该SLG46620 GreenPAK IC可用于三相发电机的保护。在这篇应用笔记中，我们将解释如何设计三相发电机的差动保护。这种设计将有助于保护发电机内部故障，即匝间故障、单相接地故障、双线接地故障、三相故障等。对三相发电机的地侧和线侧的六个模拟输出进行监控。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

由于其在电能系统的电力系统中的重要性，有必要正确保护发电机。3相波发电机是典型电力系统中的电能源。不同的保护装置旨在保护发电机免受这些故障。如果没有正确保护，可能会出现巨大的财务损失，因为它是电力系统中最昂贵的单位之一。可提供保护发电机的其他电路，但GreenPak设计将为此问题提供更便宜且更可靠的解决方案。

发电机背景

发电机是一种将机械能转换成电能以供外部电路使用的装置。机械能的来源包括汽轮机，燃气轮机，水轮机，内燃机，甚至手曲柄。每个发电机产生的电压从3.3 kV到33 kV。发电机不会产生3.3 kV以下的电压，因为按比例增加的电流要求导体有非常大的直径来处理电流。此外，由于绝缘强度要求的增加，它们不能产生33kv以上的电压。原因是当电压等级增加时，则绝缘强度也要求增加。在电力系统中每个发电机组就位后，附加一个升压变压器，将电压水平提高到120、220、500千伏，以供输送。高压输电的原因是在高压下损耗减小。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。为了计算任何输电线路的功率损耗，使用下列数学公式。

在哪里，

P.=铜功率损耗

一世=传输线中的电流

R.=传输线的电阻

对于本应用笔记中使用的特定发电机，电压的最低实际值为3.3kV，最高电压为33kV。有六组电流互感器（CT），三个CT连接到发电机的线侧，其他三个连接到发电机的地面。每个阶段都有两个CTS。不用说，必须匹配安装针对每个阶段的所有电流变压器的特性。一世f there is any major mismatch in the current transformer’s characteristics of both sides of the generator, there may be a high chance of malfunctioning of the differential relay during a fault external to the stator winding, and also may be during normal operating conditions of the generator. It is always preferable to use dedicated current transformers for differential protection purpose because common current transformers may cause unequal secondary loading for other functionalities imposed on them. It is also always preferable to use all current transformers for differential protection of generators (or alternators) having same characteristics. However, practically there may be some difference in characteristics of the current transformers installed at line side to those installed on the neutral side of the generator. These mismatches cause spill current to flow through the relay operating coil. To avoid the effect of spill current, percentage biasing is introduced in the differential relay.

继电器的差分电流拾取设定/偏置设置基于允许的允许不匹配的最大百分比添加一些安全裕度。继电器的溢出电流水平是刚刚操作它;经验丰富的通过导致它的故障电流的百分比。此百分比定义为继电器的偏置设置。

发电机保护如图1所示。它具有6个CTS，3连接在接地侧，另一个3连接在发电机的线侧。已经采取了CTS的电流，并在通过电阻器平衡它之后，它被用作差动继电器的输入。已经完成了当前的平衡以避免在两侧的电流中不匹配。继电器内部有不同的组件，每个组件用于检测不同的故障，即相位故障检测分量，接地故障检测组件等。

图1. 3相波发电机保护原理图

在3阶段系统中，每个连接都是在星（y）连接或Δ连接中。3相电源系统中的发电机，变压器和负载连接如图2所示。发电机区边界也如图2所示。

图2.电力系统发电机的3相连接

使用GreenPAK IC的发电机保护的框图表示如图3所示。

流程图

图3.框图表示表示

有六个电流互感器连接在线路和接地侧。由于我们考虑的是三相发电，所以每一阶段都有两个专用的ct连接。A期有CT1和CT4, B期有CT2和CT5, C期有CT3和CT6。我们考虑了额定1A输出电流的ct。在此过程中会出现一些实际的失配，如CT负荷级失配、CT精度级失配、CT电流转换失配、将电流从CT传输到继电器的电缆长度等。由于这些不匹配，使用了0.2A的裕度。因此，检查每个CT的输出是否大于1.2A。在各相无故障时，CT输出小于1.2A。因此，如果电流大于1.2A，则在发电机边界之间存在故障。

在检查每个CT的输出是否大于1.2a之后，使用三相中的每一个的每个或逻辑门。如果特定或逻辑门的输出逻辑高，则表示该阶段存在故障，反之亦然。之后，已经将三个阶段的输出发送到另一个逻辑或门。它做出了最终决定。如果其输出为逻辑高，则跳闸信号被发送到线侧和地面，反之亦然。最终逻辑门输出被发送到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保留在系统中，以便在正常情况下提供负载运行的电压。该算法的详细流程图如图4所示。

图4。发电机保护流程图

在发电机保护方案中再次重复该算法。

顶级原理图如图5所示。

图5.顶级原理图

描述

电流互感器

电流互感器是一种用于测量AC电流的变压器。它在其次级中产生交流电流（AC），其与其主要的AC电流成比例。电流互感器与电压互感器（VTS）或势互感器（PTS）一起被设计用于测量，称为仪表变压器。

仪表变压器的主要任务是：

将通常高值的电流转换为容易处理继电器和仪器的值。
将计量电路与一次高压系统隔离。
提供标准化仪器和继电器到几个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电流成比例的隔离低电流。感生二次电流适用于测量仪器或电子设备的加工。电流互感器对一次电路的影响很小。由于输入电阻很低，电流互感器与传输线串联。

