（电气工程专业论文）三峡电站abb机组保护应用技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h r e eg o r g e sh y d r o p o w e rp l a n t ( t g h p ) p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ep o w e r g r i d ， t h es t a b i l i t ya n ds a f e t yo fg e n e r a t o ru n i t sh a v ear e l a t i o n s h i po nt h es e c u r i t yo ft h ep o w e r g r i d a tp r e s e n t , t h ee l e c t r i c i t ys u p p l yd o e s n ts a t i s f i e dt h ee l e c t r i c i t yd e m a n do fs o c i e t ya n d m o l ea n dm o l ep o w e rs o u r c e sa r eb e i n gc o n s t r u c t e d t h e r e f o r e ，s t u d y i n go nt h ep r o t e c t i o n s y s t e mb a s e do nt h eu n i to fg e n e r a t o ra n dt r a n s f o r m e rh a sas i g n i f i c a n ts e n s ea n dah i g h u t i l i t yv a l u e t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep r o b l e me x i s t i n gi nt h ea b bg e n e r a t o rp r o t e c t i o n s y s t e m _ , a n dp r o v i d e ss t r a t e g i cs o l u t i o n , ，t h e ni n t r o d u c e st h eo u t c o m eo f a p p l i c a t i o n a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h ep r o t e c t i o no fh u g eg e n e r a t o rh a ss t e p p e di n t ot i m e si nw h i c h t h em i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nh a sb e e nu s e dw i d e l y t h em i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nh a s m o r es u p e r i o r i t yt h a nt h et r a d i t i o n a l p r o t e c t i o n i nt h e l e f tb a n ks t a t i o n , a l s t o m g e n e r a t o r sa d o p tt h er e g 2 1 6s e r i e sm o d u l a r i z a t i o nm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nd e v i c e ， w h i c hh a se x c e l l e n ti n t e g e rp e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fs a f em o v e m e n t , t h ep a p e r s e l e c t st h ew o r k i n gw a y sa n ds e t t i n gv a l u e so ft h ep r o t e c t i o nr i g h t l ya n dp r o p e r l yb a s e do n t h er e s e a r c ho f p r o t e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h i ss u p p o r t st h en o r m a lo p e r a t i o no f m a c h i n e s t h ep a p e rm a k e sf u r t h e rs t u d i e si n t ot h ei s s