（电气工程专业论文）大型发电机变压器组继电保护的配置研究.pdf

摘要 随着我国电力事业的发展，发电机组趋向于大容量、高参数。目前新建的火力发 电项目基本上都是6 0 0 m w 、1 0 0 0 m w 级机组。对于大机组的发电机一变压器组保护， 不能盲目套用中小机组的设计，而要根据发电机和变压器结构的特点，配置合适的保 护，对电流互感器的性能也要有所考虑。 现行的继电保护和安全自动装置技术规程g b l 4 2 8 5 9 3 仅对6 0 0 m w 及以下的 发电机和变压器保护做了规定，对于更大的机组只能参照执行，对于国家电力公司二 十五项反措中有关保护双重化的要求也未能充分反映，有必要根据具体情况对某些地 方进行讨论。 本文首先对主要发电机和变压器生产厂家的设备情况和技术参数进行了介绍，对 近几年大型主设备的故障情况和保护的动作情况进行了统计分析，说明了继电保护工 作需要注意的重点。 针对发电机变压器组容易发生的故障类型，本文对几种重要的保护，如发电机 差动保护、发电机匝间短路保护、变压器差动保护、发电机定子和转子接地保护、失 磁保护、失步保护等进行了介绍，从原理和工程应用方面对这些保护的配置提出了可 行的方案，同时对一些需要注意的问题，如后备保护的配置、励磁系统的保护配置、 c t 断线的处理等进行了讨论。 对于国内目前继电保护方面的规定、保护装置的情况作了介绍，特别对继电保护 双重化规定所带来的影响和应对措施进行了说明。 结合一些典型工程的发电机变压器组保护配置，本文列出了推荐的配置方案。 最后描述了互感器对继电保护的重要性，对保护用电流互感器进行了简单的计 算，给出了互感器在工程上的典型配置。 希望通过本文的工作，能对大型发电机一变压器组的继电保护配置提供一定的参 考。 关键词：继电保护；配置；发电机；变压器 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i c a li n d u s t r yi nc h i n a , t h eg e n e r a t o ru n i t t e n d st ol a r g ec a p a c i t ya n dh i g hp a r a m e t e r s m o s to f t h en e w p r o j e c t se m p l o y6 0 0 m wa n d 1 0 0 0 m wc l a s su n i t s f o rt h er e l a y i n gp r o t e c t i o no f t h el a r g eg e n e r a t o r - t r a n s f o r m e ru n i t , i t i sn o ts u i t a b l et oa p p l yt h ed e s i g nf o rs m a l lu n i tm e c h a n i c a l l y p e o p l es h o u l dc o n f i g u r a t i o n t h ea p p r o p r i a t ep r o t e c t i o n sa c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo fl a r g eg e n e r a t o ra n dt r a n s f o r m e r a l s ot h ep e r f o r m a n c eo f c u r r e n tt r a n s f o r m e rf o rt h ep r o t e c t i o ns h o u l dh ec o n s i d e r e d t h es c o p eo fa p p l i c a t i o no ft h ea c t i v e t e c h n i c a lc o d ef o rr e l a y i n gp r o t e c t i o na n d s e c u r i t ya u t o m a t i ce q u i p m e n t g b l 4 2 8 5 9 3i sf o rt h eg e n e r a t o ra n dt r a n s f o r m e ru pt o 6 0 0 m w t ot h el a r g e ru n i t s ，i ti so n l yf o rr e f e r e n c e t h i sc o d ea l s oc a n tr e f l e c tt h e d e m a n do ft h er e d u n d a n tc o n f i g u r a t i o no fp r o t e c t i o n s oi ti sn e c e s s a r yt od i s c u s s s o m e t h i n gf o rt h en e w i n s t a n c e t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r