PA系列微机成套发电机保护装置.docx

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PA系列微机成套发电机保护装置

PA系列微机成套发电机保护装置概述

1、PA系列微机成套发电机保护装置适用范围

PA系列微机成套发电机保护装置主要适用于单机容量300MW以下的各型汽轮发电机组和水轮发电机组，同时也可适用于大型同步电动机组保护。

成套保护装置内集成了多种网络接口及通信规约，以满足厂站自动化的各种组网需要。

成套保护装置的输入输出信号可程序组合配置，以满足老厂站升级改造的各种需要。

2、PA系列微机成套发电机保护装置的组成及功能

PA系列微机成套发电机保护装置的主保护和后备保护完全独立设置，设计简洁，二次回路清晰，运行方便，安全可靠，满足《电力系统继电保护及安全自动装置反事故措施》的要求。

PA系列微机成套发电机保护装置分别由发电机主保护装置PA-3191A和发电机后备保护装置PA-3192A组成。

PA-3191A型发电机主保护装置的主要保护功能有：

（1）发电机纵联电流差动保护，主要保护发电机组内部相间短路；

（2）单元件灵敏电流横差（分支引出时），主要保护发电机组内部相间短路与匝间短路；

纵向零序电压保护（装设专用零序TV时），主要保护发电机组内部匝间短路；

（3）基波零序过电压保护，主要保护发电机组定子回路接地（95%）；

三次谐波零序电压保护，主要保护发电机组定子回路接地（100%）；

（4）乒乓切换式转子一点接地和转子两点接地保护，主要保护发电机组转子绝缘破环；

（5）两组非电量延时保护；

（6）TV断线及TA断线保护；

PA-3192A型发电机后备保护装置的主要功能有：

（1）两段定时限复合电压闭锁过电流保护（可带记忆），主要用作发电机内外部短路的后备保护；

（2）发电机失磁阻抗保护，主要保护发电机失磁及低励；

（3）发电机定/反时限过负荷保护，主要保护发电机对称过负荷；

（4）发电机定/反时限负序过负荷保护，主要保护发电机不对称运行或反相运行；

（5）发电机过电压保护，主要保护发电机定子回路绝缘；

（6）发电机低压解列保护，主要用于系统故障时机组解列；

（7）发电机高频切机保护，主要用于发电机高频切机；

（8）发电机低频解列保护，主要用于系统故障时机组解列；

（9）发电机逆功率保护，主要防止发电机变为电动机运行；

（10）零序过电流及零序过电压保护（带零序功率方向），主要用于不接地系统的绝缘监测或接地保护；

（11）两组非电量延时保护；

（12）TV断线及TA断线保护；

3、PA系列微机成套发电机保护装置的特色

（1）硬件特色：

采用一次成型压铸铝整机箱，电磁屏蔽性能好，前面板设有带防水密封压条的透明玻璃罩，防水防尘，防护等级高，适应电厂恶劣运行环境。

装置结构采用前插与后插相结合拔插模式，强电集中于后背板处，弱电集中于前面板处，再结合强弱电隔离措施，使强弱电从电气回路与空间结构上彻底分离。

装置的核心模件均为四层板设计，选DSP+CPU构架为硬件平台，采用SMT贴片加工工艺，所有插件的模入与开入开出均设有抗干扰措施。

装置所有的继电器输出均可通过输出逻辑矩阵进行程序自定义，使工程设计图纸典型，规范，简明，同时也有利于机组老保护设备的升级改造。

（2）软件特色：

每套装置均设独立的启动元件，针对不同的保护原理设置不同的启动元件，启动后才开放出口继电器正电源，正常情况下，装置中任一元件损坏不会引起保护装置误动作。

装置每周波的采样点数为24点，且在每个采样间隔内对所有主保护，后备保护进行实时计算，保证了保护继电器的可靠性，实时性。

每套装置均设综合自动化模拟调试功能，该模拟调试模块的设置使发电机组保护功能调试工作与自动化联调工作完全分开，避免了重复工作。

每套装置都有完备的故障录波功能，凡是接进保护装置的模拟量，开关量在发生故障时都进行记录，录波数据压缩存储，并可在装置面板液晶上就地显示，也可通过通信口就地装设打印机打印或远传。

