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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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多功能数值继电器实验室发电机保护装置的研制

n·g·乔塔尼1， a.k.德赛2， M. B.雷丘拉2查图维迪2
  1. 系副教授电气工程ADIT, Vallabh Vidyanagar，古吉拉特邦，印度
  2. UG学生，系电气工程ADIT, Vallabh Vidyanagar，古吉拉特邦，印度
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

三相同步发电机是电力系统的重要组成部分，需要有专用的保护系统。为了保护发电机不受电力系统或发电机自身异常或故障状态所造成的不利影响，需要与系统快速隔离。本文开发了一种适用于伸缩发电机的各种保护装置。本文模拟了一个三相电路，包括发电机、测量设备、断路器和可变负载组。为保护发电机，研制了一种由主继电器和辅助继电器组成的控制电路。多功能数字继电器(MiCom P341)提供了多种保护功能，如过载/过流、过欠压、过欠频和限制接地故障(REF)保护，这些保护功能在实际应用中得到了应用。从CTs和PTs的二次捕获的模拟信号作为输入给具有内置高速处理单元的继电器。根据发电机的额定值，计算了与特定保护特性相关的各种参数设置，并给出了继电器。该继电器成功运行，并在设定的时间内在所有异常或故障条件下隔离发电机。实验结果表明，所研制的样机运行良好。

关键字
实验室样机，发电机保护，数值继电器设置，各种故障/异常条件

介绍
现代发电机组是一个复杂的系统，包括发电机定子绕组，相关变压器，转子及其励磁绕组和励磁系统，原动机及其相关辅助设备。该系统可能发生多种故障，因此需要不同形式的电气和机械保护。由于发电机比任何其他电力系统元件暴露在更有害的运行条件下，因此需要更复杂和创新的保护方案。然而，在选择特定发电机所需的保护功能和确定适当的设定值时，需要对受保护机器有全面的了解。在过去的二十年中，保护继电器技术已经从单一功能的机电继电器发展到静态继电器，最后发展到需要更少布线和面板空间的多功能数字/数值继电器。多功能数字继电器能够提供完整的保护，包括差动保护，定子和磁场绕组对地故障保护，失步保护，过/欠压和频率保护，失磁保护，以低成本[1]，[2]的所有尺寸的发电机。
许多研究者在学术环境中对电力系统各种设备的保护概念进行了论证。参考文献[3]，[4]说明了一个实验室设置，重点是使用高速数字信号处理(DSP)板的继电器的设计，建模和测试。Redfern et al.[5]描述了使用电力系统仿真软件生成的数据文件转换而来的实际电压和电流数据进行继电器测试。Lee等[6]使用硬件和软件策略介绍了瞬时过流继电器和反向功率继电器的操作。Kabir[7]显示了在一个按比例缩小的电力系统上的实验室实验中实现过流保护的单台计算机的性能。Chen等人[8]提出了一种基于智能嵌入式微处理器的实验室环境过流保护方案。McLaren et al.[9]演示了使用实时数字模拟器(RTDS)的继电器测试设备。Oza等[10]描述了一个基于高级设计项目的新型电力系统保护实验室。Mehta和Oza[11]还介绍了使用电磁继电器的发电机保护的实验室模拟。参考文献[12]描述了发电机多功能保护系统的运行情况。 This paper also addresses the need for application of redundancy and backup protection when applying multifunction generator protection systems on large or important generators. Khan et al. [13] presented restricted earth fault protection with superconducting fault current limiter for 100% stator winding. Charles [14] demonstrated a new area of special protection and grounding needed for generator. Although, numbers of generator protection schemes have been proposed so far, there exists a lot of scope for further development especially in laboratory environment using digital relaying scheme.
本文详细研究了发电机中出现的各种类型的故障/异常情况，并介绍了相应的保护方案及其基本概念，包括故障检测和清除。本文还包括使用原动机-发电机-负载装置的比例模型进行动态继电器测试的实验室模拟、方法和样本结果。发电机的一些异常情况包括:过载/过流、内部故障(L-g故障)、外部故障、励磁过/欠和低频运行[15]、[16]。将实际的电流和电压信号作为输入输入到多功能数字继电器[17]，[17]检测上述异常情况并采取适当的措施。

