数字式发电机保护的设计研究

刘伶 范艳华

【摘 要】随着我国经济的不断发展，电力用户增加的速度非常快，电力系统与电网结构也发生了很大程度的变化，如今，电能紧张的情况已经成为我国电力领域面临的主要问题。发电机是电力系统中非常重要的组成部分，对发电机的保护也是电力生产过程中必须要做的主要工作。本文便以发电机保护概述为研究基点，针对发电机保护的特点与相关控制，对数字式发电机保护的相关硬件设计与保护原理进行了研究。

【关键词】发电机保护 数字式 设计

发电机是电力生产部门中必不可少的重要设备，主要负责电力的生产、输送以及分配，对于广大电力用户来说，发电机的安全运行关系到用电安全，所以，合理科学的设计发动机的安全保护是非常重要的。当前，我国电力系统正在朝着自动化方向稳步发展，很多发电站中都逐渐运用数字式综合系统对发电机进行保护，而数字式产品体积小、精度高、耗电低、通信方便，越来越受到广大用户的喜爱。

1 发电机保护的概述

在电力系统的机电保护二次设备中，发电机保护是不可或缺的组成部分，主要可以对纵差与匝间进行保护，其中，前者即对定子绕组与引线短路等情况进行保护，后者即对定子绕组匝间短路与开焊进行保护，两者均无限时跳闸。在对发电机保护进行设计的过程中，需要对设计的可靠性充分考虑，还要注意到信号指示、程序执行、通信等因素。与此同时，因设备运用的是微机式设计，所以能够将控制、保护、测量等一系列功能都实现一体化[1]。本文以ARG811型发电机保护装置为例，介绍发电机保护的相关硬件与设计原理。

2 相关硬件设计

发电机保护设计的功能主要包含以下几方面：CT断线、横差保护（单元件）、纵差保护、差流越线保护、转子过流与过负荷保护、电压保护、接地保护、非电量保护等。

从功能的具体要求出发，本装置在设计过程中在功能插件方面一共配置了六个，分别将其命名为插件1至插件6。其中，插件1是交流插件，其内部设置有十个电流变换器，主要作用是将发电机两边、中性点之间的连接线以及励磁变等电流转换成弱电信号，以提供给模拟/数字转换用；插件2是主板插件，运用了三十二位单片机和精度非常高的模拟/数字，拥有采样误差小、转换速度高、元件无需调节等优势；插件3是逻辑出口插件，可以实现八个对象的出口跳闸；插件4是跳闸插件，可以实现断路器的跳合闸功能，且这个过程中的回路电流可以不受限制；插件5是电源插件，运用交直两用的开关电源，通过对逆变原理的使用，实现各组电源的合理输出；插件6是人机对话板，运用了十六位单片机，能够对装置定值进行整定，还能够将保护信息显示出来，该装置与主板进行沟通的方式是通讯方式，运用汉字液晶显示器，使整个页面更加清晰明朗，操作方面也相对简单，可以直接通讯当地监控系统。

3 发电机保护原理

3.1纵差保护

该装置运用的基本纵差保护原理为比率制动式，纵差保护是发电机产生相间短路故障过程中起到主要作用的保护[2]。纵差保护主要将6个电流量分别输入到发电机中性点两侧与机端中。

纵差保护在动作过程中的方程表示如下：

该式中， 表示的是机端， 表示的是中性点电流； 表示的是差电流， 表示的是制动电流； 表示的是制动电流拐点定值， 表示的是差动定值； 表示的是比例制动特性斜率定值。

3.2横差保护

横差保护主要指的是单元件，用于双星型定子绕组的发电机。其电流量的来源是发电机中两个中性点之间位于连线上的互感器，主要能够对发电机定子绕组分支间与匝间短路进行保护[3]。这种保护主要运用的算法为全周波与滤波算法，能够在很大程度上提升保护的灵敏度。

其基本动作方程可以表示为：

其中， 表示的是领域电流，主要位于中性点之间的连接线上； 表示的是横差保护过程中的动作定值。

在转子一点发生接地动作以后，便启动了接地保护动作，如果这个时候的横差保护电流比定值大，就会启动一个自动延时，横差保护会通过这个延时出口。

3.3转子过流

该装置主要位于交流侧，用于动作的电流来源于励磁变三相电流。转子过流可以分为两段保护，两者可以对反时限进行选择。倘若过流二段选用的过流保护是反时限，那么过流二段所使用的定时限保护会与之共用一个定值[4]。下述方程中， 所表示的是过流二段时限； 所表示的是电流定值。

