300MW发电机变压器组保护设计.docx
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300MW发电机变压器组保护设计
分类号
郑州电力高等专科学校
毕业设计（论文）
题 目发电机变压器组保护设计
并列英文题目 Generator-transformerunitdesignofprotection
系 部 电力工程系 专业发电厂及电力系统
姓 名班级
指导教师 职称
论文报告提交日期 2011年6月2号
郑州电力高等专科学校
摘要
随着电力工业的迅速发展，我国发电机、变压器单机容量不断增大，电力系统正朝着“大机组、超高压、大电网”的方向发展。
为保证整个电力系统的安全经济运行，我们应对电厂配置可靠性、灵敏性、选择性和速动性都很好的保护装置。
本文主要对300MW汽轮发电机-变压器组的继电保护设计进行了系统的阐述.主要内容包括大型发电机和变压器的故障、异常运行及其保护方式的阐述；大型发电机变压器组的特点及对继电保护的要求；大型发电机-变压器组继电保护的特点及配置原则以及对300MW汽轮发电机-变压器组继电保护总体配置情况的介绍和微机保护装置的选择；并且主要叙述了发电机-变压器组配置的部分保护的原理和相应的逻辑框图。
最后简单介绍了一下微机保护装置的配置。
关键字：
发电机变压器组继电保护微机保护
Abstract
Withtherapiddevelopmentofpowerindustry,China'spowergenerators,increasingthecapacityofasingletransformer,thepowersystemismovinginthe"bigunits,ultra-highpressure,largepowergrid"direction.Inordertoensurethesafetyoftheentirepowersystemeconomicoperation,weshouldplantconfigurationreliability,sensitivity,selectivityandtheliquidareoftheprotectiondevice.Toachievetheoptimalconfigurationshouldalsobetakenfullyintoaccountthecharacteristicsoflarge-scalepowerplants.
Inthispaper,onthe300MWturbo-generator-transformerunitdesignoftherelaysystemdescribed，whichincludeslarge-scalegeneratorsandtransformerfailure,abnormaloperationandtheprotectionoftheway;thecharacteristicsoflarge-scalegeneratingunitsandrelayrequirements;largegenerator-transformerunitcharacteristicsandconfigurationofrelayprotectionprinciplesaswellasthe300MWturbo-generator-transformerunittheoverallconfigurationofrelayprotectionoftheintroductionandthechoiceofmicroprocessor-basedprotectiondevices;andthemaingeneratordescribed-Transformerpartoftheprotectiongroupconfigurationoftheprincipleandthecorrespondinglogicdiagram.Finally,abriefintroductionabouttheconfigurationofmicroprocessor-basedprotectiondevices.
Keyword：
turbo-generator-transformerunitrelayprotectionmicroprocessor-basedprotection
前言
第一章发变组保护配置概述………………………………1
第一节大型发电机-变压器组的特点………………………1
第二节300MW发电机-变压器组继电保护特点……………1
