发电机变压器继电保护设计.docx

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发电机变压器继电保护设计

发

电

机

变

压

器

组

继

电

保

护

设

计

第1章

电力系统继电保护的设计与配置是否合理会直接影响到电力系统的安全运行，所以必须合理地选择保护配置和进行正确的整定计算。

本次设计要求为2×300MW发电机－变压器组配置继电保护和自动装置，目的为通过本次设计，进一步加深对所学知识的理解，以及理解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。

例：

一台300MW汽轮发电机，因励磁回路两点接地使大轴和汽缸磁化，为退磁停机一个月以上，姑且不论检修费用和对国民经济造成的间接损失，仅电能损耗就近千万元，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很大比例的情况下，大机组的突然切除，会对电力系统造成很大的扰动。

另外，大型汽轮发电机的起停特别费时、费钱，以停机7～8小时的热起动为例：

300MW发电机组就得需要7小时。

因此，非必需的情况下，不要使大型发电机组频繁起动，更不要轻易紧急突然停机，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，力求继电保护和自动装置准确、可靠、灵敏。

第2章设计说明

2.1继电保护的配置

2.1.1概述

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。

为了确保正确快速切除故障，要求对300MW发电机－变压器组设置双重快速保护。

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，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。

2.1.2保护配置依据――《继电保护和安全自动装置技术规程》

1.对300MW及以上的汽轮发电机组，应装设双重快速保护，即装设发电机纵联差动保护、变压器纵差动保护和发电机、变压器共用纵联差动保护。

2.发电机－变压器组：

对100MW及以上的发电机，应装设保护区为100％的定子接地保护。

3.对于定子绕组为星形联接，每相有并联分支且中性点有分支引出端子的发电机，应装设单继电器式横差保护。

4.200MW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。

5.对于200MW及以上汽轮发电机宜装设过电压保护。

6.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。

7.发电机转子承受负序电流的能力，以I2t≤A为判据，其中I为以额定电流为基准的负序电流标么值；t为时间（s），A为常数。

对不对称负荷，非全相运行及外部不对称短路引起的负序电流，应装设转子表层过负荷保护。

8.100MW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。

9.对励磁系统故障或强励磁时间过长引起的励磁绕组过负荷，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。

10.转子水冷汽轮发电机和100MW及以上的汽轮发电机，应装设励磁回路一点接地保护，并可装设两点接地保护装置。

11.失磁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。

12.对发电机运行的异常方式，200MW及以上汽轮发电机，宜装设逆功率保护。

13.0.8MVA及以上油浸式变压器和0.4MVA及以上车间内的油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。

14.110KV及以上中性点直接接地的电力网中，如变压器中性点直接接地运行，对外部单相接地引起的过电流，应装设零序电流保护。

15.高压侧电压为500KV的变压器，对频率降低和电压升高引起的变压器工作磁密过高，应装设过励磁保护。

16.对220～500KV母线，应装设能快速有选择地切除故障的母线保护，对1个半断路器，每组母线应装设两套保护。

17.发电机－变压器组的保护，宜起动断路器失灵保护。

18.对220～500KV的母线及变压器断路器，当非全相运行可能引起电力网其他保护越级跳闸，因而造成严重事故时，应在该断路器上装设非全相运行保护。

2.1.3保护配置

根据保护配置依据和现场实际，综合考虑保护动作的可靠性、灵敏性、选择性和快速性，满足继电保护在总体配置上尽量做到完善、合理，避免繁琐、复杂的要求，根据短路保护、异常运行保护、发电机接地保护及其他保护的具体要求，初步确定配置下列保护（见图表）：

表2-1短路保护配置依据及元件选型

短路保护

配置依据

所选继电器

发电机纵差保护

2．1．2．1

ZB4522（LCD-7）

发电机横差保护

2．1．2．3

ZB-1521（LCD-6）

变压器纵差保护

2．1．2．1

ZB-4524（LCD-5）

发电机-变压器组纵差保护

2．1．2．1

ZB-4524（LCD-5）

变压器瓦斯保护

2．1．2．13

ZB-4524

变压器零序保护

2．1．2．14

ZB-4514

阻抗保护

2．1．2．4

ZB-4538（LZ-B）

发变组短路保护的配置，与一次接线形式有很大关系。

在300MW发变组的接线中，一般考虑采用单元接线方式，我们短路保护就按照此接线方式来配置。

根据继电保护技术规程，为正确反应发变组短路故障和确保快速切除故障，配置了发电机纵、横差动保护，变压器纵差保护和发电机-变压器组纵差保护，对发电机-变压器组构成了双重快速保护。

