100MW发电机变压器继电保护1.docx
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100MW发电机变压器继电保护1
电力系统继电保护课程设计报告
（2012—2013学年第一学期）
题目100MW发电机组继电保护自动装置的整定计算
系别电子与电气工程系
专业电气自动化
班级
学号
姓名
指导教师黄新
完成时间2012年12月6日
评定成绩
目录
第一章绪论1
第一节继电保继电保护概述1
第二节课程设计的主要内容及基本思想2
2.1毕业设计的主要内容、功能及技术指标2
第二章短路计算3
第一节运行方式选择3
第二节线路参数计算3
2.1基准值选择3
2.2线路等值电抗计算3
2.3变压器等值电抗计算3
第三节短路计算点的选择4
3.1电网等效电路图4
3.2系统阻抗计算4
3.3d6点短路计算4
3.4d3点短路计算4
3.4整定电流选择4
第三章发变组保护配置5
第一节发电机主保护配置5
1.1发电机变压器电流互感器的选择：
5
1.2发电机纵差保护（主保护）5
1.3发电机定子匝间短路保护原理6
第二节变压器主保护配置8
2.1不完全纵差保护8
2.2变压器纵差保护与发电机纵差保护的不同9
2.3变压器纵差保护整定与灵敏度9
第四章发变组单元后备保护10
第一节阻抗保护10
1.1起动元件10
1.2阻抗元件10
1.3TV断线检测元件10
第二节转子一点接地保护11
2.1保护原理：
11
2.2保护的整定计算：
12
第三节转子两点接地保护12
3.1原理分析12
3.2定值整定12
第五章发变组单元异常运行保护配置13
第一节反时限定子绕组过负荷保护13
第二节转子绕组的过负荷保护13
第三节转子表层的过负荷保护13
第四节励磁绕组过负荷保护14
第五节失磁保护14
5.1保护原理15
5.2保护的逻辑框图16
第六节失步保护16
6.1失步保护的基本原理16
6.2失步保护逻辑框图17
第七节发电机低频保护18
7.1保护原理18
7.2保护的逻辑框图18
第八节发电机逆功率保护原理18
8.1保护原理18
8.2保护逻辑图见图19
第九节发电机起停机保护原理19
9.1构成原理及逻辑框图19
9.2保护的逻辑框图20
第十节发电机意外突加电压保护原理20
10.1保护原理20
10.2保护逻辑框图20
第十一节非全相保护21
第六章发变组非电量保护22
第一节主变轻瓦斯保护22
1.1变压器瓦斯保护的作用22
1.2变压器轻瓦斯保护的原理23
1.3轻瓦斯保护的整定23
第二节主变重瓦斯保护23
2.1变压器重瓦斯保护的原理23
2.2重瓦斯保护的整定23
第七章发变组微机保护24
1.1发电机—变压器组微机保护装置的选择24
第八章发变组配置说明24
1.1100MW汽轮发电机－变压器组保护动作行为表24
小结26
参考文献26
第一章绪论
第一节继电保继电保护概述
电力系统在运行中，由于电气设备的绝缘老化、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，最常见的短路故障是单相接地。
这些故障和不正常运行状态严重危及电力系统的安全和可靠运行，这就需要继电保护装置来反应设备的这些不正常运行状态。
所谓继电保护装置，就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：
⑴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。
⑵当系统发生不正常状态时，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。
为完成继电保护的基本任务，对于动作于断路器跳闸的继电保护装置，必须满足以下四项基本要求：
⑴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，保障其他无故障部分继续运行，以尽量缩小停电范围。
继电保护装置的选择性，是依靠采用合适类型的继电保护装置和正确选择其整定值，使各级保护相互配合而实现的。
