50MW发电机变压器组继电保护毕业设计.docx

1、50MW发电机变压器组继电保护毕业设计 摘 要由于大型电厂的母线、发电机和变压器的结构比较复杂，在运行过程中都可能会发生各种各样的故障和异常运行状态，为了确保在保护范围内发生故障，都能有选择性的快速切除故障，需要配置多种继电保护装置，必要时进行多重化配置，从而将电厂中重要设备的危害和损失降到最小，对电力系统的影响最小。 发电厂和变电所母线是电力系统中的中的一个重要组成部件，发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用；而变压器是电力系统十分重要的供电元件再者，发电机、变压器本身就是十分贵重的电气元件，所以，继电保护装置对大型电厂的正常运行起着至关重要的作用。 本设计共包括

2、五章，分别对电力系统、发电机、变压器的继电保护进行详细介绍，并给出相关的整定计算，画出主接线图。 本文主要通过分析原始资料中主要设备的参数，首先，需要对电力系统保护原理进行全面系统的复习、查阅相关资料，加深理解；其次，结合相关参数和各种继电保护原理，确定适用于大型电厂的保护方案，最后，分别对发电机和变压器进行整定计算和配置，并且画出系统一次设计图及其配置图和一般原理图。关键词：电厂、继电保护、发电机、变压器。 Abstract Because of large power plants bus bar, generators and transformers structure is more

3、 complex, in operation process of all may be all kinds of faults and abnormal operating condition, in order to ensure that the protection range in failure, all can have selective swift removal, need configuration fault diversified relay protection device, necessary in the multiple configuration, so

4、as to will be important in power plant equipment to minimize harm and loss of power system, affect the minimum. Power plant and substation bus in power systems is one of the important components of the generator, the safe operation of the power system to guarantee the normal work and power quality p

5、lays a decisive role; And the transformer is power system is of great power supply components again, generator, transformer itself is very expensive electrical components, so, relay protection device of large power plants to the normal operation of the play a crucial role. This design including five

6、 chapters, respectively for power system, generator, transformer of relay protection, and gives a detailed introduction of related setting calculation, draw the Lord the wiring diagram. This paper mainly through the analysis of original data of the parameters of the main equipment, first of all, nee

7、d to power system protection principle of full system review and access relevant information, deepen understanding; Secondly, in conjunction with the relevant parameters and all kinds of relay protection principle, sure used in large power plant protection scheme, then respectively, the generator an

8、d transformer in setting calculation and configuration, and draw the system design and its a configuration diagram and the general principle diagram. Key word: power plant, relay protection, generator, transformer.中文摘要 Abstract 引言 1第1章 电力系统继电保护简论 21.1 继电保护的作用 21.2 继电保护的基本要求、原理、构成与分类 21.2.1 基本要求 21.2

9、.2 基本原理 31.2.3 构成 41.2.4 分类 4第2章 主变压器保护设计 62.1 变压器保护重要性 62.2 变压器的故障类型和不正常运行状态 62.3 变压器保护配置原则 62.4 变压器纵联差动保护 72.4.1 构成变压器纵差动保护的基本原则 72.4.2 变压器差动保护的不平衡电流 82.5 变压器后备保护 92.5.1 低电压启动的过电流保护 92.5.2 变压器零序电流保护 102.5.3 过负荷保护 11第3章 发电机保护设计 123.1 发电机故障及不正常运行状态 123.1.1 发电机故障类型 123.1.2 不正常运行状态 123.2 发电机保护的配置原则 13

10、3.3 发电机纵差保护 133.3.1 工作原理 13第4章 短路计算 144.1 发电机出口短路计算 144.2 后备保护短路计算 15第5章 整定计算 195.1 发电机纵差动保护整定 195.2 发电机横联差动保护整定 205.3 发电机定子绕组过负荷保护整定 205.4 发电机复合电压启动的过电流保护整定 20结论 23致谢 24参考文献 25附录 26A1.1 全厂电气主接线图A1.2 50MW发电机保护展开图A1.3 50MW发电机保护交流展开图A1.4 50MW发电机保护直流展开图引 言本次毕业设计的主要内容是针对电力系统中可能出现的各种不正常状态和故障状态，对大型电厂的发电机、

