第六章发电厂的继电保护.docx
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第六章发电厂的继电保护
第六章发电厂的继电保护
第一节继电保护的基本知识
一、继电保护的作用
电力系统在运行中,由于电气设备的绝缘老化或损坏、雷击、鸟害、设备缺陷或误操作等原因,可能发生各种故障和不正常运行状态。
最常见的而且也是最危险的故障是各种类型的短路。
最常见的不正常运行状态是过负荷。
这些故障和不正常运行状态严重危及电力系统的安全可靠运行。
除了应采取提高设计水平、提高设备的制造质量、加强设备的维护检修、提高运行管理质量、严格遵守和执行电业规章制度等项措施,尽可能消除和减小发生故障的可能性之外,还必须做到一旦发生故障,能够迅速、准确、有选择性地切除故障设备,防止事故的扩大,迅速恢复非故障部分的正常运行。
以减小对用户的影响。
当电力系统出现不正常运行状态时,应能及时发现并尽快处理,以免引起设备故障。
要在极短的时间内完成上述任务,只能借助于继电保护装置才能实现。
继电保护装置是指能反应电力系统中电气设备所发生的故障或不正常状态,并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。
它的基本作用是:
(1)当电力系统发生故障时,能自动地、迅速地、有选择性地将故障设备从电力系统中切除,以保证系统其余部分迅速恢复正常运行,并使故障设备不再继续遭受损坏。
(2)当系统发生不正常工作情况时,能自动地、及时地、有选择性地发出信号通知运行人员进行处理,或者切除那些继续运行会引起故障的电气设备。
可见,继电保护装置是电力系统必不可少的重要组成部分,对保障系统安全运行,保证电能质量、防止故障的扩大和事故的发生,都有极其重要的作用。
二、继电保护的基本组成
继电保护装置一般由测量部分、逻辑部分、执行部分、信号部分及操作电源等组成,其方框图如图6-1所示。
测量部分是用来监察被保护对象(电气设备或输电线路)的运行状态,将被保护对象的运行状态信息(如电流、电压等)通过测量、变换、滤波等加工处理后送入逻辑部分;逻辑部分将测量部分送来的信息与基准整定值进行比较,判断保护装置是否该动作于跳闸或动作于信号,是否需要延时等,输出相应的信息。
执行元件根据逻辑元件输出的信息,送出跳闸信息至断路器控制回路或发出报警信息至报警信号回路。
一般的继电保护装置,其逻辑部分、执行部分和信号部分都需要操作电源。
在个别情况下,采用直接作用式继电器作保护装置,附在断路器操作机构中的继电器本身,即可实现测量、逻辑及信号元件的作用。
通常所说的继电保护系统,应该理解为即包括保护装置本身,也包括断路器,二者要协同动作。
图6-1继电保护装置的基本组成
三、继电保护的基本原理
如图6-2所示为最简单的输电线路的电流保护,其基本工作原理如下:
图6-2继电保护原理示意图
线路在正常工作时通过负荷电流,电流互感器TA的二次侧连接电磁型电流继电器KA的线圈,它所产生的电磁力小于继电器弹簧的反作用力,因而继电器不动作,它的常开触点处于断开位置。
当线路的K处发生短路时流过短路电流,它比负荷电流大得多,通过继电器线圈的电流和它所产生的电磁力都相应显著地增大,衔铁被吸合,使继电器的常开触点闭合,接通了断路器QF的跳闸线圈YR,铁心被吸上,撞开锁扣机构(LO),断路器跳闸,切断了线路和电源的联系,故障即被切除。
短路电流消失后,继电器线圈中的电流也随即消失,继电器的触点在弹簧力的作用下返回断开位置。
