數(shù)字式發(fā)電機(jī)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)研究

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結(jié)構(gòu)原理

頁(yè)面更新時(shí)間：2016-02-20 09:50

　　在精確分析發(fā)電機(jī)過(guò)負(fù)荷熱模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)定子繞組熱平衡過(guò)程，充分考慮繞組的散熱影響，提出了新型數(shù)字式反時(shí)限過(guò)流保護(hù)判據(jù)，克服了傳統(tǒng)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)的缺點(diǎn)，提高了保護(hù)性能。

　　大型發(fā)電機(jī)的材料利用率高，熱容量與銅損之比、熱時(shí)間常數(shù)均比較小，相對(duì)過(guò)負(fù)荷能力就較低，易因過(guò)負(fù)荷引起繞組溫升過(guò)高，影響機(jī)組的正常壽命，嚴(yán)重時(shí)造成發(fā)電機(jī)故障，所以必須裝設(shè)過(guò)負(fù)荷保護(hù)。

　　按照有關(guān)規(guī)定，定子繞組為直接冷卻且過(guò)負(fù)荷能力較低的發(fā)電機(jī)必須裝設(shè)與其過(guò)負(fù)荷能力相適應(yīng)的具有反時(shí)限特性的過(guò)流保護(hù)，且能反應(yīng)電流變化時(shí)發(fā)電機(jī)熱積累過(guò)程。常用的反時(shí)限過(guò)流保護(hù)繼電器有電磁型、靜態(tài)型和數(shù)字式等。在電磁型繼電器中，熱積累過(guò)程是采用圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成的（其轉(zhuǎn)動(dòng)速度取決于定子電流的數(shù)值），轉(zhuǎn)盤在電流達(dá)到啟動(dòng)電流值時(shí)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)中圓盤的位置對(duì)應(yīng)于熱積累的輸出，由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的影響，其動(dòng)作誤差較大且易誤動(dòng)。靜態(tài)型繼電器是通過(guò)對(duì)電容的充放電來(lái)模擬定子繞組的熱積累和散熱，但在電流較大時(shí)，動(dòng)作時(shí)間要達(dá)到一定的精度比較困難。隨著發(fā)電機(jī)變壓器微機(jī)保護(hù)技術(shù)的不斷成熟，數(shù)字式發(fā)電機(jī)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)也得到普遍應(yīng)用。但目前數(shù)字式發(fā)電機(jī)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)采用的依然是傳統(tǒng)保護(hù)的原理。通過(guò)分析其原理及存在的局限，得出了一種更精確的保護(hù)判據(jù)。

　　1導(dǎo)體發(fā)熱模型的物理描述根據(jù)熱平衡原理，在一定時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)體產(chǎn)生的部分熱量將儲(chǔ)藏在物體中并使該物體溫度升高，另一部分將散失在冷卻介質(zhì)中。設(shè)Q為該導(dǎo)體在每秒內(nèi)產(chǎn)生的熱量，單位為Wc為該導(dǎo)體的比熱，即將1 kg物質(zhì)溫度升高1℃時(shí)所需熱量的焦耳數(shù)，單位為J/（kg？℃）S為導(dǎo)體冷卻表面，單位是m散熱系數(shù)，即單位面積、單位溫差、單位時(shí)間內(nèi)所散發(fā)熱量的焦耳數(shù)，單位為W/（m常數(shù)θ為溫升，即導(dǎo)體溫度與冷卻介質(zhì)溫度之差，單位是℃G為該物體的重量，單位為kg.在dt時(shí)間內(nèi)，則有下述公式成立：方程（1）的右側(cè)第一項(xiàng)為物體溫升dθ所吸收的熱量，第二項(xiàng)為dt時(shí)間內(nèi)對(duì)冷卻介質(zhì)的散熱。

　　設(shè)導(dǎo)體在t =0時(shí)的溫升為θ0，則微分方程（1）的解為式中τ為導(dǎo)體發(fā)熱時(shí)間常數(shù)（s），τ=為導(dǎo)體穩(wěn)定溫升（℃），θ從上可以看出，導(dǎo)體發(fā)熱時(shí)，溫度呈指數(shù)特性升τ，導(dǎo)體開始冷卻，其溫度亦按同樣規(guī)律下降，直至和冷卻介質(zhì)溫度相同。

　　對(duì)于定子繞組而言，單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量Q = R（R為定子繞組的電阻， I為定子電流）。

