中國船舶重工集團公司第七一O研究所 李朝暉 李勇

1.前言

發(fā)電機是電力系統(tǒng)最重要的設(shè)備之一，針對發(fā)電機可能發(fā)生的各種不同故障和不正常運行狀態(tài)配置完善的繼電保護裝置，不僅可保證發(fā)電機的安全運行，從而保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和電能質(zhì)量，還可減少發(fā)電機在各種短路和異常運行時造成的損壞，在經(jīng)濟效益上也有顯著的效果。

發(fā)電機保護的發(fā)展大概經(jīng)歷了電流型、整流型、集成電路式、微機保護等4個階段?；諜C保護在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，但作為發(fā)電機保護來說，由于制造工藝、機組容量上的個體差異及運行環(huán)境和保護配置的復(fù)雜性，使其在推廣應(yīng)用中落后于線路微機保護的發(fā)展。

微機發(fā)電機保護具有極強的數(shù)學(xué)運算能力和邏輯處理能力，應(yīng)用了許多先進的保護原理和算法，大大提高了保護性能。保護功能軟件化，減少硬件配置，硬件構(gòu)成更加簡單，但保護功能更完善。微機保護具備完善的自檢手段，能及時正確地做出故障判斷，及時準確查找裝置故障，減輕人員的工作量。整體的調(diào)試工作簡單，保護定值可靈活修改。微機保護采用的是數(shù)字式電路，消除了模擬電位器調(diào)整帶來的誤差，消除了幅值變化帶來的非線性失真，提高了保護的抗干擾能力。

2 保護原理

2.1 差動保護

2.1.1 差流速斷保護

差流速斷保護主要是為了在發(fā)電機差動區(qū)內(nèi)發(fā)生嚴重故障時快速切除變壓器，以確保發(fā)電機的安全。為了保證裝置的正確動作，速斷電流的定值必須按以下原則選?。?/p>

必須躲過發(fā)電機差動區(qū)外端部故障時穿越電流造成的電流不平衡。

差流速斷保護動作判據(jù)如下：

Id>=Idfast

式中：Id為發(fā)電機差電流值，Idfast為差動電流速斷定值。

2.1.2 差動保護

差動保護包括以下部分：二段式比率制動特性判據(jù)， CT斷線閉鎖判據(jù)。

a) 二段式比率制動特性判據(jù)

發(fā)電機差動保護裝置，引入量為發(fā)電機兩側(cè)的六個電流，取各側(cè)電流流入發(fā)電機為正(假設(shè)電流已折算至同一側(cè))設(shè)發(fā)電機機端電流為It,中性點電流為In,那么：

圖1 二段式比率制動特性關(guān)系圖

如圖1所示，二段式比率制動特性差動保護其動作表達式為：

其中：Idmin為差流最小動作門坎值;

Ir1為比例制動特性拐點處的制動電流值；

Id為差動電流；

Ir為制動電流；

Kd1＝tga為比例制動特性第二段折線的斜率。

在選擇制動特性時，必須考慮外部穿越電流引起的差流不平衡不能造成保護誤動作。

b) CT斷線閉鎖保護

如果不采用有效措施，當CT斷線時，差動保護可能會誤動作。

設(shè)A相為故障相，B、C相為非故障相，CT斷線判據(jù)如下：

式中：Ita、Ina為故障相高低壓側(cè)電流；Itb、Inb、Itc、Inc為非故障相兩側(cè)電流；D1為一確定值（不需用戶整定），D2為一較小定值（需用戶整定，一般取為空載額定電流，約5%In）。

2.2 后備保護

2.2.1 復(fù)合電壓啟動過流保護

a) 原理

保護反應(yīng)發(fā)電機電壓、負序電壓及電流大小。電流電壓取自發(fā)電機同一側(cè)的CT和PT。

b) 動作方程

式中：U2為負序電壓值

U2qd為負序電壓啟動值

Ul為線電壓值

Ulqd為線電壓低電壓啟動值

I為輸入電流

Iset為過電流定值

Tset為過電流時延定值。

2.2.2 過負荷保護

a) 原理

該保護功能正常運行時投入，反應(yīng)發(fā)電機負荷情況。它主要起告警作用，提醒運行人員及時調(diào)整發(fā)電機的運行方式，避免因過負荷造成發(fā)電機的危害。動作時僅發(fā)信號。

b) 動作方程

式中：I為輸入電流

Iover為過負荷電流定值

Tover為過負荷時延定值 。

2.2.3 發(fā)電機過電壓保護

a) 原理

保護反應(yīng)發(fā)電機機端電壓，以免出現(xiàn)過電壓時損壞發(fā)電機定子繞組，電壓取自機端電壓，保護動作于跳閘。

b) 動作方程

式中：UL為輸入線電壓

Uover為線電壓過電壓定值

Tover為過電壓時延定值.

3 微機保護變壓器的方案

本方案是由一塊的DX586主板，一塊DM5408多功能輸入、輸出板，一塊電源板，一塊開關(guān)量輸入板，一塊電壓、電流采集開關(guān)量輸出板構(gòu)成，圖2為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

各交流電流、電壓量分別經(jīng)交流模件，轉(zhuǎn)換成CPU系統(tǒng)所能接受的電壓信號，再經(jīng)模擬濾波模件預(yù)處理后，送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換模件一一進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，CPU模件中CPU按電子盤中既定的軟件程序進行數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)計算、保護判據(jù)判別、向I/O模件送出判別結(jié)果。經(jīng)硬件邏輯組合，由信號繼電器發(fā)出信號、出口繼電器接點執(zhí)行跳閘。斷路器位置、保護投退連接片等作為開關(guān)量經(jīng)開關(guān)量輸入模件或先經(jīng)中間繼電器隔離后再經(jīng)開關(guān)量輸入模件進入CPU系統(tǒng)。并行口、鍵盤接口、硬盤接口、軟盤接口供調(diào)試時使用，串口1、串口2由于同上位機通訊，完成遠方控制及保護整定。電源模件則提供本硬件系統(tǒng)三組工作電源。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 主程序框圖

4. 軟件功能要求

4.1 主程序框圖，如圖3所示。

4.2 二次諧波制動比率差動保護子程序，如圖4所示。

4.3 后備保護子程序框圖，如圖5所示。

5.結(jié)束語

本方案利用微機極強的數(shù)字運算及邏輯處理能力，吸收大量現(xiàn)場經(jīng)驗，應(yīng)用了的保護原理及算法，采用一些自適用手段，大大提高了各保護性能，整機性能指標好。由于采用PC/104工業(yè)控制機系統(tǒng)，抗干擾能力強，性能穩(wěn)定可靠，操作安全，因此具有兼容性好、可靠性高、擴展性強、易于維護等特點，經(jīng)實際運用完全滿足客戶要求。該方案適用于200MW以下發(fā)電機(汽輪、水輪發(fā)電機)的保護，既可單獨使用，也可聯(lián)網(wǎng)使用，便于發(fā)電廠（站）、變電站集中自動化管理。

圖4 二次諧波制動比率差動保護子程序框圖

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圖5 后備保護子程序框圖