so f t h ee q u i p m e n t so f t h el e a d i n gm a n u f a c t o r i e si nt h ef i e l do fl a r g eg e n e r a t o ra n dt r a n s f o r m e r a l s og i v et h e s t a t i s t i c a ld a t ao ft h ef a u l t yo fm a i ne q u i p m e n t sa n dt h eo p e r a t i o no fp r o t e c t i o nr e l a y s ， i l l u s t r a t et h ek e yp o i n t so f t h er e l a y i n gp r o t e c t i o n a c c o r d i n gt ot h ef a u l t yt y p e sw h i c ho f t e no c c u r r e d ，t h ep a p e ra n a l y z e ss o m ek i n d so f r e l a y i n gp r o t e c t i o n , s u c ha sg e n e r a t o rp h a s ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n , g e n e r a t o rt u r n - t o - t u r n s h o r tc i r c u i tp r o t e c t i o n , t r a n s f o r m e rp h a s ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，g e n e r a t o rs t a t o ra n dr o t o r g r o u n df a u l tp r o t e c t i o n , l o s e - o f - f i e l dp r o t e c t i o n , o u t - o f - s t e pp r o t e c t i o n , e r e ，a n dg i v es o m e p r a c t i c a la d v i c e s a l s oi nt h i sp a p e rd i s c u s s e ss o m eq u e s t i o n sw h i c hs h o u l dh ep a y a t t e n t i o n , s u c ha st h ec o n f i g u r a t i o no fb a c k u pp r o t e c t i o n s ，g e n e r a t o re x c i t es y s t e m p r o t e c t i o n , t h em e t h o d t od e a lw i t l lt h eo p e nc i r c u i tf a u l to f c u r r e n tt r a n s f o r m e r e t e t h ep a p e ri n t r o d u c e st h er u l e so ft h er e l a y i n g p r o t e c t i o ni nc h i n a , e s p e c i a l l y c o m m e n to nt h ei n f l u e n c e so ft h er e g u l a t i o nc o n c e r n i n go nt h er e d u n d a n tc o n f i g u r a t i o no f p r o t e c t i o n a c c o r d i n g t ot h ec o n f i g u r a t i o no f r e l a y i n gp r o t e c t i o nf o rs o m er e p r e s e n t a t i v ep r o j e c t s ， t h er e c o m m e n d e d c o n f i g u r a t i o ni sg i v e n i nt h i sp a p e r a tl a s t ，t h ei m p o r t a n c eo fc h o o s i n gt h ec u r r e n tt r a n s f o r m e ra n dp o t e n t i a lt r a n s f o r m e r i sm e n t i o n e d t h eb r i e fc a l c u l a t i o na n dc l a s s i cc o n f i g u r a t i o nf o rt h e s et r a n s f o r m e r sa l