电力系统继电保护课程设计报告.docx

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电力系统继电保护课程设计报告

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

专业电气工程及其自动化

班级0920325

学号092032512

姓名

指导教师黄新

完成时间2012.11.26

评定成绩

第一章绪论1

1.1继电保继电保护概述1

1.2课程设计的主要容及基本思想2

1.2.1毕业设计的主要容、功能及技术指标2

1.2.2课程设计的基本思想及设计工作步骤3

第二章发电机变压器组参数及系统运行方式4

2.1100MW发电机组一次电气主接线方式4

2.2主要设备型号及参数5

2.2.1发电机的选型5

QFSN—100--25

2.2.2变压器的选型单元接线的主变压器6

2.3系统运行主变压器和发电机中性点接地方式6

2.3.1变压器中性点接地方式6

2.3.2发电机中性点采用非直接接地方式7

2.4相关短路点及短路方式的选择7

2.4.1基准值选择7

2.4.2线路等值电抗计算7

2.4.3变压器等值电抗计算7

2.5短路计算点的选择8

2.5.1电网等效电路图8

2.5.2系统阻抗计算8

2.5.3d6点短路计算8

2.5.4d3点短路计算9

2.5.5整定电流选择9

第三章发电机变压器组保护配置的选取及整定原则9

3.1发电机部分—发电机纵差保护整定10

3.2变压器部分-瓦斯保护11

3.2.1变压器瓦斯保护的作用11

3.2.2变压器轻瓦斯保护的原理12

3.2.3轻瓦斯保护的整定12

第四章继电保护整定计算12

4.1发电机部分——发电机纵差保护整定12

4.2继电保护整定计算结果一览表13

第五章实训总结14

第六章参考文献14

第一章绪论

1.1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围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

可靠性是指当保护围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。

1.2课程设计的主要容及基本思想

本次设计的主要容是一个100MW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。

1.2.1毕业设计的主要容、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3台，容量分别为2X25+50=100MW,UN=10.5KV

（2）保证供电安全、可靠、经济；

2、主要容：

（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

1.2.2课程设计的基本思想及设计工作步骤

1.主变压器的选择

发电厂100MW及以上机组为发电机变压器组接线时的主变压器应满足DL5000—2000《火力发电厂设计技术规程》的规定：

“变压器容量可按发电机的最续容量扣除一台厂用变压器的计算负荷和变压器绕组的平均温度或冷却水温度不超过650C的条件进行选择”。

2.保护配置

发变机组的保护是保证电网的安全可靠、经济运行的关键，是提高供电可靠性的基础。

发变机组的保护配置选取原则是：

确定保护配置方案时应遵照现行有关继电保护的国标GB/T15145-94《发电机变压器保护装置通用技术条件》、行标DL/T587-1996《微机继电保护运行管理规定》、反事故措施要求等规定；配置的保护性能完善、动作快速、功耗小、便于运行、维护；配置的保护应为具有相应电压等级系统成功运行经验的微机保护；保护选型同时要有利于标准化和规化管理。

应可靠性、灵活性和经济性的要求。

3、继电保护整定计算

短路就是指不同电位的导电部分包括导电部分对地之间的低阻性短接。

继电保护整定计算是发电厂和变电所电气二次设计的主要计算项目，它涉及接线方式及保护设备选择。

保护整定的计算对保护方式的选择起到验证的作用，能够更合理的对发变机组的保护配置进行选择，保证系统的安全可靠性。

第二章发电机变压器组参数及系统运行方式

2.1100MW发电机组一次电气主接线方式

该电厂两台100MW汽机发电机组采取发电机-主变压器-110kV线路组单元制接线方式接入系统，本发电厂不设升压站（母线），即发电机发出10.5kV的电经主变压器升压至110kV后经110kV线路（4×LGJ-400四分裂导线）直接输送到上级电网上的变电站110kV母线（双母线分段接线），发电机出口不设开关；

（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；

由于厂不设母线，厂用电系统所需的启动备用电源必须从厂外电网引入，本厂启动备用电源可采用从电网购电方式，从附近热电公司110kV母线上引接一路电源，经110kV线路送电至启备变压。

