电气二次讲义.docx
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电气二次讲义
第一章概述
第1-1节发电厂电气设计
一、设计工作重要性
火力发电厂设计是发电厂工程基本建设的一个重要阶段。
发电厂设计文件是发电工程建设立项、施工和生产的重要依据。
二、设计应遵循的主要原则
1、要遵守国家的法律、法规，特别是强制性标准。
认真贯彻国家基本建设方针，国家的经济政策和技术政策，执行国家颁发的有关规程、规范、规定和标准。
2、要“安全可靠、经济适用、符合国情”和满足可持续发展要求，努力提高发电厂的经济效益和社会效益。
3、采取各种有效措施，提高发电厂的市场竞争能力，以适应今后厂网分开、竞价上网的市场形势。
三、设计的基本程序
发电厂的设计必须按国家规定的基本建设程序进行。
发电厂设计的全过程通常划分为：
初步可行性研究、可行性研究、初步设计、施工图设计、施工配合和设计回访总结等六个阶段，其顺序不得颠倒。
对引进外资的项目，在初步设计前增加补充可研（初步设计预设计）阶段，设计文件应接有关文件规定的内容和深度完成报批和批准手续。
随着发电厂建设投资方式的多样化，常规设计阶段划分可能会有变化。
第1-2节电气设计的内容和深度
参与火力发电厂设计的专业很多，有热机、运煤、除灰、电气、自动化、土建、总交、暖通、供水、水工结构、环保、技经、电力系统、系统保护、系统通信、远动等专业。
各专业间应相互配合，协调统一，按规定会签设计图纸和设计资料。
在各个设计阶段，电气专业都有相当的工作量，是主要专业。
一、初步可行性研究阶段，是根据电力系统的发展规划和上级下达（或委托）的任务，进行地区性规划选厂，并进行投资估算和初步的经济效益分析。
电气专业主要是配合系统专业就出线条件以及配合各专业对工程设想提出意见，并提供本专业的技经资料。
二、可行性研究阶段，以审定的初步可行性研究报告或扩建工程鉴定报告为基础。
其任务是进一步落实各项建厂条件，推荐出具体厂址及建厂规模，进行工程定点选厂，提出原则性工艺系统和布置方案、工程投资估算和经济效益评价等。
电气专业参与工程设想一节编写，说明电厂主接线的比较选择，各级电压出线回路数，起动/备用电源引接方式及技术经济比较，厂用电电压等级，主要设备选择和布置方案等。
并对厂区总平面规划布置，主厂房布置提出意见。
在结论一节中提供主要技术经济指标——厂用电率。
完成“主接线图”，并配合其它专业完成“厂区总平面布置图”、“主厂房平面布置图”和“主厂房断面布置图”等。
（此部分设计说明已有标准格式，在电气处服务器上）
三、初步设计阶段，本阶段是发电厂工程建设中非常重要的设计阶段，其任务是根据可行性研究报告及其审批文件的要求，确定工程项目建设具体方案和投资规模，控制工程造价。
设计文件一般由说明书、图纸、计算书和专题论证报告等部分组成。
电气部分说明书、图纸、计算书内容及其要求参见“火力发电厂初步设计文件内容深度规定DLGJ9~92”。
（此部分设计说明已有标准格式，在电气处服务器上）
四、施工图阶段，根据初步设计及其审批文件和主要设备落实情况，进行施工图设计。
本阶段提出的设计文件，作为订货、施工及运行的依据。
电气专业的设计内容包括图纸、说明书、计算书和设备材料清册。
详见“发电工程施工图总图内容深度”及“火力发电厂施工图卷册组织”等有关规定。
（此部分设计说明已有标准格式，在电气处服务器上）
五、施工配合，是工程实施的重要阶段，按有关规定派驻工地代表。
六、设计回访总结阶段，是工程设计经过实际考验阶段，对设计经验和存在问题进行全面总结。