u eo fi n j e c t i o nr o t o ro n e - p o i n te a r t h f a u l t p r o t e c t i o ni nt h ea b br e g 2 1 6d e v i c e i nt h ep r a c t i c eo p e r a t i o n ，t h ep r o t e c t i o ne x p o s e s d e f e c t so ft h el o ws e n s i t i v i t ya n dt h eh e a td a m a g eo nc o m p o n e n t s t h i sr e s u l t st h e p r o t e c t i o nm i s a c t i o na n dm i s - a l a r mf r e q u e n t l y ，a n de v e nt h eg e n e r a t o rb r e a k i n ga w a yf r o m t h eg r i d a f t e ra n a l y z i n gt h ep r o c e s so f p r o t e c t i o nm i s a c t i o n ，t h ep a p e rp o i n t so u tt h a tt h e c a n s el i e si nt h ef a c tt h a tt h eh i g l lh a r m o n i c sa n dr u s hv o l t a g eo ft h es e l f - p a r a l l e lt h y r i s t o r e x c i t a t i o ns y s t e mh a v ea ne f f e c to nt h ei n j e c t i o nc o u p l i n gc a p a c i t o r si nt h ed e v i c e t h e ni t p r o p o s e saf a v o r a b l es o l u t i o no fu p g r a d i n gt h ep r o t e c t i o nd e v i c e s b yc o m p a r i n gs e v e r a l k i n d so fr o t o rg r o u n d i n gp r o t e c t i o n s c h e m e ，t h eo n e - p o i n te a r t h f a u l tp r o t e c t i o nf r o m s i e m e n si ss e l e c t e df i n a l l yw h i c hh a sb e e nu s e dw e l li nt g h p sg e n e r a t o r s o ns u c hg r o u n d ，a ne a r t h - f a u l tp r o t e c t i o nd e v i c en a m e dl d p 2 0 0 0 a d o p t i n gan e wt y p e o fs u r - p o w e rs w i t c h e dp r i n c i p l eh a sb e e np r o v i d e d t h ed e v i c e sc h a r a c t e r i s t i cl i e so nt h e a s s o c i a t i v eo f t h ei m p r e g n a t i n gp r i n c i p l ea n dt h es w i t c h i n g p r i n c i p l e n o w ，t h es c h e m eh a s p a s s e dt h es t a g eo ft e s t i n go p e r a t i o na n ds t o p so nt h es p a r es t a t ef o rt h ef u r t h e rt e s ta n d 嫂型： i 】 华中科技大学硕士学位论文 a tt h ee n d ，t h i sp a p e ra l s oa n a l y s e st h er e a s o no ft e c h n o l o g yu p g r a d i n gh a p p e n e do n a b b p r o t e c t i o na n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o dh a sb e e nt a k e n t h e s ei m p r o v e m e n t sr e s o l v e w e l lt h ep r o b l e me x p o