2.2主要设备型号及参数

2.2.1发电机的选型

（一）汽轮发电机由汽轮机直接耦合传动。

励磁机是向汽轮发电机提供励磁的设备。

1.冷却方式

采用的冷却方式，定子绕组和转子有空冷、水冷和氢冷等。

在转子氢冷系统中，又有轴向通风等多种方式。

2.励磁方式

发电机容量在100MW以上的普遍采用同轴交流励磁机经静止半导体整流励磁方式。

（二）选型

1.选择型号

QFSN—100--2

型号含义；2——2极

100——额定容量

N——氢冷

F——发电机

Q——汽轮机

S——水冷

2.QFSN—100—2型汽轮发电机主要参数

视在功率

（MVA）

有功功率（MW）

电压（KV）

电流

（A）

功率因数

xd

xd、

xd、、

135

100

10.5

4325

0.85

13.2%

13.2%

12.9%

额定励磁电压

1r6G#D9V4m）t6Y4n$q3i5{（V）.

励磁电流（A）:

y,B-O+T7\

发电机绝缘

暂态电抗

效率（％）

&f"n'n3c$I&[  c9k  C$Z

235

859

F

0.18374A"X4

98.5％

本次设计题目为2×25+50MW的火力发电厂电气部分的设计。

由于装机容量:

装机3台，容量分别为2X25+50MW,UN=10.5KV，所以可以选取的发电机台数有二台。

考虑到汽轮机的最续进汽量工况出力系制造厂为补偿制造偏差和汽轮机等老化所留的余度，也即汽轮机不宜在此工况下长期连续运行，所以，发电机的最续出力在功率因数和氢压为额定值时与汽轮机的最续出力配合即可。

