（电机与电器专业论文）智能发电机保护模块.pdf

a b s t r a c t g e n e r a t o r sa 1 1 d 仃a n s f o 】衄e r sa r eo n eo ft l l em o s ti m p o r t 眦tp a r t so fe l e c t r i cp o w e r s y s t e m ，t h e r e f o r e ，t h e i ro p c r a d o n s 谢1 1i n f l u e n c em a l l ya s p e c t so ft h ee l e 矗cp o w e r s y s t c m ，s u c ha sn o 咖a lo p e r a t i o o fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，i i n p r 0 v e m e n to f e l e c 仃i c a l e n e r g yq u a l i t y a i de t c a l o n gw i t hp e o p l e sl l n c e 私i n gp u r s l l i to fs a f e r0 p e m t i o no fe l e c 仃i cp o w e rs y s t e m ， 吐呛c r i t e r i ao fr c l a yp r o t e c t i o ni n s t a l l a t i o nb e c o m e sh i g h e r m e 明w h i l e ， t l l e d e v e l o p m e n to fm i c r o p r o c e s s o r sa n de k 删ct e c h n o l o g yp r o v i d e sa 刚m d s u p p o r tt oa c h i e v ea d v a l l c c dr c l a yp r o t e c t i o ni 1 1 s t a l 蜥o ns t h e r e f o r e ，i ti ss i 印m c 舭t t od e v e l o pas e to f i m e l l i g e n td i g i t a lr c l a yp r o t e c t i o ni n s t a l l a t i o n s t h i sp a p e rd e s i g n sas e to fg e n e r a t o rp m t e c t i o nm o d u l eb 髂e do n i m s 3 2 0 f 2 4 0 t h ep a p e ra l s op r e s e n t s 吐l ec i r c u i t so fa l lp a i t s a tt h ee n d ，血ea l g 耐t l l i no f 、v i n d o w e d i r l t e r p o l a t i o nf f t i sg i v e n i nt h c 血s tc h a p t e r ，恤b a c k g r o u n do f 恤p r o j e c ti sd c s c 曲e d t h ed e v e l o p m e n to f r e p l a yp r o t e c t i o ni sd i s c u s s e di nd e t a i li n 吐姹f o l l o w i n gs e c t i o n t h ed e v e l o p m e mo f a l g o r i n l r no f r e p l a yp r o t e c t i o ni sa l s or e v i e w e d h lt h es e c o n dc h a p t e r ，m ep r i n c i p l eo fe a c ht y p eo f p r o t e c t i o n 舡l dt h e i rf i l n c 埴o n a l b l o c kd i a g 舢sa r e m o d u c e d t h eh a r d 呲d e s i g no fn l es y s t e mi si n t r o d u c e di n t h em i r dc 1 1 a p t e lt h ep o w e rs u p p l yo f t h em o d l l l ei sa l s op r e s e m e di nt l l i sc h a m e l t bi m p “ v et l l em e 嬲u r i n gp r c c i s i o no fi n t e r h a m o n i c si ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，a