第1-3节电气专业设计分工
一般分电气一次线、电气二次线和厂用电。
1、电气一次线：
设计内容有电气主接线、短路电流计算、高压电器选择、高压配电装置、发电机引出线装置、过电压保护及绝缘配合接地装置等。
2、电气二次线：
设计内容为发电厂电气设备（除厂用电系统外）的控制、信号、测量、继电保护、自动装置及直流系统、励磁系统等。
3、厂用电：
发电厂自用电系统，包括厂用电一次线、厂用电二次线和电缆、照明等。
第1-4节对设计人员的要求
一、设计人员的职责
设计人员完成设计后，设计成品必须经各级审核、审定。
对于设计人员的职责简单介绍如下：
1、主要设计人
主要设计人负责组织本专业的设计工作，对本专业的技术和质量负责；编写本专业设计计划大纲（此部分已有标准格式，在电气处服务器上），编写勘测任务书和施工图卷册任务书；协调卷册间的分工和设计接口，负责专业间的联系配合；校核本专业提出的对外设计接口和专业间的配合资料；审签本专业交出的全部设计成品。
2、全校人
全校人应全面校核所分配的设计图纸和文件，对所校核的卷册的质量全面负责。
3、设计人
设计人应按上级审批意见、专业设计计划大纲、施工图卷册任务书的要求，绘制图纸和编制设计文件，对图纸和文件的质量和进度负责；提交外部设计接口文件和专业配合资料；根据主设人的委托，会签外专业与本人承担的卷册有关的图纸或文件。
二、电气设计人员应了解的基本知识
1、发电厂各设计阶段的内容、深度和设计程序；
2、发电厂的工艺系统；
3、现行的规程、规范、规定和标准等；
4、有关的典设、通用设计、安装图集、标准计算书、计算程序等；
5、电气设备情况；
6、电气新技术、新工艺、新产品情况。
第二章发变组保护
第2-1节发变组保护设计原则
发变组保护应符合可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。
第2-2节发变组保护
一、大型发电机组的特点及其对继电保护的要求
发电机是电力系统最重要的设备之一，特别是大型发电机，对保证电力系统的稳定运行和电能质量起着决定作用，因此必须对发电机发生的各种不同故障和不正常的运行配置完善的保护。
大型发电机的主要故障类型和异常运行状态及相应的保护装置：
1．定子绕组及其引出线短路
相应保护：
纵联差动保护
2．定子绕组单相接地
相应保护：
定子一点接地保护
3．定子绕组一相的匝间短路
相应保护：
匝间保护
4．励磁回路一点接地
相应保护：
励磁回路一点接地保护
5．励磁回路两点接地
励磁回路两点接地保护
6．励磁回路励磁电流消失
相应保护：
失磁保护
7．由于外部短路引起的对称过电流和非对称过电流
相应保护：
对称过、非对称过电流保护
8．由于外部短路或单相负荷、非全相运行等引起的发电机对称过负荷或非对称过负荷
相应保护：
对称过、非对称过负荷保护
9．由于励磁系统故障或强励时间过长而引起的励磁绕组过负荷
相应保护：
励磁回路过负荷保护
10．由于突然甩负荷而引起的定子电压异常升高
相应保护：
过电压保护
11．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，发电机变电动机运行
相应保护：
逆功率保护
12．系统振荡影响机组安全运行
相应保护：
失步保护
13．汽轮机低频运行造成机械振动，叶片损伤对汽轮机危害极大
相应保护：
低频保护
二、大型主变压器保护
主变压器是电力系统最重要的设备之一，特别是大型主变压器，对保证电力系统的稳定运行和电能质量起着决定作用，因此必须对主变压器发生的各种不同故障和不正常的运行配置完善的保护。
