微机在发电机保护中的运用

中国船舶重工集团公司第七一O研究所 李朝晖 李勇

1.前言

发电机是电力系统最重要的设备之一，针对发电机可能发生的各种不同故障和不正常运行状态配置完善的继电保护装置，不仅可保证发电机的安全运行，从而保证电力系统的稳定运行和电能质量，还可减少发电机在各种短路和异常运行时造成的损坏，在经济效益上也有显著的效果。

发电机保护的发展大概经历了电流型、整流型、集成电路式、微机保护等4个阶段。徽机保护在电力系统中广泛应用，但作为发电机保护来说，由于制造工艺、机组容量上的个体差异及运行环境和保护配置的复杂性，使其在推广应用中落后于线路微机保护的发展。

微机发电机保护具有极强的数学运算能力和逻辑处理能力，应用了许多先进的保护原理和算法，大大提高了保护性能。保护功能软件化，减少硬件配置，硬件构成更加简单，但保护功能更完善。微机保护具备完善的自检手段，能及时正确地做出故障判断，及时准确查找装置故障，减轻人员的工作量。整体的调试工作简单，保护定值可灵活修改。微机保护采用的是数字式电路，消除了模拟电位器调整带来的误差，消除了幅值变化带来的非线性失真，提高了保护的抗干扰能力。

2 保护原理

2.1 差动保护

2.1.1 差流速断保护

差流速断保护主要是为了在发电机差动区内发生严重故障时快速切除变压器，以确保发电机的安全。为了保证装置的正确动作，速断电流的定值必须按以下原则选取：

必须躲过发电机差动区外端部故障时穿越电流造成的电流不平衡。

差流速断保护动作判据如下：

Id>=Idfast

式中：Id为发电机差电流值，Idfast为差动电流速断定值。

2.1.2 差动保护

差动保护包括以下部分：二段式比率制动特性判据， CT断线闭锁判据。

a) 二段式比率制动特性判据

发电机差动保护装置，引入量为发电机两侧的六个电流，取各侧电流流入发电机为正(假设电流已折算至同一侧)设发电机机端电流为It,中性点电流为In,那么：

图1 二段式比率制动特性关系图

如图1所示，二段式比率制动特性差动保护其动作表达式为：

其中：Idmin为差流最小动作门坎值;

Ir1为比例制动特性拐点处的制动电流值；

Id为差动电流；

Ir为制动电流；

Kd1＝tga为比例制动特性第二段折线的斜率。

在选择制动特性时，必须考虑外部穿越电流引起的差流不平衡不能造成保护误动作。

b) CT断线闭锁保护

如果不采用有效措施，当CT断线时，差动保护可能会误动作。

设A相为故障相，B、C相为非故障相，CT断线判据如下：

式中：Ita、Ina为故障相高低压侧电流；Itb、Inb、Itc、Inc为非故障相两侧电流；D1为一确定值（不需用户整定），D2为一较小定值（需用户整定，一般取为空载额定电流，约5%In）。

2.2 后备保护

2.2.1 复合电压启动过流保护

a) 原理

保护反应发电机电压、负序电压及电流大小。电流电压取自发电机同一侧的CT和PT。

b) 动作方程

式中：U2为负序电压值

U2qd为负序电压启动值

Ul为线电压值

Ulqd为线电压低电压启动值

I为输入电流

Iset为过电流定值

Tset为过电流时延定值。

2.2.2 过负荷保护

a) 原理

该保护功能正常运行时投入，反应发电机负荷情况。它主要起告警作用，提醒运行人员及时调整发电机的运行方式，避免因过负荷造成发电机的危害。动作时仅发信号。

b) 动作方程

式中：I为输入电流

Iover为过负荷电流定值

Tover为过负荷时延定值 。

2.2.3 发电机过电压保护

a) 原理

保护反应发电机机端电压，以免出现过电压时损坏发电机定子绕组，电压取自机端电压，保护动作于跳闸。

b) 动作方程

式中：UL为输入线电压

Uover为线电压过电压定值

Tover为过电压时延定值.

3 微机保护变压器的方案

本方案是由一块的DX586主板，一块DM5408多功能输入、输出板，一块电源板，一块开关量输入板，一块电压、电流采集开关量输出板构成，图2为系统的结构示意图。

各交流电流、电压量分别经交流模件，转换成CPU系统所能接受的电压信号，再经模拟滤波模件预处理后，送到模/数转换模件一一进行模/数转换，CPU模件中CPU按电子盘中既定的软件程序进行数字滤波、数据计算、保护判据判别、向I/O模件送出判别结果。经硬件逻辑组合，由信号继电器发出信号、出口继电器接点执行跳闸。断路器位置、保护投退连接片等作为开关量经开关量输入模件或先经中间继电器隔离后再经开关量输入模件进入CPU系统。并行口、键盘接口、硬盘接口、软盘接口供调试时使用，串口1、串口2由于同上位机通讯，完成远方控制及保护整定。电源模件则提供本硬件系统三组工作电源。

图2 结构示意图

图3 主程序框图

4. 软件功能要求

4.1 主程序框图，如图3所示。

4.2 二次谐波制动比率差动保护子程序，如图4所示。

4.3 后备保护子程序框图，如图5所示。

5.结束语

本方案利用微机极强的数字运算及逻辑处理能力，吸收大量现场经验，应用了的保护原理及算法，采用一些自适用手段，大大提高了各保护性能，整机性能指标好。由于采用PC/104工业控制机系统，抗干扰能力强，性能稳定可靠，操作安全，因此具有兼容性好、可靠性高、扩展性强、易于维护等特点，经实际运用完全满足客户要求。该方案适用于200MW以下发电机(汽轮、水轮发电机)的保护，既可单独使用，也可联网使用，便于发电厂（站）、变电站集中自动化管理。

图4 二次谐波制动比率差动保护子程序框图

[1]尹其云.对当前继电保护运行方面几个问题的分析.电力系统自动化，1999，23( 3): 1—3。

[2]周玉兰.1999年全国电力系统继电保护及安全自动装置运行情况.电力系统自动化，2000，24 (7):66 -70。

[3]陈德裕.形成全国联合电力系统的时机和需要解决的问题.中国电机工程学报，199 5, 15 (3):145-149。

[4]P.G Mclaran. Sampling Techniques applied to the derivation Letter, IE Australia ,19 65,1( 1):46-49。

[5]张哲，陈德树.自适应式微型机距离保护理论基础的研究距离保护系统的功 能 、 信息和时序结构.中国电机工程学报，1986,6(2):48 -55。

图5 后备保护子程序框图