e g i v e ni nt h ep a p e r 1 1 i ti se x p e c t e dt og i v es o m es u g g e s t i o n so nt h ec o n f i g u r a t i o no f t h er e l a y i n gp r o t e c t i o n f o rt h el a r g eg e n e r a t o r - t r a n s f o r m e ru n i tb yt h ew o r ko f t h i sp a p e r k e y w o r d s ：r e l a y i n gp r o t e c t i o n ；c o n f i g u r a t i o n ；g e n e r a t o r ；t r a n s f o r m e r 1 i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：丧崂 i ! t 其i ：加。毛年1 2 月多e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学 校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 学位论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文 的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。 圈不保密。 学位论文全文电子版提交后： 团同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位 浏览。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 本人签名： 导师签名： 日期：翌! ：! 兰： f i l l ：卫乙坐扛 第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国大型发电机和变压器设备概况 1 1 1 发电机 随着国内电力工业的增长，国家电网大型汽轮发电机组已经从8 0 年代的3 0 0 m w 级发展j ! i j 9 0 年代的6 0 0 m w 级以及目前的1 0 0 0 m w 级( 单轴，3 0 0 0 r m i n ) ，发展大容量 汽轮发电机组，采用超临界、超超临界、高效火力发电，可以提高火力发电效率、节 约能源资源、降低总体环境污染水平。目前国内9 0 0 m w 、1 0 0 0 m w 级单轴汽轮发电 机组已有上海外高桥电厂( 2 台) 、浙江玉环电厂( 4 台) 、山东邹县电厂( 2 台) 、 汕头海门电厂( 2 台) 、潮州三百门电厂( 2 台) 、广东惠来电厂( 2 台) 、广东平海 电厂( 2 台) 、泰州电厂( 2 台) 、天津北疆电厂( 2 台) 、浙江宁海电厂( 2 台) 、北 仑电厂( 2 台) 等先后进行主机的招标工作。目前的1 0 0 0 m w 级发电机均要求采用外 方技术支持、中外联合设计、联合制造、外方性能保证的引进技术国产化的方法，以 期提高国内火力发电机组的制造水平。国内三大发电机制造厂通过向国外技术支持 方引进技术和消化吸收，并结合其大量的亚临界和超临界机组的生产经验，目前基本 都具备了提供1 0 0 0 m w 超超临界机组的实力。表1 1 以1 0 0 0 m w 级发电机为例，介绍了 国内三大主机厂的设备情况。 表i - 11 0 0 0 m w 级发电机主要技术参数 t a b l ei - ip a r a m e t e r s o f l 0 0 0 m w c l a s s g e n e r a t o r 上海汽轮发电机有限东方电机股份有限公哈尔滨电机厂有限责 公司司任公司 技术支持方s i e m e n s日立东芝 型号 t h d f1 2 5 6 7 t v l q q k d t a k s - l c h 额定功率 1 0 0 0 m w1 0 0 0 m w1 0 0 0 m w 功率因数 0 9 ( 滞后)0 9 ( 滞后)0 9 ( 滞后) 与汽轮机相匹配( 与汽轮机相匹配( 与汽轮机相匹配( 最大连续输出功率 1 0 7 9 m w )1 0 8 3 m w )1 0 8 6 m w ) 额定电压 2 7 k v2 7 k v2 7 k v 华南理工大学硕士学位论文 上海汽轮发电机有限东方电机股份有限公哈尔滨电机厂有限责 公司司任公司 定子电流2 3 7 7 8 a 2 3 9 4 9 a2 3 9 5 0 a 额定转速 3 0 0 0 r ，m i n3 0 0 0 r m i n3 0 0 0 r r a i n 额定氢压 0 5 m p a ( g )0 s m p a ( g )0 5 2 m p a ( g ) 冷却方式水氢氢水氢氢 水氢氢 定子轴向，转子轴向一 定子径向，转子气隙取定子径向，转子气隙取 通风方式 径向气 气 效率不小于9 8 9 不小于9 9 9 9 短路比 0 4 8不小于0 