n i m e r h a m o n i c se s t i m a t i o nb a s e do ni n t e r p o l a t i o nf f ta l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h e e s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e do nf o u “t e mw i n d o wf o rt h ei n 蛔血a r m o i l i c sp a r 鼬e t e _ r si s g i v e ni nm ef o u n hc h a p t e r i n 也ef i f mc h a p t e r ，t h ed e s i g i lo f s o n w 盯ep a ni si n 仃o d u c e d t h e p a p e r i s s 啪m a r i z e d 砒也ee n d k e y w o l m s ：r e l a yp r o t e c t i o n ，g e n e 】吼t o rp r o t e c t i o nm o d i l l e ，p r o t e c t i o na l g o 棚吼， 耐n d o w c di n t e q ) o l a t i o nf f t ，l a b v i e w i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 发电机和变压器是电力系统重要的组成部分之一。电力工业的发展，发电机 组的台数不断增多，其单机容量也迅速增大。从电力系统安全稳定的客观要求出 发，对大型发电机组的继电保护提出了更高的要求。同时微处理器及微电子技术 的发展，为丈机组保护技术的不断创新提供了物质条件，也为新保护原瑾的应用， 新方案的实璐提供了可能。 1 i 选题的背景及意义 随着世赛电力工业的发展，清洁傀质能源的发展越来越受重视，丽严格的环 境要求己成为电力工业发展的主要制约因素。其中一个羧有争议的问题就是大水 电。由于大型水电工程对土壤、流水、植被、生物、气候及人类活动的影响，以 及缺少与整个流域的环境相协调的保护措施，几乎所有的大型水电站都不能认为 是能适用于社会可持续发展的能源。一些国家还为此制订了非常严格的许可证颁 发条件，这种限制政策己导致了全世界水电在电力总装机中的比重以及大水电在 水电总装橇中的眈曩逐年下降。同时，美国、欢盟又相继宣稚了l o m w 以上的水 电不再认为是可再生能源，进一步，限制了大水电的发展，侵得水电开发由大水 电转到了小水电。世界范围内新一轮以小水电为主的水电建设的高潮正在兴起。 我国小水电资源十分丰富，经济上可开发的容鼍约为8 7 0 0 万千瓦发右，广 泛分布在全国的1 6 0 0 多个县市。经过几十年来的建设，截至2 0 0 1 年底，中国已 建成小水电站4 3 0 2 7 座，总装机2 6 2 6 万千瓦，占可开发容量的四分之一左右。 小水电翡发展使我阐地方电网的规模不新扩大，并且创造了独特的小水电管理方 式，逐激形成了以东邦蟪区为主、素接接入国家电网和以中蘧部遮区为主、形成 地方电嘲或独立供电的具有自己供电区的三秘运行方式。小水电已经成为我国社 会经济发展与环境保护的重要因素。 但目前小水电由于受成本因素的制约以及人们把大量精力都放在了大型机 组的研究上，其继电保护装置还普遍采用电磁式和晶体管式，不利予发挥微机式 保护智能化、安装简单、调试方便等特点。目前，国内几个知名的继电保护生产 厂家生产的叛捉保护装饕只有少量楚针对小容霪豹发电税缝保护，弱就磷究和歼 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 发一套专门针对小褰量发电桃维的微桩傈护装置无论从市场还是促进技术进步 角度来讲都是十分必要和紧迫的【卜5 】。 在电力系统中运行的发电机，由于发电机的容量相蓑悬殊，在设计、结构、 工艺、励磁以及运行方匿都鸯饺大差异，这就使发电枫及其鼬磁回路霹能发生豹 故障、故障几率和不正常工作状态都会有所不同。相对大容量发电机维，小容量 机组对微机保护的要求有以下特点 6 】： l 、保护配矍镌单。有些保护对大容量机缍非常重要，小容量枫缀则可以不 配置。例如：失步保护、过威磁保护和频率笄常保护。 2 、保护装置灵活易用。考虑小机组容景小，不需要太多运行人员。保护装 置应尽量使用那毖成熟、可靠、整定箍单的保护覆理；软硬肄徽到调试筏单，赛 面直观、易懂。此外，保护装篇体积小便于安装。 3 、注重成本方面的因素。大型机组由于造价昂贵，结构复杂，一且故障， 检修期长，绘匡民经济造成的壹缓和闽接经济损失巨大，俊褥大极组保护配置复 杂，对硬件要求高，成本也相对的高：而小机组保护配置简单，对硬件要求相对 低，所以小机组像护成本较低。 1 2 微机继电保护的发展 上个世纪以来计算机技术发展迅速，计募机的应用融广泛地影响蓿萃i 学技 术、，圭产和生活的各个领域，给各个领域带来了曰新月异的变化。