课程设计6MW发电机继电保护设计.doc

电气与信息工程系课程设计任务书 12/13 学年 上 学期 2012 年 11 月 23 日 专业电力系统 自动 化班级10-10(2)班课程名称继电保护课程设计 设计题目6MW 发电机继电保护设计指导教师 起止时间2012 年 11 月 26-30 日周数1设计地点 设计目的： 学生根据继电保护要求要求，明确设计任务，拟定设计方案与进度计划，运用所学的理 论知识，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。 设计任务或主要技术指标： 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，确定适用于大峡水电站的保护方案，最后，分别对母线 处、发电机和变压器进行整定计算和配置，并且根据系统一次设计图给出部分二次设计及其 配置图和一般原理图。 设计进度与要求： 设计进度：星期一：分组和选课题 星期二：方案确定 星期三：分析原始资料中主要设备的参数 星期四：论文准备 星期五：答辩及提交论文 要求：1、继电保护的主要类型 2、数据分析 3、设计任务 4、整理报告 5、参考文献及总结 主要参考书及参考资料： 1 韩笑、宋丽群.电气工程专业毕业设计指南 (继电保护分册) 、第二版，北京：中国 水利水电出版社，2008 2 李光琦.电力系统暂态分析 、第三版，北京：中国电力出版社 2007 3 张保会、尹项根.电力系统继电保护 ，北京：中国电力出版社，2005 4 刘增良、刘国亭.电气工程 CAD、第二版，北京：中国水利水电出版社，2007 教研室主任（签名） 系（部）主任（签名） 年 月 日 摘要摘要 继电保护是电力系统安全、稳定运行的可靠保证。继电保护的功能，就是将检测 到的电气量与整定值进行比较，在越过整定值或边界时就动作，切除故障，发现不正 常状态。 发电机保护是保护发电机免受短路故障损坏的重要自动装置。当发电机内部短路 故障时，继电保护装置在很短的时间内发出动作命令，保护发电机免受短路电流的损 坏。发电机差动保护作为保护区内即发电机定子绕组相间短路的主保护。发电机匝间 短路保护发电机定子绕组匝间短路: 1、零序电压大于高定值动作值时，并且 2YH 没断 线，负序功率方向元件动作，则保护动作。2、零序电压大于低定值动作值时，并且 2YH 没断线，负序功率方向元件动作，基波零序电压增量元件动作，则保护经延时 0.1 秒动作全停。3、发电机外部发生两相短路时，负序功率方向元件不动作，把保护闭锁。 三次谐波电压式定子接地保护作为发电机定子绕组接地短路的保护，保护区为中性点 到机端的 5区域 （从机端 2YH 和发电机中性点 YH0 取电压） ；构成原理:比较机端 与中性点处三次谐波电压的大小;失步保护作用： 反应发电机失步状态的构成原理： 反应发电机机端测量阻抗的变化轨迹，动作特性为双遮挡器。 关键词：发电机 继电保护 小功率 目 录 1.发电机故障和不正常工作做状态及其保护 1 1.1 发电机的故障和异常运行状态 .1 1.1.1 发电机的内部故障.1 1.1.2 发电机的不正常运行状态.1 1.2 大型发电机组的特点及对继电保护的要求 1 1.3 发电机保护装设的原则 .2 2.发电机的纵差动保护 3 2.1 工作原理 .3 2.2 整定原则 .3 3.发电机定子绕组匝间短路保护 6 3.1 装设匝间短路保护的必要性 .6 3.2 单继电器横差保护 .6 3.3 定子绕组零序电压原理的匝间短路保护 .6 4.发电机定子绕组单相接地保护 8 4.1 发电机定子绕组单相接地的特点 .8 4.2 利用零序电流构成的定子接地保护 .8 4.3 利用零序电压构成的定子接地保护(用于发电机变压器组) .9 4.4 利用三次谐波电压构成 100%的定子绕组单相接地保护 .9 5.