5 0 5 2 绝缘等级f ( b 级温升)f ( b 级温升)f ( b 级温升) 励磁电压 4 3 7 v4 7 7 v6 6 0 v 励磁电流 5 8 8 7 a5 4 7 9 a5 3 6 0 a 励磁方式 无刷或静态静态静态 定子绕组接线方式 y yy yy y 漏氢量不大于1 2 n m 3 2 4 h不大于1 2 n m 3 2 4 h不大于1 2 n m 3 2 4 h 密封油系统 单流环系统单流环系统 单流环系统 1 1 2 变压器 1 1 2 1 变压器参数 根据计算，为6 0 0 m w 和1 0 0 0 m w 发电机配套的主变压器容量大致为7 2 0 m v a 和1 1 4 0 m v a ( 3 x 3 8 0 m v a ) 。接线方式为y n d l l ，主变阻抗选用u d = 1 4 1 8 。 高压厂变和高压启动备用变一般选用双分裂有载调压变压器和双绕组有载调压 变压器。高压厂变接线方式为d y n l y l l l ，高压启动备用变叮，y n 0 一y n o + d ， u d = l o 5 1 8 。 2 第一章绪论 1 1 2 2 主变压器型式 目前我国为6 0 0 m w 级机组配套的主变压器有两种结构形式，是采用三相双卷 主变压器，另一种是采用单相双卷变压器组。从业绩的情况看，我国早期所上的电厂， 大多采用了单相双卷变压器组。而且前建设的电厂和引进国外机组，则多数选用三相 双卷变压器。 国内为1 0 0 0 m w 机组配套的主变压器仅有一种结构形式，即采用单相变压器组。 如大亚湾核电站( 2 x 9 0 0 m w ) 、岭澳核电站( 2 x 1 0 0 0 m w ) 、田湾核电站( 2 x l o o o m w ) 、 外高桥电厂( 2 x 9 0 0 m w ) 、玉环电厂( 叙i 0 0 0 m w ) 、山东邹县电厂( 2 x 1 0 0 0 m w ) ， 泰州电厂( 2 x 1 0 0 0 m w ) 等均是采用了单相变压器组，这主要有三方面的原因：一是 制造技术方面的原因，二是运输方面的原因，三是基于可靠性方面的原因。目前一些 无运输困难的濒海电厂已开始考虑三相变压器的方案。 国内的保定、西安、沈阳、常州东芝和重庆a b b 等变压器厂均生产过不少5 0 0 k v 、 1 0 0 0 m v a 等级的单相变压器，目前运行情况也较为理想。但5 0 0 k v 、1 0 0 0 m v a 等 级的三相交压器均无业绩，其中常州东芝及重庆a b b 的母公司在国外有业绩，但均 不是太多，其他国外厂家的业绩也不多。目前国内三相变压器运行业绩容量最大的为 8 4 0 m v a ，而7 2 0 m v a 容量的三相交压器已有很成熟的运行业绩。 1 2 大型发电机和变压器及其保护运行和故障情况 拒统计，至2 0 0 4 年为止，全国共有1 0 0 m w 及以上发电机1 0 9 3 台，2 2 0 k v 变压 器3 7 2 1 台，3 3 0 k v 变压器1 6 1 台，5 0 0 k v 变压器4 4 1 台。根据近几年的数据，1 0 0 m w 及以上发电机内部故障类型及次数统计见表1 2 ，2 2 0 k v 及以上变压器内部故障类型 及次数统计见表1 3 。 表1 - 21 0 0 m w 及以上发电机本体故障类型及次数统计 t a b l e1 - 2s t a t i s t i cd a t ao f f a u l t yt y p ea n dn u m b e rf o rg e n e r a t o rl a r g e rt h a n1 0 0 m w 故障次数 故障类型 1 9 9 9 年2 0 0 0 矩2 0 0 1 年2 0 0 2 盈2 0 0 3 正2 0 0 4 芷总计 相间故障 4486302 5 铁芯故障 32o6 1 242 7 内部引线故障 2 226231 7 转子接地 993 58l3 5 3 华南理工大学硕士学位论文 故障次数 故障类型 1 9 9 9 年2 0 0 0 燕2 0 0 1 正2 0 0 2 盆2 0 0 3 定2 0 0 4 矩 总计 定子接地 l l 63 8 1 3 1 05 l 定子匝间短路 looi4l7 定子线圈开路 ooloo0l 总计 3 02 31 73 24 21 91 6 3 表1 - 32 2 0 k v 及以上变压器本体故障类型及次数统计 t a b l ei - 3s m t i s t i ed a mo f f a u l t yt y p ea n dn u m b e rf o rt r a n s f o r m e rh i g h e rt h a n2 2 0 k v 故障次数 故障类型 1 9 9 9 定2 0 0 0 生2 0 0 1 年2 0 0 2 拒2 0 0 3 矩2 0 0 4 焦总计 匝间故障1 71 52 3881 48 5 铁芯故障 o32l l 18 相间接地故障 235l l983 8 套管故障5 4 81 01 l1 3 5 1 分接开关故障 l22l461 6 总计2 52 74 03 13 34 21 9 8 从表l 之和表1 3 所列数据可以看出，发电机的定子接地和转子接地故障次数很 多，需要加强这方面的保护，而制造厂认为不会发生的定子匝间短路和定予绕组开路 故障也确实存在，所以还是有必要安装定子匝间短路保护。