毕业论文-发电机变压器组的保护设计.doc
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毕业论文（设计）
题目发电机变压器组的保护设计
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XXXXX学院本科毕业论文（设计）评审表
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容提要
在电力系统中,由于雷击或鸟兽跨接电气设备、设备制造上的缺陷、设计和安装的错误、检修质量不高或运行维护不当等原因，往往发生各种事故。
最常见的同时也是最危险的故障是各种形式的短路。
其中以单相接地短路最为常见，而三相短路是比较少见的。
此外，输电线路有时可能发生断线故障或几种故障同时发生的复合故障。
发生故障可能引起的后果是：
1.故障点通过很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障设备烧坏。
2.系统中设备，在通过短路电流时所产生的热和电动力使设备缩短使用寿命。
3.因电压降低，破坏用户工作的稳定性或影响产品质量。
4.破坏系统并列运行的稳定性，产生振荡，甚至使整个系统瓦解。
最常见的不正常工作状态是过负荷。
所谓过负荷就是电气设备的负荷电流超过了额定电流。
此外，发电机有功功率不足所引起的频率降低，水轮发电机突然甩负荷所引起的过电压，系统发生振荡等都属于不正常运行状态。
由于过负荷，加速了设备绝缘材料的老化和损坏，甚至引起事故扩大造成严重故障。
总之，不正常工作状态往往影响电能的质量、设备的寿命、用户生产产品的质量等。
关键词
继电保护；发电机；变压器组；后备保护；纵差保护
目录
1绪论 6
1.1电力系统继电保护的作用 6
1.1.1电力系统的故障和不正常运行状态及引起的后果 6
1.1.2继电保护装置及任务 6
1.2继电保护的基本原理和保护装置的组成 7
1.2.1继电保护的基本原理 7
1.2.2继电保护装置的组成 7
1.3对继电保护的要求 8
1.3.1选择性 8
1.3.2速动性 8
1.3.3灵敏性 9
1.3.4可靠性 9
1.4继电保护技术的发展史 10
2发电机变压器组的后备保护 11
2.1概述 11
2.2相间短路后备保护 12
2.2.1发电机变压器部和外部相间短路 12
2.2.2对厂用变压器部及低压侧短路 13
2.2.3外部相间短路后备保护的特点 14
2.2.4相间短路后备保护的整定计算 14
2.2.5相间短路后备保护方向元件的设置 15
2.3单相接地保护 15
2.3.1接地保护的特点 15
2.3.2单相接地保护的整定计算 15
3发电机变压器组的纵差保护 18
3.1纵差保护的特点 18
3.2变压器纵差保护与发电机纵差保护的不同 18
3.3纵差动作保护的整定计算 20
4发电机变压器组保护的改进 21
4.1目前的机组保护存在的主要问题 21
4.2改进方案 21
5保护配置及整定计算 23
5.1题目简介 23
5.2保护配置 23
5.2.1概述 23
5.2.2保护配置分析 24
5.2.3几种保护配置问题的探讨 25
5.3整定计算 28
5.3.1采用高灵敏度接线的发电机纵差保护（BCH-2） 28
5.3.2变压器差动保护（拟采用BCH-1型继电器） 29
5.3.3发电机变压器组大差动保护（BCH-4） 31
5.3.4负序过电流保护 38
5.3.5失磁保护 39
5.3.6低电压起动的过电流保护 42
5.3.7过负荷保护 42
5.3.8匝间短路保护 43
5.3.9发电机定子电压保护 43
5.3.10变压器的接地保护 43
5.3.11发电机及发电机变压器组的接地保护 44
6保护配置图 46
发电机变压器组的保护设计
1绪论
1.1电力系统继电保护的作用
1.1.1电力系统的故障和不正常运行状态及引起的后果
在电力系统中,由于雷击或鸟兽跨接电气设备、设备制造上的缺陷、设计和安装的错误、检修质量不高或运行维护不当等原因，往往发生各种事故。
最常见的同时也是最危险的故障是各种形式的短路。
其中以单相接地短路最为常见，而三相短路是比较少见的。
此外，输电线路有时可能发生断线故障或几种故障同时发生的复合故障。
发生故障可能引起的后果是：