计算机技术同 样影响着继电保护技术和装置的发展。 刹用计算机实现继电保护的设想早在2 0 世纪6 0 年代就已提了出来，由于受 当时的技术帮经济条件的限制，仅傲了理论探索，但是发表的关于计算枫保护的 研究报告已经引起了世界各地继电保护工作者的兴趣。 在7 0 年代初，计算机继电保护的研究工作主要还是理论探索，只肖个别部 门侔一些现场试验，但是限于计算杌硬件的制造水平以及价格问题，当时还不具 备商业性的生产计算机继电保护装置的条件。 到7 0 年代末，计算机的制造技术出现了熏大突破，使褥以微处理器为核心 的微黧计算机进入了实用阶段，从而带来了微机型继电保护的研究高潮。甚至为 了增加可靠性，设鼹多重化的硬件，用多台微机互为备用的构成一个电气设备的 塑翌盔兰塑主兰堡垒苎 墨= 量塑垒 保护装置，从而大大提高了可靠性。1 9 7 9 年美国电气和电子工程师学会的教育 委员会组织过一次世界性的计算机继电保护研究班。在此以后，世晃各大继电器 制造商都先后推出了各魏定裂的商业性的微型计算机保护装置产晶。 到9 0 年代豹中焘期，隧着各顼技术的成熬，微杌烈继电保护装墨已经在电 力系统中得到广泛的应用。 我国的计算机继电保护的研究起步较晚，囊到7 0 年代末期，才开始从事这 方愿豹研究和探索。自从1 9 8 4 年，由华北壤力大学杨奄逊教授研制的第一代微 机溅高压输电线路继电保护装置投入现场运行起，我国的电力系统微极型继电。保 护的研制得至4 了迅速的发展。在输电线路保护、元件保护、变电站鑫动化系统、 故障录波器和教簿测距等领域，微祝型继电保护都取得了弓1 人注露的成莱p 甜。 1 3 发电机组保护装置的发展现状 因为发亳机缀微机僳护技术含鬃较商，溺外只有少数凡家著名的电气设备公 司有相应产品，如a b b 公司的r e g 2 1 6 型发电机一变压器组( 发变组) 保护装 嚣，g e 公司的g e s d g p 型发电机保护，g e c * 阿尔斯通的l g p g 型发电机保护 装最，还霄嚣门予公遥的7 u 删7 u t 等系列产品。与国内的机维保护产品相比， 这些保护装曼结构紧凑，王艺水平较高，调试软l 牛的功熊较完备，人规接翻良好， 调试方便，运行可靠。 国内微机发毫杌组保护装鬟的研制经过2 0 多年的发展历史，形成了比较成 熟的技术理论体系。早期微机保护的研究工作主要是集中在高压输电线路的距离 保护方殛，上世纪9 0 年代以来，开始进入判元件保护方磁。潮内几家主要的电 气设备公司与东袁大学、清华大学、华中科技大学、华北电力大学等高校合作研 制，弓l 属耨原理和耨的计算桃技术发展成果，进一步改善发交组保护装置性能。 现投入市场的有：南京电力鑫动化设备厂的w f b z 0 1 和d g t 8 0 1 型发变组保护， 许晶继电器研究所的w f b - 1 0 0 型发变组保护，南瑞继电保护公司的l f p 9 0 0 系 列和r c s 9 8 5 型发变组保护。在这阶段的微机发电机一变压器组保护装景设计 中，采用了非常成熟可靠的技术。在硬件方嚣，微控制器普遍采用m c s 5 1 和 m c s 一9 6 系列1 6 位单片机。整体硬件结构采用多c p u 并行工作结构，包括一个 监控管理单元插件和若干保护c p u 插件，每个傈护c p u 插件独立工作，管理单 浙拄大学颈士学位论文第一章绪论 度要求而耗时又尽可能短。近些年来国内外继电保护工作者围绕这个问题作了大 量研究，提出了诲多适合予微机保护的诗算方法。 最初的算法以电压、电流为纯正弦变化为前提，其中胬半周内找最大值的算 法，半周内采样德累积的算法，m a 髓m o r r i s o n 豹导数算法，p r o d a 扣7 4 的二除导 数算法等等。然而实际电力系统发生故障时，往往是在基波的基础上叠加有衰减 的非周期分量和各种高频分量，阂此计算融尽霹裁地先滤撺j 周期分量和禽频分 量，否则计算结果将会出现较大的误差。针对上述情况，许多学者提出了一魑基 于较复杂豹数学模型的簿法，假设辕入豹电压、密滚是出非周瓣分燕、基频鞍倍 频分量所组成。这些方法中，最常见的是傅氏算法j 羁与之相似的沃尔希冀法。由 于这魑算法本身带有很强憋滤去毒次谐波的功能，瑟以一般不再另外采溺数字滤 波。但是算法本身不能滤去衰减的非周期分量。国内夕 许多继电保护工作者围绕 宠服衰减的菲周期分量的影响，傲了大量的王作，提出了一些相应的算法f 2 3 】。 1 6 本文的主要工作 目前多数微梳保护系统采用由单片机、单路a 加多路歼关缌成的数据采 集和处理电路淤】，而且一般采用时域法的计算方法。随着人们对电力监控系统性 能要求的提高，这种结构所带来的性能上的不足就越来越明显。主要包括以下两 个方面1 2 5 j ：由于谐波分析的需要，快速傅立叶变化( f f t ) 采样点数越来越 赢( 一般1 0 2 4 点以上) ，使褥采样频率和诗算嚣大大提高，普通单片帆和山口转 换器组成的电路无法满足系统性能的要求；电压和电流的非同步采样造成了 电压和电流相位慧的测援误差，进行到高次谐波分析时，会引起很大的计算误差。 