在变压器方面，匝间故障 次数最多，套管故障也占相当比例。 根据有关资料的统计，2 0 0 0 2 0 0 4 年大型发电机和变压器保护的动作情况分别 见表l - 4 和表1 5 。 根据表1 - 4 和表1 5 的统计资料可知，发电机和变压器保护中，绝大多数不正确 动作属于误动，今后的工作重点应放在解决误动问题上。相对发电机保护而言，变压 器保护的正确动作率较低，这主要是因为变压器不光包括电的联系，还包括复杂的磁 的联系，这使得继电保护实施起来增加了难度。根据有关资料的分析，造成保护不正 确动作的原因，大部分属于安装、调试、整定、运行管理等方面，基本上都是硬件问 题，涉及保护原理和软件方面的原因很少。 4 第一章绪论 表i - 41 0 0 m w 及以上发电机保护动作情况统计 t a b l e1 - 4s t a t i s t i cd a t ao f r e l a yp r o t e c t i o nf o rg e n e r a t o rl a r g e rt h a n1 0 0 m w 项目2 0 0 0 篮2 0 0 1 钽2 0 0 2 芷 2 0 0 3 芷2 0 0 4 庄 总计 动作总次数6 4 8 8 7 87 7 26 3 85 8 13 5 1 7 正确动作次数 6 2 98 6 27 5 96 1 95 6 8 3 4 3 7 不正确动作次 误动1 81 6 1 31 91 37 9 数拒动 l00001 正确动作率 9 7 0 79 8 1 89 8 3 29 7 ，0 29 7 7 6 9 7 7 3 表1 - 52 2 0 k v 及以上变压器保护动作情况统计 t a b l ei - 5s t a t i s t i cd a t a o f r e l a y p r o t e c t i o nf o r t r a n s f o r m e r h i g h e r t h a n2 2 0 k v 项目 2 0 0 0 薤2 0 0 1 焦2 0 0 2 盆2 0 0 3 矩2 0 0 4 笠 总计 动作总次数 2 0 l2 5 22 1 42 0 62 5 3 1 1 2 6 正确动作次数 1 5 l2 0 81 6 01 5 72 0 08 7 6 不正确动作次 误动 4 94 3 5 3 4 95 22 4 6 数拒动 l1lol4 正确动作率 7 5 1 28 2 5 47 4 7 77 6 2 1 7 9 0 5 7 7 8 0 1 3 大型发电机和变压器继电保护情况介绍 继电保护设备经历了机电式、晶体管式、集成电路式的发展过程，目前已全面进 入了微机型的发展阶段。新建的项目无一例外采用微机型的发电机和变压器保护，老 机组的保护装置也在向微机化方向改造。 目前发电机和变压器微机保护主要有两种方式：组合型和系统型。组合型是指每 种保护装置完成一种或几种保护功能，多个保护装置组合成一套功能齐全的发电机 变压器组保护；系统型是指在一台保护装置中集成了整套的发电机一变压器组保护功 能，包括主保护和后备保护。前者以b e c k w i t h 的m 一3 0 0 0 系列、a l s t o m 的m i c o m 系列为代表，后者以南瑞继保的r c s 一9 8 5 、国电南自的d g t 8 0 1 、四方的c s c 3 0 0 、 a b b 的r e g 2 1 6 为代表，还有一些厂家的设备，其功能介于两者之间，如g e 的u r 5 华南理工大学硕士学位论文 继电器系列、s i e m e n s 的s i p r o t e c 系列、许继电气的w f b 8 0 0 系列等。对于这 两种结构型式的保护装置比较如表i - 6 。 表i - 6 组合型和系统型保护装置的比较 t a b l e1 - 6c o m p a r i s o no f e o m b i n a t i v ea n ds y s t e mt y p ep r o t e c t i o nd e v i c e s 序号比较项目组合型保护系统型保护 功能取决于硬件，不同的保护功能硬件同定功能基于软件，不受硬件 l 保护功能 由不同的硬件实现的限制，由软件实现保护功能 2 扩展性增加保护要增加硬件由软件实现保护功能扩展 c t 、p t 要求数量多或需要在装置c t 、p t 要求数量少且对c t 、p t 的 对c t 、盯 3间进行多次转接，使负载增大，并负载要求低，对电流、电压量计算后 的要求 增加断线机会供所有保护共用 4 速度每种装置功能较少，计算速度快装置功能多，计算量大，需要多c p u 设备故障 5 设备故障影响范围较小设备故障影响范围较大 影响范围 装置多，外部硬接线复杂，需要的装置少，外部硬接线简单，需要的屏 6 外部设备 屏柜较多柜少 7备品备件备品备件型号较多备品备件型号较少 8 便利性调试、整定、运行较麻烦调试、整定、运行方便 9 通信与监控系统通信较麻烦与监控系统通信方便 根据表1 - 6 的比较可知，两种类型的保护装置各有特点。