通过两路PT信号幅值比较进行PT断线判断的方法。
发明内容
本发明的技术问题是现有的发电机组的励磁系统缺乏对PT输出信号逆序的检测。
本发明的目的是解决上述问题，提供PT断线及PT三相逆序的故障判断方法及故障保护装置，对发电机组的励磁系统的PT输出信号进行逆序检测、单相断线检测、多相断线检测。
本发明的技术方案是PT断线及PT三相逆序的故障判断方法，包括以下步骤，
步骤1：采样获取PT输出的三相电压信号幅值、周期以及三相电压之间的相角差；
步骤2：判断PT输出的三相电压幅值的平均值是否大于PT故障检测启动阈值；
若大于启动阈值，且持续时间大于电压稳定阈值时间，则执行步骤3，否则执行步骤1；
步骤3：进行PT逆序检测；
步骤4：进行PT单相断线检测；
步骤5：进行PT多相断线检测。
步骤1中，采用高速定频采样获取PT输出的三相电压信号幅值、周期以及三相电压之间的相角差。
步骤2中，所述PT故障检测启动阈值为PT输出三相额定电压值的20％。
步骤3中，所述PT逆序检测，如果PT信号三相之间3个相角差有2个大于200°，且持续时间超过0.1秒，则判断为PT逆序故障。
步骤4中，所述PT单相断线检测，如果PT信号任意两相相角差大于等于300°或者小于等于60°且此现象持续时间超过60毫秒，则判断为PT断线故障。
步骤5中，所述PT多相断线检测，如果PT信号三相电压幅值的平均值小于10％额定电压，而PT信号三相电压幅值的积分值大于30％额定电压，且此现象持续时间超过60毫秒，则判断为PT多相断线故障。
步骤2中，所述电压稳定阈值时间为100毫秒。
采用PT断线及PT三相逆序的故障判断方法的故障保护装置，包括电压互感器、信号调制模块和控制模块，信号调制模块的输入端连接到电压互感器的PT副方，信号调制模块对PT输出信号进行调制、隔离；调制模块的输出端与控制模块的模拟信号采样端口或数字信号输入端连接；控制模块包括PT断线及PT三相逆序的故障判断程序，所述PT断线及PT三相逆序的故障判断程序被执行时，实现PT断线及PT三相逆序的故障判断方法，控制模块根据PT逆序检测、PT单相断线检测、PT多相断线检测的结果输出开关量信号，电压互感器输入端连接到励磁变压器低压侧。
所述信号调制模块包括电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，运算放大器U1、U2、U3、U4、U5、U6，电压互感器P1、P2、P3；运算放大器U1的输入端分别经电阻R1、R2连接到PT输出的A相、B相，运算放大器U1、电压互感器P1、运算放大器U4、电阻R4依次连接，构成A相电压的输出支路；运算放大器U2的输入端分别经电阻R2、R3连接到PT输出的B相、C相，运算放大器U2、电压互感器P2、运算放大器U5、电阻R5依次连接，构成B相电压的输出支路；运算放大器U3的输入端分别经电阻R1、R3连接到PT输出的A相、C相，运算放大器U3、电压互感器P3、运算放大器U6、电阻R6依次连接，构成C相电压的输出支路。
相比现有技术，本发明的有益效果：
1)提供了PT输出信号的逆序检测和判断，输出逆序故障并开出信号至保护装置，使自动控制系统更加安全、可靠；
2)通过相位对PT输出信号进行断线故障检测，减小误检的可能性，更精确可靠；
3)设置PT故障检测启动阈值以及电压稳定阈值时间，避免对PT故障误检、误报，避免保护装置误动作。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为PT断线及PT三相逆序的故障判断方法的流程图。
图2为PT断线及PT三相逆序的故障保护装置的结构示意图。
图3-1为正常的PT副方信号示意图。
图3-2为PT副方信号三相逆序故障示意图。
图3-3为PT断线故障示意图。
图4为信号调制模块2的电路结构示意图。
图5为插值算法获取过零点的示意图。
图6为相角差计算示意图。
图7为同步方波测频测相示意图。
图8为实施例的故障保护装置的结构示意图。
附图标记说明：电压互感器1、信号调制模块2、控制模块3。
具体实施方式
如图1、图2所示，PT断线及PT三相逆序的故障判断方法，包括以下步骤，
步骤1：定频采样获取PT输出的三相电压信号幅值、周期以及三相电压之间的相角差；
步骤2：判断PT输出的三相电压幅值的平均值是否大于PT故障检测启动阈值；
