励磁调节器“PT断线”判据及其逻辑优化的探讨

1、励磁调节器“PT断线”判据及其逻辑优化的探讨陈敏刚姚孟电力工程有限责任公司，河南 平顶山467031CHEN Min-gang关键词：励磁调节器PT断线 判据 误强励。摘要：PT断线作为发电厂及电力系统中一种常见的故障，能否及时有效地进行判别，是继电保护自动装置以及励磁调节器正确动作的前提条件。针对PT断线的特点，在对不同原理的判据进行分析后， 结合现场实例，指出了目前判据中存在的不足之处，给出了一种实用的PT断线参考判据。本文通过对姚孟发电有限责任公司应用中的三种励磁调节装置PT断线判据进行比较，分析出各种 PT断线判据在不同工况下的应用特点和优劣。引言：发电厂中PT （电压互感器）一、二次

2、发生断线事故，是一种常见的故障。一旦PT断线失压，有时会使得励磁调节装置的电压采样发生偏差而产生切通道运行的扰动状态，有时还会使励磁调节器切换至手动运行，甚至会发生“误强励”、 过电压以及机组失磁跳闸的严重事故。因此在发电机励磁调节装置中，PT断线判据的重要性是不言而喻的。PT断线一般可以分为PT 一次侧断线和二次侧断线，无论是哪一侧的断线，都将会使PT二次回路的电压异常。PT次侧断线时，一种是全部断线，此时二 次侧电压全无，开口三角也无电压； 另一种是不对称断线，此时对应相的二次侧 无相电压，不断线相二次电压不变，开口三角有压。PT二次侧断线时，PT开口三角无电压，断线相相电压为零。作者最近

3、在分析姚孟电厂6台机组励磁调节装置历年来的故障案例时，发现关于PT三相失压（对称断线）的判断，各个厂家基本相同；而对于 PT不对称断 线，则不尽相同。下文将针对南瑞集团SAVR2000瑞士 ABB公司UNF以及UN5000 等不同型号励磁调节器的PT断线判据进行分析比较。1用于励磁调节器及主设备保护的 PT断线判据比较、分析1.1目前微机型励磁调节器“ PT断线”的主要判据目前，发电机PT断线判断方法是根据PT断线后的电气量特征，其主要包括三种判据：第一种判据是：两组PT测量值比较,当只有一组PT发生断线时,该组PT测量 值突然下降，同时另一组PT测量保持不变，当发电机出口发生短路时，两组PT

4、电压采样同时降低；第二种判据是：PT测量中出现负序分量且发电机空载或定子电流测量中无负 序分量，此针对两组PT单相或两相同时断线故障,当两组PT同时单相或两相断线 时,电压测量中出现负序分量，当发电机定子正常运行时，定子电流测量中不出现 负序分量；当出现单相或两相短路时，定子电流测量中就出现负序分量；该项判据 能够区分短路和PT断线;在发电机出口短路时，励磁控制装置能够进行正确控制， 而不误判为PT断线；第三种判据是:PT测量值很小、转子电流较大且定子电流正常。当两组 PT三 相同时断线，两组PT三相电压测量全部为零，也没有负序分量，第一种和第二种 判据均失效的状态：则当转子电流大于发电机相应

5、设定值时，两组 PT测量值很 低并小于与发电机相应的设定定值；则出现如下判断：发电机出口发生三相短路， 或两组PT发生全部断线；两种情况的差别在于定子电流测量值的变化，发生短路 时，定子电流测量值增大；从而判断两组 PT同相多相断线。1.2 PT断线逻辑及采样原理的设计PT断线判据满足后，通常的做法是：当发生 PT断线时，以断线的PT作为调 节信号的通道自动切换到电流闭环运行， 防止误强励发生，另一通道将本通道设 置为工作通道，将PT断线通道设置为备用通道。自动闭锁 PT断线通道输出。目前，大机组励磁调节器一般有两个自动调节通道，或互为备用或并列运行，正常时均在自动方式运行。调节器通常接入两组