即将颁布实施的新版国 家标准继电保护和安全自动装置技术规程要求：“宜将被保护设备或线路的主保 护( 包括纵、横联保护等) 及后备保护综合在一整套装置内，共用直流电源输入回路 及交流电压、电流的二次回路。一般情况下，该装置应能反应被保护设备或线路的各 种故障及异常状态，并动作于跳闸或给出信号。”新颁布的。国家电网公司十八项 电网重大反事故措施继电保护专业重点实施要求”中也提出“双重化配置的线路、 变压器和单元制接线方式的发电机变压器组应使用主、后一体化的保护装置”。这 就对保护的高集成度提出了要求，保护装置的硬件应能适应各种主接线所要求的电 流、电压和开关量的输入输出的需要，保护功能的增减应由软件完成。 国内的系统型保护是随着保护双重化的提出而发展起来的，c p u 性能的增强和 高速数字信号处理器d s p 的应用使系统型保护装置有了很大的发展空间。 6 第一章绪论 继电保护技术未来趋势是向计算机化、网络化、智能化，保护、控制、测量和数 据通信一体化发展。 1 4 本文主要工作 本文主要是根据6 0 0 m w 及以上，特别是1 0 0 0 m w 级容量的发电机变压器组的 结构特点，研究完善合理的继电保护配置。 结合目前一些项目的招标情况，本文对大型发电机和变压器的参数和特点进行了 介绍。根据近几年的统计数据，列出了主设备容易发生的故障类型和继电保护的动作 情况，指出今后继电保护工作的重点。 对于一些重要的保护，如发电机差动保护、匝间短路保护、变压器差动保护、定 子接地保护等，本文从原理和工程应用方面作了重点说明，对一些需要注意的问题进 行了分析。由于国内有关继电保护的规程规范和行业规定的变化，特别是双重化保护 规定的出现，对于保护装置本身的发展和工程应用产生了重大影响，本文对此进行了 分析。 结合一些工程实例，本文对几个典型工程的继电保护配置方案进行了评价。 互感器的选型和配置对继电保护设备的准确动作至关重要，因此本文在这方面也 进行了一定论述。 希望能通过本文的工作。能在发电机交压器组的保护配置方面对今后的工程设 计起到一些帮助作用。 7 华南理t 大学硕士学位论文 第二章发电机变压器组继电保护的配置 大型发电机和变压器一次设备有了很大发展，为其所配置的继电保护也要相应改 变，既不能完全照搬小型机组的设计，也不能盲目复杂化，而是要根据简单实用的原 则，配置完善的保护种类。面前各设计单位设计的保护配置基本相同，但在具体实施 和个别保护的选择上略有不同，各设备生产厂家的保护原理也有所差别，因此需要对 其中不明确的问题进行说明。 2 1 保护原理和应用 在工程设计和保护设备招标过程中，对于某些具体的保护是否应该配置、采用什 么原理的性能较优、应注意哪些附加条件等问题一直有些不明确的地方。本节中根据 笔者的经验，对一些具体的保护进行了说明。 发电机差动保护 发电机完全纵差保护对相间故障的灵敏度最高，但对定子绕组匝间短路和开焊故 障却无能为力，而单元件横差保护、不完全差动保护、裂相差动保护则可以弥补其不 足，对相间短路也能很好地反应。他们组合在一起，可以对发电机构成非常完善的主 保护双重化方案。 但据我们了解，国内在建和已运行的百万千瓦级汽轮发电机组，如邹县电厂、玉 环电厂、外高桥电厂以及大亚湾核电站，岭澳核电站等，还有我们调研过的一些日本 的大型电厂，其发电机中性点和出线侧均只能各引出3 个端头，国内三大电机厂与外 方合作的产品均是如此，所以不可能安装横差保护、不完全差动保护和裂相差动保护， 目前只能采用发电机完全纵差保护作为主保护。 发电机定子匝间短路保护 据调查，国内设计院设计的工程，如玉环电厂和邹县电厂，都未取消匝间短路保 护，而国外设计的工程，如外高桥电厂、大亚湾核电站、岭澳核电站以及日本的一些 电厂，则未装此保护，日本的技术人员认为发电机不存在匝问短路问题，法国 a l s t h o m 的专家在设计核电站时也认为定子线圈的布置和工艺结构方面已避免了 匝间短路的可能性。 对于6 0 0 m w 级发电机，国内三大电机厂均承诺过不会发生匝间短路，不必装设 此保护，理由是槽内上下线圈的绝缘是相对槽侧壁绝缘的两倍，因此发生匝间短路前 应先发生定子接地故障。但在发电机内部，确实有同槽同分支和同槽同相不同分支的 情况存在，而且发电机端部结构复杂，既有相间绝缘又有匝间绝缘，如果端部固定不 当或发生振动，可能会使绝缘逐渐磨损引起短路。事实上也确实有定子匝间短路的故 8 第二章发电机一变压器组继电保护的配置 障发生。大型发电机出口电压达到2 0 k v 2 7 k v ，对绕组绝缘的要求更高，因此还是 有必要装设匝问短路保护。 主变压器差动保护 一直以来，纵差保护作为变压器的主保护，能反映变压器内部相间短路故障、高 压侧单相接地短路及匝间层间短路故障，已成功地应用了多年。目前还没有其他保护 能完全取代其地位。但是变压器纵差保护一直受励磁涌流的困扰，虽说已有很多防涌 流的闭锁方案，但不能完全防止误动的发生。 对于高压侧为y n 绕组的主变压器，若采用传统的纵差保护作为主保护，当单相 接地短路时，相问差动保护灵敏度可能会较低。随着单相变压器的应用，相问短路的 几率大大降低，接地短路的几率相对增加，有必要加强这方面的保护。