一种避免无功扰动冲击小型发电机的控制装置的制作方法

1.本发明涉及一种控制装置，具体涉及一种避免无功扰动冲击小型发电机的控制装置，属于电力系统保护及控制技术领域。


背景技术：

2.余热发电机组是钢铁公司内部各生产单元，利用收集各单元生产过程中产生的废弃能源发电的小型发电机组，这类机组容量小，所发电能通过高压电力电缆并入厂用高压配电系统并由厂内用电设备消耗。但在发电机正常运行时，经常因相邻系统的较大容量电动机的启动而造成发电机过电流，以致使发电机解列保护动作而跳机。经常性的过流保护动作，不仅加速发电机的绝缘老化从而减少其使用寿命，而且因废弃能源不能及时回收转换为电能，从而造成很大经济损失及环境污染问题。
3.发电机相邻系统的较大容量电动机启动时，电动机需要从系统吸收较大的无功功率，由此造成系统电压的降低，在发电机停运时，该无功功率来自外供电网，在发电机并网运行时，因发电机励磁调节器对系统电压的快速跟踪和调节能力，使得也要发电机提供分担相当部分的无功功率。由于余热发电机组的容量小，发电机抗无功扰动的能力就弱，解列保护整定值低，一旦外部有较大的无功扰动就必然造成发电机过电流跳闸。为避免上述过电流原因造成发电机保护动作跳机事故，现采取如下措施中的一种：1、较大容量电动机启动时，先将发电机解列，电动机启动完成后，发电机再并网。该措施虽能保证发电机的安全，但会造成很大经济损失及环境污染问题；2、较大容量电动机启动时，将发电机解列保护暂时停用。该措施不能避免过电流对发电机的伤害，且存在较大运行风险，一旦突发短路故障，必将导致事故扩大；3、将发电机解列保护增加正方向闭锁元件，方向元件以发电机电流流向线路为正方向。该措施不能避免过电流对发电机的伤害，且一旦外部发生短路故障，可能出现事故扩大的情况。因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。


技术实现要素：

4.本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种避免无功扰动冲击小型发电机的控制装置，该技术方案克服上述技术措施的缺点，提供一种区分较大容量电动机启动与外部线路短路故障造成发电机过电流的方法，在区分出是较大容量电动机启动时，本发明方法一方面是通过deh数字电液控制器控制汽机调门快速减少有功，并充分利用发电机的短时过载能力，由励磁调节器的电压环调节模式控制，尽可能使发电机多发无功功率，从而为电网系统的稳定作出应有的贡献，另一方面是为确保发电机安全稳定运行，将励磁调节器的电压环切换到电流环控制模式，使发电机电流限制在一设定值以下。通过以上方法避免了无功扰动对小型发电机的冲击。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种避免无功扰动冲击小型发电机的控制装置，其特征在于，所述控制装置包括低电压继电器1、发电机微机保护装置2、线路故障记忆锁存复归电路3、励磁调节器励磁调节模式切换控制电路4以及减发电机有功功率
控制电路5；低电压继电器1的kv1、kv2和kv3线圈分别接发电机出口pt二次线电压uuv、uvw和uwu；发电机微机保护装置2的电压输入端子接发电机出口pt二次电压uu、uv、uw、un，电流输入端子接发电机出口ct二次侧电流iu、iv、iw、in。
6.作为本发明的一种改进，所述线路故障记忆锁存复归电路3，由双位置继电器1k、微机保护装置1n负序过流保护出口cj03，发电机母线电压监视继电器常开触点ka14-1组成；
7.cj03启动继电器1k记忆锁存故障信号,常开触点ka14-1复归继电器1k记忆锁存故障信号,继电器ka14的线圈与低电压继电器kv1-1、kv2-1和kv3-1的常开触点串联。一方面是，任一低电压继电器动作，继电器ka14会断电释放，确保任意时刻突发线路故障时，不影响双位置继电器1k将故障记忆锁存；另一方面是，只有kv1-1、kv2-1和kv3-1的常开触点全部闭合，即发电机电压恢复正常后，才能复归继电器1k。
