微機在發電機保護中的運用

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

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

發電機保護的發展大概經歷了電流型、整流型、集成電路式、微機保護等4個階段。徽機保護在電力系統中廣泛應用，但作為發電機保護來說，由于制造工藝、機組容量上的個體差異及運行環境和保護配置的復雜性，使其在推廣應用中落后于線路微機保護的發展。

微機發電機保護具有極強的數學運算能力和邏輯處理能力，應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。整體的調試工作簡單，保護定值可靈活修改。微機保護采用的是數字式電路，消除了模擬電位器調整帶來的誤差，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電機差動區內發生嚴重故障時快速切除變壓器，以確保發電機的安全。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取：

必須躲過發電機差動區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如下：

Id>=Idfast

式中：Id為發電機差電流值，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， CT斷線閉鎖判據。

a) 二段式比率制動特性判據

發電機差動保護裝置，引入量為發電機兩側的六個電流，取各側電流流入發電機為正(假設電流已折算至同一側)設發電機機端電流為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A相為故障相，B、C相為非故障相，CT斷線判據如下：

式中：Ita、Ina為故障相高低壓側電流；Itb、Inb、Itc、Inc為非故障相兩側電流；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 復合電壓啟動過流保護

a) 原理

保護反應發電機電壓、負序電壓及電流大小。電流電壓取自發電機同一側的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，反應發電機負荷情況。它主要起告警作用，提醒運行人員及時調整發電機的運行方式，避免因過負荷造成發電機的危害。動作時僅發信號。

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 發電機過電壓保護

a) 原理

保護反應發電機機端電壓，以免出現過電壓時損壞發電機定子繞組，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，一塊開關量輸入板，一塊電壓、電流采集開關量輸出板構成，圖2為系統的結構示意圖。

各交流電流、電壓量分別經交流模件，轉換成CPU系統所能接受的電壓信號，再經模擬濾波模件預處理后，送到模/數轉換模件一一進行模/數轉換，CPU模件中CPU按電子盤中既定的軟件程序進行數字濾波、數據計算、保護判據判別、向I/O模件送出判別結果。經硬件邏輯組合，由信號繼電器發出信號、出口繼電器接點執行跳閘。斷路器位置、保護投退連接片等作為開關量經開關量輸入模件或先經中間繼電器隔離后再經開關量輸入模件進入CPU系統。并行口、鍵盤接口、硬盤接口、軟盤接口供調試時使用，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三組工作電源。

圖2 結構示意圖

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.結束語

本方案利用微機極強的數字運算及邏輯處理能力，吸收大量現場經驗，應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工業控制機系統，抗干擾能力強，性能穩定可靠，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，經實際運用完全滿足客戶要求。該方案適用于200MW以下發電機(汽輪、水輪發電機)的保護，既可單獨使用，也可聯網使用，便于發電廠（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