數(shù)字式發(fā)電機保護的設計研究

劉伶 范艷華

【摘 要】隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，電力用戶增加的速度非常快，電力系統(tǒng)與電網(wǎng)結(jié)構也發(fā)生了很大程度的變化，如今，電能緊張的情況已經(jīng)成為我國電力領域面臨的主要問題。發(fā)電機是電力系統(tǒng)中非常重要的組成部分，對發(fā)電機的保護也是電力生產(chǎn)過程中必須要做的主要工作。本文便以發(fā)電機保護概述為研究基點，針對發(fā)電機保護的特點與相關控制，對數(shù)字式發(fā)電機保護的相關硬件設計與保護原理進行了研究。

【關鍵詞】發(fā)電機保護 數(shù)字式 設計

發(fā)電機是電力生產(chǎn)部門中必不可少的重要設備，主要負責電力的生產(chǎn)、輸送以及分配，對于廣大電力用戶來說，發(fā)電機的安全運行關系到用電安全，所以，合理科學的設計發(fā)動機的安全保護是非常重要的。當前，我國電力系統(tǒng)正在朝著自動化方向穩(wěn)步發(fā)展，很多發(fā)電站中都逐漸運用數(shù)字式綜合系統(tǒng)對發(fā)電機進行保護，而數(shù)字式產(chǎn)品體積小、精度高、耗電低、通信方便，越來越受到廣大用戶的喜愛。

1 發(fā)電機保護的概述

在電力系統(tǒng)的機電保護二次設備中，發(fā)電機保護是不可或缺的組成部分，主要可以對縱差與匝間進行保護，其中，前者即對定子繞組與引線短路等情況進行保護，后者即對定子繞組匝間短路與開焊進行保護，兩者均無限時跳閘。在對發(fā)電機保護進行設計的過程中，需要對設計的可靠性充分考慮，還要注意到信號指示、程序執(zhí)行、通信等因素。與此同時，因設備運用的是微機式設計，所以能夠?qū)⒖刂?、保護、測量等一系列功能都實現(xiàn)一體化[1]。本文以ARG811型發(fā)電機保護裝置為例，介紹發(fā)電機保護的相關硬件與設計原理。

2 相關硬件設計

發(fā)電機保護設計的功能主要包含以下幾方面：CT斷線、橫差保護（單元件）、縱差保護、差流越線保護、轉(zhuǎn)子過流與過負荷保護、電壓保護、接地保護、非電量保護等。

從功能的具體要求出發(fā)，本裝置在設計過程中在功能插件方面一共配置了六個，分別將其命名為插件1至插件6。其中，插件1是交流插件，其內(nèi)部設置有十個電流變換器，主要作用是將發(fā)電機兩邊、中性點之間的連接線以及勵磁變等電流轉(zhuǎn)換成弱電信號，以提供給模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換用；插件2是主板插件，運用了三十二位單片機和精度非常高的模擬/數(shù)字，擁有采樣誤差小、轉(zhuǎn)換速度高、元件無需調(diào)節(jié)等優(yōu)勢；插件3是邏輯出口插件，可以實現(xiàn)八個對象的出口跳閘；插件4是跳閘插件，可以實現(xiàn)斷路器的跳合閘功能，且這個過程中的回路電流可以不受限制；插件5是電源插件，運用交直兩用的開關電源，通過對逆變原理的使用，實現(xiàn)各組電源的合理輸出；插件6是人機對話板，運用了十六位單片機，能夠?qū)ρb置定值進行整定，還能夠?qū)⒈Ｗo信息顯示出來，該裝置與主板進行溝通的方式是通訊方式，運用漢字液晶顯示器，使整個頁面更加清晰明朗，操作方面也相對簡單，可以直接通訊當?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)。

3 發(fā)電機保護原理

3.1縱差保護

該裝置運用的基本縱差保護原理為比率制動式，縱差保護是發(fā)電機產(chǎn)生相間短路故障過程中起到主要作用的保護[2]?？v差保護主要將6個電流量分別輸入到發(fā)電機中性點兩側(cè)與機端中。

縱差保護在動作過程中的方程表示如下：

該式中， 表示的是機端， 表示的是中性點電流； 表示的是差電流， 表示的是制動電流； 表示的是制動電流拐點定值， 表示的是差動定值； 表示的是比例制動特性斜率定值。

3.2橫差保護

橫差保護主要指的是單元件，用于雙星型定子繞組的發(fā)電機。其電流量的來源是發(fā)電機中兩個中性點之間位于連線上的互感器，主要能夠?qū)Πl(fā)電機定子繞組分支間與匝間短路進行保護[3]。這種保護主要運用的算法為全周波與濾波算法，能夠在很大程度上提升保護的靈敏度。

其基本動作方程可以表示為：

其中， 表示的是領域電流，主要位于中性點之間的連接線上； 表示的是橫差保護過程中的動作定值。

在轉(zhuǎn)子一點發(fā)生接地動作以后，便啟動了接地保護動作，如果這個時候的橫差保護電流比定值大，就會啟動一個自動延時，橫差保護會通過這個延時出口。

3.3轉(zhuǎn)子過流

該裝置主要位于交流側(cè)，用于動作的電流來源于勵磁變?nèi)嚯娏?。轉(zhuǎn)子過流可以分為兩段保護，兩者可以對反時限進行選擇。倘若過流二段選用的過流保護是反時限，那么過流二段所使用的定時限保護會與之共用一個定值[4]。下述方程中， 所表示的是過流二段時限； 所表示的是電流定值。