发电机的失磁保护 .12 5.1 发电机失磁运行的后果 12 5.2 发电机失磁保护的辅助判据12 5.3 失磁保护的构成方式12 总 结 .14 致 谢 .15 参考文献 .16 1.发电机故障和不正常工作做状态及其保护 发电机是电力系统中十分重要和贵重的设备，发电机的安全运行直接影响电力系 统的安全。发电机由于结构复杂，在运行中可能发生故障和不正常状态，会对发电机 造成危害。同时，系统故障也可能损坏发电机。所以，针对发电机的故障和不正常工 作状态，应装设性能完善的机电保护装置。 1.1 发电机的故障和异常运行状态 1.1.1 发电机的内部故障 内部故障主要是由定子绕组及转子绕组绝缘损坏引起的，常见的故障有： 定子绕组相间短路。 定子绕组单相匝间短路。 定子绕组单相接地。 转子绕组一点接地或两点接地。 转子励磁回路电流消失。 1.1.2 发电机的不正常运行状态 不正常运行状态主要有： 外部短路引起的定子绕组过电流。 负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷。 外部不对称短路或不对称负荷(如单相负荷，非全相运行等)而引起的发电机负 序过电流和过负荷。 突然甩负荷而引起的定子绕组过电压。 励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷。 汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率运行等。 1.2 大型发电机组的特点及对继电保护的要求 随着电力工业的飞跃发展，大机组的陆续投运，与中、小型机组相比，大机组在 设计、 结构及运行方面有许多特点，相应的对继电保护提出了新的要求，具体有如下 表现。 (1) 大容量机组的体积不随容量成比例增大，即有效材料利用率高，但却直接影 响了机组的惯性常数明显降低，使发电易于失步，因此很有必要装设失步保护；其次， 发电机热容量与铜损、铁损之比明显下降，使定子绕组及转子表面过负荷能力降低， 为了确保大型发电机组在安全运行条件下充分发挥过负荷的能力，应装设具有反时限 特性的过负荷保护及过电流保护。 (2)电机参数增大其后果是： 短路电流水平下降，要求装设更灵敏的保护。 定子回路时间常数显著增大，定子非周期分量电流衰减缓慢，使继电保护用的 电流互感器的工作特性严重恶化，同时也加重了不对称短路时转子表层的附加发热， 使负序保护进一步复杂化。 发电机平均异步力矩大为降低，因此失磁异步运行时滑差大，从系统吸收感性 无功多，允许异步运行时的负载小、时间短，所以大型机组更需要性能完善的失磁保 护。 由于增大，发电机由满载突然甩负荷引起的过电压就较严重。 (3)大型机组采用水内冷、氢内冷等复杂的冷却方式，故障几率增加。 (4)单机容量增大，汽轮机组轴向长度与直径之比明显增大，从而使机组振荡加剧， 匝间绝缘磨损加快，有时候可能引起冷却系统故障。因此，应当用灵敏的匝间短路保 护和漏水保护(对水内冷机组)。 (5)大型水轮机组的转速低，直径大，气隙不均匀，将引起机组振荡加剧，因此要 装气隙不均保护。若定子绕组并联分支多且有中性点，应设计新的反应匝间短路的横 差保护。 (6)大型机组励磁系统复杂，故障几率也增多，发电机过电压、失磁的可能性加大， 若采用自并励励磁系统，还需考虑后备保护灵敏度问题。综上所述，并考虑到大型机 组造价高、结构复杂，一旦发生故障，其检修难度大、时间长、造成经济损失大，因 此，要求大型机组的继电保护进一步的完善化,不但要提高原有保护的性能，还要探索 多功能、新原理的故障预测装置，用计算机技术使保护与安全监测和综合自动化控制 更好的结合。 1.3 发电机保护装设的原则 针对以上故障及不正常运行状态，一般发电机应装设以下继电保护装置： (1)对 1MW 以上发电机的定子绕组及其引出线的相间短路，应装设纵差保护装置。 (2)对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(不考 虑消弧线圈的补偿作用)大于表 7-1 规定的允许值时，应装设有选择性的接地保护装置。 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 小于定子绕组串联匝数 90%的定子接地保护；对容量在 100MW 及以上的发电机，应装设 保护区为 100%的定子接地保护，保护带时限动作于信号，必要时动作于切机。 (3)对于发电机定子绕组的匝间短路，当定子绕组星形连接、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；对 200MW 及以上的发电机，有条件时可装 设双重化横差保护。 2.发电机的纵差动保护 发电机纵差保护是发电机定子绕组及其引出线相间短路的主保护，因此，它应能 快速切断内部所发生的故障，同时在正常运行及外部故障时，又应能保证动作的选择 性和工作的可靠性。在保护范围内发生相间短路时，应瞬间断开发电机断路器和自动 灭磁开关。 2.1 工作原理 这种保护是利用比较发电机中性点侧和引出线侧电流幅值和相位的原理构成，因 此在发电机中性点侧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动 保护。两组电流互感器之间为纵差动保护的范围。电流互感器二次绕组按照循环电流 法接线，即如果两组电流互感器一次侧的极性分别以中性点侧和母线侧为正极性，则 二次侧同极性相连接。差动继电器与两侧电流互感器的二次绕组并联。保护的单相原 理接线如图 2.1 所示。 (a) 内部故障情况 (b) 正常运行及外部故障情况 图 2.1 发电机纵差保护单相原理图 纵差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 器之间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。 2.2 整定原则 1在正常运行情况下，电流互感器二次回路断线时保护不应误动 如图 2.1 所示，假设流过电流互感器 2TA 的二次引线发生了断线，则电流 I2被 迫变为零，此时，在差动继电器中将流过电流，当发电机在额定容量运行时，此电流 即为发电机额定电流变换到二次侧的电流 I2，用 ING/KTA 表示。在这种情况下，为 防止差动保护误动，应整定保护装置的启动电流大于发电机的额定电流，引入可靠系 数后，则保护装置和继电器的整定电流分别为 Iset=KrelING Isetr=KrelING/KTA (2-1) 式中 KTA电流互感器变比。 这样整定之后，在正常运行情况下，任一相电流互感器二次回路断线时，保护将 不会误动作。但如果在断线后又发生了外部短路，则继电器回路中要流过短路电流， 保护仍然要误动。为防止这种情况的发生，在差动保护中，一般装设断线监视装置， 当断线后，它动作发出信号，运行人员接到信号后即应将差动保护退出工作。 断线监视继电器的整定电流按躲开正常运行时的不平衡电流整定，原则上越灵敏 越好。根据经验，一般选择为 Isetr=0.2ING/KTA (2-2) 为了防止断线监视装置在外部故障时由于不平衡电流的影响而误发信号，取其动 作时限大于发电机后备保护的时限。具有断线监视装置的发电机纵差保护原理接线如 图 2.2 所示。 图 2.2 具有断线监视装置的发电机纵差保护原理接线图 保护装置采用三相式接线(1KD3KD 为差动继电器)，在差动回路的中线上接有断 线监视继电器 KA，当任一相电流互感器回路断线时，它都能动作，经过延时发出信号。 为了使差动保护的范围能包括发电机引出线(或电缆)在内，因此所使用的电流互感器 应装设在靠近断路器的位置。 2. 