SLG46620 GreenPAK IC可用于保护三相发电机。在本应用说明中，我们将解释如何设计三相发电机的差动保护。该设计将有助于保护发电机免受内部故障的影响，即匝间故障、单相接地故障、双线接地故障、三相故障等。将监控三相发电机接地侧和线路侧的六个模拟输出。根据这些电流识别三相发电机边界（线侧和地侧电流互感器）之间的故障。

问题陈述

由于发电机在电力系统中的重要性，对其进行适当的保护是必要的。在典型的电力系统中，三相发电机是电能的来源。不同的保护装置被设计来保护发电机免受这些故障。如果保护不当，可能会造成巨大的经济损失，因为它是电力系统中最昂贵的单元之一。其他保护发电机的电路也可用，但GreenPAK的设计将为这个问题提供一个更便宜、更可靠的解决方案。

发电机的背景

发电机是一种将机械能转换为电能用于外部电路的装置。机械能的来源包括蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机、内燃机，甚至手摇曲柄。每台发电机产生3.3 kV至33 kV的电压。发电机不会产生低于3.3 kV的电压，因为成比例的电流增加要求导体具有非常大的直径来处理该电流。此外，由于绝缘强度要求的增加，它们不能产生高于33 kV的电压。原因是，当电压水平增加时，绝缘强度也需要增加。在电力系统中确定每个发电机的位置后，连接一个升压变压器，以将电压等级提高至120、220、500 kV，用于输电。在高压下进行功率传输的原因是，在高压下损耗会减少。为了保持功率恒定，在高压下电流减小，因此传输线损耗减小。为了计算任何传输线中的功率损耗，使用以下数学公式。

在那里,

P铜功率损耗

我输电线路中的电流

R输电线路的电阻

对于本应用说明中使用的特殊发电机，实际电压最低为3.3KV，最高为33KV。一共有6组电流互感器，其中3组电流互感器接在发电机的线侧，另外3组电流互感器接在发电机的地侧。每个阶段有两个ct。不用说，安装在各相上的所有电流互感器的特性都必须匹配。如果有任何重大不匹配双方的发电机电流互感器的特点,可能会有一个高的机会差动继电器的故障时定子绕组故障的外部,也可能在正常的操作条件生成器。使用专用的电流互感器进行差动保护总是可取的，因为普通的电流互感器可能对施加在其上的其他功能造成不相等的二次负载。对于具有相同特性的发电机(或交流发电机)，最好使用所有的电流互感器进行差动保护。然而，在实际应用中，安装在线路侧的电流互感器与安装在发电机中性侧的电流互感器的特性可能存在一定的差异。这些不匹配导致溢出电流流过继电器操作线圈。为了避免溢漏电流的影响，在差动继电器中引入了百分比偏置。

继电器的差动电流拾取整定/偏置整定是基于允许错配的最大百分比，加上一些安全裕度。对继电器来说，泄漏电流水平只是操作它;是经历的百分比，通过故障电流造成它。这个百分比定义为继电器的偏置。

发电机保护如图1所示。它有6个ct, 3个接在地侧，3个接在发电机的线侧。从ct得到的电流通过电阻平衡后，作为差动继电器的输入。目前的平衡是为了避免双方的电流不匹配。继电器内部有不同的元件，每一个元件用于检测不同的故障，即相故障检测元件、接地故障检测元件等。

图1所示。三相发电机保护原理图

在三相系统中，每个连接都是星型(Y)连接或Delta连接。三相电力系统中的发电机、变压器和负载连接如图2所示。生成器区域边界也如图2所示。

图2。电力系统中发电机的三相连接

图3显示了使用GreenPAK IC的发电机保护框图。

流程图

图3。方块图表示

有六个电流互感器连接在线路和接地侧。由于我们正在考虑三相发电，每相有两个专用CT连接。A阶段有CT1和CT4，B阶段有CT2和CT5，C阶段有CT3和CT6。我们考虑了额定输出电流为1A的CT。在此过程中会出现某些实际失配，即CT负载等级失配、CT精度等级失配、CT电流变换失配、用于将电流从CT传输到继电器的电缆长度等。由于这些失配，使用了0.2A的裕度。因此，已检查每个CT的输出是否大于1.2A。每相无故障时，CT输出小于1.2A。因此，如果电流大于1.2A，则发电机边界之间存在故障。