（1）故障点通过很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障设备烧坏。
（2）系统中设备，在通过短路电流时所产生的热和电动力使设备缩短使用寿命。
（3）因电压降低，破坏用户工作的稳定性或影响产品质量。
（4）破坏系统并列运行的稳定性，产生振荡，甚至使整个系统瓦解。
最常见的不正常工作状态是过负荷。
所谓过负荷就是电气设备的负荷电流超过了额定电流。
此外，发电机有功功率不足所引起的频率降低，水轮发电机突然甩负荷所引起的过电压，系统发生振荡等都属于不正常运行状态。
由于过负荷，加速了设备绝缘材料的老化和损坏，甚至引起事故扩大造成严重故障。
总之，不正常工作状态往往影响电能的质量、设备的寿命、用户生产产品的质量等。
1.1.2继电保护装置及任务
为防止电力系统中发生事故一般采取如下对策:
（1）改进设计制造，加强维护检修，提高运行水平和工作质量。
采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性。
（2）一旦发生故障，迅速而有选择地切除故障元件，保证无故障部分正常运行。
继电保护装置，就是指反映电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种制动装置。
它的基本任务是：
（1）发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障元件（设备）从电力系统中切除，使非故障部分继续运行。
（2）对不正常运行状态，为保证选择性，一般要求保护经过一定的延时，并根据运行维护条件（如有无经常值班人员），而动作于发出信号（减负荷跳闸），且能与自动重合闸相配合。
1.2继电保护的基本原理和保护装置的组成
1.2.1继电保护的基本原理
继电保护的原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量，当突变量达到一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。
（1）利用基本电气参数的区别
发生短路后，利用电流、电压、线路测量阻抗等的变化，可以构成如下保护：
a.过电流保护；b.低电压保护；c.距离保护（或低阻抗保护）
（2）利用部故障和外部故障时被保护元件两侧电流相位（或功率方向）的差别。
（3）对称量是否出现
电气元件在正常运行（或发生对称短路）时,负序分量和零序分量为零；在发生不对称短路时，一般负序和零序都较大。
因此，根据这些分量的是否存在可以构成零序保护和负序保护。
此种保护装置都具有良好的选择性和灵敏性。
（4）反应非电气量的保护
反应变压器油箱部故障时所产生的气体而构成瓦斯保护；反应于电动机绕组的温度升高而构成过负荷保护等。
1.2.2继电保护装置的组成
继电保护的种类虽然很多，但是在一般情况下，都是由三个部分组成的，即测量部分、逻辑部分和执行部分，其原理结构如图1-1所示。
执行
部分
逻辑
部分
测量
部分
故障参数量 输出信号
图1-1
（1）测量部分
测量部分是测量被保护元件工作状态（正常工作、非正常工作或故障状态）的一个或几个物理量，并和以给的整定值进行比较，从而判断保护是否应该起动。
（2）逻辑部分
逻辑部分的作用是根据测量部分各输出量的大小、性质、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的逻辑程序工作，最后传到执行部分。
（3）执行部分
执行部分的作用是根据逻辑部分送的信号,最后完成保护装置所担负的任务。
如发出信号，跳闸或不动作等。
1.3对继电保护的要求
对电力系统继电保护的基本性能要有选择性，速动性，灵敏性，可靠性。
这些要求之间，有的相互制约，需要针对不同的使用条件，分别地进行协调。
1.3.1选择性
选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。
在要求继电保护动作有选择性的同时，还必须考虑继电保护或断路器有拒绝动作的可能性。
在复杂的高压电网中，当实现远后备保护有困难时，在每一元件上应装设单独的主保护和后备保护。
1.3.2速动性
短路时快速切除故障，可以缩小故障围，减轻短路引起的破坏程度，减小对用户工作的影响，提高电力系统的稳定性。
因此，在发生故障时，应力求保护装置能迅速动作切除故障。
由于速动性与选择性在一般情况下是矛盾的，为兼顾两者，一般允许保护带有一定的延时切除故障。