8.作为本发明的一种改进，所述减发电机有功功率控制电路，由微机保护装置1n方向过流ii段保护动作出口cj02，中间继电器ka21、ka22、ka23及时间继电器kt21组成；
9.cj02启动继电器ka21得电吸合，由其实现接点的扩展，常开触点ka21-1闭合使ka22、kt21得电吸合，常开触点ka22-1闭合使deh控制调门减少有功,时间继电器kt21到设定时间2秒后，常开触点kt21-1闭合，使ka23得电吸合并自锁；
10.常闭触点ka23-1断开后使ka22、kt21断电释放，常开触点ka22-1断开，使deh收到的是2s短脉冲信号；
11.ka23线圈得电自锁回路中，串有常开触点ka21-2，待较大容量电动机启动结束后，发电机电流小于izdii时，ka21-2断开，ka23得电自锁解除；
12.驱动ka22、kt21线圈得电工作回路中，串有因线路故障而闭锁的常闭触点1k-2，串有因发电机电压正常而闭锁的常开触点ka15-2。
13.作为本发明的一种改进，所述所述励磁调节模式切换的控制电路，由微机保护装置1n方向过流i段保护动作出口cj01，中间继电器ka11、ka12、ka13及时间继电器kt11组成；cj01启动继电器ka11得电吸合，由其实现接点的扩展，常开触点ka11-1闭合使ka12、kt11得电吸合，常开触点ka12-1闭合，控制励磁调节器由电压环切换到电流环的控制模式，时间继电器kt11到设定时间t1秒后，常开触点kt11-1闭合，使ka13得电吸合并自锁，常闭触点ka13-1断开后使ka12、kt11断电释放，常开触点ka12-1断开，控制励磁调节器由电流环切回到电压环的控制模式，ka13线圈得电自锁回路中，串有常开触点ka21-3，待较大容量电动机启动结束后，发电机电流小于izdii时，ka21-3断开，ka13得电自锁解除，驱动ka12、kt11线圈得电工作回路中，串有因线路故障而闭锁的常闭触点1k-1，串有因发电机电压正常而闭锁的常开触点ka15-1。
14.一种避免无功扰动冲击小型发电机的控制方法，所述方法包括以下步骤：
15.步骤一：发电机正常运行，本发明控制装置工作电源投入，进入步骤二；
16.步骤二：发电机微机保护装置1n采集发电机出口ct二次侧三相电流、母线pt二次侧三相电压；同时，母线pt二次侧三相电压接入kv1、kv2和kv3三只低电压继电器线圈，进入步骤三；
17.步骤三：微机保护装置1n依据采集的三相电流计算负序电流分量，若负序电流大于保护整定值i2zd，则判断是线路设备故障，保护动作出口接点cj03驱动双位置继电器1k
实现故障信号的记忆锁存。1k动作后，常闭触点1k-2断开，实现闭锁减发电机有功功率控制；常闭触点1k-1断开，实现闭锁励磁调节器的励磁调节模式切换控制，进入步骤十。若负序电流小于保护整定值i2zd，则进入步骤四；
18.步骤四：低电压继电器kv1、kv2和kv3用以判断发电机母线电压是否正常，若pt二次侧相间电压均大于低电压整定值uzd，则三只低电压继电器不动作，判断母线电压正常，由其控制的中间继电器ka15断电，常开触点ka15-2断开，实现闭锁减发电机有功控制，常开触点ka15-1断开，实现闭锁励磁调节模式切换控制。若pt二次侧相间电压同时小于低电压整定值uzd，中间继电器ka15得电吸合，则进入步骤五；
19.步骤五：(1)微机保护装置1n依据采集的三相电流和三相电压，计算电流与电压的相位以判断电流的方向，若是反方向的由线路流向发电机的电流，即使该电流大于保护整定值izdii，保护应闭锁，进一步的，减发电机有功控制应闭锁不动作。若是正方向的由发电机流向线路的电流，且该电流大于保护整定值izdii，则该方向过流ii段保护动作出口接点cj02驱动继电器ka21动作，其常开触点ka21-1闭合，进入步骤六；