大型主变压器的主要故障类型和异常运行状态及相应的保护装置：
1．变压器油箱内部故障和油面降低
相应保护：
瓦斯保护
2．变压器绕组和引出线的相间短路
相应保护：
纵差保护
3．由外部短路引起的变压器过电流
相应保护：
过流保护
复合电压（包括负序电压及线电压）起动的过电流
负序电流保护或单相式低电压过电流
阻抗保护
4．中性点直接接地电网中变压器外部短路
相应保护：
零序电流保护
5．过负荷
相应保护：
过负荷保护
6．由过电压或低频率时引起的过激磁
相应保护：
过激磁保护
三、发电机变压器组保护
（一）、大型发电机组的特点及其对继电保护的要求
1．机组设计特点
（1）材料有效利用率的提高，造成机组的惯性常数H明显下降和发电机的热容量与铜损、铁损之比显著下降。
机组惯性常数下降，使发电机易于失步，容量的下降直接影响定子、转子过负荷能力，为了在确保大型机组安全运行的条件下，充分发挥机组的过负荷能力。
定子绕组和转子绕组的过负荷保护、转子表层的过负荷保护（即负序电流保护）都不能再沿用以往的定时限继电器，而是应采用反时限特性的过负荷保护。
（2）电机参数的变化，主要是Xd、X’d、X’’d等电抗的普遍增大，而定子绕组的电阻相对减小，这是一种普遍现象，而不是某个国家，某种产品的同题。
这些现象导致下述结果：
1）X’’d增大，使短路电流水平相对下降，要求继电保护有更高的灵敏系数。
2）Xd的增加，使发电机的静稳储备系数减小，容易失去静态稳定。
3）Xd、X’d、X’’d等参数的增大，使发电机平均异步转矩大大降低，因此，大型机组失磁、异步运行的滑差大、从系统吸收感性无功多，允许异步运行的负载小，时间短，所以大型发电机更需要性能完善的失磁保护。
4）X’d的增大，使大机组在满载突然甩负荷时，变压器过励磁现象比中、小机组严重，因此大型变压器宜装设过励磁保护。
2．机组结构和工艺方面的改变
（1）由于大型机组的材料利用率高，就必须采用复杂的冷却方式。
在铁芯通风方面，有辐向通风槽和轴向通风槽等，使铁芯检修困难，转子承受负序能力降低，这些因素要求发电机单相接地保护和负序反时限保护有良好的性能。
（2）单机容量的增大，汽轮发电机轴向长度与直径之比明显加大，这将使机组运行的振动加剧，匝间绝缘磨损加快，因此，宜装设灵敏的匝间短路保护。
对于水内冷机组希望装设漏水保护。
3．运行方面对大机组保护提出的要求
（1）由于单机容量大，发电机保护的拒动或误动将造成十分严重的损失，因此，对大型机组的继电保护的可靠性、灵敏性、选择性和快速性有更高的要求。
（2）大型汽轮发电机的起停特别费时、费钱，以停机7~8h的热起动为例：
100MW机组，约2h；300MW机组就得需要7h。
因此，非必需的情况下，不使大型机组频繁起停，更不轻易使它紧急突然停机，这也是继电保护当考虑的问题。
（二）、大型发电机变压器组单元接线继电保护配置
1．一般配置要求
根据上述大型发电机组的特点及其对保护的要求，在设计大机组继电保护的总体配置时，应该比较强调最大限度地保证机组安全，强调最大限度地缩小故障破坏范围，强调避免不必要的突然停机；强调某些异常工况的自动处理。
也就是说，要求有完善的总体配置。
大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，这些故障将造成机组的直接破坏，这类保护很重要。
为防止保护拒动或断路器拒动，设主保护和后备保护。
异常运行保护用以反应各种可能给机组造成危害的异常工况，这些工况不能很快造成机组的直接破坏。