电流互感器是电力系统的电流检测单元。电流互感器的输出用于电子设备，广泛用于电力工业中的计量和保护继电器。

图6。电流互感器

大多数电流互感器的标准二次额定为5安培或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 CT的情况下，一次电流比二次电流大20倍，所以当100安培在一次导体中流动时，将导致5安培在二次绕组中流动。

通过增加次级绕组（N2）的数量，可以使次级电流小于所测量的主电路中的电流，因为当N2增加时，I2按比例量下降。换句话说，初级和次级绕组中的匝数和电流呈逆比例有关。

像任何其他变压器一样，电流变压器必须满足AMP匝式方程，并且该转弯比例等于：

从中我们得到:

在哪里，

N_P.=初级绕组中的匝数

N_S.次级绕组的匝数

一世_P.=初级绕组中的电流

一世_S.=次级绕组中的电流

当前比率将设定匝数比，因为初级通常由一两个转弯组成，而次级可以有几百个转弯，则初级和次级之间的比率可以相当大。例如，假设初级绕组的当前额定值为100A。二次绕组具有5A的标准等级。初级和二次电流之间的比率为100A至5A，或20：1。换句话说，初级电流比二次电流大20倍。

HL-52S继电器模块

HL-52S继电器模块允许广泛的控制更大的负载和设备，如交流或直流电机，电磁铁，螺线管，和白炽灯。继电器屏蔽采用千兆JQC-3F优质继电器1个，额定负载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。

下面给出了模块的特征。

控制信号:TTL电平
额定载荷：10A / 250V AC，10A / 125V AC，10A / 28V DC，10A / 30V DC
联系行动时间：10ms / 5ms
COM - 普通销
int 1-4：继电器1-4控制端口
NC - 常闭，在这种情况下，当INT1设置为低电平时，NC与COM连接，当INT1高时断开
NO - 通常打开，当INT1设置为低电平时，如果INT1为高电平，则在这种情况下不与COM1断开连接

我们将使用HL-52S 2通道继电器模块。高压输出连接器具有3个引脚，中间一个是公共引脚，当我们可以从标记中看到另外两个引脚中的一个是用于常开连接的标记，另一个引脚常用于常闭连接。继电器模块如图7所示。其输出触点通常是打开的。当在IN1或IN2应用逻辑高时，它们变得关闭。

图7。HL-52S继电器模块

在模块的另一边，我们有这两套引脚。第一个有4个引脚：一个接地，用于为模块供电的VCC引脚，以及2个输入引脚IN1和IN2。第二组销具有3个引脚，JDVCC和VCC引脚之间具有跳线。

GreenPak设计

SLG46621V GreenPak IC已用于在GreenPak软件中设计三相发电机保护算法。使用电流互感器从发电机的线侧和地面采取了六个输入。GreenPak设计的框图表示如图8所示。

图8. GreenPak设计的框图

在GreenPak设计的矩阵0中，对于A相，已经处理了CT1和CT4的输出以检查每种情况下的电流是否大于1.2A。如果它大于1.2A，那么向查找表发送高逻辑电平，否则将低于查找表。查找表是或门。此外，然后将OR门的输出发送到输出引脚P1。在基质1中，对相B（CT2和CT5）和相C（CT3和CT6）施加相同的程序。然后将每个阶段的结果馈送到三个输入或门。然后，该输出或门的输出连接到连接到发电机的接地和线侧的HL-52S中继模块。当在其数字输入处应用低逻辑时，继电器模块触点保持打开，但是当逻辑高施加到其输入端子时，其输出端子关闭。因此，当在IN1（闭合电路）施加逻辑高时，发电机向负载供电，并且当在IN1施加逻辑低时，它被从电力系统（开路）中取出。每个继电器模块和栅极输出之间的逆变器已用于实现此逻辑。 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）

在保护3相电力发生器方面出现了三种不同的情况，并在下面讨论。

案例1号：没有故障

图11和12表示无故障情况。

案例第2号：外部故障

当添加外部故障超出线和接地侧CTS时，3相电流和电压波形如图13,14,15和16所示。可以观察到发电机保护对外部故障不敏感i.e. it does not provide any trip signal to the circuit breaker.

案例3号：内部故障

当添加接地和线路侧CTS之间的内部故障时，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.接地侧无故障的三相电压	图12.没有故障的线侧三相电压
图13.外部故障的地面三相电压	图14.外部故障的地面三相电流
图15。外部故障的线侧三相电压	图16.外部故障的线侧三相电流
图17.内部故障的地面三相电压	图18.接地侧三相电流用于内部故障
图19.内部故障的三个相电压	图20.线侧三相电流用于内部故障

结论

在本应用笔记中，我们设计了使用GreenPak SLG46621V作为主控制元件的三相电力发生器保护方案。设计的算法足够智能，可以在故障条件下从电力系统中检测和隔离发电机。当没有故障时，它允许发电机保留在电力系统中。通过添加备份保护方案，可以进一步提高设计。发电机的备用保护可包括过电流继电器，低前部电源保护，逆电源保护和极滑动保护。

AN-1198通过使用GreenPak™通过差动继电器的发电机保护

参考文献

介绍