由上述继电保护基本原理可知,电气设备从正常工作状态到故障或不正常工作状态,它的电气量(如电流、电压的大小和它们这之间的相位角等)往往会发生显著的变化,继电保护装置就是利用这种变化来鉴别有、无故障或不正常工作情况,以电气量的测量值或它们之间的相位关系来检测故障地点,有选择性地切除故障或显示电气设备的不正常工作状态。
尽管实际应用的继电保护装置比上述示例复杂的多,但其基本工作原理是相同的。
四、对继电保护的基本要求
为完成继电保护的基本任务,对于动作于断路跳闸的继电保护装置,必须满足以下四项基本要求:
1.选择性
选择性是指电力系统发生故障时,继电保护仅将故障部分切除,保障其它无故障部分继续运行,以尽量缩小停电范围。
例如,图6-3中线路WL4上K1点短路时,应跳开断路器QF4,而其它非故障线路仍继续运行。
仅将故障线路WL4切除,这就是有选择性,而不能因为变压器T也有短路电流通过而将断路器QF2跳开。
此时,如果QF2跳闸了,就称为“误动作”,将造成母线W3失电,扩大了停电范围。
但是,由于某种原因导致QF4“拒动”时,再跳开断路器QF2切除故障是正确的,仍属于有选择性,继电保护的这种功能称为后备保护,即变压器T的保护装置起到了对相邻元件(此处为WL3、WL4、WL5线路)后备保护的作用。
当后备保护动作时,停电范围虽有所扩大,但仍是必要的,否则当保护装置或断路器拒动时,故障无法消除,后果将极其严重。
如果在K2点发生短路,应当只跳开断路器QF2,切除故障,让线路WL1及母线W2继续运行。
继电保护装置的选择性,是依靠采用适当类型的继电保护装置和正确选择其整定值,使各级保扩相互配合而实一的。
图6-3继电保护选择性说明图
2.快速性
为了保证电力系统运行的稳定性和对用户可靠供电,以及避免和减轻电气设备在事故时所遭受的损害,要求继电保护装置尽快地动作,尽快地切除故障部分。
但是,并不是对所有的故障情况,都要求快速切除故障。
因为提高快速性会使继电保护装置较复杂,增加投资,有时也可能影响选择性。
因此,应根据被保护对象在电力系统中的地位和作用,来确定其保护的动作速度。
例如:
对大容量的发电机和变压器要求保护装置的动作时间在工频几个周期之内;对高压和超高压输电线路,要求保护装置的动作时间在工频1~2个周期之内,但对于某些电压等级较低的线路,则允许1~2s,甚至更长些。
对于后备保护的动作时间,要求大于主保护的动作时间。
3.灵敏性
灵敏性是继电保护装置对其保护范围内发生的故障或不正常工作状态的反应能力,一般以灵敏系数Ks表示。
例如:
某线路电流保护的电流继电器的整值为6A,短路时输入电流为12A,那么它的灵敏系数就为2。
灵敏系数Ks愈大,说明保护的灵敏度愈高。
当然应有一个最低要求指标。
对于故障状态下保护输入量增大动作的继电保护,其灵敏系数为:
Ks=(保护区内故障时反应量的最小值)/(保护动作量的整定值)
对于故障状态下保护输入量降低时动作的继电保护,其灵敏系数为:
Ks=(保护动作量的整定值)/(保护区内故障时反应量的最大值)
每种继电保护均有特定的保护区(发电机、变压器、母线、线路等),各保护区的范围是通过设计计算后人为确定的,保护区的边界值称为该保护的整定值。
显然,保护的整定值与保护区域大小和保护装置动作的灵敏度紧密相关,必须通过严格的计算和调整试验才能确定。
4.可靠性
可靠性是指当保护范围内发生故障或不正常工作状态时,保护装置能够可靠动作而不致拒绝动作;而在电气设备无故障或在保护范围以外发生故障时,保护装置不发生误动。
保护装置拒绝动作或误动作,都将使保护装置成为扩大事故或直接产生事故的根源。
因此,提高保护装置的可靠性是非常重要的。
继电保护装置的可靠性,主要取决于接线的合理性、继电器的制造质量、安装维护水平、保护的整定计算和调整试验的准确度等。
以上对继电保护装置所提出的四项基本要求是互相紧密联系的,有时是相互矛盾的。