⑵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，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。
（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K表示。
灵敏系数K越大，说明保护的灵敏度越高。
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。
⑷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
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。
护概述
第二节课程设计的主要内容及基本思想
本次设计的主要内容是一个2*200MW火力发电厂的电气二次部分设计。
在这次设计中一共分通过以下几个步骤来完成成本次的设计任务。
2.1毕业设计的主要内容、功能及技术指标
1、电厂规模与主要技术指标：
（1）装机容量:
装机2台，容量分别为2X200MW,UN=15.75KV
（2）保证供电安全、可靠、经济；
2、主要内容：
（1）确定保护配置：
根据设计任务书，分析原始资料与数据，对电厂扩建发变机组进行保护配置的选取
（2）整定计算：
选择发电机变压器的保护配置对其进行整定计算。
（3）绘制保护配置图：
根据电气主接线发变机组的保护要求，绘制保护配置图
3、原始资料
1.1发电厂及110kv电网接线图
（1）各变电站、发电厂的操作直流电源电压U=220V；
（2）发电厂最大发电容量2×25+50=100MW，最小发电容量为50MW，正常运行方式为发电厂发电容量最大，即100MW；
（3）线路X1=0.4Ω/km,X0=0.4Ω/km；
（4）变压器均为YN，D11，110±2.5%/10.5KV,UK=10.5%；
（5）△t=0.5S,负荷侧后备保护动作时间tdz=1.5S,允许的最大故障切除时间为0.85S，变压器和母线均配置有差动保护；
（6）发电厂升压变中性点直接接地，其他变压器不接地；
（7）110KV断路器跳闸时间为0.07S，
（8）线路AC、BC、AB、CD的最大负荷电流分别为：
230、150、230、140A，负荷自启动系数Kss=1.5；
第二章短路计算
第一节运行方式选择
电力系统运行方式的变化，直接影响保护的性能。
因此，在对继电保护进行整定计弊之前，首先应该分析运行方式。
这里要着重说明继电保护的最大运行方式是指电网在某种连接情况下通过保护的电流值最大，继电保护的最小运行方式是指电网在某种连接情况下通过保护的电流值最小。
因此，系统的最大运行方式不一定就是保护的最大运行方式；系统的最小运行方式也不一定就是保护的最小运行方式。
由原始资料得发电厂最大发电容量2×25+50=100MW，最小发电容量为50MW，正常运行方式为发电厂发电容量最大，即G1G2G3同时并列运行；所以该发电机组运行方式为最大运行方式，短路计算以此为依据。
第二节线路参数计算
2.1基准值选择
基准功率：
SB=100MV·A，基准电压：
VB=115V。
基准电流：
IB=SB/1.732VB=100×103/1.732×115=0.502KA；基准电抗：
ZB=VB/1.732IB=115×103/1.732×502=132.25Ω；电压标幺值：
E=E
（2）=1.05
2.2线路等值电抗计算
（1）线路L1等值电抗计算
正序以及负序电抗：
XL1=X1L1=0.4×60=24Ω
XL1*=XL1/ZB=24/132.25=0.1814
零序电抗：
XL10=X0L1=3X1L1=3×0.4×60=72Ω
XL10*=XL10/ZB=72/132.25=0.5444
（2）线路L3等值电抗计算
正序以及负序电抗：
XL3=X1L3=0.4×90=36Ω
XL3*=XL3/ZB=36/132.25=0.2722
零序电抗：
XL30=X0L3=3X1L3=3×0.4×90=108Ω
XL30*=XL30/ZB=108/132.25=0.8166
2.3变压器等值电抗计算
（1）变压器T1、T2等值电抗计算
XT1=XT2=（UK%/100）×（VN2×103/SN）≈40.333Ω