s e di no p e r a t i o na n dm a k et h ep r o t e c t i o nr e a c hp e r f e c t i o n a l lo f t h e s ep r o t e c t i o nd e v i c e sh a v e b e e nu s e do ng e n e r a t o r ss u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：t h r e eg o r g e s g e n e r a t o rm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n r o t o r6 a r t h - f a u l tp r o t e c t i o n i n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 厶匀 e t 期：，以年j ，月7 日 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： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 本论文属于 不保密日。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 辛蕴鼍 日期：蹦年，f 月，e t 年解密后适用本授权书。 指导教师签名： u 孚颂根 日期：抛6 年，月1 日 ， 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 随着电力系统日益发展，大型发电机及变压器不断涌现，大型发变组保护在电力 系统中所占的比重及其所起的作用也越来越大。目前三峡左岸的1 4 台7 0 0 m w 水轮发电 机组已全部投入商业运行，本文即是围绕三峡左岸电站的a b b 机组保护的应用与改进 展开研究工作。 1 1 大型发变组保护的现状及其发展 大型勤1 组的出现，拓苜胡组竞昭辐降氐了厨睡但由予睢必鞘鄯增尢使 大型机组在设汁、结构工艺、运行等多方面都有许多新的特点，杌组发生故障的危害 性也出虫安更大了。方面由于= 撒电阻变日溅电力：裂蕹立设舒其造价昂贵， 维护工1 乍量丸_ 旦发垒猫幛，不仅维修郾晦而且维修周期长，还很可i 数翘跋电 机或变匿揣甚至危及整个电力系统安佥造戍彩赫移蚵洳莪氪带来萤树解会和 经济损失。男力币瓯大型发电机变吲新懿姊硐掸元接线岛歙窃辅璃珏电网直接 相连，在电力系统中占有重要地位，故障的危害范围很大【1 1 1 2 1 。因此，为保证大型机 组和大电力网络的安全、可靠运行，除了在机组设计、安装、运行、维护方面加强管 理和提高外，也应加强对大型发电机组继电保护的研究，正确地配置和整定，使继电 保护装置及时、准确地动作，以保证机组及系统的安全运行。否则，如果继电保护装 置不能正确动作，电力系统不能及时有效控制而失去稳定运行、电网瓦解，将酿成大 范围的停电。给社会带来灾难性的后果。这就对大型发电机一变压器组装设的继电保 护提出了很高的要求：快速性。在极短时间内跳发变组( 如要求在2 0 - 3 0 m s 切除发电机 或变压器) 。可靠性。大型发电机组的误跳闸造成不必要的停电，为此需确保在非故 障或异常情况下不误动。灵敏性。在保证可靠的前提下，应使保护具有较高的灵敏 度，以保证整个发交组保护能灵敏地反应发变组的各种故障口卜1 5 】 基于以上原因，高性能的大型发电机一变压器组保护妁研制就具有特别重要的意 义，因而长期以来一直是电力科研工作者的一个重要研究方向。 大型发电机一变压器组保护同其它保护一样，经历了如下几个阶段：机电型、整流 型、晶体管型、集成电路型，而现在微机型保护正蓬勃发展。大型发电机一变压器组 华中科技大学硕士学位论文 保护的发展轨迹同时折射出屯子技术、数字技术的一般发展过程，这也反映了继电保 护本身就是一个应用性很强的研究领域，科学技术在保护原理及保护装置的实现方面 总是起着先导作用1 6 。 传统的“硬件模拟型”保护包括机电型、整流型、晶体管型、集成电路型四个不 同的层次，其特点在于：信号的获取、处理、及信号的交换均通过模拟硬件来实现发电 机一变压器组保护。在。硬件模拟型”保护时代，其着重点在于实现发交组所需的单 个各项保护。但根据发变组保护的特殊要求，特别是大型发电机变压器组所需装设种 类繁多、原理各异的继电保护。因此，装置复杂，维护、调试工作量大，同时接线繁 杂，可靠性降低。 微机型保护则可称之为“硬软件数字型”保护，其特点在于：信号的获取、处理 及信号的交换均通过数字硬件和软件来实现。随着计算机制造及应用水平的提高，人 们才设想采用计算机技术构成电力系统继电保护从而开始了这方面的研究。六十年代 末期，首次发表了关于实现计算机保护可能性的文章硎砌，在国外七十年代中期开始 有人从事微机保护应用方面的研究，而我国也是在七十年代末八十年代初开始了这方 面的研究工作。