例如:
为了满足选择性,有时就要求保护动作必须具有一定的延时;为了保证灵敏度,有时就允许保护装置无选择地动作,再采用自动重合闸装置进行纠正;为了保证快速性和灵敏性,有时就采用比较复杂和可靠性稍差的保护。
总之,要根据具体情况(被保护对象、电力系统条件、运行经验等),分清主要矛盾和次要矛盾,统筹兼顾,力求相对最优。
五、继电器分类
反应某些参数的变化,并自动闭合或断开电路的电器,统称为继电器。
继电器是继电保护装置的基本组成元件,按继电器的结构、反应的物理量和作用不同,继电器分为以下几种类型:
1.按结构型式分类
按结构型式分类,继电器主要有机电型、整流型、晶体管型、集成电路型、微机型等五大类。
(1)机电型继电器是以电磁原理为基础,具有机械可动部分的继电器,按其构成原理又可分为电磁型继电器、感应型继电器、极化继电器、干簧继电器等。
(2)整流型继电器是以二极管原理和比较电路原理为基础构成的,以极化继电器为执行元件。
(3)晶体管型继电器是以晶体管的放大和开关原理为基础,由晶体管、二极管、电阻、电容、变换器等元件构成的继电器。
(4)集成电路型继电器是由线性集成电路(运算放大器)构成启动和测量元件,由CMOS等数字电路构成逻辑电路的继电保护装置。
(5)微机型继电器是以微处理器为核心,根据数据采集系统所采集到的电力系统的实时状态数据,按照给定算法来检测电力系统是否发生故障以及故障性质、范围等,并由此做出是否需要跳闸或报警等判断的一种安全自动装置。
2.按反应的物理量分类
按反应的物理量分类,继电器主要有电量和非电量两大类。
(1)反应电量的继电器有电流继电器、电压继电器、功率继电器、阻抗继电器等。
(2)反应非电量的继电器有瓦斯继电器、温度继电器、压力继电器等。
3.按在保护中的作用分类
按在保护中的作用分类,继电器可分为测量继电器和辅助继电器两大类。
(1)测量继电器直接反应电气量的变化,按所反应电量的不同,可分为电流继电器、电压继电器、频率继电器、功率方向继电器、差动继电器等。
(2)辅助继电器用来改进和完善继电保护的功能,一般作为保护中的逻辑、执行元件。
按其作用不同可分为中间继电器、时间继电器、信号继电器等。
六、继电保护分类
1.按保护对象分类
继电保护按保护对象不同可分为:
元件保护和线路保护。
元件保护又分为:
发电机保护、变压器保护、电动机保护、母线保护等。
线路保护又分为:
高压和超高压输电线路保护、高压和低压配电线路保护等。
2.按继电器结构形式分类
继电保护按采用的继电器结构形式不同可分为:
机电式继电保护、晶体管式继电保护、大规模集成电路式继电保护和微机数字式继电保护等。
3.按所反应的物理量分类
继电保护按所反应的物理量不同可分为:
电流保护、电压保护、方向保护、距离保护、差动保护和纵联保护等。
4.按采集的信号方式分类
继电保护按采集的信号方式不同可分为:
反应单端电气量的保护和反应两端电气量的保护。
5.按信号的通讯方式分类
对于反应两端电气量的纵联保护,按信号的通讯方式不同可分为:
高频保护、光纤保护和微波保护等。
6.按保护的作用分类
当某一电气设备配置两种及以上的保护时,按保护的作用不同可分为:
主保护(反应被保护元件自身的故障并以尽可能短的延时,有选择性地切除故障的保护)、后备保护(当主保护拒动时起作用,从而动作于相应断路器以切除故障元件,后备保护分近后备和远后备两种)和辅助保护(为补充主保护和后备保护的不足,而增设的较简单的保护)。
实际上,电气设备或输电线路所配置的各种保护是上述分类中的某些组合,但有时为了强调保护的某一特点,在描述中会将其它功能或结构省略。
如:
某输电线路采用的是光纤差动保护(只强调通讯方式和保护原理)、某电气设备采用的是微机保护(强调的是继电器的结构)等。
七、大型发电机组继电保护的总体配置
大型发电机的造价昂贵、结构复杂,一旦发生故障遭到破坏,其检修难度大,检修时间长,要造成很大的经济损失。
大机组在电力系统中占有重要地位,大机组的突然切除,会给电力系统造成较大的扰动。
因此,在考虑大机组继电保护的总体配置时,比较强调最大限度地保证机组安全和最大限度地缩小故障破坏范围,尽可能避免不必要的突然停机,对某些异常工况采用自动处理装置,特别要避免保护装置的误动和拒动。
这样,不仅要求有可靠性、灵敏性、选择性和快速性好的继电保护装置,还要求在继电保护的总体配置上尽量做到完善、合理,并力求避免繁锁、复杂。
下面以图6-4所示的汽轮发电机—变压器组为例,来介绍大型机组继电保护的总体配置情况。
大型机组的继电保护装置可分为短路保护和异常保护两大类。
图6-4汽轮机发电机—双绕组变压器组的一次接线图
1.短路保护的配置
(1)纵差动保护。
纵差动保护作为发电机、变压器区内短路故障的主保护,瞬时动作于断路器跳闸。
为了确保快速切除故障,对于图6-4所示的发电机—变压器组,需配置发电机差动保护、升压变压器差动保护和发电机—变压器组差动保护,对发电机—变压器组构成双重快速保护。
(2)后备保护。
大型发电机—变压器组,都接到220kV及以上的母线上运行。
而220kV及以上的线路,一般都有完备的保护装置,对于相间短路故障,不要求在发电机组上装设可保护相邻线路全线的远后备保护,而对于220kV及以上的母线,由于母线保护一般只有一套,而且有时不投入运行,因此需要在发电机—变压器组上装设反应相邻母线故障的全阻抗保护作为后备保护。
在母线上发生相间短路故障时,应保证可靠动作,并以可能短的延时切除母线短路故障。
(3)高压厂用变压器保护。
由于高压厂用变压器的容量只有发电机额定容量的6~10%,它的阻抗相当大,所以在高压厂用变压器低压侧发生两相短路故障时,升压变压器的差动保护以及发电机—变压器组的差动保护常不能满足要求。
因此,高压厂用变压器还需配置差动保护。
(4)断路器失灵保护,所谓断路器失灵保护是指在母线引出线上(包括变压器引线)发生故障,故障回路上的继电保护动作而断路器拒绝动作时,为了缩小事故范围,用较短的时间,使母线上其它有关断路器跳闸的装置称为断路器失灵保护,又称后备接线。
因此,大机组都应装设断路器失灵保护,用以在主变压器高压侧断路器拒动时切除故障(断开所连接在该母线上的所有断路器),每一组母线的全部连接元件都应装设一套公用的断路器失灵保护。
(5)高压侧零序保护。
大型机组升压变压器的高压侧,一般都与220kV及以上且中性点直接接地的系统相连接,当在高压侧发生单相接地短路时,如果双重差动保护的灵敏度都能满足要求,对变压器高压侧绕组及其引出线而言,则不需要装设其它反应零序电流(三相零序分量方向相同,数值相等)的后备保护。
但零序电流保护简单可靠,正确动作率高,而超高压电网中,单相接地故障最多,在各种短路故障中,有80%~90%是单相接地短路故障,为了在某些特殊情况下,不致使电网失去保护,一般还是要求在变压器中性点装设零序电流保护,作为相邻线路的后备保护。
对相邻母线,也要求在变压器中性点装设作为母线后备保护的零序电流保护。
因此,一般在变压器中性点装设两段零序电流保护,一段作为母线的后备,与相邻线路主保护相配合;另一段作为相邻线路的后备,与相邻线路的后备保护相配合。
对于220kV系统,变压器是分级绝缘的,其中性点可能接地,也可能不接地运行,此时还需要装设零序电流电压保护,以防止中性点绝缘遭受破坏。
(6)发电机励磁回路两点接地保护。