11、主变压器的保护配置及继电保护设计，参照电力系统继电保护及电力工程电气设备手册，并依据继电保护配置原理，对所选择的保护进行整定从而来确定方案中的保护是否适用来编写的。 设计首先是对保护的原理进行分析,保护的整定计算。其次是各种设备的保护配置图。文章内容包括原理分析、保护整定计算。其中发电机采取纵联差动保护；变压器主保护采用的是纵联差动保护和瓦斯保护，两者结合做到优势互补，后备保护是复合电压启动过电流保护。 第1章 电力系统继电保护简论1.1 继电保护的作用电力系统运行要求安全可靠。但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖的地域辽阔。因此，受自然条件、设备及人为因素的影响（如雷

12、击、倒塔、内部过电压或运行人员误操作等），电力系统会发生各种故障和不正常运行状态。最常见、危害最大的故障是各种形式的短路。故障造成的很大的短路电流产生的电弧使设备损坏。从电源到短路点间流过的短路电流引起的发热和电动力将造成在该路径中非故障元件的损坏。靠近故障点的部分地区电压大幅度下降，使用户的正常工作遭到破坏或影响产品质量。破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使该系统瓦解和崩溃。所谓不正常运行状态是指系统的正常工作受到干扰，使运行参数偏离正常值，如一些设备过负荷、系统频率或某些地区电压异常、系统振荡等。故障和不正常运行情况常常是难以避免的，但事故却可以防止。电力系统继电保护装置就是

13、装设在每一个电气设备上，用来反映它们发生的故障和不正常运行情况，从而动作于断路器跳闸或发出信号的一种有效的反事故的自动装置。它的基本任务是：自动、有选择性、快速地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件损坏程度尽可能降低，并保证该系统中非故障部分迅速恢复正常运行。反映电气元件的不正常运行状态，并依据运行维护的具体条件和设备的承受能力，发出信号、减负荷或延时跳闸。随着电力系统的扩大，对安全运行的要求也越来越高。为此，还应设置以各级计算机为中心，用分层控制方式实施的安全监控系统，它能对包括正常运行在内的各种运行状态实施控制，这样才能更进一步地确保电力系统的安全运行。1.2 继电保护的基本要求、原理、

14、构成与分类1.2.1基本要求对作于跳闸的继电保护，在技术上应满足四个基本要求，及可靠性、选择性、性和灵敏性1.2.2基本原理要完成继电保护的基本任务，首先要提取和利用电力元件在三种运行状态下的“差异”，然后“区分”出三种运行状态（正常、不正常和故障状态），最后是“甄别”出发生故障和出现异常的元件。目前已经发现不同运行状态下具有明显差异的电气量有：流过电力元件的相电流、序电流、功率及其方向；元件的运行相电压幅值、序电压幅值；元件的电压与电流的比值即“测量阻抗”等。（a）正常运行情况（b）三相短路情况图1-1 我国常用的110kV及以下单侧电源的供电网络发现并正确利用能可靠区分三种运行状态的可测参

15、量或参量的新差异，就可以形成新的继电保护原理。其他类型的保护有：1.纵联保护利用某种通信通道同时比较被保护元件两侧正常运行与故障时电气量差异的保护。电流差动保护利用内部与外部短路时两侧电流矢量的差别构成。电流相位差动保护利用内部与外部短路时两侧电流相位的差别构成。图1-3 过电流保护单相原理1.2.3 构成（1） 测量元件测量从被保护对象输入的有关物理量（如电流、电压、阻抗、功率方向等），并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”等具有“0”或“1”性质的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启动。（2）逻辑元件根据测量部分输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、

16、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的布尔逻辑及时序逻辑工作，最后确定是否应跳闸或发信号，并将有关命令传给执行元件。（3）执行元件：根据逻辑元件传送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。如：故障时跳闸；不正常运行时发信号；正常运行时不动作。1.2.4分类通常分为以下几类：（1）按被保护的对象分类：输电线路保护、发电机保护、变压器保护、电动机保护等；（2）按保护原理分类：电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、零序保护等；（3）按保护所反应故障类型分类：相间短路保护、接地故障保护、匝间短路保护、断线保护、失磁保护及过励磁保护等；（4） 按构成继电保护装置的继电器原理分类：机电型保护