躲过外部故障时的最大不平衡电流 整定电流为 Isetr=KrelIunbmax (2-3) 考虑非周期分量的影响，并将稳态不平衡电流计算式 Iunb=0.1KstIkmax/KTA 带入式（2-3）得 Isetr=0.1KrelKnpKstIkmax/KTA (2-4) 式中 Krel可靠系数，取 1.3; Knp非周期分量系数，当采用具有速饱和铁芯的差动继电器时，取 1； Kst电流互感器同型系数，当型号相同时取 0.5。 3. 灵敏度校验 保护装置灵敏度校验按下式计算： Ikmin Ksen= Iset (2-7) 式中 Ikmin发电机内部故障时流过保护装置的最小短路电流。 实际上应考虑下面两种情况： （1）发电机与系统并列运行以前，在其出线端发生两相短路，此时差动回路中只 有发电机供给的短路电流1，而1=0。 （2）发电机采用自同期并列（此时发电机先不加励磁，电动势 0）时，在系统 最小运行方式下，发电机出线端发生两相短路，此时，差动回路只有系统供给的短路 电流1，而1=0。 对灵敏系数的要求一般不小于 2。 应该指出，上述灵敏系数的校验，都是以发电机出口处发生两相短路为依据的， 此时短路电流较大，一般都能够满足灵敏系数的要求。但当内部发生轻微的 故障，例 如经绝缘材料的过渡电阻短路时，短路电流的数值往往较小，差动保 护不能启动，此 时只有等故障进一步发展以后，保护方能动作，而这时可能已 对发电机造成更大的危害。因此，尽量减小保护装置的启动电流，以提高差动保 护对内部故障的反应能力还是很有意义的，发电机的纵差动保护可以无延时地切除保 护范围内的各种故障，同时又不反应发电机的过负荷和系统振荡，且灵敏系数一般较 高。因此，纵差动保护毫无例外地用作容量在 1MW 以上发电机的主保护。 3.发电机定子绕组匝间短路保护 3.1 装设匝间短路保护的必要性 由于发电机纵差保护不反应定子绕组一相匝间短路，因此，发电机定子绕组一相 匝间短路后，如不能及时进行处理，则可能发展成相间故障，造成发电机严重损坏。 因此，在发电机上(尤其是大型发电机)应装设定子匝间短路保护。以往对于双星形接 线而且中性点侧引出 6 个端子的发电机，通常装设单元件式横联差动保护(简称横差保 护)。但是，对于一些大型机组，出于技术上和经济上的考虑，发电机中性点侧常常只 引出三个端子，更大的机组甚至只引出一个中性点，这就不可能装设常用的单元件式 横差保护。 3.2 单继电器横差保护 在大容量发电机组中，由于额定电流很大，其每相都做成两个及其以上绕组的并 联，如图 3.3 所示。 图 3.1 大容量发电机内部接线示意图 在正常情况下，两个绕组中的电势相等，各供的负荷电流。当任一各绕组中发生 匝间短路时，两个绕组中的电动势就不再相等，因而会由于出现电动势差而产生一个 均衡电流，在两个绕组中环流。因此，利用反应两个支路电流之差的原理，即可实现 对发电机定子绕组匝间短路的保护，此即横差保护。 3.3 定子绕组零序电压原理的匝间短路保护 图 3.6 所示为由负序功率闭锁的纵向零序电压匝间短路保护的原理示意图。图中 PT 一次侧中性点必须与发电机中性点直接相连，而不能再直接接地，正因为 TVN1 的一 次侧中性点不接地，因此，其一次绕组必须采用全绝缘，且不能被用来测量相电压， 故图 3.6 中的 TVN1 是零序电压匝间短路保护专用电压互感器。开口三角绕组安装了具 有三次谐波滤过器的高灵敏性过电压继电器。 图 3.2 由负序功率闭锁的纵向零序电压匝间短路保护原理图 4.发电机定子绕组单相接地保护 根据安全的要求，发电机的外壳都是接地的，因此，定子绕组因绝缘破坏而引起 的单相接地故障比较普遍。当接地电流比较大，能在故障点引起电弧时，将使绕组的 绝缘和定子铁芯烧坏，并且也容易发展成相间短路，造成更大的危害。根据运行经验， 当接地电容电流大于等于 5A 时，应装设动作于跳闸的接地保护；当接地电容电流小于 5A 时，一般装设作用于信号的接地保护。 