为此，基于d s p 的保护系统被提了出来闯。 由于般的保护系统没有直观的界藤，不方便运行人员对系统的控制。基于 d s p 的保护系统提供了上位机和l c d 模块，以便运行人员更好地完成对系统的 盗控。运行人员通过上位机可以调熬系统运行的各个参数，还可以通过l c d 模 块观察故障的时间和具体原因。 本文提出的智能发电枫保护模块采用1 m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片构成信号聚集和分 析系统，进行信号实时采样、处理、分析和存储，然后和上位机进行数据通讯， 并将结果鼹示在l c d 上。该模块能同时完成对三粳电压和三栩电流的捻测，消 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 京) 硕士论文，2 0 0 3 2 4 】黄群，邓慧，基于p i c l 6 单片机的发电桃保护装置，计算机与数字工程， 2 0 0 0 ，2 8 ( 5 ) ：5 2 - 5 4 【2 5 】刘建刚，陈桂友，孙同景，基于d s p s 的同步采样系统及其在电力监控中的 应用，青岛大学学报( 工程技术版) ，2 0 0 4 ，1 9 ( 2 ) ：8 0 - 8 3 【2 6 】单亚娟，郑建勇，曹晓华， m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 处理器在电动机微机保护装置 设计中的应用，电力系统及其是动化学报，2 0 0 3 ，1 5 ( 1 ) ：6 7 7 0 浙江大学硕士学位论文第二章发电机保护原理 第二章发电机保护原理 本章将详细介绍微机发电机保护器所用到的保护原理和实现方法提供各种 保护原理的逻辑框图。介绍每一种保护所用到的整定值定义及其整定方法。在新 的原理下提供参考的计算方法f 1 训。 2 1 发电机差动保护 发电机差动保护是内部相间短路故障的主保护，常用的差动保护分为纵差保 护和横差保护。横差保护既可以反瘦褶阀敌障又可以反应匝闻故障，僵跫它需要 发电机中性点每楣至少弓i 出两个接线端子，由于许多发壤极不吴备这个条件，横 差保护的应用受到了限制。纵差保护又分标积比率制动式、比率制动式，故障分 量麓动保护等几种形式。而故障分量纵差保护在某些情况下灵敏度不如营通纵差 高5 1 。本节主要介绍比率制动式差动保护。 2 1 。l 标积比率制动式差动保护 标积比率制动式差动保护的原理为【l l ： | j r 一，1 2 鸥乓c o s 妒( 2 1 ) 式中：，r 一发电耄f l 机端毫流向量，荬正方向为指向系统为正，也酃两侧电流 互感器为零度接线； 扎一发电视。中性点彀流淘量，方向阉，： p 一，r 与，w 之间的相角差： 胃标积比率铡动系数。 2 1 2 比率潮动式差动保护 比率制动式的纵差保护反应发电机中性点电流和机端电流的变化，动作判据 如下： 刁q 、，t、rj 如 一乙乙k + 矗 一 0 毛匕 浙江太学硕士学位论文 第二章发电机保护原理 式中：匕、乙一分剐为动作电流和翱动电流，置有如= | j r 一“| ， i 口奄i t + l n 汜； 如。、厶一羞动电流起始慎和制动特性的拐点电流馕，拐点电流厶固定 为o 9 ，强发电机二次额定电漉； 岛一比率制动系数，一般取o 3 加5 。 如 i s d j 口乞 麴2 - l 比率制动式差动保护动作特性馥缝 按照比率制动式差动保护的动作判擐可以褥到摇圈2 1 所示的保护动作特性 捷线。嚣中岛为麓动遮断邀流，一般取发窀枫二次额定电流的3 8 倍。 2 1 3 比率制动式差动保护动作框图 差动缳护的故障处理包括以下凡种情况：单相吃率制动差动保护，两稠和三 摆比率制动差动傈护、差动速断保护和蓑流越限告警。 1 ) 单相比率制动差动保护 蹦现任一相差流，差动保护动谗。模块配有c t 断线检测功能，如果检测到 c 断线虽整定值允许c t 断线输出，剿瓣箨幸闭锁差动保护，保护逻辑禚图如图 2 * 2 ( 砖瞬承。为了防止点在区外另外一点在区肉的两点接地故障的发生，当有 一相麓动勘作置负痒电压过大时也开放羞动保护，保护逻辑框图如图2 - 2 ( b ) 所示。 浙江大学硕士学位论文 第二章发电机保护原理 3 ) 差动遮断保护 速断定僮一般蘩定为3 8 倍发宅机二次额定电流，必要一楣差瀛满足速龋条 件，说明机组出现严重故障，保护就快速出口。 圈2 * 2 ( d ) 差动遮断动作 4 ) 差流越限告警 为了在轻载下提前发现差动回路的异常，模块还配鬣差流越限功能。差流越 限的定德团定为差动电流起始值的8 0 ，当判定差流越限且缀过l o s 发送麓流越 限告警信号。 图2 - 2 ( e ) 差流越限告聱 2 2 复合电医过流保护 2 2 。l 雪i 护愿爨 复会电压过流保护由负静电蕊和线电压启动的过电流元件组成，作为发电 机、变压器、高压母线及相邻线路故障的后备。