若大于启动阈值，且持续时间大于电压稳定阈值时间，则执行步骤3，否则执行步骤1；
步骤3：进行PT逆序检测；
步骤4：进行PT单相断线检测；
步骤5：进行PT多相断线检测。
步骤2中，所述PT故障检测启动阈值为PT输出三相额定电压值的20％。
步骤3中，所述PT逆序检测，如果PT信号三相之间3个相角差有2个大于200°，且持续时间超过0.1秒，则判断为PT逆序故障。
步骤4中，所述PT单相断线检测，如果PT信号任意两相相角差大于等于300°或者小于等于60°且此现象持续时间超过60毫秒，则判断为PT断线故障。
步骤5中，所述PT多相断线检测，如果PT信号三相电压幅值的平均值小于10％额定电压，而PT信号三相电压幅值的积分值大于30％额定电压，且此现象持续时间超过60毫秒，则判断为PT多相断线故障。
步骤2中，所述电压稳定阈值时间为100毫秒。
采用PT断线及PT三相逆序的故障判断方法的故障保护装置，包括电压互感器1、信号调制模块2和控制模块3，信号调制模块2的输入端连接到电压互感器1的PT副方，信号调制模块2对PT输出信号进行调幅、隔离、滤波；调制模块2的输出端与控制模块3的模拟信号采样端口或数字信号输入端连接；控制模块3包括PT断线及PT三相逆序的故障判断程序，所述PT断线及PT三相逆序的故障判断程序被执行时，实现PT断线及PT三相逆序的故障判断方法，控制模块3根据PT逆序检测、PT单相断线检测、PT多相断线检测的结果输出开关量信号到其他控制设备。
如图4所示，信号调制模块2包括电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，运算放大器U1、U2、U3、U4、U5、U6，电压互感器P1、P2、P3；运算放大器U1的输入端分别经电阻R1、R2连接到PT输出的A相、B相，运算放大器U1、电压互感器P1、运算放大器U4、电阻R4依次连接，构成A相电压的输出支路；运算放大器U2的输入端分别经电阻R2、R3连接到PT输出的B相、C相，运算放大器U2、电压互感器P2、运算放大器U5、电阻R5依次连接，构成B相电压的输出支路；运算放大器U3的输入端分别经电阻R1、R3连接到PT输出的A相、C相，运算放大器U3、电压互感器P3、运算放大器U6、电阻R6依次连接，构成C相电压的输出支路。
如图8所示，本实施例中，采用2个电压互感器1、2个信号调制模块2，2个电压互感器1输入端分别连接到励磁变压器低压侧，2个信号调制模块2的输出端分别连接到控制模块3的AI端。励磁调节器的控制通道1、控制通道2分别连接到控制模块3的DO端。PT信号经过信号调制模块2调制隔离后送入控制模块3的模拟信号采样AI端口，控制模块3对信号分析后将判断的PT信号状态通过控制模块3的DO端口输出开关量信号到励磁调节器。
控制模块通过高速定频采样获取来自PT的电压数据，通过均方根值算法计算电压幅值。测量频率5kHz，均方根值算法采用的数据窗口宽度40毫秒，每一路电压信号取最近的200个采样数据进行均方根值计算，计算公式为
其中V为计算得到的电压有效值，Vk为最近第k次采样得到的电压瞬时值。
取三相电压瞬时值Va、Vb、Vc的平均值作为电压瞬时值Vabc，通过传递函数为1/(1+Ts)的惯性环节得到电压积分值Vav，
Vav＝Vav+(Vabc-Vav)·k
其中k为惯性环节时间常数T折算的积分系数。
如图6、图7所示，定频采样时，连续两个上升沿或下降沿过零点的时间差就是电压信号周期，不同相之间的同向过零点时间差可以根据周期折算成相角差。在B相电压上升沿过零点时计算AB相相角差αAB，
其中tB是B相电压过零点时刻，tA是A相电压过零点时刻，T是周期。采用相同的方法在A相电压过零点时计算AC相相角差，在C相电压过零点计算BC相相角差。
高速定频采样方式进行测频测相的过程：控制模块初始化后启用一个定时器作为公共时钟，从0到最大值循环计数。在高速定频采样的同时记录公共时钟的计数值作为采样时刻，以测量电压上升过程的过零点时刻为例，如果当前电压测量值大于等于0，而上一个测量值小于0，可以根据两个测量点的幅值和测量时刻通过插值算法得到电压上升过程的过零点时刻。同一相电压两个上升过程的电压过零点时刻的时间差就是电压信号的周期，这个时间差是定时器计数值形式。同样计算出源于同一PT的任意2路电压上升过程的过零点时间差，并得到相间过零点时间差与周期的比值。因为一个周期360度，将比值乘以360即可得到相角差的角度值。捕捉电压下降过程的过零点同样可以测频测相。