从1 9 7 2 年美国西屋公司发表计算机保护样机至今，微机保护的发展从 实验室样机，动模试验走向了全面成熟实用运行 9 1 【1 2 1 。 在发变组微机保护方面，也有长足的发展，保护从单个对象微机保护( 如微机发电 机失磁保护、微机发电机差动保护等) 向整体性保护方向发展。这时的保护将不再只着 重于单个功能的实现，丽是着重于整个发变组整体本身来考虑保护对镱。这时，有文章 提出了一种大型发电机交压器组保护的微处理系统的试验方案，及提出双层和分层式 计算机系统设计方案i ”l 。同时更为明确地提出了大型发交组整体设计原则及保护配置 方案，并首次提出了微机发变组保护整体化设计概念1 1 4 】。当前我国电力主设备保护已 全面进入了微机化时代。 1 2 课题背景 随着电网的快速发展，我国电力系统己进入大电网互联时代 】，预计到2 0 l o 年， 全国电站装机容量将达到6 5 亿k w 左右，全社会用电3 0 0 0 0 亿k w h 左右。“十一五” 期间，我国年均投产发电站装机容量4 0 0 0 万k w 。为了贯彻落实西部大开发战略，国 2 华中科技大学硕士学位论文 家电网公司确定了“西电东送、南北互供、全国连网”的电网发展战略【1 6 1 ，致力于加 强区域电网，推进跨区输电、跨区联网。三峡工程建成后，将以其为核心，以华中电 网为依托，向东西南北四个方向辐射，建设东西南北四个方向的联网和输电线路，同 时不断扩大北中南三个主要西电东送通道规模。 大电网的建设对电站机组容量规模提出更高的要求。因此，国内对于2 0 0 0 年以后 兴建的项目，普遍选用6 0 0 m w 以上的超大型机组由此可见，大型、超大型机组正逐 步成为我国的主力机组。水电建设向大型和超大型发展，火电建设向高温高压大容量 发展，必然对电力设备提出更高的要求【1 7 1 。目前三峡工程左岸电站1 4 台7 0 0 m w 机组 己全部并网发电，拥有1 2 台7 0 0 m w 机组的右岸电站的建设也正紧锣密鼓地进行，预计 2 0 0 8 年2 6 台机组将全部发电，总容量1 8 2 g w ，另右岸地下厂房也正在建设，预留了6 台机组机位，届时整个三峡电厂将达到3 2 台7 0 0 m w 日l 组，总容量2 2 4 g w 。三峡电站 采用的7 0 0 m w 的超大型机组，是我国迄今为止单机容量最大的水轮发电机组，其地位 非常重要，它的安全运行直接影响到电网的稳定性，同时，由于造价昂贵，结构复杂， 一旦遭受损坏，需要的检修期长，给国民经济造成的直接和间接经济损失巨大【18 】1 1 9 1 。 因此，对三峡大型机组继电保护的可靠性、灵敏性、选择性和快速性提出了更高的要 求削，但同时也给继电保护带来了困难1 2 。因此对于当前迅速发展的电力工业来说， 大型机组继电保护的研究是一门具有重要意义的课题。 建成后的三峡电力系统将包括三峡水电站、华中电网、华东电网和四川电网。因 此，三峡电力系统在全国电网中将占据一个举足轻重的位置。正因如此三峡机组采用 什么样的继电保护才能有效地保护机组和系统安全，如何根据现场情况进行继电保护 的改进从而有效地提高机组的安全、可靠运行的能力等问题，是继电保护专业研究者 乃至现场电力从业人员的需要研究解决的问题。 1 3 论文的主要内容及章节安排 本文针对课题任务及背景论述相关研究工作，即紧密结合三峡机组运行实际，介 绍了三峡左岸a l s t o m 机组的微机保护配置，从保护系统的现场运行情况出发，着重 分析t a a 8 发电机转子一点接地保护存在的问题，并与其它两种保护装置进行了对 比，提出了通过保护换型来解决问题的方法。全文章节安排如下： 华中科技大学硕士学位论文 第一章，绪论。介绍课题的来源、目的和意义，概述大型发变组微机保护的现状 及其发展，介绍了本文的主要工作以及全文的章节安排。 第二章，现代微机发交组保护的技术特点。讨论它们的的发展方向及研究其的意 义，介绍了国内外流行的几种保护装置。 第三章，从三峡电站在全国电力系统中的重要地位出发，探讨了三峡机组的保护 配置闯题，详细介绍了a l s t o m 机组的a b br e g 2 1 6 型微机保护的硬软件构成及其特 点、优越性。 第四章，着重讨论a b b 转子接地保护存在的问题及问题产生的原因，通过对历次 改进的分析找到解决该问题的方法，从而完善了a b b 的发变组保护，提高了机组运行 的安全可靠性。 第五章，最后分析了a b b 机组保护所作的历次技术改进的原因及采取的应对措 施。 第六章，全文总结。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 现代微机发变组保护的技术特点 2 1 微机发变组保护的研制策略及意义 随着对发变组保护整体性保护认识的日益加深，电力工作者意识到保护的研制开 发要有更新的观念。 1 ) 计算机技术的发展为新的保护原理的研究和实现提供了可能。现代数字、控制 理论的发展对新的微机保护原理的研究和实现有很好的启示作用，虽然目前在电力应 用方面，其理论上还没有成熟，但也预示着微机保护的一个发展方向，诸如自适应理 论，神经网络理论，模糊控制理论的应用。 