XT1*=XT2*=XT1/ZB=40.333/132.25=0.3050
（2）变压器T3等值电抗计算
XT3=（UK%/100）×（VN2×103/SN）≈21.175Ω
XT3*=XT3/ZB=21.175/132.25=0.1601
第三节短路计算点的选择
3.1电网等效电路图
由于短路电流计算是电网继电保护配置设计的基础,因此分别考虑最大运行方式（三台发电机全部投入,系统环网取开网运行）时各线路未端短路的情况,最小运行方下（三台中最小的一台投入,系统按环网计算）时各线路未端短路的情况。
电网等效电路图如图3.1所示
图3-1电网等效电路图
由于本设计只考虑E母线和F母线之前的部分，所以短路计算只选择d6和d3，这样能保证流过母线A的电流为最大短路电流
3.2系统阻抗计算
Zs.max=（G1+T1）||（G2+T2）||（G3+T3）
=（0.4224+0.3050）||（0.4224+0.3050）||（0.2064+0.1601）
=0.1825
3.3d6点短路计算
正序短路电流
其中：
Xff6=Zs.max+XL3=0.1825+0.2722=0.4547
Id6·max*=E/Xff7=1.05/0.4547≈2.3092
Id6·max=Id6·max*IB=2.3092×0.502≈1.1592KA
3.4d3点短路计算
（1）最大运行方式正序短路电流
Xff3=Zs.max+XL1=0.1825+0.1814=0.3639
Id3·max*=E/Xff3=1.05/0.3639≈2.8463
Id3·max=Id3·max*IB=2.8463×0.502≈1.4288KA
3.4整定电流选择
由3.3和3.4分别算出各路短路电流，由于Id6·max
第三章发变组保护配置
第一节发电机主保护配置
1.1发电机变压器电流互感器的选择：
G1G2发电机一次侧额定电流：
IN=Sn/Un=25000/10.5=2380.9（A）；
电流互感器计算变比：
NL=2380.9×1.1/5=2618/5；
选用标准变比：
2500/5=300；
G3发电机一次侧额定电流：
IN=Sn/Un=50000/10.5=4761.9（A）
电流互感器计算变比为：
NL=4761.9/5；
选用标准变比：
5000/5；
电流互感器的型号选择为：
LMZJ1-0.5
继电器选用BHC-2型差动型继电器
1.2发电机纵差保护（主保护）
发电机相间短路的纵联差动保护（简称发电机纵差保护）是用于发电机定子绕组及其引出线相间短路故障的主保护，其基本原理与变压器纵差保护的原理相似，按照比较发电机机端侧与中性点侧电流大小和相位的原理构成。
而由于发电机结构的特殊性，发电机纵差保护根据获取电流方式不同，其接线方式有完全纵差保护和不完全纵差保护两种。
（一）发电机完全纵差保护（比率制动式）
比率制动式差动保护是发电机内部相间短路故障的主保护。
（1）保护原理
差动动作方程如下：
时
式中：
Id为差动电流，Id.min为启动电流，Ires为制动电流，Ires.min为拐点电流，K为比率制动特性的斜率。
各侧电流的方向都以指向发电机为正方向，见图4-1-1-1。
差动电流：
制动电流：
式中：
，
分别为机端、中性点电流互感器（TA）二次侧的电流，TA的极性见下图所示：
电流极性接线示意图
（根据工程需要，也可将TA极性端均定义为靠近发电机侧）
（2）TA断线判别
当任一相差动电流大于0.15倍的额定电流时启动TA断线判别程序，满足下列条件认为TA断线:
a.本侧三相电流中至少一相电流为零
b.本侧三相电流中至少一相电流不变；
c.最大相电流小于1.2倍的额定电流。
（二）发电机纵差保护整定与灵敏度
（1）起动电流的整定
Id.min=Krel（Ierl+Ier2）
通常取0.3Ign
（2）拐点电流的整定。
Ires.min=（0.5~1.0）Ign
（3）比率制动特性的制动系数Kres和制动斜率K的整定
Kres=Iunb.max/Ik.max
而制动斜率可表示为
K=Iunb.max-Id.min/Ik.max-Ires.min
Kres一般取0.26~0.45
1.3发电机定子匝间短路保护原理