6、PT电压信号：励磁PT和测量PT0 PT断线有两种设计：每个调节器通道都接入不同的两组 PT,正常以固定一组PT参与调节，每 个调节器通道自动判断PT是否正常。当发现参与调节的PT断线时自动将另一组 PT作为调节信号。这是一种切换信号不切换通道的设计。每个调节器通道都接入不同的两组 PT,两通道设置不同的PT参与调节，每 组调节器自动判断PT是否正常，当发现参与调节的PT断线时，自动将本通道退 出运行而投入另一通道运行。这是一种切换运行通道的设计。PT断线判据检测原理大致分为两类：一是du/dt加上di/dt :即PT电压采样信号突变大于10%判PT断线。二是双PT比较：即比较两组PT采样有效

7、值或整流输出电压，当差值大于10%时发出PT断线信号双PT比较判据根据不同励磁系统又分为：同一组 PT一次绕组（励磁专用） 不同二次绕组之间比较；不同组 PT 一次绕组的不同二次绕组之间比较；机端电 压与同步电压（励磁变二次侧）之间比较等。目前火力发电机组一般采用中性点非直接接地方式，此方式下，当电压互感 器的高压侧出现一相断线或保险熔断，此时故障相的电压采样不为0 （无论采样取相电压还是线电压），而仅比正常采样值偏低（但不是该相实际电压，则PT开 口三角处会出现33V左右电压值。目前，励磁调节器电压采样通常取三相线电压 平均值（一般不取负序电压量及开口三角零序电压作为辅助判据）。（注意，第一

8、组PT断线后继而发生第二组PT断线时仍然应当正确发PT断线 信号；有时出现PT熔丝阻值变大或熔丝缓慢熔断，TV电压下降值小于熔断一相 的情况和PT电压缓慢下降的情况，调节器制造厂的设计也应对此做出准确判 断。）1.3发电机等主设备保护中PT断线的判据与励磁调节器相比，主设备保护因作用不同（电压采样不参与调节），保护双 重化配置时，其电压采样一般分别取自两组不同的PT二次绕组，一组用于参与保护动作值计算的电压采样，一组专用于 PT断线闭锁判别。用于保护闭锁判别 的PT二次绕组一般固定为一组，其 PT断线判据有两种：检测三相电压的断线判据：三相电压均小于某一电压值（如 20V或30V）， 同时任一

9、相电流大于某一电流值（如 0.2A或0.1A）;即PT三相失压且检测有电 流时，可发出PT断线信号。负序电压或零序电压的断线闭锁判据。负序电压判据为当出现负序电压大 于某值（如8V）时；零序电压判据为当出现零序电压大于某值（如 3U0为18V） 时、同时两相间电压差值也大于该值；即单相或两相失压或PT断线时，可发出PT断线信号。（满足以上判据发出PT断线信号时，还需要经一定的延时时间。）2姚电6台机组励磁系统简介平顶山姚孟发电有限责任公司（前称姚孟电厂）始建于 1970年，迄今四十 多年间，其励磁系统设备已经历了多次扩建和改造，各台机组励磁系统呈现出不同时期多种励磁技术同时应用的独特现象。姚电

10、#1、2机组一一交流励磁机（磁场旋转式）加静止硅整流器；如图:自动恒 压装置自动励磁调节器图2-1交流励磁机系统接线原理一（ #1、2机组：三机它励）（注：图中副励磁机已于 1996、1997年改造为永磁机，取消了自动恒压装置。）姚电#3、4机组交流励磁机（电枢旋转式）加旋转硅整流器；如图：kz自动励磁调节器图2-2无刷励磁系统接线原理（#3、4机组）（以上均为三机励磁系统，且#3、4机组属于无刷励磁；目前#1、2、4机采用瑞士 ABB公司UNF励磁调节器，#3机采用南瑞集团SAVR200C励磁调节器）姚电#5、6机组一一自并励方式。（采用瑞士 ABB公司UN5000型励磁调节器）如图:自动励

11、磁调节器图2-3自并激励磁系统接线原理（#5、6机组）3姚电各种微机励磁调节器PT断线判据介绍及分析微机型励磁调节器一般是由两套微机通道互为备用运行， 当一套微机通道发 生故障将自动切换为另外一套微机通道运行， 每一套微机调节通道都有2种运行 工况：a. 发电机机端电压调节（以发电机机端电压为判据调节简称AVRb. 发电机转子电流调节（以发电机转子电流为判据调节简称FCR。目前，双PT比较式PT断线判据在各厂家调节器中应用较为广泛。正常运行 方式下，调节器均处于 AVR调节工况，电压PT1、PT2同时采样进入两套微机装 置，A套微机装置采样的PT1电压是用来AVRM节，采样的PT2电压仅仅是用