17、（如电磁型保护和感应型保护）、整流型保护、晶体管型保护、集成电路型保护及微机型保护等；（5） 按保护所起的作用分类：主保护、后备保护、辅助保护等；第2章 主变压器保护设计2.1.变压器保护重要性变压器是电力系统中大量使用的重要电 气设备，它的安全运行是电力系统可靠工作的必要条件。电力变压器有别于发电机，它无旋转部件，是一种静止的电气设备，结构比较简单，运行可靠性较高，发生故障的机会相对较少。但是，变压器是连续运行的，停电机会很少，而且绝大部分安装在室外，受自然环境影响较大。因此，电力变压器在运行中，仍然有可能发生各种类型的故障或出现不正常工作状态。因此，考虑到变压器在电力系统中的重要地位及故障

18、和不正常工作状态可能造成的严重后果，必须根据电力变压器容量和重要程度装设相应的继电保护装置。2.2.变压器的故障类型和不正常运行状态（1）变压器故障类型变压器的故障可分为油箱外和油箱内两种故障。油箱外的故障主要是套管和引出线上发生相间短路及接地短路。油箱内的故障包括绕组间相间短路、接地短路、匝间短路及铁芯的烧损等。（2）变压器不正常工作状态变压器的不正常工作状态主要有：油箱外部短路引起的过电流，负荷长时间超过额定容量引起的过负荷，风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降等。这些不正常运行状态会使绕组和铁芯过热。2.3 变压器保护配置原则1.反应变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护容量为800k

19、VA及以上的油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。当油箱内部故障产生轻微瓦斯或油面下降时，保护装置应瞬时动作于信号；当产生大量瓦斯时，瓦斯保护宜动作于断开变压器各电源侧断路器。2.相间短路保护反应变压器绕组和引出线的相间短路的纵联差动保护或电流速断保护，对其中性点直接接地侧绕组和引出线的接地短路以及绕组匝间短路也能起保护作用。对于发电机变压器组，当发电机与变压器之间有断路器时，变压器应装设单独的纵联差动保护。如果变压器的纵联差动保护对单相接地保护灵敏性不符合要求，可增设零序差动保护。3.后备保护对于由外部相间短路引起的变压器过电流，可采用下列保护作为后备保护。(1)过电流保护。宜用于降压变压器，保护

20、装置的整定值应考虑事故时可能出现的过负荷。(2) 负序电流保护和单相式低电压启动的过电流保护。可用于63000kVA及以上的升压变压器。4.过负荷保护对于400kVA及以上的变压器，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。2.4 变压器纵联差动保护变压器纵联差动保护在正常运行和外部故障时，理想情况下，流入差动继电器的电流等于零。但实际上由于变压器的励磁电流、接线方式和电流互感器误差等因素的影响，继电器中有不平衡电流流过。由于这些特殊因素的影响，变压器差动保护的不平衡电流远比发电机差动保护的大。因此，变压器差动保护需要解决的主要问题之一是采取各种

21、措施避越不平衡电流的影响。在满足选择性的条件下，还要保证在内部故障时有足够的灵敏系数和速动性。2.4.1 构成变压器纵差动保护的基本原则 （a）接线图； (b)对称工况下的向量关系图2-1 双绕组三相变压器纵差动保护原理接线图为了保证正常运行及外部故障情况下差动回路没有电流，该侧电流互感器的变比也要相应地增大倍，即两侧电流互感器变比的选择应该满足三相变压器各侧电流互感器的接线方式和变比的选择也要参照Y，d11双绕组变压器的方式进行调整，即d侧电流互感器用Y接线方式；两个Y侧电流互感器则采用d接线方式。2.4.2 变压器差动保护的不平衡电流1.由变压器带负荷调节分接头产生的不平衡电流1.计算变比