2 ) 在微机保护的开发方面应该同样遵循开放式结构策略，这主要表现在两个方面： 其一：在硬件上，采用微机专用模板，充分利用现有计算机生产厂家( o e m ) 的生产 研制能力，使硬件具有高度可靠性，可扩充性，可交换性，大大缩短硬件开发周期。 其二：能充分利用当前软件支持，开发保护应用软件。随着系统软件的快速发展， 使用高级语言开发具有很强实时性的保护功能程序己不再是一件很难的事情。这样保 护的生产研制者本身可着重研究保护的新原理及其微机实现方法。从原理上提高保护 装置的性能，将这种思想体现在大型发变组保护装置中。 3 ) 随着现代数字电子技术，通讯技术，网络技术等的发展，使得微机保护可以遵 从以下发展趋势： 其一：与整个电站( 厂) 监控配合，从而成为整个电站( 厂) 自动化管理的一部分。 其二：保护将集保护、管理、控制于一体，形成一体化的发展趋势。这是对传统保 护在概念上拓展。 这些工作的实际展开，有待于电力系统设备应用水平的提高和电力系统理论和实 际工作者的协作攻关。 综上所述，微机发变组保护的研制，既需着眼现有物质条件，又必须对现有技术 的发展趋势有足够的认识，从而避免开发淘汰再开发再淘汰的恶性循环，使微机的 研制开发站在一个高起点上僻】。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 2 微机发变组保护原理的研究现状及其发展方向 数字技术进入传统的电力系统继电保护领域，使人们得以充分享受由它带来的各 种便利，方便的信息交换能力，高超的计算处理能力和逻辑分析能力，并由此使保护 的研制逐渐摆脱模拟传统保护原理的老路，一些新的保护原理也应运而生。其中杰出 代表即是：故障分量原理和自适应原理。同时，现代控制技术及现代数学的最新研究成 果也逐步应用于电力系统，对微机保护而吉，其中一个方向是关于神经网络理论及模 糊控制理论应用于电力系统继电保护的基础性研究，另一个引人注目的方向就是小波 理论矧。 1 ) 故障分量原理 利用了故障前后的电量，因此数据窗中包含信息多，而构成时又仅仅利用故障分 量，使保护不受负荷，运行方式变化影响，确切地反映故障信息。p a r l r i c k 和t m e l e a r 于1 9 8 2 年应用了这一原理，提出利用故障分量来作差动保护中的差动量和制动量，并 应用于变压器差动保护中1 2 4 1 。其后故障分量原理也开始应用于其它对象的保护。几乎 同时，国内在应用故障分量原理方面也有相当地发展。相继有人提出利用对侧开关量 的二次变化量加速本侧二段的跳闸 2 5 】。亦有学者进行了输电线工频变化量方向继电器 原理的研究1 2 6 及对反映故障分量发电机定子不对称故障微机保护作了初步研究。时至 今日，微机故障分量原理己用于保护装置的启动元件、方向元件、距离元件、及差动 保护中，对提高保护的性能指标起到显著的作用。同时说明不断发掘和利用新的故障 信息对继电保护的进一步发展有十分重要的意义。但故障分量原理仍存在有待解决的 问题，主要问题之一是寻求更为精确地获取故障分量的方法。 2 ) 自适应原理 所谓自适应继电保护是能根据电力系统进行方式和故障状态的变化而实时改变 保护性能，特性和定值的保护。自适应继电保护的基本思想是使保护尽可能地适应电 力系统的各种变化，进一步改善保护的性能。事实上传统的继电保护也力图适应系统 运行方式的变化和故障状态，在传统的保护中也有许多自适应原理的应用，如过电流 保护的反时限特性，差动保护的制动特性等等。七十年代末，就有人预示了计算机自 适应保护的实现可能性和良好的发展前景。计算机实现的自适应是传统的自适应的一 种延续和发展，同时它打破长期形成的模拟式保护思维的束缚。有学者对微机距离保 6 华中科技大学硕士学位论文 护的自适应原理和应用作了深入和研究，并提出了保护的一些自适应对策【2 7 】，并推出 了新研制成功的自适应电流保护，可根据系统运行方式的变化及故障状态，可以在线 自动计算整定电流【2 3 】。也曾有人给出了一种定予接地自适应方案，该方案在葛洲坝电 厂二江分厂的微机发变组保护中应用，运行情况良好1 2 9 1 。还有论文详细介绍了自适应 控制理论及其在电力系统中的应用l a o l 。自适应原理作为一种新的保护原理，它随着计 算机保护的发展，取得令人注目的成果。但由于电力系统是一个非常庞大和复杂的系 统，继电保护装置要根据系统的各种运行方式及故障状态，进行在线自动计算整定量 是非常困难的。如何利用计算机保护的高速运算和逻辑判断能力，强大记忆能力和可 编程特点，充分发挥其智能作用，实现自适应继电保护仍然是当前有待深入研究的重 要领域，因此开展自适应继电保护的研究有着重要的理论和现实意义脚】。 3 ) 模糊控制和神经网络理论 近几年来，随着模糊控制理论，神经网络理论研究的发展，人们已有意识地将其 应用于电力系统中，如应用于电力系统的负荷预测，电力系统的规划，以及电力系统 暂态稳定控制。人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 简写为删是由众多神经元 ( n e u r a l ) 广泛互连而成的网络，具有大规模并行分布处理、连续时间动力学和网络全局 作用等特点，信息的存储体现在连接权上。