正常时的AB相相角差、BC相相角和CA相相角差均约120度，而逆序这些时相角差均约240度。同时出现2个相角差大于200度且持续时间超过0.1秒即判断出现三相逆序。
为了避免低电压时因为信号扰动造成误判，当三相电压幅值低于20％额定值时暂停PT断线检测和三相逆序检测。
采用交流采样同样可以获得三相信号的幅值、周期和相位，然后可以采用同样的原理进行PT断线和逆序判断。

Claims (9)

1. PT断线及PT三相逆序的故障判断方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1：采样获取PT输出的三相电压信号幅值、周期以及三相电压之间的相角差；
步骤2：判断PT输出的三相电压幅值的平均值是否大于PT故障检测启动阈值；
若大于启动阈值，且持续时间大于电压稳定阈值时间，则执行步骤3，否则执行步骤1；
步骤3：进行PT逆序检测；
步骤4：进行PT单相断线检测；
步骤5：进行PT多相断线检测。
2.根据权利要求1所述的 PT断线及PT三相逆序的故障判断方法，其特征在于，步骤1中，采用高速定频采样获取PT输出的三相电压信号幅值、周期以及三相电压之间的相角差。
3.根据权利要求1所述的 PT断线及PT三相逆序的故障判断方法，其特征在于，步骤2中，所述PT故障检测启动阈值为PT输出三相额定电压值的20%。
4.根据权利要求1所述的 PT断线及PT三相逆序的故障判断方法，其特征在于，步骤3中，所述PT逆序检测，如果PT信号三相之间3个相角差有2个大于200°，且持续时间超过0.1秒，则判断为PT逆序故障。
5.根据权利要求1所述的 PT断线及PT三相逆序的故障判断方法，其特征在于，步骤4中，所述PT单相断线检测，如果PT信号任意两相相角差大于等于300°或者小于等于60°且此现象持续时间超过60毫秒，则判断为PT断线故障。
6.根据权利要求1所述的 PT断线及PT三相逆序的故障判断方法，其特征在于，步骤5中，所述PT多相断线检测，如果PT信号三相电压幅值的平均值小于10%额定电压，而PT信号三相电压幅值的积分值大于30%额定电压，且此现象持续时间超过60毫秒，则判断为PT多相断线故障。
7.根据权利要求1所述的 PT断线及PT三相逆序的故障判断方法，其特征在于，步骤2中，所述电压稳定阈值时间为100毫秒。
8.采用权利要求1-7所述的PT断线及PT三相逆序的故障判断方法的故障保护装置，其特征在于，包括电压互感器（1）、信号调制模块（2）和控制模块（3），信号调制模块（2）的输入端连接到电压互感器（1）的PT副方，信号调制模块（2）对PT输出信号进行调制、隔离；调制模块（2）的输出端与控制模块（3）的模拟信号采样端口或数字信号输入端连接；控制模块（3）包括 PT断线及PT三相逆序的故障判断程序，所述 PT断线及PT三相逆序的故障判断程序被执行时，实现 PT断线及PT三相逆序的故障判断方法，控制模块（3）根据PT逆序检测、PT单相断线检测、PT多相断线检测的结果输出开关量信号，电压互感器（1）输入端连接到励磁变压器低压侧。
9.根据权利要求8所述的故障保护装置，其特征在于，所述信号调制模块（2）包括电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，运算放大器U1、U2、U3、U4、U5、U6，电压互感器P1、P2、P3；运算放大器U1的输入端分别经电阻R1、R2连接到PT输出的A相、B相，运算放大器U1、电压互感器P1、运算放大器U4、电阻R4依次连接，构成A相电压的输出支路；运算放大器U2的输入端分别经电阻R2、R3连接到PT输出的B相、C相，运算放大器U2、电压互感器P2、运算放大器U5、电阻R5依次连接，构成B相电压的输出支路；运算放大器U3的输入端分别经电阻R1、R3连接到PT输出的A相、C相，运算放大器U3、电压互感器P3、运算放大器U6、电阻R6依次连接，构成C相电压的输出支路。
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