对于自并励发电机，在短路故障 后电流衰减变小，故障电流在过流保护动作出口前就可能已经衰减到过流赛限以 下，因此在复压电疆过流傈护起动后，过流元件需带记忆功能，电流楚否带记忆 功能可通过控制字选择。 翡汪大学磋士学位论文第二掌发电机保护原理 2 3 电压保护 圈2 0 复合耄压过遣流保护逻辑框图 2 3 1 过电压保护原理 浙江大学硕士学位论文 第= 章发电机保护糕理 发电机过电压保护用于保护发电枫各种运行状况下引起的定子绕组过电压， 保护反应发电机机端电压大小。保护设一段一个时限定值。 对于水轮发电机，由于调速系统动作迟缓，在甩负荷瑶，转速上升容易出现 不允许的造电压，茵龀都规定装设过电压保护，一般根据发电机的绝缘状况，动 作电篷取1 5 倍额定毫压。 对于中小型气轮发电机，通常可以不配置过窀压保护。 2 3 2 欠电压( 调相失压) 保护原理 欠电胍保护又叫调相失压保护，主要用于发电机做调相机使用时，防止机端 电压过分降低，影响机组安全。反应三相相间电压的降低，并经外部触点( 一般 为自动操作装置触点) 闭锁，保护设一段一个时限定值。 2 3 3 保护动作逻辑框图 毫压僚护逻辑椹图如下圈所示。 欠电压傈护投入卜一 u h o 过电流僚护出嗣 ， 厶卜一 l 、 + ij o 卜一 巨2 正过电流保护动搏逻辑框图 2 5 过频胝频保护 2 5 1 保护原理 过颓，低频保护通过检测发电枫电压频率来判断发电枫是否需要保护。一般 通过方波电路得到电压频率。 2 s 2 保护动作逻辑框隧 过频，低频保护动作逻辑椴图如图2 7 所示。 过频保护投入卜一 | ， 五h + 过频低频保护出口 低频保护投入l 一 ； ， 。 + 定予接地保护出口一 l 三瓷谐避皇醛子接地l 保护控制字投入 1 。一心，t 。i 一；lu 3 。p ，卜 浙强大学硕士学位论文 第二章发电机保护原理 图2 1 0 定予接地保护动作逻辑框图 定子接地保护动作逻辑梃图如上潮所示。 2 7 转子接地保护 发电机转子在运输或保存进程中，经常会发生缀多闻题：由予转子惠部受潮、 铁芯生锈，随后铁锈进入绕组，造成转子绕组熏绝缘或暾间绝缘损坏；转予加工 过程中金属物落入转予，g l 越转子主绝缘的损蜒：转子绕组下线时绝缘的损坏或 槽内绕组发生位移，引发接地或匝间短路：电刷粉末沉积在滑环下端的绝缘突出 部分，使励磁回踌绝缘电阻严熏下降。这些过程往往造成转子绕缝的破坏，严重 的故障将直接破坏电机。 转子绕组绝缘破坏常见的故障形式育两种：转予回路匝闻短路和励磁鄹路接 地。对于转子回路匝问短路和励磁回路一点接地，并不会直接引起严重后果，但 是，如果励磁回路一点接地故障后，筹孬相继发生第二杰接她故淹，裂将严重威 胁发电机的安全。主要危害有：机组静止部件的环形磁化以及电流烧伤【6 】。 2 7 1 转子一煮接地保护僚联 圈2 一l l 转予一点接地保护测纛电路原理图 转子一点接蟪缣护主要反应转子对大辘绝缘电疆下降。以前通常采用电桥平 衡原理构成一点接地保护，这种保护在励磁绕组中点附近发生短路时存在死区。 本模块采用乒乓式变宅挢原瑾f 删，其设计思想是：通避亳子开关s l 、s 2 轮流切 换，改变电桥两臂电阻值的犬小，使电桥没有一个固定的平衡点，根据开必三种 状态下的睡路方程，计算转予接造电阻相接遮位置。保护溺璧电爨的原理黼如图 2 1 l 所示，图中，s 1 、s 2 为受控的电子开关。k 、k 、k 为被测电压。 浙江太学璇学位论文第二章发窀轭保护爆堙 当s 1 闭合、s 2 断开时，为状态1 ，此时k = o ； 当s 1 断开、s 2 闭合时，为状态2 ，此时k = o 当s 1 断开、s 2 断开时，为状态3 ，此时 = 咎 如警( ) 式中：占为转子绕组的励磁电压。 犯1 0 ) ( 2 1 1 ) 设在状态l 、2 、3 下的电压k 、砭、巧分别为：k ( 1 ) 、k ( 1 ) 、k ( 1 ) 、巧( 2 ) 、 ( 2 ) 、珏( 2 ) 、k ( 3 ) 、吒( 3 ) 、k ( 3 ) ，则毽先 鬈2 丽篇篇器舞等毁丽一墨 3 2 【k ( 3 ) 一巧( 3 ) 卜【k ( 1 ) 一巧( 2 ) 】- ( 2 月+ r ：) “r + r ) 1 、一“ 保护的动作判据为 毽 。( 2 1 4 ) 式中：u ：和，分别为祝端正序电捱的二次谐波分量和整定定值。 2 7 4 转子两蠢接逮保护动作逻辑框图 转子污点接地保护动作逻辑框圈如图2 1 3 所示。 转予一点接地动俸卜一 转予嚣点接地缳护 转子两点接地保护出口 控制字投入 & l 定子正序二次谐波 电压q ： 巩； 2 8 失磁保护 豳2 1 3 转予两点接地保护动终逻辏框圈 发电机低励或失磁，是常见的故障形式，据我国1 9 8 6 1 9 8 9 年的统计资料表 骧，共发生失磁故障8 9 次，鑫发电辊故障豹6 0 。近几年随着发电梳励磁系统 的改进，数障几率寄所下降，1 9 9 6 年统计，全国1 0 0 m w 及以上发电机共发生失 浙疆大学硕士攀位论文第二章发电机保护原理 磁故障3 1 次，占发电枫牧簿豹3 0 4 ，但失磁敞簿仍然是是发电枫各种故障中 发生概率最高的【l o 】。 