2.2.2变压器的选型单元接线的主变压器

发电机与主变压器为单元接线时，发电机和变压器成为一个单元组，电能经升压后直接进入高压电网。

这种接线由于发电机和变压器都不能单独运行，因此，二者的容量应当相等。

所以这个双绕组变压器的容量等于所选发电机的额定容量，即

所选型号为：

SSP3—26000型

Se=246mw,Ud=0.105,接线Y/△-11,分接头110

2.5%/10.5KV,分级绝缘。

2.3系统运行主变压器和发电机中性点接地方式

选择电力网中性点接地方式是一个综合性问题。

它与电压等级、单相接地短路电流、过电压水平、保护配置等有关，直接影响电网的绝缘水平、系统供电的可靠性和连续性、主变压器和发电机的运行安全以及对通信线路的干扰等。

2.3.1变压器中性点接地方式

电力网中性点接地方式，决定了主变压器中性点接地方式。

主变压器的110KV侧采用中性点直接接地方式。

2.3.2发电机中性点采用非直接接地方式

发电机钉子绕组发生单相接地故障时，接地点流过的电流后是发电机本身及其引出回路所连接元件的对地电容电流。

本次设计采用发电机中性点经消弧线圈接地方式。

由于它适应于单相接地电流大于允许值的中小机组或100MW及以上大机组。

消弧线圈可接在直配线发电机的中性点上。

当发电机为单元接线时，则应接在发电机的中性点上。

2.4相关短路点及短路方式的选择

2.4.1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

2.4.2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

2.4.3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

2.5短路计算点的选择

2.5.1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

2.5.2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

2.5.3d6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≈2.3092KA

Id6·max=Id6·max*IB=2.3092×0.502≈1.1592KA

2.5.4d3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≈2.8463KA

Id3·max=Id3·max*IB=2.8463×0.502≈1.4288KA

2.5.5整定电流选择

由2.5.3和2.5.4分别算出各路短路电流，由于Id6·max

第三章发电机变压器组保护配置的选取及整定原则

本设计是对电厂扩建的发电机变压器的保护配置的选取与整定，按照国际标准，本保护的保护配置选取，应该包含下表的保护配置。

发电机保护

主变压器保护

发电机纵差保护

调相失压保护

发变组差动保护

发电机裂相横差保护

定时限过励磁保护

主变差动保护

主变中压侧零序过流保护

纵向零序电压匝间保护

定时限过励磁保护

主变工频变化量差动保护

主变中压侧零序方向过流保护

发电机相间阻抗保护

逆功率保护

主变高压侧阻抗保护

主变中压侧间隙零序电压保护

发电机复合电压过流保护

程序跳闸逆功率

主变高压侧复合电压过流保护

主变中压侧间隙零序电流保护

定子接地基波零序电压保护

低频保护

主变高压侧复合电压方向过流保护

主变低压侧接地零序报警

定子接地三次谐波电压保护

过频保护

主变高压侧零序过流保护

主变定、反时限过励磁保护

转子一点接地保护

起停机保护

主变高压侧零序方向过流保护

主变过负荷信号

转子两点接地保护

误上电保护

主变高压侧间隙零序电压保护

TV断线

定、反时限定子过负荷保护

非全相保护

主变高压侧间隙零序电流保护

TA断线

定、反时限转子表层负序过

电压平衡功能

主变高压侧阻抗保护

瓦斯保护

失磁保护

TV断线判别

主变中压侧复合电压过流保护

失步保护

TA断线判别

主变中压侧复合电压方向过流保护

过电压保护

应设计的要求，并通过对保护配置的选取，可以采用南瑞继保电气生产的RCS-985系列发电机变压器成套保护装置。

它可以提供30多种保护功能和非电量保护接口，分布于若干个相互独立的CPU系统，可以满足各种容量的发变机组的保护要求，其保护配置灵活，设计合理，满足电力系统反事故措施的要求，保证装置的使用安全性。

保护配置按屏柜设计，一个机组单元成套保护可有1～3个柜组成，有一台工控机通过串行通讯口进行管理，实现数据的交换，从而对机组和保护运行状况进行监控和记录，也可进行时钟校对和定值管理。

RCS－985提供一个发电机变压器单元所需要的全部电量保护，保护围：

主变压器、发电机、高厂变、励磁变（励磁机）。

根据实际工程需要，配置相应的保护功能。

对于一个大型发变组单元或一台大型发电机，配置两套RCS-985保护装置，可以实现主保护、异常运行保护、后备保护的全套双重化，操作回路和非电量保护装置独立组屏。

3.1发电机部分—发电机纵差保护整定

纵差动保护的整定，具有比率制动特性的纵差动保护的动作特性可由A、B、C三点决定。

对纵差动保护的整定计算，实质上就是对Id.min、Ires.min及K的整定计算。

1启动电流Id.min的整定。

Id.min=Krel（Irel+Ier2）

式中Krel---可靠系数，取1.5~2；

Irel---保护两侧的TA变比误差产生的差流，取0.06Ign（Ign为发电机额定电流）；

Ier2---保护两侧的二次误差（包括二次回路引线差异以及纵差动保护输入通道变换系数调整不一致）产生的差流，取0.1Ign。

代入式得Id.min=（0.24~0.32）Ign,通常取0.3Ign。

2拐点电流Ires.min的整定

Ires.min=（0.5～1.0）Ign

3比率制动特性的制动系数Kres和制动线斜率K的整定

Kres=Iunb.max/Ik.max

K=Iunb.max-Id.min/Ik.max-Ires.min

外部故障时，为躲过差动回路中的最大不平衡电流，C点的纵坐标电流应取为Id.max=Krel（0.1+0.1+Kf）Ik.max

式中Krel---可靠系数，取1.3~1.5；

Kf---暂态特性系数，当两侧TA变比、型号完全相同且二次回路参数相同时，Kf≈0，当两侧TA变比、型号不同时，Kf取0.05~0.1。

Id.max---最大动作电流。

将以上数据代入式中得Id,max≈（0.026~0.45）Ik,max。

令Id.max=Iunb.max,代入上式，可得Kres≈（0.26~0.45）

3.2变压器部分-瓦斯保护

发电机-变压器组非电量保护,主要有变压器的瓦斯保护、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，下面主要介绍的变压器的瓦斯保护。