22、与实际变比不一致产生的不平衡电流变压器两侧的电流互感器都是根据产品目录选取的标准变比，其规格种类是有限的。穿越电流如果将变压器两侧的电流都折算到电流互感器的二次侧，并忽略不为零的影响，则区外故障时变压器两侧电流大小相等，即，但方向相反，为区外故障时变压器的穿越电流。由式可知，电流互感器和变压器变比不一致产生的最大不平衡电流为 区外故障时最大的穿越电流。改变分接头的位置，实际上就是改变变压器的变比，电流互感器的变比选定后不可能根据运行方式进行调整，只能根据变压器分接头未调整时的变比进行选择。因此，由于改变分接头的位置产生的最大不平衡电流为变压器分接头改变引起的相对误差，考虑到电压可以正负两个方向

23、进行调整，一般可取调整范围的一半。图2-4 电流互感器等效电路 励磁回路等效电感； 二次负载的等效阻抗；电流互感器传遍误差产生的不平衡电流 励磁电流，也就是电流互感器的传变误差；包括了电流互感器的漏抗和二次负载阻抗，一般电阻分量占主导，在定性分析时可以当作纯电阻处理。流，在变压器外部故障时，一次电流（a）外部短路电流； （b）纵差动保护不平衡电流图2-6 纵差动保护的暂态不平衡电流中除稳态分量外还有非周期分量等暂态分量。导致不平衡电流的瞬时值较稳态量大，非周期分量系数就是考虑这个因素而引入的。 电流互感器的暂态误差非周期分量的存在大大增加了电流互感器的饱和程度，由此产生的误差称为电流互感器的暂

24、态误差。差动保护是瞬时动作的，必须考虑非周期分量引起的暂态不平衡电流。4.变压器励磁电流产生的不平衡电流2-2 双绕组单相变压器等效电路正常运行和外部故障时：变压器不会饱和，励磁电流一般不会超过额定电流的2%5%，对纵差动保护的影响常常略去不计；变压器空载投入或外部故障切除电压恢复时：变压器电压从零或很小的数值突然上升到运行电压。在这个电压上升的暂态过程中，变压器可能会严重饱和，产生很大的暂态励磁电流。这个暂态励磁电流称为励磁涌流。2.5 变压器后备保护2.5.1 低电压启动的过电流保护 只有在电流元件和电压元件同时动作后，才能启动时间继电器，经过预定的延时后动作于跳闸。由于电压互感器回路发生

25、断线时，低电压互感器将误动作，因此在实际装置中还需配置电压回路断线闭锁功能。 采用低电压继电器后，电流继电器的整定值就可以不再考虑并联运行变压器切除或电动机自启动时可能出现的最大负荷，而是按大于变压器的额定电流整定。过电流保护按躲开可能出现的最大负荷电流小整定，启动电流比较大，只有在电流元件和电压元件同时动作后，才能启动时间继电器，经过预定的延时后动作于跳闸。由于电压互感器回路发生断线时，低电压互感器将误动作，因此在实际装置中还需配置电压回路断线闭锁功能。 对于降压变压器，负荷在低压侧电动机自启动时高压侧电压比低压侧高了一个变压器压降。所以高压侧取值比较高。对于升压变压器，如果低压继电器只接在

26、一侧电压互感器上，则另一侧故障时，往往不能满足灵敏度要求。2.5.2变压器零序电流保护电力系统中接地故障是最常见的故障形式。接于中性点直接接地系统的变压器，一般要求在变压器上装设接地保护，作为变压器主保护和相邻元件接地保护的后备保护。发生接地故障时，变压器中性点将出现零序电流，母线将出现零序电压，变压器的接地后备保护通常都是反映这些电气量构成的。2.5.3过负荷保护过负荷保护的安装侧，应根据保护能反映变压器各侧绕组可能过负荷的情况来选择，具体如下：对双绕组变压器，装于发电机电压侧；对一侧无电源的三绕组升压变压器，装于发电机电压侧和无电源侧；对三侧有电源的三绕组变压器，三侧均应装设；对于双绕组降