12、来 判断PT1电压是否发生断线故障，而不用来 AVR调节，B套微机通道采样的PT2 电压是用来AVF调节，采样的PT1电压仅仅是用来判断PT2是否发生断线故障， 而不用来AVRH节。下面将几种励磁调节器PT断线判据分别进行介绍。3.1姚孟电厂#1、2、4机励磁调节器（ABB UN-F型）PT断线判据3.1.2启动过程中的PT断线判据（参数10802）:励磁投入12秒或已并网； 励磁电流大于20%机端电压小于70%上述条件均满足后延时20秒判PT断线。3.1.3双PT比较判据（参数10820）:两通道机端电压采样值相差 5%延时 1秒后判PT断线（哪个通道采样值低判该通道 PT断线）。3.1.4

13、 du/dt判据（参数10921,此判据可通过参数914进行投、退）：励磁 投入；50 或 100MS内 du/dt 超过 0.5%UN/MS（5PU/S），且 di/dt 不大于 2.5%或 备用通道失效；上述条件满足后判 PT断线。3.1.5机端电压与同步电压比较（该判据受参数 515及901设置闭锁，即以 自并励系统正常运行工况作为开放条件，在三机励磁系统该判据被自动闭锁）：任意一个通道机端电压采样值低于同步电压采样 15%作（8%返回），延时0.1 秒后判PT断线。3.2姚孟#5、6机励磁调节器PT断线判据3.2.1机组启动过程中（并网前）的 PT断线判据：机端电压与励磁电流变化比较判

14、据：无并网信号；自并励系统且正常运行工况（非试验电源）；励磁电流变化不超过2%机端电压变化超过5%上述条件 均满足后延时250毫秒判PT断线。机端电压与同步电压比较判据：励磁投入；无并网信号；自并励系统且正常运行工况（非试验电源）；任意一个通道机端电压采样值低于同步电压采样15%动作（8%g回）；上述条件均满足后延时50毫秒判PT断线。du/dt判据（此判据可通过参数914进行投、退）：励磁投入；无并网信号；1秒内发电机定子电流 di/dt不超过0.5%UN/MS（5PU/S），且机端电压du/dt持 续0.5秒超过0.5%UN/M（5PU/S）并延时50毫秒；上述条件均满足后判 PT断 线。

15、3.2.2并网后的PT断线判据：机端电压与同步电压（励磁变压器副边电压）比较判据：励磁投入；有并 网信号；自并励系统且正常运行工况（非试验电源）；任意一个通道机端电压采 样值低于同步电压采样15%作（8%g回）；上述条件均满足后延时100毫秒判 PT断线。du/dt判据（此判据可通过参数914进行投、退）：励磁投入；有并网信号；1秒内发电机定子电流 di/dt不超过0.5%UN/M（5PU/S），且机端电压du/dt持 续0.5秒超过0.5%UN/M（5PU/S）并延时100毫秒；上述条件均满足后判 PT断 线。目前，姚电几台机组励磁系统 du/dt判据均未投用。3. 3其它几种三机励磁系统调

16、节器 PT断线判据： #1、2机励磁系统改造前原 WKKL-200C调节器PT断线判据：双PT 电压比较，如果其差值大于较大值的 1/8 （或同一 PT不同相之间电压比较），励 磁PT断线切手动、仪表PT断线发信号。 #3、4机原（ACEC模拟调节器PT断线判据：三相电压和大于8V, 最小线电压小于16V,判为两相或单相PT断线。 #3机励磁调节器（南瑞SAVR200。PT断线判据：SAVR2000型微机励磁调节器正常运行时，两套微机通道均处于AVR调节工况，每套微机通道采样的PT1、PT2经过模拟量板的隔离整流，然后把 PT1、PT2 的整流值进行比较。当PT1或PT2发生一相或二相（三相）