差动保护双重化，降低了拒动的几率；设置闭锁，则降低了误动的几率。

因此，双重化加闭锁，提高了可靠性，有利于大机组的安全运行。

变压器纵差保护，可以正确反应变压器外部短路故障，为了正确、及时的反应变压器内部短路故障，选择装设瓦斯保护。

瓦斯保护分为轻瓦斯保护和重瓦斯保护，分别利用开口杯和挡板式原理，反应变压器内部的故障程度，确定发出信号还是将变压器从系统中切除。

在超高压电网中，单相接地短路故障最多，在各种短路接地故障中，有80%-90%是单相接地故障，为了在某些特殊情况下，不致使电网失去保护，所以尽管相邻线路上配置了完善的近后备保护，一般还是要在变压器中性点装设零序电流保护，对相邻线路构成远后备。

大型发电机变压器组，都接在220KV及以上的母线上。

220KV及以上的线路，一般都有完备的后备保护。

同时，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作为相邻母线故障的后备保护，在设计中，考虑装设一套三相全阻抗保护装置。

表2-2发电机接地保护配置依据及元件选型

发电机接地保护

配置依据

所选继电器

发电机定子一点接地保护

2．1．2．3

ZB-2537（LD-1A）

励磁回路一点接地保护

2．1．2．3

ZB-2532（ZBZ-2A）

励磁回路两点接地保护

2．1．2．10

ZB-2532（LD-2A）

发电机最常见的故障之一是定子绕组的单相接地（定子绕组与铁芯间绝缘破坏）。

由于发电机中性点是不接地或经高阻接地，所以定子单相接地故障并不引起大的故障电流。

但由于大型发电机在系统中的重要地位，造价昂贵，而且结构复杂、检修困难，所以对大型发电机的定子接地电流大小和保护性能提出了严格的要求，特装设发电机定子一点接地保护，根据接地电流的大小，分别动作于信号或停机。

发电机励磁回路一点接地故障，是常见的故障形式之一，两点接地故障也时有发生。

励磁回路一点接地故障，对发电机并未造成危害，但若在相继发生第二点接地故障，则将严重威胁机组的安全，为此，装设励磁回路一点、两点接地保护，分别动作于信号或停机。

表2-3异常运行保护配置依据及元件选型

异常运行保护

配置依据

所选继电器

对称过负荷保护

2．1．2

ZB-1536

不对称过负荷保护

2．1．2．7

ZB-1536

励磁回路过负荷保护

2．1．2

失磁保护

2．1．2．11

ZB-4540（LZ-1）

逆功率保护

2．1．2．12

LNG-3

过电压保护

2．1．2．5

过激磁保护

2．1．2．15

对于发电机的异常运行状态，如不能及时发现和采取相应措施，将使发电机缩短使用寿命，或酿成隐患，甚至给整个机组造成直接破坏。

因此，针对机组在实际运行中出现过的危及机组安全的各种异常运行状态，都需要采取有效的保护措施。

300MW发电机，定子和转子的材料利用率很高，其热容量和铜损的比值较小，因而热时间常数也比较小。

而且在发电机定子绕组内的热偶元件不能迅速反应发电机的负荷变化，为防止受到过负荷的损害，装设反应定子绕组平均发热状况的过负荷保护。

而发电机励磁绕组中连热偶元件都没有装设，所以必须配置励磁回路过负荷保护，以保护发电机的转子绕组。

大型变压器在正常运行时，工作磁密和饱和磁密相差不大，但当电压频率比增加时，工作磁密增加，使励磁电流增加，特别是在饱和之后，励磁电流要急剧增大，造成过励磁。

变压器的铁芯饱和之后，铁损增加，使铁芯温度升高，铁芯饱和之后还要使磁场扩散到周围的空间中去，使漏磁场增强。

靠近铁芯的绕组导线、油箱壁以及其他金属结构件，由于漏磁场而产生涡流损耗，使这些部位发热，引起高温，严重时要造成局部变形和损伤周围的绝缘介质。

所以，必须装设变压器过激磁保护。

发电机在突然甩负荷时，容易产生不允许的过电压。

特别是对大机组出现危及绝缘安全的过电压是比较常见的现象，为此须装设过电压保护。

300MW及以上的大型发电机组，由于励磁系统环节较多，发电机低励或失磁成为常见的故障形式。

发电机低励或失磁后，将过渡到异步运行，转子出现转差，定子电流增大，定子电压下降，有功功率下降，无功功率反向并且增大；在转子回路中出现差频电流；电力系统的电压下降及某些电源支路过电流，这些变化，在一定条件下，将破坏电力系统的稳定运行，威胁发电机本身的安全。

为保证电力系统和发电机的安全，必须装设失磁保护，以便及时发现低励和失磁故障并及时采取必要的措施。

逆功率保护，用于保护汽轮机。

当主汽门误关闭，或机炉保护动作关闭主汽门而出口断路器未跳闸时，发电机变成电动机运行，要从电力系统吸收有功功率，使汽轮机尾部叶片过热，因而造成汽轮机事故。

大机组均不允许在此状态下长期运行，一般只允许运行几分钟。

为保护汽轮机，必须装设逆功率保护。

表2-4其他保护配置依据及元件选型

其它保护

配置依据

所选继电器

非全相运行保护

2．1．2．18

断路器失灵保护

2．1．2．17

发电机冷却水中断保护