发电机变压器组继电保护设计.docx

1、发电机变压器组继电保护设计电力工程基础课程设计报告2200MW发电机 - 变压器组继电保护设计0920325 092032502 指导教师 黄新完成时间 2012 年 11 月 29 日评定成绩绪论 20 引言 2继电保护概述 2第一部分 设计任务书 40.1 设计项目 40.2 设计要求 40.3 设计材料 40.4 设计任务 4第二部分 设计计划书 51主变压器的选择 51.1主要设备型号及参数 51.2系统运行主变压器和发电机中性点接地方式 61.3发电机变压器组参数及系统运行方式 72保护配置 82.1发电机的保护部分 82.2变压器部分继电保护整定 102.3相间短路的后备保护 12

2、3继电保护整定计算 133.1发电机继电保护整定 163.2继电保护整定计算结果一览表 164收获和体会 175参考文献 17绪论0 引言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

3、出信号的一种自动装置。它的基本作用是： 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。 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： 选择性选择性是指电力系统发生故障时，

4、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。 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

5、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。 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

6、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。第一部分 设计任务书0.1 设计项目2200MW发电机 -变压器组继电保护设计。0.2 设计要求为某电厂 2200MW发电机 -变压器组继电保护装置进行整定计算0.3 设计材料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, U N=15.75KV（2） 保证供电安全、可靠、经济；0.4 设计任务一）

7、设计计算说明书第二部分 设计计划书1 主变压器的选择发电厂 200MW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 的最大连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”。1.1主要设备型号及参数（一）发电机的选型 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、水内冷和氢冷等。在转子氢内 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

8、经静止半导体整流 励磁方式（二）选型1. 选择型号QFSN 200-2型号含义 : Q 汽轮机F 发电机S 水内冷N 氢内冷200 额定容量2 2极2. QFSN2002 型汽轮发电机主要参数额定容量 MVA额定功率功率因数额定电压 额定电流 cos2352000.85157508625195%24%14.5%额定励磁电压励磁电流发电机绝缘暂态电抗效率（）2831390F0.1837498.5本次设计题目为 2 200MW 的火力发电厂电气部分的设计。由于装机容量 : 装机 2 台，容量分别为 2X200MW, UN=15.75KV ，所以可以选取的发电机台数有二台。考虑到汽 轮机的最大连续进

9、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，发电机的最大连续出力在功率因数和氢压 为额定值时与汽轮机的最大连续出力配合即可。3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： SSP326000 型Se=240mw,Ud=0.105, 接线 Y/ -11, 分接头 121 22.5%/15.75KV, 分级绝缘1.2系统运

10、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。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. 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。机为单元接线时，则应接在发电机的中性点上。3.相关短路点及短路方式的选择短路点的选择及具体参数如

11、图所示1.3发电机变压器组参数及系统运行方式发电机组一次电气主接线方式：该电厂两台 200MW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，本发电厂内不设升压站（母线），即发电机发出 15.75kV 的电经主变压器升压至 110kV 后经 110kV线路（ 4LGJ-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；接线图如图 1。由于厂内不设母线，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 110k

12、V 线路送电至启备变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范化 管理。应可靠性、灵活性和经济性的要求。2.1发电机的保护部分1. 比率制动式众差动保护发电机（ 100MW及以上）为了

13、减少故障发生于发电机中性点附近而出现的纵差保 护的死区， 要求将纵联保护的动作电流降低， 提高保护动作的灵敏度， 并要保证 在区短路时保护可靠不误动。考虑到不平衡电流随着流过电流互感器 TA 电流的 增加而增加， 往往采用性能更好的比率制动式纵差保护， 使其动作值随着外部短 路电流的增大而增大，即利用外部故障时的穿越电流实现制动(1)最小动作电流的二次值 I dz.min 整定原则是保证最大负荷状态下保护不误动，可取 I dz.min=(0.1 0.2 )I e(2)起始制动电流的二次值 I qd 整定原则为该电流不应大于电流互感器二次额定电流 I e，即 I qd I e(3)最大动作电流二

14、次值 I dz.max 整定原则为 在最大短路电流下，躲过纵差 保护的最大不平衡电流，及 I dz.max=Krel KaperKst KTA I out.max(3) 式中 Krel - 可靠性系数，去 1.3 1.5Kape- 非周期分量系数，考虑外部短路暂态非周期分量电流对电流互感 器的影响，一般取 1.5 2.0Kst 电流互感器同型系数，取 0.5KTA 电流互感器比值误差，取 0.1I out.max (3) - 发电机出口三相短路电流值(4)拐点电流 d d 的大小，决定保护开始产生制动作用的电流大小，建议 按躲过外部故障切除后的暂态过程中产生的最大不平衡差流整定，即 d=(0.