17、断线整流值将明显降 低，装置会比较PT1、PT2整流值，然后判断出哪组 PT断线，将对应PT断线的 微机通道切换为转子电流调节工况而自动转为备用通道（输出跟踪主用通道但被闭锁），没有发生断线的PT对应的微机通道自动切换为主用通道运行在 AVF工况。 这样发生PT断线的微机通道由于输出被闭锁将不会引起误强励。3.4各种PT断线判据的比较du/dt判据的缺点：假设系统发生较大扰动（无功振荡），调节器两个通道将同时判断PT断线并 切换至手动运行方式，而如果此时不满足判据条件将可能造成误强励或加重无功 振荡。一般在在三机励磁系统中本判据不宜投用， 在自并励系统作为试验方式下 的参考判据（本文后面将通过

18、案例进一步说明）。双PT电压比较判据的缺点：微机励磁调节器软件通过比较两个电压的差值，当差值超过整定值时，逻辑 控制器启动切换：如果两个通道共用一组PT，则从自动方式切换到手动方式运行；如果双通道使用各自独立的 PT,而且运行通道出现PT断线，则从运行通道 的自动方式切换到备用通道的自动方式；如果两组PT均出现故障，则切换到手动方式运行。我们仔细分析一下处理双PT比较判据判断PT断线的方法，就能得出其中的 不足之处。假设发电机正常运行在 A套微机通道的AVR调节工况,B套微机通道 备用在AVR调节工况，PT1电压回路发生断线故障，A套微机通道根据PT1 PT2 的整流值进行比较，发出PT断线报

19、警信号，由于PT1发生断线，A套微机通道 将自动由AVR工况转成FCR工况，同时A套微机通道自动转为备用，B套微机通 道切换为主用仍工作在 AVR调节工况，此时PT2用于B套微机通道作为电压调节 的判据。由于PT1己经发生断线故障，若此时PT2再发生断线故障而使PT2的整 流值降低，此时PT1、PT2的整流值均降低，将引起励磁装置判断是因为系统短 路故障而引起的电压下降，调节器将增大励磁输出造成误强励。而该种缺陷在UNITROL-500C型励磁调节器PT断线判据中将不会出现。因为 UNITROL-5OO0型励磁系统在判别PT断线时采用的是采入的 PT电压和采入励磁 变低压侧电压进行比较，此时发

20、生双 PT断线也不会引起机组误强励。但是，如果零起升压过程中（比如升压至60%U时）发生PT一次保险断一相， 则两路电压采样同时降至 60%UN同样存在误强励的风险。（升压过程中，60%UN 前后都存在断线可能。）针对此种情况，UNITROL-5000型励磁调节器PT断线判 据中又增加了/ U、/ IF检测判据，问题随即迎刃而解了。但如果发电机升压时发生双 PT断线，且此时又出现出口短路故障，则此时 会影响调节器的强励功能（因双PT断线后切至手动方式），由于如此工况出现的 几率实在太小，且其仅仅影响到继电保护装置动作的灵敏性，所以在设计PT断线判据时可不予考虑。另一种极端工况如：机端短路时，无

21、论并网与否，调节器均不判PT断线（参 考后面介绍我厂的两个案例）而出现强励。如果我们从强励与过电压出现的工况区别上进行考虑：强励多从并网时考虑，过电压多出现在空载时。则设计 PT断线判据的思路将更加清晰。4 PT断线判据在应用中的案例分析下面通过部分励磁系统案例对PT断线判据进行进一步分析：案例1、#1机调节器受系统扰动影响、切手动2003年2月9日晚，姚孟#1机励磁调节器报“ A120 （PT断线），并由“AVR 自动切换至“ FCR手动运行方式。查220KV变电站多条线路跳闸，调节器两个 通道均报“ PT断线”并切至手动；此时其它主设备保护无 PT断线告警。查该调节器软件图及参数得知：该调