20.(2)微机保护装置1n依据采集的三相电流和三相电压，计算电流与电压的相位以判断电流的方向，若是反方向的由线路流向发电机的电流，即使该电流大于保护整定值izdi，保护应闭锁，进一步的，励磁调节模式切换控制应闭锁不动作。若是正方向的由发电机流向线路的电流，且该电流大于保护整定值izdi，则该方向过流i段保护动作出口接点cj01驱动继电器ka11动作，其常开触点ka11-1闭合，进入步骤七；
21.步骤六：方向过流ii段保护动作，触点ka21-1闭合使得中间继电器ka22和时间继电器kt21吸合，时间继电器kt21设定2秒，则常开触点ka22-1引入deh数字电液控制器并接通2秒，deh收到该短脉冲信号后，快速将汽机调门由当时的开度关闭到deh设定的发电机有功功率值pzd，进入步骤九；
22.步骤七：方向过流i段保护动作，触点ka11-1闭合使得中间继电器ka12和时间继电器kt11吸合，常开触点ka12-1闭合，控制励磁调节器由电压环切换到电流环的控制模式，从而将发电机电流限制在izdi，进入步骤八；
23.步骤八：时间继电器kt11到设定的时间t1时，使中间继电器ka12失电释放，触点ka12-1断开，控制励磁调节器由电流环切回到电压环的正常运行调节模式，进入步骤九；
24.步骤九：待较大容量电动机启动结束后，发电机电流小于izdii时，使中间继电器ka13、ka23失电释放，发电机pt二次侧相间电压大于uzd时，中间继电器ka15断电释放，从而使减发电机有功、励磁调节模式切换控制电路返回到初始状态，保证下一次较大电动机启动时再次投用；
25.步骤十：微机保护装置1n依据采集的三相电流计算负序电流分量，若负序电流小于保护整定值i2zd，出口接点cj03断开，且低电压继电器kv1、kv2和kv3监测发电机相间电压均大于uzd时，中间继电器ka14得电吸合，常开触点ka14-1闭合驱动双位置继电器1k故障记忆锁存的复归。
26.进一步地，所述步骤三中，发电机微机保护装置1n的负序过流保护作为线路设备故障的判别元件，由其实现较大容量电动机启动与外部线路短路故障的区分。区分的原理是：高压设备突发三相对称性短路的概率很小，而余热小发电机通过高压电缆并入厂用高压配电系统，其电缆线路突发三相对称性短路的概率几乎为零，其故障一般是非对称性短
路或由非对称性短路发展到三相对称性短路，所以在故障发生初期发电机三相电流中必然会有较大的负序电流i2。而在较大容量电动机启动时，发电机三相电流同时增大，但三相电流基本对称只有很小的不平衡负序电流i2bph。据此，可以通过检测负序电流i2的大小来区分是正常电动机启动还是线路设备故障。
27.具体的，微机保护装置1n负序过流的整定值i2zd按躲过较大容量电动机启动时，发电机出现的最大不平衡负序电流i2bph.max进行整定。设实测值为i2bph.max，则i2zd＝k
×
i2bph.max，k为可靠系数，取1.5。
28.具体的，微机保护装置1n保护动作出口对象为cj03，该对象出口矩阵整定值仅于负序过流保护相关，即该出口cj03与装置1n的其他保护动作无关。
29.所述步骤四中，低电压继电器kv1、kv2和kv3分别监测发电机出口pt二次线电压uuv、uvw和uwu，若微机保护装置1n方向过流ii、方向过流i保护动作，但低电压继电器判断母线电压正常，则表明是发电机本身有功、无功超调引起的过电流，排除是较大容量电动机启动或外部线路短路故障，故须闭锁减发电机有功控制和励磁调节模式切换控制。
30.具体的，常闭触点kv1-2、kv2-2和kv3-2串联后接入继电器ka15线圈，以避免pt断线造成误动作。
31.具体的，低电压继电器kv1、kv2和kv3的整定值uzd应大于较大容量电动机启动瞬间发电机出口pt二次线电压实测值uqd，以确保任意时刻突发线路故障时，不影响步骤三中双位置继电器1k将故障记忆锁存，同时该低电压整定值uzd应小于发电机二次额定电压ue，以确保系统正常后低电压继电器kv1、kv2和kv3能可靠返回。综上所述，整定值应为：uqd＜uzd＜ue/k，k为低电压继电器返回系数。