当发电机励磁回路发生一点接地故障时,我国采用发信号方式,为了在发生第二点接地短路时切除发电机,应装设励磁回路两点接地保护,动作于停机。
(7)发电机匝间短路保护。
发电机差动保护,不能反应定子绕组匝间短路故障,而匝间短路会给发电机造成严重破坏。
因此,应配置发电机匝间短路保护。
2.异常运行保护的配置
同中小型机组相比,大型机组有一系列特点。
应针对这些特点对危及机组安全的异常工况,装设相应的保护装置,以保障机组和电力系统的安全运行。
定子绕组的匝间短路和相间短路故障中,许多是由于定子绕组一点接地故障演变而形成的。
因此,定子一点接地保护在大型机组保护中占有重要的地位。
由于其地位重要,所以一方面要求它具有足够高的灵敏度,没有死区,以便在机组尚未受到严重破坏之前动作;另一方面在配置上应装设两段定子绕组接地保护,I段为100%接地保护,II段为比较简单的90%接地保护,以保证在一段保护退出运行或拒动时,另一段作为后备。
针对大型机组热容量相对下降的特点,应配置三套过负荷保护,分别用来反应定子绕组过负荷、转子表层过负荷和励磁绕组过负荷。
这三套过负荷保护,都由定时限和反时限两部分构成,把过负荷保护看作是发电机安全运行的一道屏障,在灵敏度和延时方面,都不考虑与其它短路保护相配合,发电机的发热状况是其整定的唯一根据。
励磁回路一点接地故障,也是一种常见的故障形式,应配置发电机励磁回路和励磁机回路一点接地保护动作于信号。
此外,针对发电机低励、失磁故障,应配置失磁保护;针对汽轮发电机断汽运行时,为防止汽轮机叶片损坏,应配置逆功率保护;针对低频运行时对汽轮机叶片的危害,应配置低频保护;针对大型变压器过励磁造成的危害,应装设变压器过励磁保护;针对大电流互感器断线造成的危害,应装设二次电流回路断线保护;针对断路器非全相跳、合闸故障,为防止事故扩大,应装设非全相运行保护等。
总之,大型机组继电保护在总体配置上力求严密,功能上力求完美,但这也带来复杂化问题。
必须考虑保护的简化,对那些实际运行中非常稀少的故障可以不考虑或少考虑。
对于图6-4所示的发电机—变压器组,可能配置的保护装置列于表6-1中,在表6-1中把保护装置划分为A组和B组,这两组保护装置在结构上和配线方面,彼此保持独立。
这样,在运行期间进行检测或维修电器时,发电机—变压器组仍保持有必要的保护装置。
应当指出,表6-1中所列出的仅是大型发电机—变压器组可能装设的各种保护装置。
对于不同容量、不同电压等级和不同类型的发电机—变压器组,各自应当具体装设哪些保护装置,应当根据有关规程或规定并按照实际情况决定。
各保护装置动作后所控制的对象,依保护装置的性质、选择性要求和故障处理方式的不同而不同。
对于发电机—双绕组变压器组,通常有以下几种处理方式:
全停:
停汽机、停锅炉、断开高压侧断路器、灭磁、断开高压厂用变压器低压侧断路器、使机炉及其辅机停止工作。
解列灭磁:
断开高压侧断路器、灭磁、断开高压厂用变压器低压侧断路器。
解列:
断开高压侧断路器。
减出力:
减少原动机的输出功率。
发信号:
发出声光信号或光信号。
母线解列:
对母线系统,断开母线联络断路器,缩小故障波及范围。
在表6-1中,列出了各种保护装置在不同处理方式下的控制对象。
大型汽轮发电机—变压器组继电保护的总体配置及出口控制对象表
序
号
保护装置名称
组
别
保护装置出口
处理方式
停
汽
机
停锅炉
跳
QF
跳
QDM
跳
QF1
QF3
调汽门
切换励磁
跳母联
发声光信号
I
短路保护
1
发电机差动保护
A
+
+
+
+
+
全停
2
主变压器差动保护
A
+
+
+
+
+
全停
3
高压厂用变压器差动保护
A
+
+
+
+
+
全停
4
发变组差动保护
B
+
+
+
+
+
全停
5