15、5 0.8)I e(5) 最 大制动系数 K= Krel KaperKstKTA(6) 差动保护灵敏度校验。按有关技术规程，发电机纵差保护的灵敏度必须满足 机端两相金属性短路时，差动灵敏度系数，即=其中，灵敏系数 Klm 为机端两相金属性短路时， 短路电流与差动保护动作电 流之比值， Klm 越大，保护动作越灵敏，可靠性就越高。2. 横差保护发电机横差保护适用于定子绕组为多分支的发电机， 当某相中某一分支发生匝间 短路或某相两分支之间在不同匝数处发生短路时， 横差保护应立即动作切除发电一)横差保护的分类根据交流回路引入电流及保护中含差动元件的数量不同， 发电机横差保护可分为 单元件横差和三元件

16、横差。三元件横差又称裂相横差。 （二）单元件横差保护单元件横差保护， 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 交流接入回路及动作方程 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 子绕组为每相两分支的发电机为例，其交流接入回路如图 6所示。2.2变压器部分继电保护整定变压器纵差保护 变压器纵差保护，是变压器内部及引出线上短路故障的主保护，它能反映 变压器内部及引出线上的相间短路、 变压器内部匝间短路及大电流系统侧的单相 接地短路故障。另外，且能躲过变压器空充电及外部故障切除后的励磁涌流。 整定原则及取值建议：（1）比率制动系数 KZ

17、（曲线斜率 ） 。比率制动系数 KZ整定原则，按躲过变压器出 口三相短路是产生的最大暂态不平衡差流来整定， 即过拐点的斜线通过出口区外 故障最大差流对应点的上方。一般取 0.4. 05。（2）启动电流 I qd。整定原则为能可靠躲过变压器正常运行是的最大不平衡差流。 一般为I qd=（0.4 0.5）I e（3） d。变压器各侧差动 TA的型号及变比可能相 同。因此，各侧 TA的暂态特性的差异很大。为躲过区外远 处故障或近区故障切除瞬间产生较大不平衡差流的影响， 建议拐点电流为d=(0.5 0.7)I e4）二次谐波制动比 。空投变压器时，励磁涌流的大小、二次谐波分量的多少或波形畸变程度， 与

18、变压器的容量、 结构、 所在系统中的位置及合闸角等因素 有关。为使差动保护能可靠地躲过变压器空投时的励磁涌流， 又能确保在变压器内部故障时故障电流波形有畸变（含二次谐波分量）时，差动保护能可靠动作， 应根据被保护变压器的容量、 结构及系统中的位置， 整定出适当的二次谐波制动 比。一般取 0.13 0.2 。5）差动速断倍数 I S。变压器差动速断动作倍数的整定原则，躲过变压器空投时的励磁涌流或外部短路时最大不平衡电流来整定。 而变压器励磁涌流的大小与 变压器的容量、结构、所在系统中的位置等有关，对于大容量变压器；一般为I S=4 6 倍6）解除 TA断线功能差流倍数 Ict.差流大于 Ict

19、整定值时，解除 TA断线判别环节。一般 TA 断线引起的差流小于最大负荷电流，故I ct=0.8 1.3 倍TA 二次回路开路是很危险的，特别是大容量变压器 TA 二次开路，会造成TA绝缘损坏、 保护装置或二次回路着火， 还会危及人身安全。；因此建议删掉 TA短线判别功能，级ct =0.1 0.2 倍7）变压器额定电流 I e。基准侧差动 TA 二次电流计算为e= Se/式中 Se- 变压器额定容量UTN- 基准侧额定相比电压NTA2- 基准侧差动 TA变比 （8）灵敏度校验。变压器差动保护的灵敏度要求为K sen=2满足灵敏度要求， 才能保证在区内发生各类型故障 （各种各样暂态过程） 时保护

20、 动作的可靠性。2.3相间短路的后备保护低压启动的过电流保护（ 1）动作电流的整定原则按变压器额定电流整定，即I dz=Krel I e/Kf式中 Krel - 可靠性系数，取 1.2K f 继电器的返回系数 , 取 0.85I e 变压器额定电流（2）灵敏度校验：按变压器低压母线故障时最小短路电流二次校验，要求灵敏 度大于 1.2.Ksen = Ik.min / Iset式中 Iset 变压器低压母线故障时最小短路电流二次值（ 3）动作电压整定原则：按躲过正常运行时母线的最低工作电压整定，根据经 验可取 Udz=0.7Ue=70V式中 Ue 变压器额定电压（二次）（4）电压灵敏度校验：按后备

21、保护范围末端三相短路时，保护安装处的最大电 压要求大于 1.2.Klm=Klm=式中 后备保护范围末端三相短路时， 保护安装处的最大残压二次值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。题目数据的处理已知条件发电机 P e=200MW, cos?=0.85,U e=15.75KV,xd=195%,xd、=24%，xd、=14.5%变压器 S e=240mw