32.所述步骤五中，微机保护装置1n的方向过流ii段保护作为执行减少发电机有功功率的判别元件，方向过流i段保护作为执行励磁调节器励磁调节模式切换的判别元件。其方向元件以发电机电流流向线路为正方向，当有较大容量电动机启动时电流为正方向，则开放过流ii段、过流i段保护；若发电机本体故障时电流为反方向，则闭锁过流ii段、过流i段保护。
33.具体的，方向过流ii段的整定值izdii稍大于发电机额定电流ie即可，以尽可能将减有功控制提前，为到执行步骤七之前，使发电机在励磁调节器电压环的控制下多发无功创造条件，该整定值为izdii＝1.02ie。
34.具体的，方向过流i段的整定值izdi应小于解列保护定值izdjl，由于余热小发电机的解列保护整定值都比较低，所以为充分利用发电机的过载能力，并考虑保护装置的小于-5％定值误差，可整定为izdi＝0.95izdjl。
35.具体的，保护动作出口对象为cj02，该对象出口矩阵整定值仅于方向过流ii段保护相关，即该出口cj02与装置1n的其他保护动作无关。保护动作出口对象为cj01，该对象出口矩阵整定值仅于方向过流i段保护相关，即该出口cj01与装置1n的其他保护动作无关。
36.所述步骤六中，deh控制汽机调门减少发电机有功，为发电机多发无功腾出空间。以我厂余热4500kw发电机为例作如下分析：发电机带额定有功pe运行，较大容量电动机启动时，母线二次电压由额定100v降低到93v，对应一次电压降为9.8kv，励磁调节器在电压环调节模式控制下，增加发电机的无功输出，发电机出口ct二次侧电流从2.75a增大到方向过流i段的整定值izdi＝0.95izdjl＝3.9a，对应的发电机一次侧电流增大为390a，所需时间
为1.36s，则发电机电流到390a所对应的视在功率输出无功功率为已知deh控制的汽机调门由全开到全关的响应时间小于1.5s，发电机额定工况运行时，对应的调门开度在70-80％，deh设定的减有功最小值pzd＝225kw，对应的调门开度在5-8％，因此，调门能在小于1.36s时间内将发电机有功从额定4500kw快速减小到225kw。发电机有功225kw，一次侧电流同样为390a时，发电机输出的无功为由上述分析，通过自动减少发电机有功，能使发电机多输出无功为q
2-q1＝1761kvar。
37.具体的，deh设定的发电机有功功率值pzd应不低于额定有功的5％，以防止发电机逆功率运行，将其整定为pzd＝5％pe。
38.所述步骤八中：时间继电器kt11的作用是，待外部较大电动机启动结束后，将励磁调节器由电流环切回到电压环的正常运行调节模式。
39.具体的，设定时间t1应大于电动机最大启动时间tqd，t1＝1.1tqd。
40.相对于现有技术，本发明具有如下优点，(1)该方案实现了一种区分较大容量电动机启动与外部线路短路故障造成发电机过电流的方法；(2)通过自动减少发电机有功为最大限度多发无功腾出空间。充分利用汽轮机deh系统与发电机励磁系统响应的时间差，快速减少发电机有功，为最大限度多发无功腾出空间。
附图说明
41.图1是本发明一个优选实施例的总体结构框图；
42.图2是本发明一个优选实施例的控制电路原理图；
43.图3是本发明一个优选实施例的控制流程图。
具体实施方式：
44.为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
45.实施例1：参见图1，如图1所示，一种避免无功扰动冲击小型发电机的控制装置，该控制装置包括：低电压继电器1、发电机微机保护装置2、线路故障记忆锁存复归电路3、励磁调节器励磁调节模式切换控制电路4、减发电机有功功率控制电路5；以及装置所控对象：发电机励磁调节器6、汽机调门deh控制器7。低电压继电器1的kv1、kv2和kv3线圈分别接发电机出口pt二次线电压uuv、uvw和uwu；发电机微机保护装置2的电压输入端子接发电机出口pt二次电压uu、uv、uw、un，电流输入端子接发电机出口ct二次侧电流iu、iv、iw、in。