检查每个CT的输出是否大于1.2A后，对每一相使用or逻辑门。如果一个特定的OR逻辑门的输出逻辑是高的，那么它意味着在那个阶段有一个故障，反之亦然。之后，从三个阶段的输出被送到另一个逻辑或门。它做出最后的决定。如果它的输出逻辑高，那么一个跳闸信号被发送到线侧和地侧，反之亦然。最后的逻辑门输出发送到HL-52S继电器模块和压电蜂鸣器。继电器模块用于从地面和线路两侧打开发电机的触点，以将其与电力系统隔离。HL-52S继电器模块允许发电机留在系统中，以便在正常条件下为负载运行提供电压。该算法的详细流程图如图4所示。

图4。发电机保护流程图

该算法在发电机保护方案中进行了重复。

顶层示意图如图5所示。

图5。顶层原理图

描述

电流互感器

电流互感器是一种用来测量交流电流的互感器。它产生的交流电(AC)在它的二次，是成比例的交流电流在它的一次。电流互感器与电压互感器(VTs)或电压互感器(PTs)一起，都是为测量而设计的，称为互感器。

互感器的主要任务是:

将电流从通常较高的值转换为继电器和仪器易于处理的值。
将计量电路与主高压系统隔离。
提供将仪器和继电器标准化到少数额定电流和电压的可能性。

当要测量的电流过高而无法测量时，可以使用电流互感器在其次级电路中提供与初级电路中的电流成比例的隔离低电流。感应二次电流适用于测量仪器或电子设备中的处理。电流互感器对一次电路的影响很小。CT由于其极低的输入电阻而与传输线串联。

电流互感器是电力系统的电流传感单元。电流互感器的输出用于电子设备，在电力工业中广泛用于计量和保护继电器。

图6。电流互感器

大多数电流互感器的标准二次额定值为5或1安培，一次电流和二次电流分别表示为100/5或100/1。这意味着在100/5电流互感器的情况下，一次电流比二次电流大20倍，因此当一次导线中有100安培电流时，二次绕组中将有5安培电流流过。

通过增加二次绕组(N2)的数量，可以使二次电流比被测一次电路中的电流小得多，因为随着N2的增加，I2会按比例减小。换句话说，匝数和一次绕组和二次绕组中的电流成反比。

电流互感器和其他变压器一样，必须满足匝数方程，匝数比等于:

我们从中得到：

在那里,

N_p主绕组的匝数

N_年代=二次绕组中的匝数

我_p初级绕组中的电流

我_年代次级绕组中的电流

当前的比率将设置匝数比，由于primary通常由1或2个匝数组成，而secondary可能有几百个匝数，primary和secondary之间的比率可能相当大。例如，假设一次绕组的额定电流为100A。二级绕组标准额定值为5A。一次电流与二次电流之比为100a - 5a，即20:1。换句话说，一次电流比二次电流大20倍。

HL-52S继电器模块

HL-52S继电器模块允许对较大负载和设备（如交流或直流电机、电磁铁、电磁阀和白炽灯泡）进行广泛的控制。继电器屏蔽采用一个QIANJI JQC-3F优质继电器，额定负载为10A/250V AC、10A/125V AC、10A/28V DC、10A/30V DC。继电器输出状态由发光二极管单独指示。