故障切除的总时间等于保护装置和断路器动作时间之和。
对于不同的电压等级和不同结构的网络，故障切除的最小时间有不同的要求。
一般对400～500KV以上的网络,约为0.02～0.04s，对220～230KV的网络为0.04～0.1s；对110KV的网络为0.1～0.7s。
对配电网络，切除短路的最小时间取决于不允许电压长时间降低的用户，一般为0.5～1.0s。
有些故障不仅要满足选择性的要求，同时要求快速切除故障，例如：
（1）为保证系统稳定性，必须快速切除高压输电线路上的故障。
（2）发电厂或重要用户的母线电压低于允许值（一般0.6倍额定电压）的故障。
（3）大容量的发电机，变压器及电动机部发生故障。
（4）1～10KV线路导线截面过小，不允许延时切除的故障。
1.3.3灵敏性
是指对保护围发生故障或不正常运行状态的反应能力。
满足要求的保护装置是在规定的保护围故障时，无论短路点的位置以及短路的类型如何，都能敏锐感觉，正确反应。
保护装置的灵敏性，通常用灵敏度系数来衡量，灵敏度系数越大，则保护的灵敏度就越高，反之就越低。
1.3.4可靠性
是指在规定的保护围发生了属于它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在其他不属于它应该动作的情况下，则不应该误动作。
保证继电保护装置能有足够的可靠性，应注意以下几点：
（1）选用质量好，结构简单，工作可靠的继电器和元件。
（2）设计接线时，力求简单，使用继电器和继电器触点最少。
（3）正确选定继电保护的整定值。
（4）对保护装置要提高安装和调整实验的质量，加强经常的维护管理。
以上四个基本要分析研究继电保护的基础，也是贯穿论文的一个基本线索。
根据被保护元件在电力系统中的地位和作用来确定具体的保护方式，以满足其相应的要求。
1.4继电保护技术的发展史
继电保护的发展是随着电力系统和自动化技术的发展而发展的。
几十年来，随着我国电力系统想高电压、大机组、现代化大电网发展，继电保护技术及其装置应用水平获得很大提高。
在20世纪50年代以前，查不独都是用电磁型的机械元件构成。
随着半导体器件的发展，陆续推广了利用整流二极管构成的整流型元件和由半导体分立元件组成的装置。
70年代以后，利用集成电路构成的装置在电力系统继电保护中得到广泛运用。
到80年代，微型机在安全自动装置和继电保护装置中逐渐应用。
随着新技术、新工艺的采用，继电保护硬件设备的可靠性、运行维护方便性也不断得到提高。
继电保护技术将达到更高的水平。
2发电机变压器组的后备保护
2.1概述
按照继电保护的配置原则，中、小型发电机、变压器只装设一套主保护，当主保护或有关断路器拒动时，应装设近后备和/或远后备保护，为被保护设备或相邻元件提供后备保护作用。
对于200～300MW及以上的发电机或发—变组，现在一般采用微机保护，其主保护将包含完全或不完全纵差、完全或不完全裂相横差，一组或二组零序电流型横差，对于任一部鼓掌具有两套或以上的主保护灵敏动作，即双重化主保护配置，因此从近后备保护来说，大型发电机或发电机—变压器组已经没有必要再装设。
特别是比较复杂的、容易误动的后备阻抗保护，更是弊多利少，因为发—变组部任一点发生短路，已有多重高速、灵敏、选择性好的差动保护，后备保护实在用不上；相反，在发—变组外部短路时，由于后备保护在选择性上不及纵差保护，易于造成误动，其结果是发—变组上装设的后备保护（特别是后备阻抗保护），误动作率极高，对机组的安全运行不利。
再者，通常装设的后备保护，其保护区比主保护大、灵敏度比主保护高，动作速度较慢，但是结合发电机和变压器的保护，其主保护为各种差动保护，后备保护（包括后备阻抗保护）在灵敏度和选择性上远不及主保护，可以说现有的各种后备保护在技术性能上“没有资格”充当后备作用。
根本原因是发电机和变压器部短路时，端口三相电流可能不大，三相电压可能不低，相应的测量阻抗就可能较大，这明显表现出主设备保护和线路保护的不同。
作为大容量发—变组的高压输电线路，电压在220KV及以上，均装有双重高频主保护，多段相间距离和接地距离保护，还有多段零序电流保护和断路器失灵保护，因此超高压输电线路没有要求发—变组提供远后备保护。
220KV及以上的母线不一定总有两套母线保护，因此发—变组有必要为这种超高压母线提供后备保护，这使大型发—变组装设后备保护的唯一必要，为此装设的后备阻抗保护应该使最简单的一段距离元件，动作圆很小，无需振荡闭锁环节。