3.2.1变压器瓦斯保护的作用

变压器的瓦斯保护可用来反应油浸式变压器油箱的各种故障。

当变压器油箱故障时，瓦斯保护有着独特的、其他保护所不具备的优点。

如变压器发生严重漏油、绕组断线故障或绕组匝间短路产生的短路电流值不足以使其他保护动作时，只有瓦斯保护能够灵敏的动作发出信号或跳闸。

所以变压器的瓦斯保护是大型变压器部故障的重要保护。

当变压器油箱发生故障时，在故障点电流和电弧的作用下，变压器油及其他绝缘材料因局部受热而分解产生气体，这些气体将从油箱流向油枕的上部。

当故障严重时，变压器油会迅速膨胀并产生大量的气体，此时将有剧烈的气体夹杂着油流冲向油枕的上部。

根据油箱部故障的这一特点，构成变压器的瓦斯保护。

由于变压器的瓦斯保护是反应上述气流、油流而动作的，所以它是变压器的非电量保护。

变压器的瓦斯保护分为重瓦斯保护和轻瓦斯保护两部分。

当变压器油箱轻微故障或严重漏油时，轻瓦斯保护动作延时作用于信号；当变压器部发生严重故障时，重瓦斯保护动作，瞬时动作跳开变压器的各侧断路器。

气体继电器变压器瓦斯保护的主要元件。

它安装在变压器油箱与油枕之间的连接管道上。

为使气体能顺利进入气体继电器和油枕，变压器安装时，应使顶盖与水平面之间有1％~1.5％的坡度，连接管有2％~4％的升高坡度。

3.2.2变压器轻瓦斯保护的原理

当变压器部发生轻微故障时，变压器油分解产生的气体汇集在气体继电器上部迫使继电器的油面下降，开口杯露出油面，因其受到的浮力减小失去平衡而下沉，带动永久磁铁4下降，当永久磁铁4靠近干簧触点15时，干簧触点15接通，发出轻瓦斯动作信号。

当变压器漏油严重时，同样由于油面下降而发出轻瓦斯信号。

3.2.3轻瓦斯保护的整定

气体继电器使用时，通过移动重锤6的位置，可调整轻瓦斯保护的动作值。

其动作值采用气体容积的大小表示，整定围通常为250～300

。

气体继电器安装完毕，从排气口17打进空气，检查轻瓦斯保护动作的可靠性。

第四章继电保护整定计算

4.1发电机部分——发电机纵差保护整定

1）启动电流Id.min的整定

Id.minG1G2=Krel（Irel+Ier2）=0.3Ign=0.3×2380.9=714.27（A）

Id.minG3=Krel（Irel+Ier2）=0.3Ign=0.3×4761.9=1428.57（A）

2）拐点电流Ires.min的整定

Ires.minG1G2=（0.5～1.0）Ign=（0.5～1.0）*2380.9=（1190.45~2380.9）

Ires.minG3=（0.5～1.0）Ign=（0.5～1.0）*4761.9=（2380.95~4761.9）

3）比率制动特性的制动系数Kres和制动线斜率K的整定

Kres=Iunb.max/Ik.max=（2380.9×10%）/1428.8≈0.167

K=（Iunb.max-Id.min）/（Ik.max-Ires.min）

=（2380.9×10%-Id.minG1G2）/（1428.8-Ires.minG1G2）

=（2380.9×10%-714.27）/（1428.8-1190.45）≈-1.998

K=（Iunb.max-Id.min）/（Ik.max-Ires.min）

=（2380.9×10%-Id.minG3）/（1428.8-Ires.minG3）

=（2380.9×10%-1428.57）/（1428.8-2380.95）≈1.250

外部故障时,为躲过差动回路中的最大不平衡电流，C点（如下图）的纵坐标电流应取为Id.max=Krel（0.1+0.1+Kf）Ik.max=1.5*（0.1+0.1+0.1）*1428.8=642.96（A）

4.2继电保护