第二章发电机-变压器组故障及保护配置原则………2
第一节发电机-变压器组故障及异常运行状况……………2
一变压器的故障类型及不正常运行状态
二发电机故障类型及不正常运行状态
第二节发电机-变压器组各保护作用及配置原则…………4
第三章300MW发电机-变压器组的保护配置…………10
第一节300MW发电机-变压器组保护配置及动作行为……10
第二节300MW发电机-变压器组主接线……………………11
第四章变压器保护原理…………………………………17
第一节变压器主保护………………………………………17
一变压器纵联差动保护
二发电机-变压器组大纵差保护
三瓦斯保护
第二节变压器后备保护……………………………………24
一主变压器接地保护
二阻抗保护
三过激磁保护
四变压器的过负荷保护
第三节其他保护…………………………………………29
一高压断路器非全相运行保护
二高压断路器断口闪络保护
三高压断路器失灵保护
第五章微机保护装置的配置……………………………32
第一节微机型变压器保护装置配置原则…………………32
第二节300MW级火电机组保护组屏图……………………32
结束语…………………………………………………………34
参考文献………………………………………………………35
前言
毕业设计是大学生涯中的一个重要环节，其目的主要是对我们在校三年所学的专业理论知识的一个总结，同时又提高了我们的自学能力。
毕业设计使我们对实际的工程设计有了初步的了解，对所学的知识有了全面系统的认识。
更重要是提高了我们独立地分析和解决问题的能力。
本设计题目是《发电机变压器组保护设计》，其主要内容包括大型发电机和变压器的故障、异常运行状态及其保护的阐述；大型发电机-变压器组的特点及对继电保护的要求；大型发电机-变压器组继电保护的特点及配置原则以及对300MW汽轮发电机-变压器组继电保护总体配置情况的介绍和微机保护装置的选择；并主要叙述了变压器配置的各个保护的原理。
在本次设计过程中，杨晓敏老师给了我很大的帮助，在她精心的辅导下，我顺利地完成了毕业设计的任务。
在此，我对杨晓敏老师表示由衷的感谢。
另外，我也要感谢各位同学们对我的帮助。
由于我的水平有限，时间仓促，书写中难免存在错误，敬请各位老师给予指正。
张鹏
2011-5-27
第一章发变组保护配置概述
第一节大型发电机-变压器组的特点
本次设计我选择为300MW发电机-变压器组配置保护。
目的是通过本次设计，进一步加深对所学知识的理解，明确保护与保护之间的配合问题。
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。
且大机组在电力系统内占有重要地位，特别是单机容量占系统容量比例很大的情况下，大机组的突然切除，会对电力系统造成很大的扰动。
因此，非必需的情况下，应最大限度地保证机组安全和缩小故障破坏范围，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，这就对继电保护提出了更高的要求，所以在配置继电保护和自动装置时，要充分考虑各方面的因素，力求保证继电保护和自动装置的准确性、可靠性、灵敏性。
第二节300MW发电机-变压器组继电保护特点
300MW发电机组造价昂贵，结构复杂，一旦发生故障，其检修难度大，时间长，将造成较大的经济损失。
因此，在考虑300MW机组继电保护的总体配置时，应最大限度地保证机组安全和缩小故障破坏范围，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，这样不仅要求有足够的的可靠性、灵敏性、选择性和快速性，还要求继电保护在总体配置上尽量做到完善、合理，避免繁琐、复杂。
300MW机组保护装置可分为短路保护和异常运行保护两类。
短路保护是用以反应被保护区域内发生的各种类型的短路故障，为了防止保护拒动或断路器拒动，设主保护和后备保护；异常运行保护是用以反应各种可能给机组造成危害的异常工况，不设后备保护。
为了满足电力系统稳定方面的要求，对于300MW发电机-变压器组故障要求快速切除。
为了确保快速正确切除故障，要求对300MW发电机-变压器组设置双重快速保护。
根据各保护装置所控制的对象，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，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：