46.如图2所示，是本发明一个优选实施例的线路故障记忆锁存复归、减发电机有功及励磁调节模式切换的控制电路原理图。
47.所述的线路故障记忆锁存复归电路，由双位置继电器1k、微机保护装置1n负序过流保护出口cj03，发电机母线电压监视继电器常开触点ka14-1组成。
48.具体的，cj03启动继电器1k记忆锁存故障信号。
49.具体的，常开触点ka14-1复归继电器1k记忆锁存故障信号。
50.具体的，继电器ka14的线圈与低电压继电器kv1-1、kv2-1和kv3-1的常开触点串联。一方面是，任一低电压继电器动作，继电器ka14会断电释放，确保任意时刻突发线路故
障时，不影响双位置继电器1k将故障记忆锁存；另一方面是，只有kv1-1、kv2-1和kv3-1的常开触点全部闭合，即发电机电压恢复正常后，才能复归继电器1k。
51.所述的减发电机有功控制电路，由微机保护装置1n方向过流ii段保护动作出口cj02，中间继电器ka21、ka22、ka23及时间继电器kt21组成。
52.具体的，cj02启动继电器ka21得电吸合，由其实现接点的扩展。
53.具体的，常开触点ka21-1闭合使ka22、kt21得电吸合，常开触点ka22-1闭合使deh控制调门减少有功。
54.具体的，时间继电器kt21到设定时间2秒后，常开触点kt21-1闭合，使ka23得电吸合并自锁。
55.具体的，常闭触点ka23-1断开后使ka22、kt21断电释放，常开触点ka22-1断开，使deh收到的是2s短脉冲信号。
56.具体的，ka23线圈得电自锁回路中，串有常开触点ka21-2，待较大容量电动机启动结束后，发电机电流小于izdii时，ka21-2断开，ka23得电自锁解除。
57.具体的，驱动ka22、kt21线圈得电工作回路中，串有因线路故障而闭锁的常闭触点1k-2，串有因发电机电压正常而闭锁的常开触点ka15-2。
58.所述的励磁调节模式切换的控制电路，由微机保护装置1n方向过流i段保护动作出口cj01，中间继电器ka11、ka12、ka13及时间继电器kt11组成。
59.具体的，cj01启动继电器ka11得电吸合，由其实现接点的扩展。
60.具体的，常开触点ka11-1闭合使ka12、kt11得电吸合，常开触点ka12-1闭合，控制励磁调节器由电压环切换到电流环的控制模式。
61.具体的，时间继电器kt11到设定时间t1秒后，常开触点kt11-1闭合，使ka13得电吸合并自锁。
62.具体的，常闭触点ka13-1断开后使ka12、kt11断电释放，常开触点ka12-1断开，控制励磁调节器由电流环切回到电压环的控制模式。
63.具体的，ka13线圈得电自锁回路中，串有常开触点ka21-3，待较大容量电动机启动结束后，发电机电流小于izdii时，ka21-3断开，ka13得电自锁解除。
64.具体的，驱动ka12、kt11线圈得电工作回路中，串有因线路故障而闭锁的常闭触点1k-1，串有因发电机电压正常而闭锁的常开触点ka15-1。
65.如图3所示，是本发明的一种避免无功扰动冲击小型发电机的控制方法的流程图，包括以下步骤：
66.步骤一：发电机正常运行，本发明控制装置工作电源投入，进入步骤二；
67.步骤二：发电机微机保护装置1n采集发电机出口ct二次侧三相电流、母线pt二次侧三相电压；同时，母线pt二次侧三相电压接入kv1、kv2和kv3三只低电压继电器线圈，进入步骤三；
68.步骤三：微机保护装置1n依据采集的三相电流计算负序电流分量，若负序电流大于保护整定值i2zd＝0.03a，则判断是线路设备故障，保护动作出口接点cj03驱动双位置继电器1k实现故障信号的记忆锁存。1k动作后，常闭触点1k-2断开，实现闭锁减发电机有功功率控制；常闭触点1k-1断开，实现闭锁励磁调节器的励磁调节模式切换控制，进入步骤十。若负序电流小于保护整定值i2zd，则进入步骤四；