4.1 发电机定子绕组单相接地的特点 现代的发电机，其中性点都是不接地或经消弧线圈接地的，因此，当发电机内部 单相接地时，流经接地点的电流仍为发电机所在电压网络(即与发电机有直接电联系的 各元件)对地电容电流之和，而不同之处在于故障点的零序电压将随发电机内部接地点 的位置而改变。 4.2 利用零序电流构成的定子接地保护 对直接连接在母线上的发电机，当发电机电压网络的接地电容电流大于表 7-1 的 允许值时，不论该网络是否装有消弧线圈，均应装设动作于跳闸的接地保护。当接地 电容电流小于允许值时，则装设作用于信号的接地保护。 在实现接地保护时，应做到当一次侧的接地电流(即零序电流)大于允许值时即动 作于跳闸，因此，就对保护所用的零序电流互感器提出了很高的要求。一方面是正常 运行时，在三相对称负荷电流(常达数千安)的作用下，在二次侧的不平衡输出应该很 小，另一方面是接地故障时，在很小的零序电流作用下，在二次侧应有足够大的功率 输出，以使保护装置能够动作。 目前我国采用的是用优质高磁导率硅钢片做成的零序电流互感器，其磁化曲线起 始部分的磁导率很高，因而在很小的一次电流作用下，就具有较高的励磁阻抗和二次 输出功率，能满足保护灵敏性的要求，而结构并不复杂。随着静态继电器的广泛使用， 这一问题将能得到更好的解决。 接于零序电流互感器上的发电机零序电流保护，其整定值的选择原则如下： (1) 躲过外部单相接地时，发电机本身的电容电流以及由于零序电流互感器一次 侧三相导线排列不对称，而在二次侧引起的不平衡电流。 (2) 保护装置的一次动作电流应小于规定的允许值。 (3) 为防止外部相间短路产生的不平衡电流引起接地保护误动作，应在相间保护 动作时将接地保护闭锁。 (4) 保护装置一般带有 1 s2 s 的时限，以躲过外部单相接地瞬间，发电机暂态 电容电流的影响。因为，如果不带时限，则保护装置的启动电流就必须按照大于发电 机的暂态电容电流来整定。当发电机定子绕组的中性点附近接地时，由于接地电流很 小，保护将不能启动，因此零序电流保护不可避免地存在一定的死区。为了减小死区 的范围，就应该在满足发电机外部接地时动作选择性的前提下，尽量降低保护的启动 电流。 4.3 利用零序电压构成的定子接地保护(用于发电机变压器组) 一般大、中型发电机在电力系统中大都采用发电机变压器组的接线方式，在这 种 情况下，发电机电压网络中，只有发电机本身、连接发电机与变压器的电缆以及变压 器对地电容(分别以 、 、 表示)，其分布如图 4.1 所示。当发电机单相接 地后，接地电容电流一般小于允许值。对于大容量的发电机变压器组，若接地后的电 容电流大于允许值，则可在发电机电压网络中装设消弧线圈予以补偿。由于上述三项 电容电流的数值基本上不受系统运行方式变化的影响，因此，装设消弧线圈后，可以 将接地电流补偿到很小的数值。在上述两种情况下，均可装设作用于信号的接地保护。 图 4.1 发电机电压系统的对地电容分布图 发电机在正常运行时，发电机相电压中含有三次谐波，因此，在机端电压互感器 接成开口三角形的一侧也有三次谐波电压输出，此外，当变压器高压侧发生接地故障 时，由于变压器高、低压绕组之间有电容存在，因此，在发电机机端会产生零序电压。 为了保证动作的选择性，保护装置的整定值应躲过正常运行时的不平衡电压(包括三次 谐波电压)，以及变压器高压侧接地时在发电机机端产生的零序电压。根据运行经验， 继电器的启动电压一般整定为 15V30V 左右。按以上条件的整定保护，由于整定值较 高，因此，当中性点附近发生接地时，保护装置不能动作，因而出现死区。 4.4 利用三次谐波电压构成 100%的定子绕组单相接地保护 1. 反应三次谐波电压比值和基波零序电压组合而成的 100%定子接地保护 由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁磁饱和的影响，在定子绕组中感应的 电动势除基波分量外，还含有高次谐波分量。其中三次谐波电动势虽然在线电动势中 可以将它消除，但在相电动势中依然存在。