对双母线系统，断开母线联络断路器，缩小故障波及范围。
第二章发电机-变压器组故障及保护配置原则
第一节发电机-变压器组故障及异常运行状况
一变压器的故障类型及不正常运行状态：
1变压器的故障类型
各相绕组之间的相间短路
油箱内部故障单相绕组部分线匝之间的匝间短路
单相绕组或引出线通过外壳发生的单相接地故障
引出线的相间短路
油箱外部故障绝缘套管闪烁或引出线损坏通过外壳发生的单相接地短路
2变压器不正常工作状态：
外部短路或过负荷过电流和中性点过电压
油箱漏油油面降低
外加电压过高或频率降低过励磁等
二发电机故障类型及不正常运行状态
1发电机故障类型:
①定子绕组相间短路：
危害最大。
②定子绕组匝间短路：
可能发展为单相接地短路和相间短路。
③定子绕组单相接地：
较常见，可造成铁芯烧损或局部融化。
④转子绕组一点接地和两点接地：
一点接地时危害不严重；两点接地时，因破坏了转子磁通的平衡，可能引起发电机的强烈震动或将转子绕组烧损危害严重。
2不正常运行状态:
①由于外部短路引起的定子绕组过电流：
温度升高，绝缘老化。
②由于负荷等超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷：
温度升高，绝缘老化。
③由于外部不对称短路或不对称负荷而引起的发电机负序过电流和过负荷：
在转子中感应出100HZ的倍频电流，可使转子局部灼伤或使护环受热松脱，而导致发电机重大事故。
此外，还会引起发电机的100HZ的振动。
④由于突然甩负荷引起的定子绕组过电压：
调速系统惯性较大的发电机，在突然甩负荷时，可能出现过电压，造成发电机绕组绝缘击穿。
⑤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。
⑥由于汽轮机主气门突然关闭而引起的发电机逆功率：
当锅炉保护动作或调速控制回路故障以及某些人为因素造成发电机变为电动机运行时，发电机将从系统吸收有功功率，即逆功率。
⑦转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失：
从系统吸收无功功率，造成失步，从而引起系统电压下降，甚至可使系统崩溃。
第二节发电机－变压器组各保护作用及配置原则
一变压器各保护的作用与配置原则：
⑴瓦斯保护：
反应变压器油箱内部气体量的多少和油流速度而动作的保护，保护变压器油箱内各种短路故障，特别是对绕组的相间短路和匝间短路。
并且是变压器铁芯烧损的唯一保护方式。
配置原则：
800KVA及以上的油浸式变压器应装设瓦斯保护，重瓦斯保护动作于跳开变压器各电源侧断路器，轻瓦斯保护动作于发出信号。
⑵变压器的纵联差动保护：
纵联差动保护（简称纵差保护）不但可以正确区分内、外的短路，而且能瞬时切除保护区域内的故障。
因此，变压器纵差保护是变压器的主保护之一。
另对300MW及以上的汽轮发电机-变压器组，应实现保护双重化，需要设置发电机-变压器组大纵差保护，配合变压器纵差保护。
配置原则：
6300KVA及以上并列运行的变压器，10000KVA及以上单独运行的变压器，应装设纵差保护。
对于2000KVA以上的变压器，当电流速断保护灵敏度不能满足要求时，也应装设纵差保护。
⑶变压器后备保护
①负序电流及单相式低压起动的过电流保护：
对于大容量的发电机变压器组，由于额定电流大，电流元件往往不能满足远后备灵敏度的要求，负序电流反应两相短路和单项式低电压启动的过电流保护反应三相短路。
负序电流保护灵敏度较高，且在星、三角接线的变压器另一侧发生不对称短路故障时，灵敏度不受影响，接线也较简单。
配置原则：
一般用于63MW以上升压变压器或系统联络变压器。
②复合电压启动的过电流保护：
通过比较复合电压，相间功率方向，电流大小，经一定延时后动作于跳闸。
配置原则：
一般用于升压变压器及过电流保护灵敏度不满足要求的降压变压器。
③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。
配置原则：
通常作为330KV及以上大型变压器相间短路的后备保护。
⑷变压器的过负荷保护：
过负荷保护反应变压器对称过负荷引起的过电流。
微机保护随机选取一相电流，与保护整定值比较，大于整定值经延时动作于信号。
配置原则：
对400KVA以上的变压器，当数台并列运行或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况，装设过负荷保护。
过负荷保护的安装侧，应根据保护能反应变压器各侧绕组可能过负荷情况来选择，对双绕组升压变压器，装于发电机电压侧。