　　2傳統(tǒng)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)原理及局限性國(guó)內(nèi)發(fā)電機(jī)定子繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)常采用判據(jù)為式中I為反時(shí)限啟動(dòng)值A(chǔ)為發(fā)電機(jī)承受的過(guò)熱能力。

　　如果發(fā)電機(jī)運(yùn)行在額定狀態(tài)下，那么繞組的溫升將達(dá)到穩(wěn)定值，這時(shí)繞組所產(chǎn)生的熱量，經(jīng)冷卻表面散到外界中去。如果在額定狀態(tài)下再發(fā)生短時(shí)過(guò)負(fù)荷，假設(shè)相對(duì)于額定損耗的熱量，仍然經(jīng)冷卻介質(zhì)向外散發(fā)。超過(guò)額定狀態(tài)下的損耗所產(chǎn)生的熱量全部用于繞組的溫升而不對(duì)外散熱，即繞組在過(guò)負(fù)荷電力自動(dòng)化設(shè)備時(shí)呈現(xiàn)絕熱狀態(tài)。那么，有以下公式成立：（額定溫升），則微分方程（5）的解為當(dāng)繞組溫升θ超過(guò)其所允許的最高溫升θ保護(hù)動(dòng)作，即判據(jù)為θ≥θmax，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為對(duì)照傳統(tǒng)反時(shí)限保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)（3），可得在微機(jī)保護(hù)中， A表示第K個(gè)采樣間隔時(shí)繞組的熱積累值I時(shí)電流標(biāo)幺值T為采樣間隔），其動(dòng)作判據(jù)為A定子繞組有一層絕緣包裹著，發(fā)電機(jī)容量越大，電壓等級(jí)就越高，相應(yīng)的絕緣層也就越厚。對(duì)于非直接冷卻的發(fā)電機(jī)，由于繞組絕緣的熱阻效應(yīng)和鐵芯質(zhì)量大而發(fā)熱緩慢，以致繞組最初發(fā)熱時(shí)與鐵芯間存在著熱絕緣。但對(duì)于直接冷卻的發(fā)電機(jī)（一般為大型發(fā)電機(jī)），雖然定子繞組與鐵芯間短時(shí)間內(nèi)存在熱絕緣，但其冷卻介質(zhì)（如水、氫）直接與繞組接觸，不存在短時(shí)間的熱絕緣現(xiàn)象，所以傳統(tǒng)判據(jù)更顯得保守。在某些條件下，有著明顯的不合理性，例如發(fā)電機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行和額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，對(duì)于同一過(guò)負(fù)荷電流，按照傳統(tǒng)判據(jù)，其動(dòng)作時(shí)間一樣而實(shí)際中，這兩種負(fù)荷運(yùn)行時(shí)繞組前者的溫升明顯小于后者，在同一過(guò)負(fù)荷電流下升至繞組的動(dòng)作溫升的時(shí)間，前者應(yīng)該大于后者。

　　3新的判據(jù)由于發(fā)電機(jī)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)主要用于直接冷卻式的大型發(fā)電機(jī)，所以如果不考慮繞組導(dǎo)體散熱作用。該保護(hù)在動(dòng)作特性上就不能充分發(fā)揮發(fā)電機(jī)的過(guò)載能力。

　　發(fā)電機(jī)由熱傳導(dǎo)互不相同的各部分組成，其發(fā)熱過(guò)程極為復(fù)雜，且電機(jī)內(nèi)部常有幾個(gè)不同的熱源，使各部分同時(shí)發(fā)熱。因此，精確地計(jì)算電機(jī)內(nèi)部的熱量交換情況非常困難。為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，假設(shè)發(fā)電機(jī)的每一部分各點(diǎn)之間沒(méi)有溫差，且沿著表面各點(diǎn)的散熱情況都相同。

　　發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)繞組達(dá)到穩(wěn)定溫升，此時(shí)發(fā)電機(jī)的銅耗等于繞組的對(duì)外散熱，所散熱量主要由兩部分組成：繞組通過(guò)冷卻介質(zhì)（如水、氫等）散發(fā)的熱量和通過(guò)鐵芯對(duì)外的散熱。設(shè)在過(guò)負(fù)荷過(guò)程中，定子鐵芯、冷卻介質(zhì)溫度保持不變，則式中a為繞組對(duì)鐵芯、冷卻介質(zhì)的散熱系數(shù)分別為繞組對(duì)鐵芯、冷卻介質(zhì)的散熱面積θ分別為鐵芯、冷卻介質(zhì)的溫度θ，θ分別為繞組的溫度、額定溫度。