发电机低感或失磁后，姆过渡到异步运行状态：转予出现转差，定予电流增 大，定子电压下降，肖功功率下降，无功功率反向并且增大，转予溷路中文现差 额电流，电力系统的电压下降及某些电源支路过电流。所有这咎电气量的变化， 都伴毒一定狂度的摆动。对予发毫枫本身，失磁羼，转予蓑禳电流可能傻转子本 体与槽楔、护环的接触蔺上发生严重的蜀部过热甚至灼伤。定子避电流会使定子 过热，并且还商很大箍至超过额定僮的电磁转矩周期性地作用至发电机的辘系 上，并通过定子传递到机座上。 2 8 。l 失磁僚护坂瑶 根据现场实际情况，可以选择三种失磁判据：失磁开入燃摆、失磁低黼剿据、 失磁照抗判摄。 1 ) 失磁保护开入判据 失磁保护采用赢流励磁电联的外部开入( 采用三取二方式) 保护原理，为了 提商失磁保护的可靠憔，结合逆光功元传识别失磁故障，该功能可经控铡字投迢， 保护动作于停机。 囊流励磁毫压低外部开入除了常规的嚣入监搅外，增加当忘流励磁电簇低开 入三取二动作时，织邋无功元 牛不动作时，表明赢流励磁潮路出现羿常，绘出告 警倍怒，提醒运行入员进行处理。 2 ) 失磁保护低脑判壤 失磁保护低励判据圭判据采用转予翩磁屯压。为了提离失磁僳护的可靠瞧， 结合逆无功元件识别励磁故障。 3 ) 失磁保护阻抗判撼 失磁磊发电撬在进入异步运行之前，必先透过静稳边界。阻抗特性在复平面 上的位置可以根据静稳边秀整定，阻抗动馋方程为： ( x 。+ ) 2 + ( 氐r r 搿 ( 2 1 s ) 式中：j 乞、& 一铡蹙壤抗帮测莹毫阻； 墨、r 滔心向量； 潦江大学硕士学位论文第二章发电机保护鼯理 定一圆的半径。 通过整定不同的五、民可以选择不同的阻抗特性，对于汽轮发电机，可以 整定为如图2 4 的恩特性，对于水轮发壤机可以整定为如图2 。1 5 的孳栗圆特性。 jj x 厂 。 1 月? 。 - j x d 圈2 1 4 静番边界藉特性 1 、 r 、 图2 - 1 5 静；蠡边界萼豢圆特性 2 8 2 失磁保护动作逻辑框图 失磁保护动作逻辑抠图如下图所示。 浙江大学硕士学位论文第二章发电机保护原理 | 盖流励磁电匿低歼入 三壤二动作 j 厂 逆无功q r 1i 广1 失磁慑护开入判据出口。 失磁保护经逆无功l j h ! ! 竺! r 元件起动| l i 失磁保护不经逆无功 元谗起动 直流励磁电压低开入i 三取二动作 逆无功 q 卜叫 厂丽；：习直流励磁回路异常告警- 赢漉励磁回路检测功能i 投入广一 z q 失磁保护阻抗判据 控制字投入 吣 1 5 6 置 8 v 机端电压。 1 0 0 0 次) i s pf l a s hr o m ，2 5 6b y t e s 的随机存取数据存储器( r a m ) ，3 2 个外部双向 输入输出( 砌) 固，5 个中断优先级2 层中断嵌套中断，3 个1 6 位可编程定时 计数器，2 个金双工串符逶信瑟，蓉门狗( w d t ) 电路，片内时钟振荡器，低功 耗空阕秘雀奄模式，中断唤醒省电模式，灵活的l s p 字节和分茭编疆，双数据寄 存器指针。 此外，a ：r 8 9 s 5 2 设计和配置了振荡频率可为o h z 并可通过软件设嚣省电模 式。空闲模式下，c p u 暂停工作，而r a m 定时计数器，串行口，外中断系统可 继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存r a m 的数据，停止芯片其宦功能直至外 中断激活或硬件复位。 3 3 2a d 7 8 1 2 的介绍 a d 7 8 1 2 是a n a l o g 公司推出的高速、低功耗、多通道1 0 位模拟，数据转换器， 能工作在+ 2 7 、，计5 5 v 。器件内部有一个转换时间为2 3 郴的模数转换器( d ) ， 一个2 5 v 基准电压，一个对输入信号进行同步采样的跟踪保持放大器，总共可 有8 路输入信号。a d 7 8 1 2 的串行接口数据访问与绝大部分数字信号处理器 ( d s p ) 及单片枫的特性兼容。主要特点如下： 8 个模拟输入端，瞧可以设置为糯对于菜一模搭输入端的差分输入： 转换时闼为2 3 ； 一个同步采样麴跟踪，像持放大器 内部+ 2 5 v 的参考电源： 串行接口与d s p 和单片机的特性兼容； 高速采样和自动掉电模式。 3 3 ，3a t 8 9 s 5 2 和a d 7 8 1 2 的接口电路 本模块采样1 6 路信号，所以使用2 片a d 7 8 1 2 芯片。a t 8 9 s s 2 和a d 7 8 1 2 的接口电路如图3 1 3 所示。2 片a d 7 8 1 2 的时钟由a d 7 8 1 2 的f o 口模拟。a d 7 8 1 2 溪涯大学硕士学使论文 蕉兰章保护模块硬佟设计 的a o 引脚为地址位。在两片a d 7 8 1 2 共用同一总线时，可以通过置高或要低 a o 采区别他们。本模块中，一片a d 7 8 挖的a 0 置嵩，另一片a d 7 8 1 2 的a o 置 低，在访问总线时，通过修改指令中的a o 位可以访问不同的器件。i o 空余较 多时，也可阻给每个器 牛提供一套总线。 ：?ar8螂2 圈3 1 3a t 8 9 s 5 2 和a d 7 8 1 2 的接口 3 3 l 温度采样和转换电路 温度传感器聚用x t i t l 0 5 芯片。x t r l 0 5 采集安装在电机轴承和机端上的铂 电阻的瀑度，转化藏4 2 0 m a 的电流信号。r c v 4 2 0 将4 2 0 m a 的电流信号转变 成为0 5 v 的电压信号。先简要介绍一下x t r l 0 5 和r c v 4 2 0 的特性。 x 1 r 1 0 5 为自带传感器激励源和内置线性化电路的4 2 0 m a 变送器，可用于 工业过程控制、工厂自动化、s c a d a 远程数据采集、远程温度压力测量等 领域陋1 引。其主要特点是： 外围电路简单，可两线制连接，也可兰线制连接； 电源电压范琵宽( 7 s 3 6 v ) 可对r 1 r d 线性化； ( 参高p s r ：1 l o d b m 通，高c m r ：8 6 d b m i n 。 r c v 4 2 0 怒美国b b 公司生产的精密电流环接收器芯片，用于将4 2 0 m a 输 入信号转换成为o 一5 v 输出信号。它包含一个高级运算放大器、个片随精密电 浙江大学硕士学位论文第三章保护模块硬件设计 阻网络和一个精密l o v 电压基准。其总转换精度为0 1 ，共模抑制比c m r 达 8 6 d b ，共模输入范围达4 0 v 【1 5 ，1 羽。 r c v 4 2 0 在满量程时的电压下降仅为1 5 v ，在环路中串有其他仪表负载，或 者在对变送器电压有严格疆副的应用场合非常有用。l o v 电眶基准提供了一个典 型温漂为5 p p m o c 的精密1 0 v 输出。 r c v 4 2 0 无需其它外围器件辕勃，就稚实现诸多功能。增益、偏嚣和c m r 无需调节。 x 下r 1 0 5 和r e w 2 0 的接口如图3 1 4 所示。 鞠 1 4 1 1 r l o s 耨r c v 4 2 0 羽接口 当铂电阻和x t r l 0 5 的距离较远时，x t r l 0 5 和铂电阻的连线为三线方式， 本模块采用这种方式。 设温度测量范围为k 。k 。，则匙为r - t d 在，。时的电阻值，从而得到避、 琏、恐的僮： 是2 隶端 ， 2 ( 2 。一k 一恁) 一7 遗2 辩 ， 。 2 ( 2 墨。一如。一定) “7 气= 迅掣 ( 3 3 ) 式中：，。一r 1 d 在( f m 。+ 0 。) 2 时的电阻值； 塑坚查兰堡主堂垒鎏苎 墨三兰堡茎苎堡堡壁! i 生 k r t d 在f 。时的电阻值； 晚。= 1 k n ( 内部) 。 铂电阻在。、( 。+ 名。) 2 、0 。辩的阻篷瑶实际溺鲎，也可根据经验公 式计算。为了提高测量的精度，r 及心威采用精度至少为1 的电阻。 当电路中参数确定之后，a d 转换后的电压值和相应的温度值对应，通过一 定的计算和转换可得实际温度。 3 4l c d 模块 液晶显示模块是由控制器，行、列驱动器，显示存储器和液晶显示屏等器件 通过p c b 缀装或一体的低成本输瞧设餐。它具有鬣工作电压，微功耗，信患最 大，寿命长等特点，因此，在科研生产与产品设计等领域正发挥着越来越重要的 作用。液晶显示模块的核心部件是l c d 控制器。它蹙编程接口芯片，既是与 微控制器( m c u ) 的接阴，又能连接行、列驱动器。用户对l c d 控制器的编程 就是对液晶显示模块的撩作控铡。在中规模图形液晶显示器中，肉置稻9 6 3 c 控 制器的液晶显示模块是目前较为常用的内慧控制器烈液晶显示器模块。 嚣示电路黻a 髓9 s 5 2 为核心，液晶显豕模块采用m g l s 2 4 0 1 2 8 t 。 3 4 1m g l s 2 4 m 2 8 t 的介绍 d b 7 d b o l 强等吲啪删 ，w r t 1 i8 0 12 4 茁磁笛t s ，r d t 6 a 4 0 h “4 “一。c e c _ b 7 卜封酋卜黄 t 6 9 6 3 c l 差r 垩厂 兰 d 7 一d o 支一 a d l 4 - a d o 6 2 6 4 e e “w一 罄3 - 1 5m g l s 2 4 8 垃s 芏模块结梅瞬 浙江大学硕士学位论文 第三章保护横块硬件设计 表3 2m g l s 2 4 0 1 2 s t 弓l 脚功能 m o l s 2 4 0 1 2 疑模块瓣熬俸结构框图如强3 1 s 所承，引脚功能如表3 。2 所示。 它主要由以下几个单元电路组成【1 7 1 8 l ： 控制电路。主要由控制器t 6 9 6 3 c 组成，可提供与外部c p u 的数据接口 迤接及对显示存镛器的读写操作；并可控制行、歹 j 驱动器电路的酵痔电路，数据 格式和恩示格式等。 行驱动器。由2 片行驱动器t 6 a 4 0 组成，把控制器的串行数据转换成l c d 羼j 舞需的并行行数据。 列驱动器。由3 片列驱动器t 6 a 3 9 组成，接收控制器的串弦数据劳将其 转换成l c d 屏所需的并行列数据。 摄示存储器。