⑸变压器接地保护：
电力系统中，接地故障常常是故障的主要形式，因此，大电流接地系统中的变压器，一般要求在变压器上装设接地（零序）保护。
作为变压器本身主保护的后备保护和相邻元件接地短路的后备保护。
配置原则：
300MW机组采用中性点可能接地运行也可能不接地运行方式。
因此中性点接地运行方式时采用两段式零序过电流保护，而中性点不接地运行方式时采用放电间隙零序过电流及零序过电压保护，作为中性点经放电间隙接地的变压器接地短路的保护。
⑹过激磁保护：
为降低材料消耗，现代大型变压器铁芯一般都用新型电工硅钢片制成，其额定磁密近于饱和磁密，过电压或低频率时容易引起过激磁，因此应装设过激磁保护。
配置原则：
一般用于500kVA及以上的大容量变压器。
二发电机各保护的作用及配置原则
⑴发电机纵联差动保护：
我选用比率制动式发电机纵差保护，发电机中性点引出6个端子。
按照比较发电机机端与中性点侧电流大小和相位的原理，反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路，是发电机的主要保护。
配置原则：
容量在1MW以上的发电机应装设纵联差动保护。
⑵发电机匝间短路的横差保护：
反应匝间短路情况。
对我已选择的发电机，定子绕组为双Y接线且中性点引出6个端子。
配置原则：
对定子绕组为星形联接，每相有并联分支且中性点引出6个端子的发电机，应装设单元件式横差保护。
⑶发电机100%定子绕组单相接地保护：
我选用的100%定子绕组接地保护使用的是利用三次谐波电压构成的100%定子绕组接地保护。
该保护保护一般由两部分组成：
一部分是零序电压保护，保护定子绕组的85%以上；另一部分利用发电机三次谐波电压构成，反应距中性点25%左右范围的定子接地故障，两部分保护区有一段重叠，它用来消除零序电压保护的死区，从而实现保护100%定子绕组的接地保护。
配置原则：
对100MW及以上的发电机，应装设保护区为100%的定子接地保护。
⑷发电机的负序过流保护：
对于大型发电机，由于定子和转子的材料利用率很高，其热量和铜损的比值较小，因而热容量常数较小。
保护由两部分组成，即两段定时限过负荷和反时限过流保护组成。
定时限动作于信号，反时限动作于跳闸。
配置原则：
为了充分利用发电机的过载能力而又不致受过负荷危害，需装设负序反时限过流保护。
⑸发电机的失磁保护：
失磁后，若不失步，无直接危害。
失步后，对发电机及系统有不利影响，故应装设专门的失磁保护。
配置原则：
100MW以下失磁对电力系统有重大影响的发电机和100MW以上的发电机，应装设专用的失磁保护。
⑹转子绕组接地保护：
转子绕组接地故障破坏了气隙磁通的对称性，引起发电机剧烈振动；部分绕组中将由于过电流而过热，烧坏转子，也可能使转子、汽轮机的汽缸等部件磁化；高速旋转的转子由于其励磁电流分布不均，从而和定子三相电流形成不对称电磁力，使转子发生机械损坏。
因此要装设转子绕组接地保护。
配置原则：
汽轮发电机装设励磁回路一点接地保护及两点接地保护当一点接地时动作于信号；若又发生两点接地时，保护动作于停机。
⑺发电机相间短路后备保护
①负序电流元件和单相式低电压启动的过电流保护：
负序电流元件用来反应不对称故障；单相式低电压启动的过电流保护主要反映对称故障。
配置原则：
50MW以上发电机和63MVA及以上升压变压器。
②阻抗保护：
作为发电机相间短路故障后备保护。
配置原则：
200MW及以上的发电机应装设负序过电流保护和单元件低电压起动的过电流保护，当灵敏度不满足要求时，可采用阻抗保护。
⑻同步发电机失步保护、逆功率保护、低频保护
①发电机失步保护：
当电力系统发生诸如负荷突变、短路等破坏能量平衡的事故时，引起不稳定振荡，使一台或多台同步电机失去同步，进而使电网中两个或更多的部分不再运行于同步状态。
因此也要装设失步保护。
配置原则：
对大型发电机（特别是汽轮发电机），必须有相应的失步保护。
②发电机逆功率保护：
逆功率运行对发电机并无直接危害，但残留在汽轮机尾部的蒸汽与长叶片摩擦，会使叶片过热。
为防止发电机处于逆功率运行，必须装设逆功率保护。
配置原则：
我国目前要求在200MW及以上汽轮发电机组上装设逆功率保护。
③发电机低频保护：
接近叶片自振频率时，将导致共振，使材料疲劳，材料的疲劳是一个不可逆的积累过程，若达到材料所不允许的限度时，叶片就有可能断裂，造成严重事故，因此要装设低频保护。
配置原则：
对于300MW及以上机组应装设低频保护。