全阻抗保护t1
t2
B
+
+
+
母线解列
解列灭磁
6
主变高压侧零序保护t1
t2
B
+
+
+
母线解列
解列灭磁
7
发电机定子匝间短路保护
B
+
+
+
+
+
全停
8
发电机励磁回路两点接地保护
B
+
+
+
+
全停
II
异常运行保护
9
发电机定子一点接地保护I段
II段
A
B
+
+
+
发信号
解列灭磁
10
发电机励磁回路
一点接地保护
A
+
发信号
11
励磁变压器过负荷保护
A
+
发信号
12
定子过负荷保护定限时
反限时
A
+
+
+
+
发信号
解列灭磁
13
定子负序过流保护定限时
反限时
A
+
+
+
+
发信号
解列灭磁
14
励磁回路过负荷保护定限时
反限时
A
+
+
+
+
发信号
解列灭磁
15
低频保护
B
+
发信号
16
低励失磁保护t0
t1t3
t2
A
+
+
+
+
发信号
解列灭磁
减出力
17
过电压保护
B
+
解列灭磁
18
逆功率保护t1
t2
A
+
+
发信号
解列灭磁
19
失步和失步(预测)保护
B
+
增、减出力
20
过励磁保护
B
+
+
+
解列灭磁
21
断路器失灵保护
B
+
+
+
解列灭磁
22
非全相运行保护
B
+
解列
Ⅲ
辅助装置
23
电流回路断线保护
B
+
发信号
24
电压回路断线保护
B
+
发信号
25
出口装置
B
26
检测装置
A,B
27
电源装置
A,B
Ⅳ
厂用6kV分支线保护
+
28
t0
分支线差动保护
t2
+
+
+
跳QF1,QF3
或QF2,QF4
解列灭磁
29
t1
分支线过电流保护
t2
+
+
+
跳QF1,QF3
或QF2,QF4
解列灭磁
第二节发电机的继电保护
一、发电机的故障和异常类型及其保护方式
发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用,同时发电机本身也是一个十分贵重的电气元件。
因此,应该针对各种故障和异常类型,装设相应的继电保护装置。
1.发电机的故障类型
发电机的故障类型主要有:
定子绕组相间短路;定子绕组匝间短路;定子绕组单相接地;转子绕组一点接地或两点接地;励磁回路的励磁电流异常下降或完全消失。
2.发电机的异常类型
发电机的异常类型主要有:
由于外部短路引起的定子绕组过电流;发电机对称过负荷;由于外部不对称短路引起的定子负序过电流;由于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压;由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷;由于汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率等。
3.发电机应装设的保护
(1)对于发电机定子绕组及其引出线的相间短路,应装设纵联差动保护。
(2)对于发电机定子绕组的匝间短路,当定子绕组每相中有引出的并联支路时,应装设单继电器式的横联差动保护。
并联支路时,应装设由零序电压构成的匝间短路保护。
(3)对于发电机定子绕组单相接地故障,当接地电流大于或等于5A时,应装设动作于跳闸的零序电流保护;当接地电流小于5A时,则装设作用于信号的接地保护。
对于发电机—变压器组,应装设保护区为100%的定子接地保护。
(4)对于发电机外部短路引起的过电流,应装设对称过负荷保护、负序电流保护和单相式低电压启动的过电流保护。
(5)对于发电机突然甩负荷而引起的定子绕组过电压,应装设过电压保护。
(6)对于发电机励磁回路的一点接地,应装设一点接地保护动作与信号。
对于励磁回路两点接地故障,应装设两点接地保护,在励磁回路发