一般反時限： （1）

非常反時限： （2）

極端反時限： （3）

上述式中， 表示的是最大相磁力變電流； 表示的是反時限基準電流； 表示的是反時限時間常數(shù)。如果 時，對啟動反時限元件； 時，按照 進行動作。

3.4轉(zhuǎn)子過負荷

該保護也主要裝置在交流側(cè)，與轉(zhuǎn)子過流一樣，用于動作的電流也主要來源于勵磁變?nèi)嚯娏鳌Ｔ摫Ｗo可分為反時限過負荷與定時限過負荷兩種保護，能夠在很大程度上將勵磁繞組產(chǎn)生的發(fā)熱情況反映出來[5]。其中，前者可以分成反時限、下限啟動以及上線定時限三個主要部分。

如果三相電流中的任何一個大于下限定值，就會啟動反時限保護，還會產(chǎn)生熱積累現(xiàn)象，如果所產(chǎn)生的反時限保護達到動作方程所需的狀態(tài)時，便會產(chǎn)生出口動作[6]。反時限保護可以對勵磁繞組中因過負荷而產(chǎn)生的熱積累進行模擬；通過整定相應的散熱系數(shù)，還能夠完整的模擬出其散熱過程。如果電流超過規(guī)定的下限定值，反時限保護便可以進行熱積累，當 時，其產(chǎn)生的熱積累會逐漸減小。

這個過程的動作方程可以表示為：

上述式中， 表示的是基準電流值； 表示的是散熱系數(shù)； 表示的是動作時間； 表示的是動作電流； 表示的是勵磁繞組過熱常數(shù)。

3.5接地保護

接地保護通常是針對于轉(zhuǎn)子的，該保護主要能夠?qū)⑥D(zhuǎn)子回路對地絕緣所產(chǎn)生的故障反映出來。該裝置必須要利用轉(zhuǎn)子勵磁電壓[7]。如果勵磁回路出現(xiàn)一點接地故障，只要是輕微故障，就不會對發(fā)電機造成損害，可以讓發(fā)電機繼續(xù)保持運行狀態(tài)。因此，如果同時出現(xiàn)轉(zhuǎn)子一點接地狀況，需要將其中的負荷盡快轉(zhuǎn)移出去，并進行停機檢修，從而避免出現(xiàn)兩點一起接地現(xiàn)象，導致嚴重后果。

本文設置的是轉(zhuǎn)子一點接地狀態(tài)，并對接地電阻設定了低定值段，如果發(fā)生程度相對較高的一點接地情況，也可以直接用于跳閘。在一點接地保護啟動以后，轉(zhuǎn)子二點會經(jīng)歷延時設置自動投入[8]。本裝置中主要運用的是乒乓式變橋原理，能夠測量出出現(xiàn)故障的準確位置以及接地電阻的大小。

方程可以表示為：

其中， 表示的是勵磁回路直流電動勢； 表示的是E兩端所產(chǎn)生的電壓； 表示的是R1兩端所所產(chǎn)生的電壓。

如果轉(zhuǎn)子一點產(chǎn)生接地情況，以實際測量出來的相關數(shù)據(jù)能夠?qū)⒔拥仉娮?計算出來，也能夠計算出產(chǎn)生故障的具體位置，如果檢測出來的接地電阻 ，比給定電阻整定值小，則會將相應的接地信號發(fā)生出來。如果轉(zhuǎn)子一點接地，可以將第一個接地位置記錄為α。如果所檢測出來的接地位置發(fā)生變化，便可以將變化的位置記錄為α，用公式表示為 ，如果 比整定值大，則可以判斷出轉(zhuǎn)子二點接地，進而發(fā)出相應信號，且產(chǎn)生跳閘動作。

3.6轉(zhuǎn)子過流與過負荷保護

上文已知，轉(zhuǎn)子過流保護可以將其分為一段和二段兩部分，兩者均可以使用反時限，假設反時限過流保護為過流二段所用，那么其與定時限保護會共用一個定值，定時限與反時限為過負荷保護的兩個組成要素。反時限過負荷保護由反時限、下限啟動以及上限定時限三部分組成。如果電流超過上限整定值時，就需要依照上限定時限進行動作；如果電流大于但實現(xiàn)啟動定值，但仍無法完成反時限動作時，就需要依照下限時限進行動作；如果電流處于兩者之間，則需要依照反時限規(guī)律進行動作。

4 結(jié)語

事實上，發(fā)電機保護的相關原理是非常龐大且復雜的，其實現(xiàn)方法也并不簡單，本文主要針對發(fā)動機的單元保護進行了簡要論述。在進行發(fā)動機保護設計的過程中，需要遵循的原則主要有體積盡可能小、功能盡可能全面、能耗盡可能低、結(jié)構盡可能緊湊、操作盡可能方便、維護盡可能簡單等，還需要運用國內(nèi)外相對比較成熟的軟件進行保護計算，并與實際工程情況向結(jié)合，運用當前比較先進的信息、微機等技術實現(xiàn)對發(fā)動機保護的設計。所以，該方法在實際運用過程中，越來越多的被廣大用戶所喜愛，在今后的發(fā)展過程中，有著非常廣大的發(fā)展前景。

參考文獻：

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