这类保护一般都是各装一套专用继电器，不设后备保护。
2．双重快速保护设置
为了满足电力系统稳定方面的要求，对于大机组故障时要求快速切除。
如在升压变压器高压侧发生短路故障时，通常要求切除故障的时间不大于0.1s，扣除断路器跳闸时间和中间继电器的动作时间，要求保护的动作时间不大于0.3~0.5s。
从机组发热方面考虑，为了不损坏发电机，当机端发生两相短路时，要求在十分之几秒内切除故障。
为此，为了确保正确快速切除故障，要求对发电机变压器组设置双重快速保护。
目前较普遍采用的方案如下。
（1）装设发电机差动保护、升压变压器差动保护和发电要变压器组差动保护，构成双重快速保护，保护区只伸至高压母线侧电流互感器。
为消除变压器高压侧电流互感器与断路器之间的死区和作为母线保护的后备，在升压变压器高压侧装设一套全阻抗保护。
动作阻抗按母线短路时保证能可靠动作整定（即灵敏系数≥1.25），以延时躲过振荡，一般动作延时可取0.5~1s。
（2）装设发电机差动保护和发电机变压器差动保护，再在发电机中性点侧装设一套复合电流速断保护，对发电机、发电机到变压器的引线及变压器的一部分装设双重快速保护。
复合电流速断保护按发电机端两相短路时保证机组安全整定，为躲过振荡，一般不装振荡闭锁装置而采用增加整定值和一短时限（取为0.5s）来躲过振荡。
在变压器高压侧装设一套全阻抗及高压母线的后备保护，其动作阻抗按母线短路时能保证可靠动作整定，并要求灵敏系数Km≥1.25的整定条件，以延时躲过振荡，同时其延时应根据高压侧母线短路时为确保机组安全所决定的时间整定，一般取t=0.5~1s。
阻抗保护方案和复合电流速断保护方案两种保护配置的比较见下表。
双重快速后备保护方案比较表
项目
阻抗保护方案
复合电流速断保护方案
可靠性
区内实现双重化保护
区内实现双重化保护
速动性
区内可实现双重快速保护，后备保护切除变压器部分绕组、高压侧引线及母线故障的时间是0.5~1.0s
发电机与变压器部分绕组双重保护，后备保护切除变压器部分绕组高压侧引线及母线故障的时间是0.5~1.0s；复合电流速断保护延时0.5s
选择性
全区保证选择性
当振荡中心靠近发电机时，电流速断保护可能误动，为避免误动增加振荡闭锁较复杂，增加延时又影响速动性
灵敏性
两套差动保护全区都保证灵敏系数Klm>2
复合电流速断保护灵敏系数比较低：
Klm=1.5左右
复杂性
增加一套差动保护及其一次设备（电流互感器及电缆）
复合电流速断保护灵敏系数比较低：
Klm=1.5左右
通用性
适应系统的不同要求
适应系统的不同要求
3．配置与接线
发电机双绕组变压器组，其高压侧电压为330KV及以上接线时，可装设阻抗保护。
当高压侧电压为220KV及以下或主变压器低压侧及厂用变压器高压侧，安装主变差动保护用电流互感器有困验时，可采用复合电流速断保护。
<1>．200~300MW发电机双绕组变压器组的保护配置
（1）短路保护：
1）升压变压器瓦斯保护；
2）高压厂用变压器瓦斯保护；
3）发电机差动保护；
4）发电机变压器组差动保护；
5）高压厂用变压器差动保护；
6）升压变压器差动保护；
7）阻抗保护；
8）发电机匝间保护；
9）升压变压器高压侧零序保护；
10）高压厂用变压器过电流保护；
（2）发电机接地保护：
1）定子一点接地保护；
2）励磁回路一点接保护；
3）励磁回路二点接保护；
（3）异常运行保护：
1）对称过负荷保护；
2）不对称过负荷保护；
3）励磁回路过负荷保护；
4）失磁保护；
5）过电压保护；
6）逆功率保护；