设备评级
发电机保护实验样机所使用的不同设备的等级如下:
1)同步发电机:
A)同步发电机电枢:
3-相位，50 Hz, 3 KVA, 415 V, 1500 rpm, Yn连接。
B)同步发电机励磁:
220v，直流励磁，1.4 A。
2)直流分流电机(原动机)
10hp, 220v (DC)， 19a, 1500rpm。
3)变阻器(用于控制各种参数)
A) 1个18 Ω， 12 A变阻器与直流电机电枢绕组串联。
B)一个185 Ω， 2.3 A变阻器与直流电机励磁绕组串联。
C)一台185 Ω， 2.3 A变阻器与发电机直流励磁串联。
4)仪表互感器:
A)电流互感器(CT):
各阶段3个CT -负荷:15va, CT比为10/ 5a，等级1.0
1个CT中性-负荷:15va, CT比为10/ 5a，等级1.0
B)电位变压器(PT):
三相到中性点之间各3点-负载:50va, 220/ 110v, B级。
5)继电器:
A)数字继电器:
17w, Vx= 110v DC ~ 250v DC或100v AC ~ 240v AC, In= 1a或5a, Vn= 100v AC ~ 120v AC, 50hz ~ 60hz。
B)辅助继电器:
230v AC，接触雷竞技网页版容量10a, 3-NO和3-NC触点。
6)断路器:
A) L&T制造，220v, 6-NO和雷竞技网页版2-NC触点，30a容量。
B)两个号码开关S1和S2的容量为20a。

实验室原型(硬件设置)
3.1电源电路
图像
在实际应用中，汽轮机、水轮机、燃气轮机等作为发电机的原动机;而在实验室仿真中，采用直流并联电机作为原动机。如图1所示，3 φ同步发电机(待保护机组)与单独励磁的直流并联电动机(原动机)机械耦合。直流电机磁场和电枢绕组由220v直流电源通过适当额定值的变阻器激励，以产生所需的机械功率。发电机的转子绕组也通过单独的变阻器由220v直流电源励磁。这些串联变阻器需要控制发电机的不同参数，如电压和速度/频率。3 φ可变负载组通过接触器(断路器)与发电机连接。雷竞技网页版如图1所示，分别连接一组ct (10/5A)和PTs (220/110V)。给出了数值继电器的CTs和PTs二次信号。交换机S1和S2分别用于模拟内部和外部故障情况。 The contacts of 5-pole Circuit Breaker (CB) are connected in system to isolate generator during abnormal/faulty condition.
3.2控制电路
图像
图2为实验室实现的发电机实时保护控制电路。控制电路中所描述的所有触点位置均为发电机空载运行时雷竞技网页版的状态。最初，接触器线圈(C)通过一个雷竞技网页版按钮(PB1)手动通电，该按钮通常处于开启状态。接触器本身的一个触点(雷竞技网页版C6)为接触器的持续通电提供了保持路径。同样用于手动切断接触器，与PB1和接触器线圈串联设置一个按钮(PB2)雷竞技网页版。在系统任何异常或故障情况下，数值继电器成功检测到它，并关闭其主触点R1，给辅助继电器(AX)通电，如图2所示。雷竞技网页版当AX通电时，其与接触器线圈串联的一个触点(AX1)打开。雷竞技网页版其结果是接触器断电，因此所有五个雷竞技网页版触点(如图1所示)被打开，断开发电机定子绕组、中性路径和直流励磁。因此，发电机与故障部分隔离或免受任何异常情况的影响。图3显示了在实验室环境下开发的原型机的前后视图。
图像

仿真结果与讨论
在实验室中对数值继电器的不同保护特性进行了模拟。下面描述了各种保护及其实际继电器设置和继电器操作:

A.过载和过流保护(50/51)
在实际应用中，电力系统由于负荷过大而出现过载情况，或由于故障(如绝缘失效等)而出现过流情况。继电器的过载和过流保护在电流值超过表-I所述的阈值设置时起作用。在实验室中，利用三相负荷库逐步增加负荷，模拟了过载情况。通过关闭通过18 Ω， 12 a变阻器连接的开关S2，在降低电压(180V)下模拟了外部高电阻L-g故障(R-g)。表i显示了开发装置应用于过载过流现象的继电器整定范围、阈值整定结果和运行时间。
B.过压(59)和欠压(27)保护
过电压保护(59)
在实际应用中，过电压可能是由于负载突然断开、自动调压器(AVR)失效等原因引起的。继电器过压保护在电压幅度超过表二所设阈值时起作用。在实验室通过改变发电机的励磁来模拟过电压条件。在励磁系统中连接的变阻器是可变的，电阻值减小，因此允许更多的场电流流动，从而在定子中产生高于额定的电动势。这种情况也可以通过突然断开负载组与发电机的连接来模拟。
欠压保护(27)
由于系统负载突然升高，附近系统出现故障，AVR系统出现故障等，可能会出现欠电压状态。当发电机端或负载端电压幅值低于表二所示的阈值时，继电器在电压保护下工作。通过改变现场励磁系统中连接的变阻器，在实验室中模拟了电压下的情况。变阻器的电阻增大，从而减小发电机励磁电流，使发电机端子电压降低。
一组PT(接在发电机端子上)在继电器中按设定值检测发电机端子电压是否健康。实际电压信号从所有三相PTs的二次给继电器过电压和欠电压保护。
图像

C.过频和欠频保护
过频保护(81-O)
由于发电量超过负荷需求或大负荷停机，可能会出现过频情况。在调节系统的帮助下，降低原动机的功率输入可以很容易地纠正这种情况。继电器过频保护在系统频率超过设定值时起作用，如表三所示。继电器测量通过PTs给出的电压信号的频率。在实验室中，这种情况是通过增加直流电机(原动机)的速度来实现的。这反过来是通过控制直流电机的磁场和电枢绕组串联的变阻器来实现的(直流电机调速的磁场和电枢控制方法)。通过减小通过磁场或电枢的电流来提高速度，而电枢电流又通过增加这两个变阻器的阻值来实现。在孤立系统中模拟过频的另一种方法是从系统中去掉一个较大的负载。
过频保护(81-U):
当发电机负载突然下降导致系统过载时，发电机输出较大电流，系统频率下降。这种情况可以通过调节系统增加发电量(增加涡轮机的机械功率输入)或通过减负荷来克服。如表三所示，当系统频率低于设定值时，继电器在频率保护下工作。为了在实验室模拟这种情况，通过减小直流电机的磁场电阻和电枢变阻器来降低直流电机(原动机)的转速。模拟这种情况的另一种方法是使系统过载。
图像

D.限制接地故障保护(REF)
限制性接地故障(REF)保护的目的是检测从发电机中性点到发电机端子的特定区域内的接地故障。如图4所示，所有CT次级以差分方式连接，数值继电器的敏感接地故障(SEF)单元连接在它们之间。
图像
在正常工作条件下，线路中电流的相量和等于中性电流，因此通过继电器线圈的电流最小(几乎为零)。因此，继电器在正常工作条件下保持稳定。当任何相位绕组绝缘失效而发生内部故障时，会产生电流差，从而使继电器成功运行。在实验室中，分别利用开关S1和S2手动制造一个内部故障和外部故障，对继电器运行进行了测试(图1)。在外部故障条件下，继电器的REF特性保持稳定。在通过关闭开关S1模拟内部故障的情况下，继电器按照表iv中给出的设置工作，并将自己与直流励磁系统和负载系统隔离。
图像

结论
介绍了一种可在实验室环境下实时实现的大型发电机多功能数字继电器方案。对适用于发电机的各种保护方案进行了三相电力电路仿真和样机实现。所开发的实验室装置能够区分发电机的正常和异常/故障状态。设计并实现了限制接地故障(REF)保护方案，用于检测各种类型的内部接地故障。其他所有异常如过载/过流，欠压/过压现象，低频均已根据设计标准和继电器设置由样机检测。对于各种内部和外部故障和异常，平均跳闸时间为0.1秒至5秒。实验结果表明，所设计的发电机保护方案在线性/非线性负载下均能良好运行。

参考文献

















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