一般反时限： （1）

非常反时限： （2）

极端反时限： （3）

上述式中， 表示的是最大相磁力变电流； 表示的是反时限基准电流； 表示的是反时限时间常数。如果 时，对启动反时限元件； 时，按照 进行动作。

3.4转子过负荷

该保护也主要装置在交流侧，与转子过流一样，用于动作的电流也主要来源于励磁变三相电流。该保护可分为反时限过负荷与定时限过负荷两种保护，能够在很大程度上将励磁绕组产生的发热情况反映出来[5]。其中，前者可以分成反时限、下限启动以及上线定时限三个主要部分。

如果三相电流中的任何一个大于下限定值，就会启动反时限保护，还会产生热积累现象，如果所产生的反时限保护达到动作方程所需的状态时，便会产生出口动作[6]。反时限保护可以对励磁绕组中因过负荷而产生的热积累进行模拟；通过整定相应的散热系数，还能够完整的模拟出其散热过程。如果电流超过规定的下限定值，反时限保护便可以进行热积累，当 时，其产生的热积累会逐渐减小。

这个过程的动作方程可以表示为：

上述式中， 表示的是基准电流值； 表示的是散热系数； 表示的是动作时间； 表示的是动作电流； 表示的是励磁绕组过热常数。

3.5接地保护

接地保护通常是针对于转子的，该保护主要能够将转子回路对地绝缘所产生的故障反映出来。该装置必须要利用转子励磁电压[7]。如果励磁回路出现一点接地故障，只要是轻微故障，就不会对发电机造成损害，可以让发电机继续保持运行状态。因此，如果同时出现转子一点接地状况，需要将其中的负荷尽快转移出去，并进行停机检修，从而避免出现两点一起接地现象，导致严重后果。

本文设置的是转子一点接地状态，并对接地电阻设定了低定值段，如果发生程度相对较高的一点接地情况，也可以直接用于跳闸。在一点接地保护启动以后，转子二点会经历延时设置自动投入[8]。本装置中主要运用的是乒乓式变桥原理，能够测量出出现故障的准确位置以及接地电阻的大小。

方程可以表示为：

其中， 表示的是励磁回路直流电动势； 表示的是E两端所产生的电压； 表示的是R1两端所所产生的电压。

如果转子一点产生接地情况，以实际测量出来的相关数据能够将接地电阻 计算出来，也能够计算出产生故障的具体位置，如果检测出来的接地电阻 ，比给定电阻整定值小，则会将相应的接地信号发生出来。如果转子一点接地，可以将第一个接地位置记录为α。如果所检测出来的接地位置发生变化，便可以将变化的位置记录为α，用公式表示为 ，如果 比整定值大，则可以判断出转子二点接地，进而发出相应信号，且产生跳闸动作。

3.6转子过流与过负荷保护

上文已知，转子过流保护可以将其分为一段和二段两部分，两者均可以使用反时限，假设反时限过流保护为过流二段所用，那么其与定时限保护会共用一个定值，定时限与反时限为过负荷保护的两个组成要素。反时限过负荷保护由反时限、下限启动以及上限定时限三部分组成。如果电流超过上限整定值时，就需要依照上限定时限进行动作；如果电流大于但实现启动定值，但仍无法完成反时限动作时，就需要依照下限时限进行动作；如果电流处于两者之间，则需要依照反时限规律进行动作。

4 结语

事实上，发电机保护的相关原理是非常庞大且复杂的，其实现方法也并不简单，本文主要针对发动机的单元保护进行了简要论述。在进行发动机保护设计的过程中，需要遵循的原则主要有体积尽可能小、功能尽可能全面、能耗尽可能低、结构尽可能紧凑、操作尽可能方便、维护尽可能简单等，还需要运用国内外相对比较成熟的软件进行保护计算，并与实际工程情况向结合，运用当前比较先进的信息、微机等技术实现对发动机保护的设计。所以，该方法在实际运用过程中，越来越多的被广大用户所喜爱，在今后的发展过程中，有着非常广大的发展前景。

参考文献：

[1]杨焱麟.基于小波变换理论与比值分析法的变压器励磁涌流识别的研究[D].山东科技大学，2013.

[2]关宏亮.大规模风电场接入电力系统的小干扰稳定性研究[D].华北电力大学（河北），2014.

[3]张俊锋.小型水轮发电机励磁调节单元及测控保护综合装置的研究[D].华中科技大学，2010.

[4]郭志彬.同步发电机失磁故障暂态数字仿真及保护整定的研究[D].华北电力大学（北京），2011.

[5]林莉.基于直测功角及暂态能量函数法的同步发电机励磁保护与控制研究[D].重庆大学，2010.

[6]焦晓佑.智能工程推理机制研究及其在电力供需平衡复杂性分析中的应用[D].北京交通大学，2013.

[7]肖仕武.同步发电机定子绕组内部故障暂态仿真及其应用的研究[D].华北电力大学（北京），2012.

[8]张新荣.沥青混凝土摊铺机熨平装置动力学模型与自动找平数字式控制器的研究[D].长安大学，2011.