7）过激磁保护；
8）非全相运行保护；
9）断路器失灵保护；
10）电流回路断线保护；
11）电压回路断线保护；
12）升压变压器温度保护；
13）升压变压器冷却系统故障保护；
14）升压变压器油面降低保护；
15）高压厂用变压器温度保护；
16）高压厂用变压器冷却系统故障保护；
17）高压厂用变压器油面降低保护；
18）发电机断水保护（如发电机为水冷却时）。
300MW发电机变压器组，继电保护配置见附图。
近年来，大容量机组有装设发电机失步保护、低频保护、断路器闪络保护、突然加电压保护、发电机过激磁保护和发电机起停机保护等。
其中断路器闪络保护和突然加电压保护用于保护发电机接入系统前误加电压，造成机组损坏或扩大系统故障，并有专用继电器。
但据国内目前运行反映，尚未发生过类似故障，国内已装设的失磁保护、阻抗保护和非全相运行保护也能对上述故障起到一定的保护作用。
大型发电机设计的余度较小，要据一些国家的资料介绍，发电机的过激磁能力比变压器的过激磁能力还低，有的在发电机和变压器上都装设过激磁能力低的为依据装设一套过激磁保护。
我国目前发电机制造厂未提供过激磁特性曲线，故只在发电机变压器上装设变压器的过激磁保护。
由于系统容量增大，大容量发电机变压器的阻抗较系统阻抗值也大，振荡中心落在大机组机端的机率增多，故可装设发电机失步保护。
低频保护是汽轮机要求装设的保护，因汽轮机长时间在频率低到一定值的状态下运行时，叶片容易裂纹，个别叶片可能因发生共振而断裂。
汽轮机制造厂要求时，发电机保护中可增加低频保护。
低频保护由频率继电器和时间继电器或进间积算器构成。
发电机的起停机保护是考虑在发电机起动过程中，高压断路器断开，机组内部故障，差动保护不能保护的情况及有的保护装置是以频率等为判据，在发电机起动过程中，频率低，影响这些保护的工作或灵敏性的情况，故可装设一套灵敏的与起动参数改变无直接关系的发电机保护，即起停机保护。
如在发电机中性点侧装设过电流或接地保护等，或将发电机的阻抗保护的电流线圈接在中性点侧的电流互感器上，电压线圈装有发电机端的电压互感器二次侧，则在发电机起动时，这些保护可作发电机内部短路保护。
<2>．保护出口方式
为了减少机组全停的次数，缩短恢复正常供电的时间，各保护装置动作后，按所控制的对象、保护的性质和选择性要求，保护出口一般有以下几种：
（1）全停：
断开出口断路器、灭磁、断开高压厂用电源断路器、关闭主汽门、锅炉甩负荷。
（2）解列灭磁：
断开出口断路器、灭磁、断开高压厂用电源断路器、汽机甩负荷、锅炉甩负荷。
（3）解列：
双绕组变压器只断开出口断路器，三绕组变压器高、中压侧的保护只断开出口断路器。
（4）母线解列：
对双母线系统，断开母线联络断路器。
（5）减出力：
减少汽机的输出功率。
（6）信号：
发出音响和光信号。
保护及其出口方式见下表。
在表中双套保护划分为一、二两组。
两组保护在结构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时，发电机变压器组仍然保持有必要的保护。
每套保护的出口回路均应设置切换或连接部件，用于切换、解除或投入保护。
保护及其出口方式
序
号
保护名称
全停Ⅰ
QⅠ
全停Ⅱ
QⅡ
解列灭磁JM
程序跳闸CS
解
列JL
母线解列MJ
跳厂用分支
预报信号
事故分析信号
短路保护
1
主变瓦斯
∨
∨
∨
2
厂变瓦斯
∨
∨
∨
3
发电机纵差
∨
∨
4
主变纵差
∨
∨
5
厂变纵差
∨
∨
6
发变组纵差
∨
∨
7
发电机定子匝间短路
∨
∨
8
阻抗
∨