装置原理简明实用，整定计算简单。

友好的人机界面，采用大屏幕汉化液晶显示器，实时显示发电机的各种状态量，全面监视发电机保护装置的运行情况。

4、PA系列微机成套发电机保护装置的通信接口

PA系列微机成套发电机保护装置标配有RS485的标准通信接口和CAN标准通信接口（可选配为光纤接口或以太网接口），两路独立的通信接口规约都采用LFP规约及电力行业标准DL/T667-1999（IEC-60870-5-103）规约，其常用通信介质为屏蔽双绞线。

这两路通信接口的信息完全独立，且信息完整。

●双绞线参数：

建议装置使用的双绞线型号为：

美国BELDEN公司的1419A屏蔽双绞线。

推荐传输距离小于1200米。

●光纤参数：

光纤联接器：

ST

光纤方式：

多模（50/125um，62.5/125um）

光纤工作波长:

0.85um

推荐传输距离小于2000米

PA系列微机成套发电机保护装置均配有就地打印机接口，所有保护信息都可以就地打印。

5、PA系列分散式保护测控装置的对时方式

PA系列分散式保护测控装置的对时有两种方式，一种为通过通信软件进行对时，对时精度为5ms左右。

另一种为通过接收GPS硬件对时脉冲方式进行对时，对时精度为1ms，所有装置公用一个对时总线，以差分信号输入，对时总线介质用屏蔽双绞线，可用通信电缆中剩余的一对双绞线。

上述两种对时方式可综合使用。

6、PA系列微机成套发电机保护装置的技术参数

6.1机械及环境参数

机箱结构尺寸:

见附图

环境温度：

正常工作温度:

-10～50℃

贮存及运输:

-25～70℃

6.2额定电气参数

6.2.1交流部分电气参数：

频率:

50Hz

交流电压:

57.7V/100V

交流电流:

1A，5A

过载能力:

2倍额定电流，连续工作，40倍额定电流，允许1S

功耗：

交流电流:

<1VA/相（In=5A），<0.5VA/相（In=1A）

交流电压:

<0.5VA/相

6.2.2直流部分电气参数：

直流电源:

220V，110V允许偏差:

+15%，-20%

转子电压:

≤150V（标配），如转子电压大于150V请订货时说明。

直流电源功耗:

正常<25W，跳闸<40W

6.2.3开关量输入部分电气参数:

机组保护装置的信号开入为强电负开入（-220V或-110V），提高了抗干扰能力，原理接线见图一。

图一：

开关量输入原理接线图

1）：

公共端采用220V+或110V+后经稳压管送入光耦正端，消除了直流系统（+）端噪声对开入的影响。

2）：

光耦负端通过稳压管接入开入空接点，减少直流系统端噪声对开入的影响。

3）：

综合1）、2）后我们取消了常规遥信回路的滤波电容，提高信号响应速度，保证了遥信分合率。

6.2.3继电器跳闸输出部分电气参数：

出口接点：

导通电流不小于5A（+220V），不断弧

6.3主要技术指标

6.3.1发电机差动保护

比率差动起动定值:

0.05Ie～1.2Ie（Ie为额定电流）

差动速断定值:

3Ie～10Ie（Ie为额定电流）

比率制动系数:

0.05～0.70

比率差动动作时间:

≤25ms（2倍定值）

差动速断动作时间:

≤20ms（1.5倍整定值）

比率差动定值误差:

±5%

差动速断定值误差:

±2.5%

6.3.2发电机高灵敏横差电流保护

横差保护电流定值:

0.1A～50A

横差保护动作时间:

≤35ms（1.5倍定值）

横差电流定值误差:

±2.5%

6.3.3发电机定子接地保护

零序电压定值:

2V～30V

三次谐波电压差动系数:

0.1～1

延时定值:

0.1～10S

零序电压定值误差:

±2.5%

三次谐波电压差动系数误差:

±5%

延时定值误差:

±1%定值±40ms

6.3.4发电机转子接地保护

一点接地电阻定值:

0.1～100KΩ

延时定值:

0.1～10S

转子接地电阻测量误差±10%或±0.5KΩ

延时定值误差:

±1%定值+1s

6.3.5发电机定子过负荷保护

定时限电流定值:

0.1～100A

定时限延时定值:

0.1～10S

反时限起动电流定值:

0.1A～10A

定时限电流定值误差:

±2.5%

反时限电流定值误差:

±2.5%

定时限延时定值误差:

±1%定值±40ms

6.3.6发电机负序过负荷保护

定时限负序电流定值:

0.1～100A

定时限延时定值:

0.1～10S

反时限起动负序电流定值:

0.1A～10A

定时限负序电流定值误差:

±2.5%

反时限负序电流定值误差:

±2.5%

定时限延时定值误差:

±1%定值±40ms

6.3.7发电机失磁保护

阻抗定值:

0.1～10

转子低电压定值:

5～200V

系统或母线低电压定值:

50～100V

Ⅰ、Ⅱ段延时定值:

0.1～10S

阻抗定值误差:

±2.5%

转子电压定值误差:

±5%

系统或母线电压定值误差:

±2.5%

延时定值误差:

±1%定值±40ms

6.3.8发电机电压保护

过电压定值:

100V～170V

低电压定值:

10V～100V

延时定值:

0.1～10S

电压定值误差:

±2.5%

延时定值误差:

±1%定值±40ms

6.3.9发电机功率保护

逆功率定值:

0.5%～10%Pn

逆功率保护延时定值:

0.1～100S

逆功率定值误差:

±5%

延时定值误差:

±1%定值±40ms

6.3.10发电机频率保护

低频定值:

45～50Hz

过频定值:

50～55Hz

频率保护延时:

0.1～100S

频率定值误差:

±0.02Hz

延时定值误差:

±1%定值±40ms

6.3.11复合电压过电流保护

负序电压定值:

1V～20V

低电压定值:

10V～100V

电流定值:

0.1A～100A

延时定值:

0.1～10S

电压定值误差:

±2.5%

电流定值误差:

±2.5%

延时定值误差:

±1%定值±40ms

6.3.12非电量保护

非电量1延时定值:

0～600.0S

延时定值误差:

±1%定值±40ms

非电量2延时定值:

0～100.0分

延时定值误差:

±1%定值±40ms

7、PA系列微机成套发电机保护装置适用的主要技术标准

GB14285—93《继电保护和安全自动装置技术规程》

DL/T671—1999《微机发电机变压器组保护装置通用技术条件》

DL/T744—2001《微机电动机保护装置通用技术条件》

DL/T667—1999《继电保护设备信息接口配套标准》

GB7261—2000（IEC255）《继电器及继电保护装置基本试验方法》

GB4856（IEC255）《电气继电器的绝缘试验》

GB/T14598.10—1996《快速瞬变干扰试验》

GB/T14598.13—1998《1MHz脉冲群干扰试验》

8．PA系列微机成套发电机保护装置的结构与安装

8.1PA系列保护测控装置面板和背板布置见附图。

8.2PA系列保护测控装置的结构与安装尺寸见附图。

PA-3191A发电机主保护装置

1.PA-3191A发电机主保护装置的保护功能基本配置：

PA-3191A型发电机主保护装置的主要保护功能有：

（1）发电机纵联电流差动保护，主要保护发电机组内部相间短路；

（2）单元件灵敏电流横差（分支引出时），主要保护发电机组内部相间短路与匝间短路；

纵向零序电压保护（装设专用零序TV时），主要保护发电机组内部匝间短路；

（3）基波零序过电压保护，主要保护发电机组定子回路接地（95%）；

三次谐波零序过电压保护，主要保护发电机组定子回路接地（100%）；

（4）乒乓切换式转子一点接地和转子两点接地保护，主要保护发电机组转子绝缘破环；

（5）两组非电量延时保护；

（6）TV断线及TA断线保护；

装置具备完整的故障录波功能，所有保护信息及故障波形可在装置面板上就地显示或通过打印口就地打印，也可通过通信口远传。

波形录波格式采用标准格式。

2、PA-3191A发电机主保护装置硬件配置及原理逻辑框图见附图PA-3191A硬件配置及原理逻辑框图

3、PA-3191A发电机主保护装置的主要保护原理

3．1发电机差动速断及比率差动保护

1）差动速断保护实质上为反应差动电流的过电流继电器，用以保证发电机内部发生严重故障时快速动作跳闸，典型出口动作时间小于25ms。

2）比率差动保护的动作特性如图，能可靠躲过外部故障时的不平衡电流。

其中：

Id为动作电流，Ir为制动电流，Icdqd为差动电流起动值，Kbl为比率差

动制动系数，

Ie为发电机额定电流，图中阴影部分为保护动作区。

装置采用三折线比率差动原理，其动作方程如下：

Id>IcdqdIr≤0.5Ie

Id-Icdqd>Kbl*（Ir-0.5Ie）0.5Ie

Id-Icdqd-Kbl*2.5Ie>Ir-3IeIr>3Ie

其中：

Kbl为比率制动系数

Icdqd为差动电流起动定值

Id=｜i1+i2｜

Ir=0.5（｜I1｜+｜I2｜）

3）CT断线闭锁及差流报警

保护装置设有延时差流报警及瞬时CT断线闭锁或报警功能。

1差流报警判别在保护采样程序中进行，当任一相差动电流大于差流报警（Ibj）整定值且时间超过10秒时发出差流报警信号，但不闭锁比率差动保护。

这也兼起保护装置交流采样回路的自检功能。

2瞬时CT断线报警在测量程序中进行，满足下述任一条件不进行CT断线判别：

a）起动前某侧最大相电流小于0.2Ie；

b）起动后最大相电流大于1.2Ie；

c）起动后任一侧电流比起动前增加；

只有在比率差动元件动作后，才进入瞬时CT断线判别程序，这也防止瞬时CT断线的误动作。

某侧电流同时满足下列条件认为是CT断线：

只有一相电流为零，其它二相电流与起动前电流相等。

通过整定控制字选择，瞬时CT断线判别动作后只发报警信号或闭锁比率差动保护出口。

3.2发电机单元件灵敏电流横差保护

装设在发电机两个中性点连线上的发电机单元件灵敏电流横差保护，通常用作发电机内部定子绕组的匝间短路保护和开焊故障保护。

其动作方程如下：

Ioun>Iunzd

Iφmax<1.5Ie

其中：

Ioun为单元件灵敏横差电流，Iunzd为整定值，Iφmax为相电流最大值。

当最大相电流大于1.5倍发电机额定电流时闭锁单元件灵敏电流横差保护，提高了发电机单元件灵敏电流横差保护在发电机组外部短路时的可靠性。

I0un横差电流

动作特性：

动作区

Iunzd

0IΦmax

1.5倍相电流

3.3发电机转子一点接地及两点接地保护

发电机转子一点接地及两点接地保护反应发电机转子对大轴绝缘电阻的下降。

转子接地保护采用切换采样原理（乒乓式）来计算发电机转子大轴对地的绝缘电阻，工作电路原理如下图。