27、压变压器，装于高压侧；对一测电源的三绕组降压变压器，若三侧绕组容量相等，只装于电源侧；若三侧容量相等，则装于电源侧及绕组容量较小侧；对两侧有电源的三绕组降压变压器，三侧均应装设；装于各侧的保护，均应经过同一时间继电器作用于信号。第3章 发电机保护设计3.1发电机故障及不正常运行状态发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用，同时发电机本身也是一个十分贵重的电器元件，因此，应该整对各种不同的故障和不正常运行状态，装设性能完善的继电保护装置。3.1.1发电机故障类型发电机的故障类型主要有定子绕组相间短路、定子一相绕组内的匝间短路、定子绕组单相接地、转子绕组一点接地或两点接地

28、、转子励磁回路励磁电流消失等。1.定子绕组相间短路是危及发电机最严重的一种故障。2.定子绕组单相匝间短路在匝间电压作用下，产生环流，使该处温度升高，绝缘损坏，并可能转变为单相接地或相间短路故障。3.定子绕组单相接地故障点处会有电流流过定子铁心，研究证明当故障点电流超过5A并持续一定时间时，故障点定子铁心可能熔化，发电机须进行大修，定子铁心须重新选压。4.转子回路一点或两点接地转子回路发生一点接地故障时，由于没有电流通路，对发电机并无危害。但若不及时处理，就有可能导致两点接地故障，造成励磁回路短路，可能损坏转子绕组和铁心。3.1.2 不正常运行状态发电机的不正常运行状态主要有：由于外部短路引起的

29、定子绕组过电流；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；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；由于突然甩负荷引起的定子绕组过电压；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；对于发电机变压器组，对容量在100MW以下的发电机，应装设保护区不小于绕组串联匝数90%的定子接地保护。 3.2 发电机保护的配置原则针对上述故障类型及不正常运行状态，发电机应装设以下继电保护装置：（1）对于直接连于母线的发电机定子绕组单相接地故障当单相接地故障电流虑消弧大于表的规定允许值时，应装设选择性的接地保护装置。（2）对于发电机定子绕组的匝间短路，当定子绕组星形接线、

30、每相有并联分支且中性点侧有分支引出端时，应装设横差保护。（3）对于发电机外部短路引起的过电流，可采用下列保护方式： 1）负序过电流及单元件低电压启动过电流保护，一般用于50MW及以上的发电机； 2）过电流保护，用于1MW及以下的小型发电机；（4）对于由不对称负荷或外部不对称短路而引起的负序过电流，一般在50MW及以上的发电机上装设负序过电流保护。 为了快速消除发电机内部的故障，在保护动作于发电机断路器跳闸的同时，还必须动作自动灭磁开关，断开发电机励磁回路，使定子绕组不再感应出励磁电动势，继续供给短路电流。3.3 发电机纵差保护3.3.1工作原理该保护是利用比较发电机中性点侧和引出线侧电流幅值和

31、相位的原理构成，因此在发电机中性点测和引出线侧装设特性和变比完全相同的电流互感器来实现纵差保护。两组电流互感器之间为纵差保护的范围。电流互感器二次侧按照循环电流接线法接线，即如果两组电流互感器一次侧极性分别以中性点测和母线侧为正极性，则二次侧同极性相连接。差动互感器与两侧电流互感器的二次绕组并联。差动保护在原理上不反应负荷电流和外部短路电流，只反应发电机两侧电流互感器保护区内的故障电流，因此，纵差保护在时限上不必与其他时限配合，可以瞬时动作于跳闸。第4章 短路计算4.1 发电机出口短路计算（一）K点发生三相短路，且在最小运行方式下，即只有1#发电机运行图4.1 K点发生短路的等值电路解：设SB=100MVA，UB=U阿av=10.5kV最小运行方式下：X*=0.248 IK*=1/X*=1/0.248=4.03 IK=IKSB/UB=4.03100/10.5=22.16(KA)（二）当K点发生两相短路时，且在最小运行方式下，即1#发电机运行根据上面计算数据及图4.2所示：A相为基准量所以：IK.min=4.03I