22、节器为新安装投运，因其PT断线逻辑未采用双PT比较判据，而是采用du/dt判据，由于系统故障后电压扰动较大，造成两个通道同时判“ PT断线”继而切至手动方式运行。随后通过修改参数将该调节器 du/dt判据退出，将双PT比较判据加用；复 归信号后重新投入自动方式运行。案例2、#1机停机减负荷过程中及正常运行时调节器的几次 PT断线报警2007615，姚孟#1机停机减负荷过程中调节器 “A120报警（PT断线）。 查此时发变组保护及DCS系统同时出PT断线告警，在调节器AVR柜内测TV1电 压UAC=71V判断该组PT 一次保险有缺陷，停机后检查发现 PT 一次保险B相过 热，更换后正常，复归 A

23、VR通道跟踪偏差闭锁信号。2007.9.23，姚孟#1机启动过程中（空载状态）调节器 “A120报警（PT 断线）。在调节器AVF柜内测TV1电压后判断该组PT次保险有缺陷，检查发现 PT一次保险B相过热，做安全措施并整组更换 PT一次保险后正常，复归AVF通 道跟踪偏差闭锁信号。2007.11.27，运行人员在DCS系统CRT监盘时发现：#1机机端三相电压略微 不平衡。检查，此时在保护屏、AVR测量回路检查各组PT二次电压略有不平衡， 但各处均未报 “PT断线”（未到定值），判断PT一次保险存在初期故障。就地 检查TV2 一次保险B相过热（尚未熔断），证实判断。处理：按处理预案做安全 措施：

24、AVR切至CH1处理过程中“ A120及“PT断线”发出）。2008.3.4凌晨，#1机“ A120报警、切通道。查：#1机TV1 一次保险C相 熔断。因定子接地3U0取自TV2,故本次PT断线未跳机（上次TV2断线因发变 组定子接地保护装置问题曾经造成跳机）；AVR由CH1切至CH2报“ A120;发 变组、DCS报“ TV断线”；处理：按照预案更换一次保险（发现运行人员仅更换 一相保险）；遂建议：应按照规程同时更换三相保险。案例3、#2机启动并网试验中，手/自动切换时发电机过压跳闸（类似双 PT 断线情况）2005年，姚孟#2机大修中励磁调节器更换改造后进行启动试验，发电机空 载试验后调节

25、器由手动切换至自动方式，由于手动-自动参数跟踪慢，造成强励，发电机过压保护动作跳闸。分析：此过程类似于双PT比较中判三相失压，不判PT断线。案例4、#4机启动短路试验中，误投自动、误强励2007.10.27 ,#4机因发电机出口增加一台高压厂用变压器而进行启动过程中的短路试验，短路点设置在该变压器低压侧6KV断路器下口。试验开始后，在变压器及断路器本体的试验人员突然感受到巨大的振动并听到铁磁谐振的“嗡嗡” 声，随即用对讲机呼叫停止。检查发现：运行人员操作中误将励磁调节器投为自 动方式，所以造成了强励。（启动升压过程中双PT三相均无电压且有电流，此时 不判“ PT断线”。）案例5、#4机无功摆动

26、（PT一次触头变形接触不良）20102011, #4机组机端电压及无功摆动。检查 AVR已切通道，运行中检查 无异常，切换运行通道无异常（有风险）。第一次停机检查：PT二次加压无异常。 第二次停机准备PT次加压，检查发现：PT 一次触头变形、接触不良。处理后 再次并网后故障消除。注意：由于PT 一次触头接触不良造成励磁调节器电压采样的的瞬间波动， 对于双PT比较断线判据，有时能够报PT断线并切换通道，有时则不能报警，这 样不但可能造成电压及无功的持续摆动， 还有可能造成误强励甚至失磁以至机组 解列。案例6、#6机551开关断口闪络、强励2011年8月2日中午13： 30分，暴雨。姚孟#6机组启

27、动中，551、553开关 热备用状态，当#6发电机机端电压升至约19.78kV （额定电压20kV）,准备并网 时（551开关未合），网控值班人员听到500kV变电站方向有较大异常声音，随 后一声巨响，500kV南母失压。就地检查551开关C相开关北侧断口闪络崩断。551开关爆炸发生后，#6发变组保护中有“突加电压保护动作”、“断口闪络 保护动作”、“热工保护动作”；变电站551开关保护中有“三相不一致保护动作”、 “死区保护动作”、“沟通三跳保护动作”；500kV南母母差保护中有“失灵启动 动作” o调取故障录波后分析：#6发电机零起升压，故障前主变高压侧三相电压分别 为 UA=60.76V

