數字式發電機保護的設計研究

劉伶 范艷華

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

【關鍵詞】發電機保護 數字式 設計

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

1 發電機保護的概述

在電力系統的機電保護二次設備中，發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，所以能夠將控制、保護、測量等一系列功能都實現一體化[1]。本文以ARG811型發電機保護裝置為例，介紹發電機保護的相關硬件與設計原理。

2 相關硬件設計

發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，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，其內部設置有十個電流變換器，主要作用是將發電機兩邊、中性點之間的連接線以及勵磁變等電流轉換成弱電信號，以提供給模擬/數字轉換用；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/數字，擁有采樣誤差小、轉換速度高、元件無需調節等優勢；插件3是邏輯出口插件，可以實現八個對象的出口跳閘；插件4是跳閘插件，可以實現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，能夠對裝置定值進行整定，還能夠將保護信息顯示出來，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，可以直接通訊當地監控系統。

3 發電機保護原理

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，縱差保護是發電機產生相間短路故障過程中起到主要作用的保護[2]。縱差保護主要將6個電流量分別輸入到發電機中性點兩側與機端中。

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電機。其電流量的來源是發電機中兩個中性點之間位于連線上的互感器，主要能夠對發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。

在轉子一點發生接地動作以后，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轉子過流

該裝置主要位于交流側，用于動作的電流來源于勵磁變三相電流。轉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。如果 時，對啟動反時限元件； 時，按照 進行動作。

3.4轉子過負荷

該保護也主要裝置在交流側，與轉子過流一樣，用于動作的電流也主要來源于勵磁變三相電流。該保護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生的發熱情況反映出來[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，還會產生熱積累現象，如果所產生的反時限保護達到動作方程所需的狀態時，便會產生出口動作[6]。反時限保護可以對勵磁繞組中因過負荷而產生的熱積累進行模擬；通過整定相應的散熱系數，還能夠完整的模擬出其散熱過程。如果電流超過規定的下限定值，反時限保護便可以進行熱積累，當 時，其產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； 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。

3.5接地保護

接地保護通常是針對于轉子的，該保護主要能夠將轉子回路對地絕緣所產生的故障反映出來。該裝置必須要利用轉子勵磁電壓[7]。如果勵磁回路出現一點接地故障，只要是輕微故障，就不會對發電機造成損害，可以讓發電機繼續保持運行狀態。因此，如果同時出現轉子一點接地狀況，需要將其中的負荷盡快轉移出去，并進行停機檢修，從而避免出現兩點一起接地現象，導致嚴重后果。

本文設置的是轉子一點接地狀態，并對接地電阻設定了低定值段，如果發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，轉子二點會經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兩端所產生的電壓； 表示的是R1兩端所所產生的電壓。

如果轉子一點產生接地情況，以實際測量出來的相關數據能夠將接地電阻 計算出來，也能夠計算出產生故障的具體位置，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生出來。如果轉子一點接地，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，則可以判斷出轉子二點接地，進而發出相應信號，且產生跳閘動作。

3.6轉子過流與過負荷保護

上文已知，轉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律進行動作。

4 結語

事實上，發電機保護的相關原理是非常龐大且復雜的，其實現方法也并不簡單，本文主要針對發動機的單元保護進行了簡要論述。在進行發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合，運用當前比較先進的信息、微機等技術實現對發動機保護的設計。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，在今后的發展過程中，有著非常廣大的發展前景。

參考文獻：

[1]楊焱麟.基于小波變換理論與比值分析法的變壓器勵磁涌流識別的研究[D].山東科技大學，2013.

[2]關宏亮.大規模風電場接入電力系統的小干擾穩定性研究[D].華北電力大學（河北），2014.

[3]張俊鋒.小型水輪發電機勵磁調節單元及測控保護綜合裝置的研究[D].華中科技大學，2010.

[4]郭志彬.同步發電機失磁故障暫態數字仿真及保護整定的研究[D].華北電力大學（北京），2011.

[5]林莉.基于直測功角及暫態能量函數法的同步發電機勵磁保護與控制研究[D].重慶大學，2010.

[6]焦曉佑.智能工程推理機制研究及其在電力供需平衡復雜性分析中的應用[D].北京交通大學，2013.

[7]肖仕武.同步發電機定子繞組內部故障暫態仿真及其應用的研究[D].華北電力大學（北京），2012.

[8]張新榮.瀝青混凝土攤鋪機熨平裝置動力學模型與自動找平數字式控制器的研究[D].長安大學，2011.