因此，每台发电机总有约百分之几的三次 谐波电动势。正常运行时的等效网络如图 4.2 所示，由此可算出中性点及机端的三次 谐波电压分别为 图 4.2 发电机三次谐波电动势和对地电容的等值电路图 当发电机中性点经消弧线圈接地时，其等效电路如图 7.13 所示，设基波电容电流 得到全部补偿 图 4.3 发电机中性点接消弧线圈时，三次谐波电动势及对地电容的等值电路图 接入消弧线圈以后，中性点的三次谐波电压在正常运行时比机端三次谐波电压更 大。 图 4.4 发电机内部单相接地时，三次谐波电动势分布等值电路图 图 4.5 Us3 与 UN3 随 a 变化的曲线 如上所述，利用三次谐波电压构成的接地保护可以反应发电机绕组中 a50%范 围内的单相接地故障，且当故障点愈接近中性点，保护的灵敏性愈高；而利用基波零 序电压构成的保护，则可以反应 a15%以上范围的单相接地保护，且当故障点愈接近 发电机出线端时，保护的灵敏性愈高。因此，利用三次谐波电压比值和基波零序电压 的组合，构成了 100%的定子绕组接地保护。 5.发电机的失磁保护 5.1 发电机失磁运行的后果 发电机失磁是指发电机的励磁突然全部或部分消失。引起失磁的主要原因有：转 子绕组故障、励磁机故障、自动灭磁开关误跳闸、半导体励磁系统中某些元件损坏或 回路发生故障以及误操作等。 当发电机完全失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减至零。由于发电机的感应电动势 随着励磁电流的减小而减小，因此，其电磁转矩也将小于原动机的转矩，因而引起转 子加速，使发电机的功角 增大。 当超过静态稳定极限时，发电机与系统失步。发 电机失磁后将从电力系统中吸收感性无功功率，供给转子励磁电流，在定子绕组中感 应出电动势。在发电机超过同步转速后，转子回路中将感应出频率为 Gs（其中 G 为对应发电机转速的频率，s 为系统频率）的电流，此电流产生异步制动转矩。当异 步制动转矩与原动机转矩达到新的平衡时，即进入稳定的异步运行。 5.2 发电机失磁保护的辅助判据 以静稳定边界或异步边界作为判据的失磁阻抗继电器能够鉴别正常运行与失磁故 障。但是，在发电机外部短路、系统振荡、长线路充电、自同期并列及电压回路断线 等，失磁继电器可能误动作。因此，必须利用其他特征量作为辅助判据。增设辅助元 件，才能保证保护的选择性。在失磁保护中，常用的辅助判据和闭锁措施如下： (1) 当发电机失磁时，励磁电压下降。在外部短路、系统振荡过程中，励磁直流 电压不会下降，反而因为强行励磁作用而上升。但是，在系统振荡、外部短路的过程 中，励磁回路会出现交变分量电压，它叠加于直流电压之上，使励磁回路电压有时过 零。此外，在失磁后的异步运行过程中，励磁回路还会产生较大的感应电压。由此可 见，励磁电压是一个多变的参数，通常把它的变化作为失磁保护的辅助判据。 (2) 发生失磁故障时，三相定子回路的电压、电流是对称的，没有负序分量。在 短路或短路引起的振荡过程中，总会短时或整个过程中出现负序分量。因此，可以利 用负序分量作为辅助判据，防止失磁保护在短路或短路伴随振荡的过程中误动。 (3) 系统振荡过程中，机端测量阻抗的轨迹只可能短时穿过失磁继电器的动作区， 而不会长时间停留在动作区。因此，失磁保护带有延时可以躲过振荡的影响。 5.3 失磁保护的构成方式 失磁保护应能正确反应发电机的失磁故障，而在发电机外部故障、系统振荡、发 电机自同步并列及发电机低励磁(同步)运行时均不误动。根据发电机容量和励磁方式 的不同，对于容量在 100MW 以下的带直流励磁机的水轮发电机和不允许失磁运行的汽 轮发电机，一般是利用转子回路励磁开关的辅助触点连锁跳开发电机的断路器。这种 失磁保护只能反应由于励磁开关跳开所引起的失磁，因此，是不完善的。 图 5.1 给出了一种失磁保护的原理接线图。图中，KZ 为失磁保护的阻