22、,Ud=0.105, 接线 Y/-11, 分接头 121 22.5%/15.75KV, 分级绝 缘。110kv 母线上出线后备保护动作时间为 6s。出线的零序后备保护最大动作电流为 3250A，最大动作时间为 5s。在最大运行方式下，出线的零序后备保护范围末端 接地短路时，流经变压器的零序电流为 620A，故障线路上的零序电流为 903A， 最小运行方式下，出现末端金属接地短路时，流经变压器的最小零序电流为 1100A.解：发电机主要参数Pe=200MW, cos?=0.85,U e=15.75KV,x d=195%,xd、=24%，xd、=14.5%相间短路的后备 保护范围末端两相短路时，流

23、经发电机的最小短路电流为 14900A。额定电流 I NG= = =8625A (8625 1.25=10781A)电流互感器的变比应考虑额定电 流的 1.25 倍，故电流互感器的变比nTA1= =2400发电机二次额定电流 I e= = =3.59A变压器S e=240mw,Ud=0.105, 接线 Y/ -11, 分接头 121 22.5%/15.75KV 变压器额定电流I TN= = =8798A（8798 =10977A）电流互感器变比（低压侧）为nTA2= =2400变压器二次侧额定电流为I e= = =3.67A电压互感器变比选择低压侧 （接从发电机出线端母线） nTV1= =15

24、0高压侧 （系统母线出线） nTV2= =1100发电机二次额定电压为 Uhe= = =100V 短路电流归算到二次低压侧的处理过程发电机发电机出口三相短路电流值为 I out.max （3） = = =24.8A相间短路后备保护 范 围末端 两 项短路 时，流经发 电机的 最小短路电 流为I KH(2)=14900A,换算到互感器低压侧为 I KH(2)*= =6.21A各短路点电流经电流互感器后的二次值如下表表 1 高压 110KV 侧短路短路值名称点最大点最小三点最小两线路最大线路最小线路最小三相短相短路电相短路电三相短路三相短路两相短路路电流流流电流电流电流代号(3)I 1dk.max

25、(3)I 1dk.min(2)I 1dk.min(3)I 1xk.max(3)I 1xk.min(2)I 1xk.min11OKV值20253991085821549051474457.3二次值8.444.133.586.452.141.86归算 15.7514784772343626471130773757332583二次值61.630.1526.1347.115.613.6表2 低压 15.75KV 侧短路短路值名称点最大三点最小三点最小两线路最大线路最小线路最小相短路电相短路电相短路电三相短路三相短路两相短路流流流电流电流电流代号I (3)I 2dk.max(3) I 2dk.minI

26、2dk.min (2)I (3)I 2xk.maxI (3)I 2xk.minI (2)2xk.min110KV值154031298311243.3852385237381二次值6.425.414.683.553.553.08归算112442948008207662196621965396215.75 值二次值46.8739.537.2425925.922.5表3 零序电流后备保护电流一览表名称110KV 母线后备15.75KV 母线后备保护保护最大运行方式最小运行方式动作时间 (s)动作时最大动经变压故 障 母经变压间(s)作电流器零序线零序器最小(A)电流(A)电流 (A)零序电流(A)代

27、号t g1t d0I dz.0I k.0maxI x0I K.0min一次值6532506209031100二次值1.3540.260.380.463.1 发电机继电保护整定(1) 最小动作电流的二次值 I dz.min 整定原则是保证最大负荷状态下保护不误动，可取 I dz.min=(0.1 0.2 )I e(2) 起始制动电流的二次值 I qd整定原则为该电流不应大于电流互感器二次额定电流 I e，即 I qd I e(3)最大动作电流二次值 I dz.max 整定原则为 在最大短路电流下，躲过纵差保护的最大不平衡电流，及 I dz.max=Krel KaperKst KTA I out.

28、max 式中 Krel - 可靠性系数，去 1.3 1.5Kape- 非周期分量系数，考虑外部短路暂态非周期分量电流对电流互感 器的影响，一般取 1.5 2.0Kst 电流互感器同型系数，取 0.5KTA 电流互感器比值误差，取 0.1I out.max - 发电机出口三相短路电流值(4)拐点电流 d d 的大小，决定保护开始产生制动作用的电流大小，建议 按躲过外部故障切除后的暂态过程中产生的最大不平衡差流整定，即 d=(0.5 0.8)I e(5) 最 大制动系数 K= Krel KaperKstKTA(6) 差动保护灵敏度校验。按有关技术规程，发电机纵差保护的灵敏度必须满足 机端两相金属性短路时，差动灵敏度系数，即 =其中，灵敏系数 Klm 为机端两相金属性短路时， 短路电流与差动保护动作电 流之比值， Klm 越大，保护动作越灵敏，可靠性就越高。3.2 继电保护整定计算结果一览表名称制动系数启动电流（A）拐点电流（A）负序电压（V）速断倍数（*I e）额定电流（a）代号KZI qdI gdU2gIsIe整定值0.41.9752.1541063.59表 2 发电机单元件横差动保护整定结果名称动作电流 （ A）动作时间（S）名称动作电流 （A）动作时间（S）代号I dzt1整定范围1.25650.54收获和体会从开始接到课程设计要求到任务的完成， 再到课程