零差保护在自 耦变压器上已经有成功的应用，在岭澳核电的单相主变上也有使用。它对于高压绕组 的接地故障表现出很高的灵敏度，而当外部发生接地故障时，流经继电器的电流为很 小的不平衡电流，所以零差保护是有选择性的保护，是可以快速动作切除故障的主保 护，它不必像中性点零序过流保护那样与其他保护进行烦琐的定值配合，对于主变， 尤其是单相主变是很适合的。其缺点是只能对高压绕组起保护作用。 综上所述，不论是三相变压器还是单相变压器，均需配置纵差保护作为主保护， 而对于单相变压器，相间短路几乎不可能，对于单相接地故障，可优先考虑零差保护。 发电机定子接地保护 继电保护和安全自动装置技术规程g b l 4 2 8 5 9 3 ( 以下简称规程) 要求对 于1 0 0 m w 及以上的发电机应装设保护区为1 0 0 的定子接地保护。目前大多数采用 以下两种保护方案： 方案一：基波零序过电压+ 三次谐波电压比较。基波零序过电压保护从机端起 定子绕组的8 5 9 5 ；三次谐波电压( 比较发电机中性点和机端的三次谐波电压) 则 保护发电机中性点附近的定子绕组接地。大部分保护厂家用此原理，如许继、国电南 自、南瑞继保、四方、g e 、s i e m e n s ，b e c k w i t h 等。 方案二：外加电源式保护方案。一般通过发电机中性点接地变压器的二次侧向 定子注入一个低频电压，并附加谐波电压频率发生器。当发电机定子绕组接地时，部 分电容被短接，引起次谐波电流增加，继电器动作。a b b 和s i e m e n s 有此方案， a b b 注入电压频率为1 2 5 h z ，s i e m e n s 注入电压频率为2 0 h z 。 上述两种定子接地故障保护方案各有优缺点，见表2 1 。 表2 1 发电机1 0 0 定子接地保护方案比较表 t a b l e2 - 1c o m p a r i s o no f g e n e r a t o r1 0 0 s t a t o re a r t hf a u l tp r o t e c t i o n 序号比较内容 方案一 方案二 1 保护覆盖区域 l o o 1 0 0 9 华南理工大学硕士学位论文 序号比较内容方案一方案二 2 需要现场测量整定 需要需要 3整定计算和调试的困难度容易相对困难 4 在停机时检测接地 不能能 5附加电源不需要需要 6 依赖附加电源的可靠性不依赖依赖 7 对接地变压器的设计要求不需要重新设计需要重新计算参数 8 注入电源的谐波影响无有 9 价格 低高 从表2 1 中可以看出，外加电源式保护方案优点在于发电机停机时能检测接地，可 兼作启停机保护。但是，发电机开机前必须做绝缘试验才能投入运行。其优点并不显 著。该方案必须对现有的接地变压器参数进行论证和计算校对。对于扩建工程，往往 要求对现有的按地变压器进行改造，增加费用，但如果参数调整得当，一般其灵敏度 高于方案一，对于新建工程可以采用。 外加电源式保护方案的设备体积较大，价格高，且对注入设备的电源要求很高， 否则外接的电源的谐波会影响保护，甚至误动。 由于三次谐波电压比较式的保护误动较多，且其灵敏反应的接地故障是靠近发电 机中性点侧的，危害相对较小，因此应动作于信号，而基波零序过电压保护则动作于 跳闸。 发电机转子接地保护 发电机的转子一点接地故障是常见的故障，两点接地故障也偶有发生。目前的工 程设计和保护装置中均采纳了转子一点接地保护，但对于是否装设两点接地保护却有 不同的看法。 据了解，主要继电保护厂家目前的转子接地保护情况如表2 2 。 表2 - 2 主要继电保护厂家转子接地保护情况表 t a b l e2 - 2r o t o r e a r t hf a u l tp r o t e c t i o no fm a i nm f l n u f a c t o r i e s 厂家 转子一点接地保护转子两点接地保护 g e 叠加直流式无 a b b 在发电机转子回路叠加低频方波无 b e c k w i t h在发电机转子回路注入方波信号无 1 0 第二章发电机一变压器组继电保护的配置 厂家 转子一点接地保护转子两点接地保护 s i e m e n s在发电机转子回路注入方波信号无 南瑞继保切换采样原理( 乒乓式)有 国电南自 叠加直流有 许继切换采样原理( 乒乓式)有 四方切换采样原理( 乒乓式)有 根据表2 - 2 可见，进口的保护均采用注入式原理，由于测量的是转子接地电阻值， 所以并不分辨是转子一点还是两点接地故障，而国产保护大多采用乒乓原理，并有转 子两点接地保护作为选项。从保护原理上分析，采用注入式原理的保护，在停机或发 电机未加励磁电流时均可起作用，其缺点是需要一套低频方波注入设备，比较复杂和 昂贵；而切换采样原理的保护只有在转子有了励磁电流之后才能工作，但其设备较简 单，而且比较容易实现两点接地保护。 根据大机组的情况和转子接地保护的现状，可以只安装转子一点接地保护，为避 免突然跳闸，可动作于信号，并马上转移负荷，安排停机。由于目前的转子一点接地 保护对按地电阻值的测量已有相当的精确度，如注入式可达到l kq ，也可采用低值 时报警，高值时跳闸。 