28、/304KV/526KV, UB=60.82V, UC=60.75V, U0=0.27V,机端三相电压 UA=57.1V UB=56.97V, UC=58.99V/11.8KV/20.43KV, U0=0.8V,无论机端还是主变 高压侧，三相电压基本平衡，在额定值附近，相序正相序。 551开关闪络后，主 变高压侧IC、10,机端IB、IC,主变高压侧U0以及500KV线路3U0发生同步周 期性振荡。从录波图中分析，当551开关闪络后，机端和系统侧电气量变化趋势基本相 同，#6机励磁调节器曾发生强励。551开关发生闪络，29.4ms时刻，转子受到551开关闪络电流引起的发电机 定子电流突然增大，

29、此时由电枢反应造成了转子电流突增（波形中的第一次上 升）,随后在波形中的第二次上升是真正的励磁调节器强励现象，励磁电压、励 磁电流升高，1051.4ms灭磁开关跳开，其中强励持续时间1022ms强励时最大 励磁电压为602V（1.43Ufe），最大励磁电流为6.03kA（ 1.46lfe ）。开关闪络事故发生后，针对并往前该事故过程中调节器该不该强励，有两种 不同意见，笔者认为：无论从系统还是装置本身来看，都应该强励。（从软件图闭锁强励的条件看：仅整流桥故障数（929、10926）、励磁电流限值及启励过程 有关参数闭锁强励，而与是否并网无关。）从对事件过程分析后发现：调节器功能与保护配合良好，

30、强励后提高了保护 动作的灵敏性。虽然闪络故障发生在并往前，但其故障性质为类似于发电机出口 不对称短路，此时如果修改调节器 PT断线判据（比如增加负序量判据），则可能 因PT断线报警而使调节器且至手动运行，而系统故障点并不会因此消除，由于 调节器手动方式下大部分功能和保护都不完善，更加大了事故发展的风险。案例7、2008.4.12，#6机并网时Q=20万（并网后PT断线判据的影响）查：并网前主变高压侧二次电压 63.1V，系统侧61.8V;检查启动前主变调 压抽头已由“ 3”上调一档。分析：由于并网前调节器运行在电压闭环方式，并网后运行在电压及无功闭 环方式，由于并网时压差，造成无功突增（类似瞬

31、间强励）。案例7、#4机启动空载PT断线切换试验中，误操作、强励、过压、灭磁2014.5.17 ,#4机大修后启动过程中的励磁调节器功能试验 （PT断线切通道）， 试验开始后，首先模拟PT1断线（单相），调节器由运行通道1自动切换至运行 通道，并报警“A120;随即随即模拟PT2断线（单相），约2秒后发电机过压（强 励）、灭磁。检查发现：试验人员对断线判据逻辑不熟悉、操作方法有误，未将 模拟PT1断线措施恢复而直接将励磁调节器 PT2模拟断线，所以造成了强励。（该 工况下双PT相继出现单相断线，此时不判“ PT断线”。）案例8 #5机启动空载手动零起升压试验中 PT断线2014.7.23凌晨，

32、#5主变高压侧瓷瓶闪络，机组启动零起升压试验过程中（PT 断线）告警，检查发现机端 PT未恢复送电。对以上案例进一步分析后可以初步得到这样的结论： 通过对各PT断线判据 及部分案例分析可以发现，ABB公司UN5000励磁调节器PT断线判据逻辑设计较 为完善，不但对各种运行工况进行了针对性逻辑设计， 且参数整定及逻辑修改比 较方便。但目前无论何种判据：对PT一次保险过热、缓慢熔断及PT一次触头接 触故障现象均不能灵敏反应，需要对逻辑判据及参数设置进一步优化。综上分析，调节器选择时应注意选择逻辑设计完善、 运用中硬件过关的产品； 整定参数时应充分考虑各种运行方式（如并网前的零起升压、机组各种试验状态、 并网后的系统扰动和冲击以及 PT次断线的工况等）。关于du/dt判据在系统扰动时的误动问题，笔者认为断线判据误动是由于采 样精度不足造成。如能够提高调节器装置采样回路精度及运算速度，并在判据启 动逻辑上充分考虑