∨
∨
9
主变零序
∨
∨
∨
10
厂变复合过流
∨
∨
∨
11
厂变分支过流
∨
∨
12
厂变分支电缆差动
∨
∨
接地保护
1
励磁回路一点接地
△
△
2
励磁回路二点接地
∨
∨
3
发电机定子接地
△
△
∨
序
号
保护名称
全停Ⅰ
QⅠ
全停Ⅱ
QⅡ
解列灭磁JM
程序跳闸CS
解
列JL
厂用切换CQ
励磁切换
减出力
减励磁
跳
MK
预报信号
事故分析信号
启动失灵保护
异常运行保护
1
定子对称过负荷
∨
∨
∨
2
定子非对称过负荷
∨
3
励磁回路过负荷
△
△
∨
∨
4
失磁
∨
∨
∨
∨
∨
∨
5
过电压
∨
∨
6
过激磁
∨
∨
∨
7
逆功率
∨
∨
∨
∨
8
断路器非全相运行
∨
∨
∨
9
断路器失灵起动
∨
10
发电机冷却水中断
△
△
∨
11
主变冷却激光器奏停
△
△
∨
12
厂变冷却器全停
△
△
∨
13
主变温度过高
∨
14
厂变温度过高
∨
15
保护直流断线
∨
16
保护交流电压断线
∨
注1。
“∨”表示动作，“△”表示可以切换到该状态。
2．跳厂用分支指跳分支上下两个开关。
每套保护内，出口继电器的接点应有足够的切断功率，在保护装置与总出口中间继电器之间，不应因接点功率不够而增加中间环节。
保护内部故障时，除保护上的光信号外，在其外部应设置（保护内部故障）信号。
保护中动作于外部信号的触点，应能接通和断开光字牌回路，不应因此而增加中间环节。
表示（保护内部故障）的光字牌，各保护共用一个。
保护动作后，其外部应有（信号未复归）光信号。
设有程序跳闸时，当发电机发生故障，如转子绕组过热、转子绕组接地或汽机机械故障等，则首先关闭汽机主汽门断开汽机。
当汽机主汽门的限位开关指示器发出信号，证明主汽门确已关闭，以及逆功率保护确已动作时，通常带时限跳开发电机断路器并断开励磁。
采用这种跳闸方式可以避免汽机机组任何程度的超速。
这种跳闸方式的缺点是如果限位开关故障或逆功率继电器故障，将不能使上述保护动作于跳闸。
为此，一般设置二个逆功率继电器，以更长时限至全停跳闸出口作为后备保护。
四、保护及其接线
（一）发电机纵联差动保护、变压器纵联差动保护
（二）发电机变压器组差动保护
发电机变压器组差动保护（后称总差动）的接线有三种：
1．总差动的一臂接厂用变压器高压侧电流互感器，此时要求该电流互感变比和发电机出口电流互感器变比相同，故投资较大。
封闭母线上或厂用变压器套管上装设大变比的电流互感器虽复杂，但接线较简单，二次电流的电缆较短。
因厂用变压器有专用差动保护作主保护，总差动保护范围不包括厂用变压器是允许的。
2．总差动的一臂由厂用变压器低压分支的电流互感器经降流的辅助变流器接入，分支变压器的变比按厂用变压器的容量选择。
由于厂用变压器的阻抗值较大，低压分支线上短路电流较小，故对辅助变流器的饱和倍数要求低，因而容易选择。
此接线方式投资省、封闭母线较简单、总差动保护范围可扩大到厂用变压器。
但二次电缆较长，二次接线较复杂。
3．总差动保护不接厂用变压器回路的任何电流互感器，接线较简单，用的设备少。
但总差动保护范围增大，差动保护整定应躲开变压器低压分支故障，如此带来的后果是，保护整定电流大，灵敏性差，可靠性差。
（三）复合电流速断保护的构成及接线
复合电流速断保护作为对发电机内部相间短路故障、机端到变压器引线及变压器部分绕组的相间短路故障的后备保护，是由单相式过电流元件，负序过电流元件组成，接
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