2.2相间短路后备保护
2.2.1发电机变压器部和外部相间短路
（1）对发电机、变压器部相间短路的后备保护：
（a）发电机、变压器各自单设差动保护，再加后备总差动保护，使差动保护完全双重化，这样可以保证快速切除故障并防止相邻元件保护无选择性动作，保护装置较复杂。
（b）用反时限负序过电流保护和定子过负荷保护作为发电机和变压器的后备保护。
并利用这两种反时限保护装置兼作相间短路的后备保护，因充分发挥了反时限电流保护的作用，从而简化了保护装置。
存在不足之处，即在靠近发电机—变压器的相邻区域中发生短路故障时，延长了切除故障的时间而三相短路的动作时限较两相短路动作时限长的多。
为此可增加一套负序电流及相电流速断保护，按躲过高压母线相间短路来整定，以便在发电机—变压器组及厂用变压器引出线和主变压器低压侧短路时，快速切除故障。
这一保护可与已有反时限负序电流和相电流保护结合起来，实现比较简单。
（c）装设有电流、电压元件构成反应三相短路的后备保护装置，对不对称短路故障，仍有反时限负序过电流保护装置作为后备保护。
反应对称故障的电流，电压保护分为两段，Ⅰ段反应高压母线以的故障，按躲过高压母线三相短路的条件整定，延时取0.5s，，，Ⅱ段反应相邻元件上的三相短路，电压元件按躲过最低工作电压整定，取，动作电流按躲过最大负荷电流整定，取，其延时与相邻元件后备保护相配合。
如后备保护的动作时间超过允许值时，可采用后备接线，在相邻元件断路器拒动时，以较短延时断开发电机，变压器。
（2）对于220千伏母线及相邻线路的相间短路故障时,如采用反时限负序过电流保护及相电流保护作为后备保护,当延时过长时,为加速切除故障可采用如下方案:
（a）采用低阻抗保护设置，作为相邻元件的后备。
（b）采用带时贤的电流速段保护装置，作为相邻元件的后备。
（c）当主变为220/110千伏的二绕组变压器或自藕变压器时，220千伏侧可采用低阻抗保护或带时限的电流速断保护，但保护围不宜延伸到110千伏母线，否则要加装方向元件，而110千伏侧可采用复合电压起动的过电流保护，并与相邻线路的后备段相配合。
2.2.2对厂用变压器部及低压侧短路
厂用变压器后备保护决定于发电机、变压器组保护的配置，特别与总后备的差动保护围有关。
总后备差动保护有如下两种方案：
（1）当总差动保护围不包括厂用变压器时，即总差动保护接于厂用变压器低压侧的电流互感器上，此时厂用变压器有双重差动保护。
（2）当总差动保护围不包括厂用变压器时，总差动保护接于厂用变压器高压侧的电流互感器上，此时厂用变压器高压侧应装设过电流保护，作为厂用变压器部及其低压侧短路的后备保护。
为了有选择性地切除低压侧各分支的故障，每个分支还应单独装设过电流保护。
对以上保护方案，要求保护装置简单、可靠，尽量缩短后备动作时限。
由差动保护装置和阻抗保护装置构成的后备保护方案比较完善，但后备差动保护方案较复杂。
为了简化保护起见，可在反时限电流保护的基础上，增设负序电流速段和相电流速段保护作为部故障后备；低阻抗保护或带时限的电流速段保护作为相邻元件故障的后备保护。
2.2.3外部相间短路后备保护的特点
发电机变压器组有厂用分支时，在厂用分支上应装设单独的后备保护，在低压侧下不另设保护，而是利用发电机的外部短路保护作为后备保护。
该保护应带两段时限，以便在外部短路时，仍能保证常用负荷的供电。
对于200MW及以上的发电机变压器组，当装有双重快速保护，且在发电机侧没有带时限的后备保护时，应在变压器高压侧装设后备保护，作为相邻元件保护的后备。
2.2.4相间短路后备保护的整定计算
发电机变压器组的后备保护，也作为相邻元件的后备保护，但在不同情况下，后备保护的整定方法是不同的。
（1）发电机对于发电机双绕组变压器组，可利用发电机的后备保护作为整组的后备保护，在变压器低压侧不再装设后备保护。
如果发电机电压母线上有厂用分支时，厂用分支线上应装设单独的后备保护，而发电机的后备保护则应有两个不同的时限，以较小的时限跳开变压器高压侧的断路器，以较大的时限跳开所有的断路器和发电机的灭磁开关。
动作参数的整定计算按有关保护的整定公式计算。
动作时间的整定应与所有出线的保护中动作时限最大者相配合，即比出线保护的最大时限还大一个。
（2）发电机三绕组变压器组后备保护的配置原则及整定计算方法，与三绕组变压器的后备保护相同。