由i 块8 k 豹r a m 组成，为模块提供显示数据的存储空间。 液晶显示羼( l c d ) 。提供1 2 8 2 4 0 的点阵显示屏幕。 l c d 控制器t 6 9 6 3 c 不仅具备一般液晶显示器件所具备的特点，而且还具备 以下特点： t 6 9 6 3 c 具各独特的硬件初始设计功能。初始化在上电时裁已基本设置完 成，软件的操作主要是显示画面的设计。 瓢9 6 3 c 兵有独特的群读和屏拷贝指令，使h 诬u 能够直接获得显示屏上 的数据，将其拷贝到图形显示区供m p u 处理。 稻9 6 3 c 具有位搽作指令，可戳对巍翦显示魄址指锋所指显示荦元中的数 据的任意一位清“o ”或霞“l ”。 t 6 9 6 3 c 不仅具备基本鳇文本显示和图形显示功能，还具备文本藩性显示 功能。 单片杌鼹显示存健器豹访闻蜜覆上都是透过操作t 6 9 6 3 c 控翩嚣进行的，通 常分2 步进行：送地址指针，读写显示数据( c 仍= ”o ”) ：遴地址指针， 送操作指令( c 他= ”l ”) 。 由于液晶显示模块是一种慢速器件，一次读写操作的时间达毫秒级，跟不上 m c u 豹访问速度，因此，在写命令或读写数据之前应先检蠢本次操作能否迸彳亍， 即先判断t 6 9 6 3 c 片内个8 位的状态寄存器相应位是否准备好，只有液晶显示 模块猴螯好，才可以进行新静操作。 3 4 2a t 8 9 s s 2 和m g l s 2 柏1 2 8 t 的接墨 鬻3 1 6 l c d 模块电路匿 a t 8 9 s 5 2 和m g l s 2 4 0 1 2 8 t 的接口电路如图3 - 1 6 所示。a t 8 9 s 5 2 的操作时序 为融e 1 8 0 8 0 时序，所以弼9 6 3 c 接目部分选用适配孙绝壤0 8 0 畦序熬接口电路。 新江丈学颈士学位论文第三章保护模块硬件设计 液晶显示模块控制器t 6 9 6 3 e 的读写控制信号r d ，w d 分别由a t 8 9 s 5 2 的 外部r o m 读写控制信号r d w d 控制。t 6 9 6 3 c 的数据总线d b o ，d b 7 与 a 髓9 s 5 2 的数据总线低8 健p o 日相连。c e 楚片选信号，输入低电平时选中 1 1 6 9 6 3 c 。c 仍是寄存器选择信号，辏入低宅平表示本次读褥豹是数据；输入高 电平表示本次写的是命令，读的是t 6 9 6 3 c 的状态。 对豳：度调节毫压、b 由电位器的中心端提供，可以调节液晶显示的对比度。 3 5 开关电源的设计 出于整个模块羯到的器传比较多，所以需要提供的电源较多。零模块了设计 了l o 路输出的开关电源，包括用于模拟电路的8 路输出和用于数字电路的2 路 输出。 模拟部分的8 路输出为： + 2 4 v ：继电器工作电源： + 1 5 v 、1 5 v ：运放帮r c v 4 2 0 工作电源； + 1 2 v 、1 2 v ：继电器和模拟器件工佟电源： r e f 5 v 、r e f 一5 v ：m x 1 2 5 工作电源； v c c ( + 5 v ) ：部分芯片工终电源。 数字部分的2 路输出为： v d d ( + 5 v ) 、5 v ：数字芯片工作电源。 3 5 1 控制芯片u c 3 8 4 2 整个开关电源的控制芯片是u c 3 8 4 2 。 u c 3 8 4 2 是离性能固定频率电流模式控制器专为惠线和壹流至壹滚变羧器应 用砸设计，为设计人员提供只需最少外部元件藏能获褥成本效益离的解决方案。 这些集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、 嵩效益误差放大器、电漉袋榉比较器和大电流霞腾拣式输出，是驱动功率 m o s f e t 的理想器件1 1 9 l 。 其仇的保护特性包括输入和参考欠压锁定，备有滞后、邋周电流限制、可编 浙江大学颧士学位论文 第三章保护模瑰硬件设计 稔输出静区对润和单个融i 申铡量锁存。 u c 3 8 4 2 卷1 6 v ( 逶) 帮1 0 v ( 断) 低送镇定门戮，为离线交换器罐供了菲 常好的选择。 u c 3 8 4 2 的主要特性为： 微调豹强荡嚣放电毫流，酉精确控稍占空比； 电流模式工作到5 0 0 砌舷： 自动前馈补偿； 镶存赫宽调制，可逐周疆漉； 内部微调的参考电压，带欠压锁定； 大电流强耩柱输出； 欠压锬定，带滞后； 低启动和工作电流。 3 - s 2 变压器的设计 变压器尺寸选择梁满足在工作频率下，温升在允许范围内，输出额定功率的 要求。零模块开关频率选为8 m 激z ，功率输融2 0 w 左右。 设计交压器是瀵跫在最夺电压下糍提供额定豹输警功率，并在最大输入电压 下、最大的占空比的怨劣情况下保证变压器不至于饱和。 依据经验公式，源边匿数为【2 。l ； m = 畿 ( 3 4 ) 式中，k 为原边线戮嗽压，因为入端电压先经过桥式整流，所以原边线圈媛低壹 流输入电压为： i 蚴o 压x 蒜确o y ( 3 5 ) k 为导透时间( 舻) ，嘏路中u c 3 8 鸵工作频率z 为8 0 i 疆z ，正作