模块的功能如下所示。

控制信号：TTL电平
额定负载:10A/250V AC、10A/125V AC、10A/28V DC、10A/30V DC
接触动作时间:10ms/5ms
COM -普通引脚
INT 1-4:继电器1-4控制端口
NC—常闭，当INT1设置为低时NC与COM连接，当INT1设置为高时NC断开
NO—常开，当INT1设置为低时，NO与COM1断开，当INT1设置为高时，NO与COM1断开

我们将使用hl - 52s2通道中继模块。高压输出连接器有3个引脚，中间的是普通引脚，从标记上可以看出，另外两个引脚中的一个是常开连接，另一个是常闭连接。继电器模块如图7所示。其输出触点常开。当在IN1或IN2上施加逻辑高压时，它们就会关闭。

图7。HL-52S继电器模块

在模块的另一边，我们有两组引脚。第一个有4个引脚:接地，用于模块供电的VCC引脚，以及2个输入引脚In1和In2。第二组引脚有3个引脚，在JDVcc和Vcc引脚之间有一个跳线。

GreenPAK设计

在GreenPAK软件中，采用SLG46621V GreenPAK芯片设计三相发电机保护算法。通过电流互感器从发电机的线侧和地侧取了6个输入。GreenPAK设计的框图表示如图8所示。

图8。GreenPAK设计框图

在GreenPAK设计的矩阵0中，对于phase A，我们已经处理了CT1和CT4的输出，以检查每个情况下的电流是否大于1.2A。如果它大于1.2A，则将高逻辑层发送到查找表，否则将发送低逻辑层到查找表。查找表是一个OR门。此外，OR门的输出被发送到输出引脚P1。在矩阵1中，对B相(CT2和CT5)和C相(CT3和CT6)应用了相同的程序。从每个阶段的结果然后馈送到一个三输入或门。该OR门的输出然后连接到HL-52S继电器模块，后者连接到发电机的接地和线侧。当在其数字输入端施加低逻辑时，继电器模块的触点保持开路，但当在其输入端施加高逻辑时，其输出端关闭。因此，当在IN1(闭合电路)施加逻辑高时，发电机向负载供电，当在IN1施加逻辑低时，发电机从电源系统中取出(开路)。每个继电器模块和OR门输出之间的逆变器被用来实现这个逻辑。 The HL-52S module opens its contacts during fault conditions. The OR gate output is also connected to the piezoelectric buzzer for the indication of alarm during fault conditions. The GreenPAK design schematic is shown in figures 9, 10.

图9。发电机保护(矩阵0)

图10。发电机保护(矩阵1)

在三相发电机的保护中，有三种不同的情况，下面进行讨论。

情况一:无故障

图11和12表示无故障情况。

案例2:外部故障

当外部故障，线外和接地侧CTs被添加时，3相电流和电压波形如图13、14、15和16所示。可以看出，发电机保护对外部故障不敏感，即不向断路器提供任何跳闸信号。

案例3:内部故障

当在接地和线路侧CTs之间增加一个内部故障时，3相电流和电压波形如图17、18、19和20所示。当发生内部故障时，电流差大于0.2，继电器通电。发电机已从电力系统中取出。因此，在这种情况下，电压和电流波形为零。

图11。接地端无故障三相电压	图12。线路侧三相无故障电压
图13。外部故障接地侧三相电压	图14。外部故障接地侧三相电流
图15。外部故障的线路侧三相电压	图16。线路侧三相电流外部故障
图17。内部故障接地侧三相电压	图18。内部故障接地侧三相电流
图19所示。线路侧三相电压内部故障	图20。线路侧三相电流内部故障

结论

在本应用说明书中，我们设计了以GreenPAK SLG46621V为主要控制元件的三相发电机保护方案。设计的算法足够智能，可以在故障条件下检测和隔离发电机与电力系统。它允许发电机在没有故障时留在电力系统中。通过增加备份保护方案，可以进一步改进设计。发电机的后备保护包括过流保护、低正向功率保护、反向功率保护和极滑保护。

AN-1198发电机差动保护，使用GreenPAK™

参考文献

介绍