（3）对于大型发电机变压器组，为了防止发电机出口发生不对称短路时，出现较大的负序电流而使转子表面过热，多数都采用反时限特性的负序过电流保护，动作特性应满足A的条件。
但当发电机电压侧有厂用分支时，在厂用变压器部发生故障的情况下，除了发电机和变压器都分别装设差动保护外，还要装一套发电机变压器组的公用差动保护，作为后备保护。
这种公用差动保护的整定计算方法与一般的差动保护相同。
2.2.5相间短路后备保护方向元件的设置
（1）三侧有电源的三绕组升压变压器，相间故障后备保护为了满足选择性要求，在高压侧或中压侧要加功率方向元件，其方向可指向该侧母线。
方向元件的设置，有利于加速跳开小电源侧的断路器，避免小系统影响大系统。
（2）高压及中压侧有电源或三侧均有电源的三绕组降压变压器和联络变压器，相间故障后备保护为了满足选择性要求，在高压或中压侧要加功率方向元件，其方向宜指向变压器。
（3）反应相间故障的功率方向继电器，通常由两只功率方向继电器构成，接入功率方向继电器的电流和电压应按90°接线的要求。
为了消除三相短路时功率方向继电器的死区，功率方向继电器的电压回路可由另一侧电压互感器供电。
2.3单相接地保护
2.3.1接地保护的特点
对100MW以下的发电机变压器组中的发电机，应装设保护区不小于90%的定子接地保护，对100MW及以上者，发电机应装设保护区为100%的定子接地保护，发电机变压器组通常采用零序电压保护，动作于信号。
当发电机与变压器之间没有断路器时，零序电压取自发电机侧电压互感器二次绕组的开口三角形，当发电机与变压器之间有断路器时，零序电压取自变压器低压侧的电压互感器，以便当发电机回路的断路器断开且变压器低压侧发生接地短路时，保护装置仍能发出信号（图2-1）。
2.3.2单相接地保护的整定计算
（1）电机变压器组的零序电压保护的整定计算
动作电压的整定计算
发电机变压器组的高压侧为中性点非直接接地系统而发电机电压网络的中
图2—1发电机变压器组接线保护原理图
性点不接地或经消弧线圈接地时，一般在发电机电压侧装设零序电压保护并作用于信号，其动作值应满足
Udz.j﹥Ubp
不平衡电压Ubp是由电压互感器的误差和三次谐波电压而引起的,通常Ubp可达10~15V，所以取零序电压保护的动作电压Udz.j=15V。
当发电机变压器组高压侧为中性点直接接地系统，而高压侧的零序保护动作于信号时，发电机电压侧的零序电压保护动作电压Udz.j也取15V。
这种保护有15%的死区，它对大容量发电机是不完善的。
规程规定，对于100MW及以上的发电机应采用保护区不小于95%的接地保护。
（2）保护区不小于95%的接地保护这种保护装置是在零序电压保护的基础上加装三次谐波过滤器，以便减少三次谐波电压的影响，使继电器的动作值只考虑基波零序不平衡电压。
接线如图2-2所示。
动作值只按躲过正常运行时电压互感器开口侧的基波不平衡电压整定，即
Udz.j﹥Ubp
这里的Ubp为基波不平衡电压，其值较小。
通常取5~6V。
对于没有专用匝间短路保护的大容量发电机，要求及时将接地的发电机切除，可以另外加一个继电器2V，经延时动作于跳闸。
图2—2电机变压器组带三次谐波滤过器的接地保护接线图
3发电机变压器组的纵差保护
3.1纵差保护的特点
在发电机和变压器上可能发生的故障和异常运行情况，在发电机变压器组上都可能出现。
因此，发电机变压器组的保护应能反应发电机和变压器的故障和异常运行情况。
即发电机变压器组装设的保护应与发电机和变压器分别装设由保护相似，但有下面所述的特点。
（1）当发电机与变压器之间没有断路器时，对100MW及以下的发电机变压器组，为了简化保护，可只装设整组共用的纵差动保护；对100MW以上的发电机变压器组，除装设整组共用助纵差动保护外，发电机还应装设单独的差动保护；对200MW及以上的汽轮发电机变压器组，在变压器上也宜装设单独的纵差动保护，即实现双重快速保护方式。
（2）当发电机与变压器之间有断路器时，不管机组容量大小，发电机和变压器均应装设单独的纵差动保护，发电机的纵差动保护动作于发电机与变压器之间的断路器跳闸，使变压器继续运行，供给厂用电（图3-1（a））。
当厂用分支接在发电机与断路器之间时。
变压器的纵差动保护动作于变压器高、低压侧断路器跳闸，使发电机继续运行，供给厂用电（图3-1（b））。
3.2变压器纵差保护与发电机纵差保护的不同
变压器纵差保护
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