⑼同步发电机异常工况保护
①发电机过励磁保护：
发生过励磁故障时，铁芯工作磁密升高导致饱和，漏磁场增加，漏磁通引起涡流损耗增加，有可能导致设备绝缘损坏，因此要装设过励磁保护。
配置原则：
在100MW及以上，采用半导体励磁系统的发电机上，应装设励磁加回路过负荷保护，对300MW及上发电机，保护由定时限和反时限两部分组成。
②发电机过电压保护：
若发电机在满负荷下突然甩去全部负荷，由于调速系统和自动励磁调节装置有一定惯性，转速将上升，励磁电流不能突变，发电机电压在较短时间内升高，其值可能达到1.3～1.5倍额定电压，持续时间可能达到几秒。
配置原则：
200MW及以上汽轮发电机宜装设过电压保护，动作于解列灭磁。
③过负荷保护：
对过负荷引起的发电机定子绕组过电流，应装设定子绕组过负荷保护。
配置原则：
对100MW及以上A<10的发电机，应装设由定时时限和反时时限两部分组成的转子表层过负荷保护。
④发电机误上电保护：
由开机→合磁场开关，由于无励磁，发电机不可能进行并网操作，因此只要发电机断路器合闸和定子有电流，则必然为误上电，因此要装设误上电保护。
配置原则：
容量在600MW及以上的发电机组，要求装设误上电保护。
误上电保护在发电机并网后自动退出运行，解列后自动投入运行。
⑤断路器闪络保护：
断路器闪络会造成断路器损坏，对发电机产生冲击转矩和负序电流，对机组安全不利，可能引发事故扩大，影响系统的稳定运行。
因此要装设断路器闪络保护。
配置原则：
适用于300MW发电机-变压器组。
⑥发电机启停机保护：
发电机起动和停机的过程中，配置反应相间短路的保护和定子接地的保护。
由于发电机启停机过程中定子电压频率很低，因此保护采用不受频率影响的算法。
通常配置基波零序电压式定子接地保护。
启停机保护在发电机并网后自动退出运行，解列后自动投入运行。
配置原则：
300MW大型发电机组应配置此保护。
⑦失磁保护：
发电机励磁系统故障使励磁降低或全部失磁，从而导致发电机与系统失步，对机组本身及电力系统的安全造成重大危害。
因此要装设失磁保护。
配置原则：
对电力系统有重大影响的发电机及100MW及以上的发电机，应装设专用的失磁保护。
三其他保护
⑴非全相运行保护：
变压器220KV及以上高压侧的断路器，多为分相操作的断路器，常由于误操作或机械方面的原因，使三相不能同时合闸或跳闸，或在正常运行中突然一相跳闸。
运行经验证明：
220KV电压等级的分相操作断路器，发生非全相运行的情况是多见的，并在某些联系薄弱的电力系统中造成稳定破坏事故。
因此，非全相运行保护得到普遍应用。
配置原则：
对于在系统中占有重要地位的电力变压器，220KV及以上电压侧分相操作的断路器，当非全相运行可能引起电力系统中其它保护越级跳闸，造成严重故障时，要求装设非全相运行保护。
⑵断路器失灵保护：
断路器失灵保护指发变组发生内部故障，保护动作于全停，而出口开关拒跳设置的保护。
配置原则：
在现代高压和超高压电网中，断路器失灵保护作为一种近后备保护方式普遍采用。
⑶高压断路器断口闪落保护：
断口闪络不仅造成断路器损坏，还将对发电机产生冲击转矩和负序电流，对机组安全不利。
为尽快清除闪络故障，应在大机组上装设断口闪络保护。
⑷还包括有：
压力释放保护、绕组温度保护、油温和油位保护，发电机的断水保护等，而每一种非电量保护对于发电机-变压器组都是缺一不可的，若不重视非电量故障，让它发展的话，那么对于发电机和变压器将是致命的危害，甚至危及电力系统的稳定运行。
所以，要做好非电量的保护工作。
第三章300MW发电机－变压器组的保护配置
第一节300MW发电机-变压器组保护配置及动作行为
根据第二章所述各保护的作用及配置原则，我对300MW发电机-变压器组进行了保护配置及其动作行为的选定。
如下表所示：
序号
保护装置名称
保护动作行为
说明
停机
程序
跳闸
信号
增减出力
增减励磁
1
发电机不完全纵差保护
√
2
主变压器差动保护
√
3
发变组不完全纵差保护
√
4
变压器瓦斯保护
√
轻瓦斯动作于信号重瓦斯动作于跳闸
5
发电机定子匝间短路保护
√
6
发电机定子100%接地短路保护
√
7
发电机转子一点接地保护
√
必要时动作于程序跳闸
8
发电机转子两点接地保护
√
9
发电机定子对称过负荷保护
定时限
√
√
反时限
√
10
发电机定子不对称过负荷保护
定时限
√
反时限
√
11
发电机转子过负荷保护
定时限
√
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