发电机定子匝间短路保护原理，主要有发电机纵向零序过电压及故障分量负序方向型匝间保护，不仅作为发电机内部匝间短路的主保护，还可作为发电机内部相间短路及定子绕组开焊的保护；故障分量负序方向（ΔP2）保护应装在发电机端，不仅可作为发电机内部匝间短路的主保护，还可作为发电机内部相间短路及定子绕组开焊的保护；高灵敏零序电流型横差保护，作为发电机内部匝间、相间短路及定子绕组开焊的主保护。
发电机横差保护，是发电机定子绕组匝间短路（同分支匝间短路及同相不同分支之间的匝间短路）、线棒开焊的主保护，也能保护定子绕组相间短路。
单元件横差保护，适用于每相定子绕组为多分支，且有两个或两个以上中性点引出的发电机。
（1）构成原理
发电机单元件横差保护的输入电流，为发电机两个中性点连线上的TA二次电流。
以定子绕组每相两分支的发电机为例，其交流输入回路示意图如下所示：
理想发电机正常时中性点连线上不会有电流产生，实际上发电机不同中性点之间从在不平衡电流，原因如下:
（1）定子同向而不同分支的绕组参数不完全相同，致使两端的电动势及支路电流有差异。
（2）发电机定子气息磁场不完全均匀，在不同定子绕组中产生的感应电动势不同。
（3）转自偏心，在不同的定子绕组中产生不同电动势。
（4）存在三次谐波。
因此单原件纵差保护动作电流必须克服这些不平衡，整定式为：
额定工况下，同相不同分支绕组由于绕组之间参数的差异产生的不平衡电流，由于是三相之和，一般可取
磁场气隙不平衡产生的不平衡电流，一般可取
转自偏心产生的不平衡电流，一般取
可靠系数，取1.2—1.5
把各系数代入得
第二节变压器主保护配置
2.1不完全纵差保护
不完全纵差保护是变压器（或发电机）内部故障的主保护，既能反映发电机（或发变组）内部各种相间短路，也能反映匝间短路和分支绕组的开焊故障。
不完全纵差保护可作为变压器纵差保护，当用于发变组不完全纵差保护时，应增设防涌流误动的二次谐波闭锁判据。
（1）保护原理
差动动作方程如下：
（
时）
（
时）
式中：
Iop为差动电流，Iop.0为差动最小动作电流整定值，Ires为制动电流，Ires.0为最小制动电流整定值，S为比率制动特性的斜率。
各侧电流的方向都以指向发电机为正方向。
差动电流：
制动电流：
式中：
IT，IN分别为机端，中性点电流，Kfz为分支平衡系数。
（2）TA断线判别
当任一相差动电流大于0.15倍的额定电流时启动TA断线判别程序，满足下列条件认为TA断线:
a.本侧三相电流中至少一相电流为零
b.本侧三相电流中至少一相电流不变；
c.最大相电流小于1.2倍的额定电流。
（3）发电机全纵差保护原理接线图如下所示
（a）中性点侧引出6个端子（b）中性点侧引出4个端子
2.2变压器纵差保护与发电机纵差保护的不同
变压器纵差保护与发电机纵差保护一样，也可采用比率制动方式或标积制动方式达到外部短路不误动和内部短路灵敏动作的目的。
但是变压器纵差保护的最大制动系数比发电机的大，灵敏度相对较低。
1）变压器各侧额定电压和额定电流各不相等，因此各侧电流互感器的型号一定不同，而且各侧三相连接方式不尽相同，所以各侧相电流的相位也可能不一致，这将使外部短路时不平衡电流增大，所以变压器纵差保护的最大侧制动系数比发电机的大，灵敏度相对较低。
2）变压器高压绕组常有调压分接头，有的还要求带负荷调节使变压器纵差保护已调整平衡的二次电流又被破坏，不平衡电流增大，这将使变压器纵差保护的最小动作电流和制动系数都要相应加大。
3）对于定子绕组的匝间短路。
发电机纵差保护完全没有作用。
变压器各侧绕组的匝间短路，通过变压器铁芯磁路的耦合，改变了各侧电流大小和相位，使变压器纵差保护对匝间短路有作用（匝间短路可视为变压器的一个新绕组）。
4）无论变压器绕组还是发电机定子绕组的开焊故障，它们的完全纵差保护均不能动作，但变压器可依靠瓦斯保护或压力保护。
5）变压器纵差保护范围除包括各侧绕组外，还包含变压器的铁芯，即变压器纵差保护不仅有电路还有磁路，这就违反了纵差保护的理论基础——基尔霍夫电流定律。
2.3变压器纵差保护整定与灵敏度
1.1纵差保护动作电流的整定原则
（1）躲过外部短路时的最大不平衡电流，整定式为：
Iset=KrelIunb.max
（2）躲过变压器最大励磁涌流，整定式为：
Iset=KrelKuIn
（3）躲过电流互感器二次回路断线引起的差电流