69.步骤四：低电压继电器kv1、kv2和kv3用以判断发电机母线电压是否正常，若pt二次侧相间电压均大于低电压整定值uzd＝95v，则三只低电压继电器不动作，判断母线电压正常，由其控制的中间继电器ka15断电，常开触点ka15-2断开，实现闭锁减发电机有功控制，常开触点ka15-1断开，实现闭锁励磁调节模式切换控制。若pt二次侧相间电压同时小于低电压整定值uzd＝95v，中间继电器ka15得电吸合，则进入步骤五；
70.步骤五：(1)微机保护装置1n依据采集的三相电流和三相电压，计算电流与电压的相位以判断电流的方向，若是反方向的由线路流向发电机的电流，即使该电流大于保护整定值izdii＝1.02ie＝3.16a，保护应闭锁，进一步的，减发电机有功控制应闭锁不动作。若是正方向的由发电机流向线路的电流，且该电流大于保护整定值3.16a，则该方向过流ii段保护动作出口接点cj02驱动继电器ka21动作，其常开触点ka21-1闭合，进入步骤六；
71.(2)微机保护装置1n依据采集的三相电流和三相电压，计算电流与电压的相位以判断电流的方向，若是反方向的由线路流向发电机的电流，即使该电流大于保护整定值izdi＝0.95izdjl＝3.9a，保护应闭锁，进一步的，励磁调节模式切换控制应闭锁不动作。若是正方向的由发电机流向线路的电流，且该电流大于保护整定值3.9a，则该方向过流i段保护动作出口接点cj01驱动继电器ka11动作，其常开触点ka11-1闭合，进入步骤七；
72.步骤六：方向过流ii段保护动作，触点ka21-1闭合使得中间继电器ka22和时间继电器kt21吸合，时间继电器kt21设定2秒，常开触点ka22-1引入deh数字电液控制器并接通2秒，deh收到该短脉冲信号后，快速将汽机调门由当时的开度关闭到deh设定的发电机有功功率值pzd＝5％pe＝225kw，进入步骤九；
73.步骤七：方向过流i段保护动作，触点ka11-1闭合使得中间继电器ka12和时间继电器kt11吸合，常开触点ka12-1闭合，控制励磁调节器由电压环切换到电流环的控制模式，从而将发电机电流限制在izdi＝3.9a，进入步骤八；
74.步骤八：时间继电器kt11到设定的时间t1＝20s时，使中间继电器ka12失电释放，触点ka12-1断开，控制励磁调节器由电流环切回到电压环的正常运行调节模式，进入步骤九；
75.步骤九：待较大容量电动机启动结束后，发电机电流小于izdii＝3.16a时，使中间继电器ka13、ka23失电释放，发电机pt二次侧相间电压大于uzd＝95v时，中间继电器ka15断电释放，从而使减发电机有功、励磁调节模式切换控制电路返回到初始状态，保证下一次较大电动机启动时再次投用；
76.步骤十：微机保护装置1n依据采集的三相电流计算负序电流分量，若负序电流小于保护整定值i2zd＝0.03a，出口接点cj03断开，且低电压继电器kv1、kv2和kv3监测发电机相间电压均大于uzd时，中间继电器ka14得电吸合，常开触点ka14-1闭合驱动双位置继电器1k故障信号记忆锁存的复归。
77.具体的，步骤三中负序电流保护的i2zd整定如下：实测i2bph.max为0.02a，则i2zd＝k
×
i2bph.max，k为可靠系数，取1.5，i2zd＝0.03a。
78.具体的，步骤四中低电压继电器的uzd整定如下：实测较大电动机启动瞬间发电机出口pt二次电压uqd＝93v，二次额定电压ue＝100v，低电压继电器返回系数k＝1.05，uqd＜uzd＜ue/k，则93v＜uzd＜95.2v，实际整定为uzd＝95v。
79.具体的，步骤八中时间继电器的t1整定如下：实测较大容量电动机的最大启动时
间tqd＝18s，则t1＝1.1tqd＝20s。
80.综上所述，本发明不须解列发电机、不须调整解列保护定值或运行方式，能自动判断电动机启动并限制发电机电流超过解列动作值，能在保证机组安全稳定运行的同时多发无功，为电网系统的稳定做出一点贡献，值得推广应用。
81.需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。