对于转予接地保护的安装地点，由于大机组的励磁电压都很高，大概在4 0 0 6 0 0 v 之间，强励时会达1 0 0 0 v 左右，直接取转子电压通过电缆接至保护柜，相当于 增加了1 0 0 2 0 0 米转子长度，比较危险，电缆也不好选择，工程实践中趋向于安装 在励磁系统屏柜内。目前很多励磁系统生产厂家均可提供转子接地报警和保护装置， 该保护功能也可由励磁系统完成。 由于原理上的原因，无论采用注入式还是切换采样式，保护只能单套运行，否则 会相互影响，无法正常工作，所以只需配置一套或者采用一套工作、另一套备用的方 式。 发电机失磁保护 发电机失磁保护设置和整定的基础，应当是发电机的失磁运行能力。在目前的工 程招标文件中，对失磁运行能力未作具体要求，只要求由投标商提出失磁运行的能力 ( 负荷、时间等) 。根据今年几个百万千瓦机组的招标结果，国内三大主机厂都提出 了所供发电机的失磁运行能力，基本上都要求发电机失磁后在3 0 s 内将负荷减至0 6 标么值，在9 0 s 内减至0 4 标么值( 其中东方电机厂要求在6 0 s 内减至0 4 标么值，9 0 s 内减至0 2 标么值) ，定、转子电流不大子1 0 一i 1 标么值，允许失磁运行时间不小 于1 5 m i n 。如果在上述时间内不能恢复励磁，则机组采取甩负荷并跳闸的保护措施。而 华南理工大学硕士学位论文 a l s t o m ( 原瑞士b b c ) 、日立及三菱等国外公司均说明发电机无失磁运行能力或 无此方面的经验和试验，发电机失磁应马上跳机。实际上电机厂所提出的失磁运行能 力也是计算数值，运行时是无法达到的，因为电厂的锅炉及汽轮发电机组无法以如此 高的速率减负荷，因此实际运行都为失磁保护动作跳机，国内3 0 万千瓦、6 0 万千瓦 机实际运行也是如此( 除非机组设计有大旁路系统) ，故发电机失磁运行仅仅只能看 作是一种能力，无法进行考核。 过去由于没有专门的失磁保护，当磁场开关断开时要联跳发电机。而目前大型汽 轮发电机组一般都有一定的失磁异步运行能力，可根据发电机厂的限制条件设定适当 的判据，先动作于减出力，使机组稳定异步运行，经过l o 1 5 分钟之后再跳闸。这 样运行人员就有足够的时间去排除故障，重新恢复励磁，避免不必要的停机，这对经 济运行有很大的意义。 有些厂家设计将变压器高压侧低电压判据作为跳机的必备条件之一，这是不妥 的。由于现在电力系统规模越来越大，无功储备充足，一台发电机失磁后，其无功的 缺口可迅速由其他发电机来填补，所以对系统电压的影响是很小的，系统低电压条件 很难达到，失磁保护过了发电机能忍受的失磁时间还不动作跳机就会有危险。所以在 设计保护原理时不仅应该有失磁后系统电压低立即跳机的措施，还应该有失磁后系统 电压正常时延时跳机的逻辑。 发电机失步保护 发电机组一般具有一定的抗失步振荡的能力。当发电机带励磁失步时，如振荡中 心位于发电机变压器组以外并且振荡电流低于发电机出口短路电流的6 0 * * - 7 0 时， 允许振荡持续时闻为1 5 2 0 个振荡周期。当失步振荡中心位于发电机变压器组内部 时，则启动发电机失步保护跳闸。 近年来发电机组容量越来越大，在设计上其标么电抗值持续增加，而惯性常数则 持续下降。惯性常数下降，将易引发机组的振荡及失步，而机组电抗与系统电抗比值 的增加，将使电气中心向机组方向逼近。在这样双重不利的条件下，发电机的摆动和 失步监测就越来越重要了。一旦发生系统振荡，振荡中心常位于发电机附近，对机组 和厂用电产生严重影响。因此在大型机组上要配置失步保护。 突加电压保护 突加电压保护又叫误上电保护。一旦发生这种故障，对转子的破坏性是巨大的。 即将发布的新的规程要求3 0 0 m w 及以上机组配置此保护。目前大机组多数接于 5 0 0 k v 电网，而5 0 0 k v 系统主接线大多采用3 2 接线方式。这就增加了误上电的可能 性。曾经有电厂在同期回路调试时误合发电机断路器，使转子严重损坏，需要返厂修 理。因此必须配置该保护。 发电机起、停机保护 1 2 第二章发电机一变压器组继电保护的配置 “国家电网公司十八项电网重大反事故措施继电保护专业重点实施要求”中 规定：2 0 0 m w 及以上容量发电机必须装设起、停机保护。般来说，在发电机并网 前的起动过程中，在转速未到额定转速附近前是不会投入励磁的，没有励磁就没有了 电量，发电机的内部故障就检测不到( 注入式定子和转子接地保护除外) ，就没有起、 停机保护存在的必要。但是在一些特殊情况时，如误操作投入励磁、转子预热或在双 轴机组在低速下并列时则投入了励磁，此时电压频率很低，许多保护的灵敏度大大降 低甚至不能工作，若在这期间发生定子接地或相间短路等故障将会产生较严重的后 果。 在这种情况下一般对发电机、主变压器、高压厂用变压器、励磁变压器各配一套 差回路过流保护，对于发电机定子接地故障则配一套零序过电压保护。保护应采用不 受频率影响的算法。保护只在起、停机的低频过程中投入，在正常运行的工频条件下 应退出，所以要引入断路器的辅助触点作为闭锁条件。 有些厂家的保护有频率跟踪功能，如g e 称其保护在3 6 5 h z 下都能起作用， b e c k w i t h 也称其有关保护在8 h z 以上都能工作。采用了这些产品就可以不必专门 配置起、停机保护。 断路器断口闪络保护 目前