Iset=Krel*I1.max
1.2纵差保护动作灵敏度校验
纵差保护灵敏系数校验式为：
Ksen=Ik.min.r/Iset
第四章发变组单元后备保护
第一节阻抗保护
对于升压变压器或系统联络变压器，当采用复合电压起动的过电流保护和负序电流及单项式低电压起动的过电流保护时不能满足灵敏性和选择性要求时，可采用阻抗保护。
变压器阻抗保护通常作为330KV及以上大型变压器相间短路的后备保护，由起动元件、相间阻抗测量元件、时间元件、TV断线检测元件等组成。
当阻抗保护的起动元件和阻抗元件均动作、阻抗保护的压板投入、TV断线检测元件不动作，且经过预定的延时后，保护动作与跳闸。
1.1起动元件
起动元件由由相电流差突变量起动元件和负序电流起动元件两部分组成，相电流差突变量起动反应对称短路故障，负序电流起动元件反应不对称短路故障。
起动元件动作判据为：
△i_φ≥I_set或I_2>I_（set,2）
式中：
△i_φ为相电流突变量；I_2为负序电流；I_set、I_（set,2）分别为相电流突变量起动元件和负序电流起动元件的动作整定值，通常均取电流互感器二次额定电流的0.2倍。
1.2阻抗元件
阻抗元件时变压器阻抗保护的测量元件，用于测量相间短路阻抗值，构成变压器相间短路的后备保护。
阻抗元件采用0^0接线方式，其动作特性可根据需要整定为全阻抗圆特性或偏移阻抗圆特性，动作的正方向可以指向变压器，也可以指向母线，由保护的控制字控制。
1.3TV断线检测元件
TV断线检测元件的作用是防止TV断线时，变压器阻抗保护误动作。
当该元件检测到TV二次回路断线时，将阻抗保护闭锁，并发出告警信息。
图4-1保护逻辑图
第二节转子一点接地保护
发电机正常运行时，转子回路对地之间有一定的绝缘电容和分布电阻。
当转子回路发生一点接地故障时，由于没有形成电流回路，对发电机运行没有直接影响；一旦发电机发生转子两点接地后，励磁绕组将形成短路，使转子磁场畸变，引起机体强烈震动，严重损坏发电机。
因此，有关规程要求发电机必须装有转子回路一点接地保护，动作于信号；装设转子回路两点接地保护，动作于跳闸。
2.1保护原理：
切换采样式转子一点接地保护采用开关切换采样原理，通过求解两个不同的接地回路方程，实时计算转子接地电阻和接地位置。
当设S1闭合，S2断开时，在
上测得电压
；当S2闭合，S1断开时，在
上测得电压
。
，则：
正常运行时：
4个电阻R对称，
，
，
；转子一点接地时，
当接地电阻小于
或等于接地电阻整定值
时，经延时发信号。
2.2保护的整定计算：
保护的接地电阻整定值取决于正常运行时转子回路的绝缘水平。
当接地电阻的高整定值整定为10K
时，延时（4～10s）东方工作于发信号；当接地电阻低整定值整定为10K
时，延时（1～4s）动作与跳闸。
3.保护逻辑框图：
第三节转子两点接地保护
当发电机发生励磁绕组两点接地时，故障电流过的短路电流数值很大，会烧坏转子；当部分转子被短接，励磁绕组电流增加，转子有可能因过热而损坏；部分绕组被短接时气隙磁通失去平衡，会引起机组剧烈振动，可能因此造成灾难性破坏；转子两点接地短路时还会使轴系和汽机磁化。
因此对于发电机很有必要装设转子两点接地保护。
3.1原理分析
转子两点接地保护共享转子一点接地时测得接地位置
的数据。
所以，在一点接地故障后，保护装置继续测量接地电阻的位置，若再发生转子一点接地故障，则以测得的
值将变化。
当其变化值
超过整定值时，保护装置就认为已发生转子两点接地故障，发电机应立即停机。
3.2定值整定
式中
——转子连点接地时位置变化的整定值
接地位置变化动作值一般可以整定为（5%～10%）
（
为发电机励磁电压）；动作时限避开瞬时出现的两点接地故障整定，一般为0.5～1.0s。
第五章发变组单元异常运行保护配置
第一节反时限定子绕组过负荷保护
对于非直吹冷却方式的中小型发电机定子绕组的过负荷保护，采用单相式定时限电流保护，经延时动作与信号。
保护的电流按在发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定，即：
式中
——发电机额定电流
——可靠系数，取1.5
—
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