　　（7）式左側(cè)第一項(xiàng)為繞組對(duì)鐵芯的散熱，第二項(xiàng)為繞組對(duì)冷卻介質(zhì)的散熱。

　　額定狀態(tài)下，定子銅耗等于繞組的對(duì)外散熱，有以下公式成立：2，根據(jù)熱平衡原理，有以下等式成立：式中c為定子繞組的比熱G為定子繞組的重量a為定子繞組的散熱系數(shù)S為定子繞組與介質(zhì)的等效接觸面積，θ為繞組溫度。

　　將其寫成差分方程，并設(shè)Δt =T為采樣周期），則式中θ分別為第K ，K 1個(gè)采樣間隔繞組的溫度與額定溫度之差。

　　整理得方程兩邊都除以I令B R，則上式變?yōu)樵陬~定狀態(tài)下B =0 ，假設(shè)初始狀態(tài)為額定負(fù)荷，若I 1時(shí)，從式（13）可以看出B值為正且逐漸上升，并且穩(wěn)定于（I負(fù)，且逐漸減小，最終穩(wěn)定于（I 1）τ。對(duì)照傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)的A值的定義，可知A K.對(duì)應(yīng)穩(wěn)定負(fù)荷時(shí)，就有一穩(wěn)定的熱積累值，根電力自動(dòng)化設(shè)據(jù)式（13），負(fù)荷的變化熱積累值也隨之而改變，當(dāng)滿足動(dòng)作判據(jù)B≥A時(shí)，保護(hù)動(dòng)作。

　　根據(jù)I的物理含義：發(fā)電機(jī)允許長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的電流標(biāo)幺值，即在此電流下的穩(wěn)定熱積累值等于發(fā)電機(jī)規(guī)定的A值，超過(guò)此電流值，保護(hù)將動(dòng)作。

　　由此可得：求得τ代入遞推公式（13），就可得到不同時(shí)間的熱積累值。

　　上述的推導(dǎo)是建立在冷卻介質(zhì)溫度保持不變的前提下。事實(shí)上，定子鐵芯的溫度在整個(gè)過(guò)負(fù)荷過(guò)程中是變化的，隨著繞組溫度的不斷升高，繞組與鐵芯溫差加大，鐵芯溫度開始升高。由于繞組的溫度變化是動(dòng)態(tài)的過(guò)程，鐵芯所感受繞組的熱量也是變化量，所以計(jì)算鐵芯的溫度比較困難。從式（6）可以看出，不考慮鐵芯溫度的升高，所計(jì)算繞組通過(guò)鐵芯散發(fā)的熱量大于實(shí)際值，但由于鐵芯的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)比較大，所以其溫度上升較緩慢，且直冷式發(fā)電機(jī)對(duì)外的散熱主要靠冷卻介質(zhì)的熱傳導(dǎo)另外，不考慮定子繞組電阻及比熱的溫度效應(yīng)，在一定程度上彌補(bǔ)了鐵芯溫度升高的影響。

　　初始狀態(tài)不同，則同一過(guò)負(fù)荷電流下動(dòng)作時(shí)間不一樣。從遞推公式（14）可得出，初值不同，熱積累達(dá)到某一動(dòng)作值的時(shí)間就不同，較符合實(shí)際情況。

　　4兩種判據(jù)的動(dòng)作特性比較=1 .2，將判據(jù)1（傳統(tǒng)判據(jù)）和判據(jù)2（新判據(jù)）的計(jì)算結(jié)果繪成如圖1所示曲線，從中可看出， I 2時(shí)，兩判據(jù)的動(dòng)作特性相差不大I 2時(shí)，判據(jù)2的動(dòng)作時(shí)間明顯大于判據(jù)1.

　　5結(jié)論通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)的原理和定子繞組發(fā)熱模型的研究，根據(jù)電機(jī)熱平衡原理，一定程度考慮了繞組的散熱特性，提出了較為合理及方便整定的適用于微機(jī)保護(hù)實(shí)現(xiàn)的新判據(jù)，比傳統(tǒng)保護(hù)原理有了一定的改進(jìn)。這種判據(jù)還可以進(jìn)一步發(fā)展，適用到發(fā)電機(jī)負(fù)序反時(shí)限保護(hù)及勵(lì)磁繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)等。