+U-

α

R1R1

Rg

RS1S2R

R2R2

转子接地检测原理图

由计算机控制分别切换图中S1、S2电子开关，得到相应的四个电压回路方程，通过求解这四个电压回路方程，可以得到转子接地电阻Rg，接地位置α。

转子一点接地设有两段动作值，一段灵敏段动作于报警，二段可动作于跳闸。

当检测出发电机转子发生一点接地后，装置持续监视接地位置α值的变化量Δα，当Δα大于6%时，两点接地保护动作出口。

3.4发电机定子接地保护

本装置采用零序过电压（或零序过电流）继电器作为95%范围的定子接地保护，根据机组的主接线和互感器的配置方案的不同作相应选择。

采用了三次谐波电压判据作为近中性点附近的接地保护，与零序过电压一起构成100%范围的定子接地保护。

由于发电机事实上不可能完全对称，所以存在三次谐波电势，如图3.4的（a）和（b），若发电机每相对地电容为Cg，发电机外接元件的每相对地电容为Ct，则三次谐波等效电路如图3.4（C）所示，发电机（包括外接元件）对地绝缘良好时，机端和中性点的三次谐波电压由该等效电路决定，当发生接地时，三次谐波电压发生变化，如图3.4（d）所示。

图3.4

装置采用了自适应跟踪原理的三次谐波电压判据，动作方程为：

|U3n—K3p·U3t|＞K3w|U3n|

式中：

U3t——机端三次谐波电压；

U3n——中性点三次谐波电压；

K3p——平衡系数，自动跟踪调整，取值范围为1~10；

K3w——制动系数

正常运行时，装置自动调整K3p的取值，使U3n—K3p·U3s≈0，当发电机中性点附近发生接地时，U3n变小，U3t增大，动作量|U3ns—K3p·U3s|增大，而制动量K3w|U3n|减小，判据条件符合，保护可靠动作。

当发电机负荷电流小于0.2A时三次谐波电压差动功能自动退出。

3.5发电机组非电量保护

发电机组的非电量保护主要用于发电机组非电量信号的延时跳闸，例如各型发电机组的热工事故，水工事故，励磁事故等。

装置内部共设两路延时回路。

3.6发电机组跳闸逻辑矩阵出口

本装置各保护动作以后具体通过那只出口继电器跳闸出口采用整定方式，即具体保护动作后跳何开关可以按需自由整定。

PA3191A共有四组出口跳闸继电器：

出口1（CK1）、出口2（CK2）、出口3（CK3）、出口4（CK4）。

跳闸矩阵如下：

位数

8

7

6

5

4

3

2

1

0

保护元件

跳闸出口

非电量2

非电量1

转子两点接地

转子一点接地二段

定子三次谐波电压差动

基波零压二段

电流横差

比率差动

差动速断

CK1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

CK2

0

0

0

0

0

0

0

0

0

CK3

0

0

0

0

0

1

0

0

0

CK4

0

0

0

0

0

0

0

0

0

其中：

行表示保护元件，列表示要动作的出口跳闸继电器。

整定方法：

如某保护元件希望通过某一出口继电器跳闸出口，则在保护元件与要动作的出口跳闸继电器的交叉空格处填1，其它空格填0，则可得到跳闸方式。

例如：

“灵敏电流横差保护”要动作于出口跳闸继电器1（CK1），则在“灵敏电流横差保护”所在列，CK1所在行的交叉处置1；否则，置0。

“基波零序电压二段跳闸”动作于出口跳闸继电器3（CK3），则在“基波零序电压二段跳闸”所在列，CK3所在行的交叉处置1；否则，置0。

如此，在CK1，CK2，CK3、CK4各行可得到8位二进制位串：

CK1＝000000100

CK2＝000000000

CK3＝000001000

CK4＝000000000

在保护定值菜单中的CK1，CK2，CK3、CK4各项输入以上二进制位串，即可完成跳闸方式的整定。

3.7发电机组报警信号出口

端子A01～A03为中央信号出口，当保护单元与监控单元独立配置时，需与监控单元的遥信输入相接口，用来反映保护装置的基本运行情况，分别为：

装置故障（包括直流消失），保护动作，装置告警。

当检测到装置本身硬件故障时，发出装置故障告警信号（BSJ继电器返回），闭锁整套保护。

硬件故障包括：

FLASHROM、RAM、定值出错和出口错误。

当瞬时CT断线闭锁比率差动保护控制字投入时，发生瞬时CT断线时发出装置故障告警信号（BSJ继电器返回），闭锁整套保护，只有硬复位（断电或强制复位）装置后保护才能重新投入。

当检测到下列故障时，发出运行异常信号（BJJ继电器动作）：

1）差流越限告警

2）转子一点接地一段动作

3）基波零序电压一段动作

4）三次谐波电压差动报警

5）非电量1报警

6）非电量2报警

装置动作信号为掉电自保持信号，装置可选择键盘复归，外部复归信号复归或遥控复归。

端子A20～A28为备用出口，用户根据需要自定义相应的动作信号出口功能。

4.PA-3191A装置背板端子及说明

4.1装置背板端子见附图PA-3191A背板端子

4．2PA-3191A背板端子说明

端子C01～C06为发电机机端保护电流输入。

端子C19～C24为发电机中性点保护电流输入。

端子C07～C08为发电机机端零序电压输入。

端子C09～C10为发电机中性点零序电压输入。

端子C011～C12为发电机灵敏横差保护电流输入。

端子C013～C14为发电机转子励磁电压输入。

端子C015～C16为发电机转子大轴。

端子A01～A03为中央信号，当保护单元与监控单元独立配置时，需与监控单元的遥信输入相接口，用来反映保护装置的基本运行情况，分别为：

保护动作，装置告警。

装置告警中包括装置故障及直流消失。

端子A04～A07为出口一的两组保护跳闸输出接点（CK1），用于跳发电机出口，其出口信号含义由逻辑矩阵定义。

端子A08～A11为出口二的两组保护跳闸输出接点（CK2）。

用于灭磁出口，其出口信号含义由逻辑矩阵定义。

端子A12～A15为出口三的两组保护跳闸输出接点（CK3）。

用于跳原动机出口，其出口信号含义由逻辑矩阵定义。

端子A16～A19为出口四的两组保护跳闸输出接点（CK4）。

用于紧急处理出口（减出力，切换备用励磁等），其出口信号含义由逻辑矩阵定义。

端子A20～A28为备用出口，其信号功能可根据合同灵活定义。

端子B01～B08为备用开入，可兼作遥信开入，产生变位遥信及SOE。

端子B09为定子三次谐波电压差动投入开入。

端子B10～B11为非电量开入节点（如发电机断水），可经延时跳闸，其公共端为B14，B14端子应外接220V（110V）信号电源的正端。

端子B12为闭锁差动保护开入端子。

端子B13为信号复归端子。

端子B17～B19为打印机接口。

端子B26～B27为保护用直流电源。

端子B20、B21为系统对时总线接口，差分输入，装置内部也可软件对时。

端子B22、B23为RS485串口。

端子B24、B25为CAN串口。

端子B28为装置地

端子B28、AC地应连接在一起，并与变电站地网联接。

5.PA-3191A装置定值表

序号

定值名称

定值符号

整定范围

整定步长

备注

1

发电机额定电流

Ie

1.5A～15A

0.01

2

差动电流起动值

Icdqd

0.3～1.5Ie

0.01

3

差动速断定值

Isdzd

3～14Ie

0.01

4

比率差动制动系数

Kbl

0.3～0.75

0.01

5

差流报警门槛值

Ibj

0.05～0.3Ie

0.01

6

灵敏电流横差定值

Iunzd

0.1～50A

0.01

7

定子接地基波零序电压一段（报警段）

U01

5～25V

0.01

8

定子接地基波零序电压二段（跳闸段）

U02

2～25V

0.01

9

三次谐波电压差动系数

K3w

0.1～1.0

0.01

10

转子一点接地定值一段（报警段）

RG1

1～80KΩ

0.01

11

转子一点接地定值二段（跳闸段）

RG2

1～80KΩ

0.01

12

定子接地基波一段延时