利用a n n 的高度神经计算能力和高度并行 运算能力可以实现常规保护难以实现的最优算法，实现对电力系统运行方式和故障类 型的诊断和识别【3 2 】。有论文发表综述了神经网络在继电保护和故障诊断中的应用【3 3 】 及提出一种利用人工神经网络进行故障分类的方法，文中采用前向神经网络即b p 模 型，故障分类所需的数据，经一个前置处理器处理后，再送给神经网络进行故障分类 i 蚓。还有学者研究了一种利用a a f n 进行变压器故障诊断的方法，其中a n n 采用3 层前 向神经网络网络，其输入采用变压器油汽分析法所得的参数数据，输出为油过热，电 晕放电，电弧等3 种故障和正常状态共4 个输出量，其对网络在不同特征向量输入情况 下的收敬性和不同网络结构的收敛特征讲行了分析。利用神经网络的独特优点，将神 经网络用于继电保护和故障诊断，是实现自适应继电保护和智能故障诊断的新途径 口5 l 。模糊控制理论和人工神经网络在保护中的应用研究刚刚开始，有许多工作要做， 还需要保护工作者的不懈努力口6 ) 。 4 ) 小波理论 目前的微机保护原理基本上是用工频量和二次谐波、三次谐波量等实现的，为了 7 华中科技大学硕士学位论文 从故障信息中获取上述分量往往采用傅里叶变换。但是利用故障暂态行波实现保护和 故障测距时，傅里叶变换遇到困难，这是因为输电线路发生故障后的暂态行波是突变 的和具有奇异性的信号。小波变换的数学理论和方法在数学界被认为是傅里叶变换的 重大发展。小波变换理论是把一个信号波形用具有不用位置和尺寸的小波函数表示， 小波可以定义为一个仅持续一个或几个周期的振荡波。从继电保护技术观点看，小波 变换最突出的特点是：它在时域和频域同样具有良好的局部化性质，因此成为分析象暂 态行波这样非平稳变化或具有奇异性的故障信号的锐利工具。在应用科学领域，特别 在数字信号处理、图象边缘检测、模式识别等领域，彼认为是在工具和方法上的重大 突破。有论文从继电保护技术的观点讨论了小波交换的特点。小波变换的奇异性检测 原理及其在继电保护技术发展中的作用【”】。继电保护技术的首要任务是正确检测出故 障，电力系统中出现故障时通常都伴随有奇异性或突发性。因此，利用小波交换的奇 异性检测及模极大值理论是实现快速和可靠故障起动和选相方法。小波变换理论的应 用为快速可靠地检测出行波信息提供有效的工具，解决了行波保护在快速性和可靠性 之间的矛盾。有效减小继电保护装置的动作时间，从而增大输电线传输容量和提高系 统稳定性。小波变换理论在继电保护技术中的应用显示出巨大的作用，基于小波变换 理论的继电保护装置必将展示出巨大的优越性d 羽。【柏】。 总而言之，在开发微机保护装置同时注重保护新原理的应用研究，将成为新一代 微机保护装置研制的重要特色。 2 3 国内外发变组微机保护装置的发展 国内微机发变组保护装置的研制始于八十年代初。1 9 9 4 年至1 9 9 8 年，先后有四套 微机发电机变压器组保护装置通过鉴定。随后，国内几家主要的电气设备公司与东南 大学、清华大学、华中科技大学、华北电力大学等高校合作研制，引用新原理和新的 计算机技术发展成果，进一步改善发变组保护装置性能。现投入市场的有：南自的 w f b z - 0 1 和d g t 8 0 1 型发变组保护，许继的w f b - 1 0 0 型发变组保护，南瑞的l f p 9 0 0 系 列和r c s 9 8 5 型发变组保护，四方的0 8 0 3 0 0 a 系列发变组保护。这些装置在保护新原 理的应用以及动作性能上具有定的优势，也更符合国内的要求。 因为发变组微机保护技术含量较高，国外只有少数著名的电气设各公司有相应产 8 华中科技大学硕士学位论文 品，如g e c - 阿尔斯通的l g p g 型发电机保护装置，a b b 公司的r e g 2 1 6 型发变组保护 装置，g e 公司的g e s d g p 型发电机保护，还有西门子公司的7 u m 5 1 1 等系列产品。与 国内的机组保护产品相比，这些保护装置结构紧凑，工艺水平较高，调试软件的功能 较完备，人机接口良好，具有丰富的现场运行经验【4 n 。 9 华中科技大学硕士学位论文 3 三峡左岸发变组保护系统配置 3 1 三峡左岸电站及其机组特点 长江三峡水利枢纽工程是具有防洪、发电、航运等综合效益多目标开发的特大型 水利工程，其大坝坝址位于中国湖北省宜昌市三斗坪镇，距下游己建成的葛洲坝水利 枢纽约4 0 k i n 。 三峡电站总装机容量1 8 2 0 0 m w ，共装有2 6 台单机额定功率7 0 0 m w 的水轮发电机 组，年发电量为8 4 6 8 脚h 。三峡电站最大库容为3 9 3 亿m 3 ，是一座不完全年调节电 站。基于水库调度方式，三峡电站建成后汛期电站在电力系统中担任基荷、腰荷和峰 荷，非汛期电站在电力系统中担任峰荷和腰荷，枯水期将主要用于系统调峰。 三峡电站地处我国腹地，按送电l o o 佻m 考虑，可能的供电范围有华中、华东、西 南、华南和华北等五个跨省电网所在地区。三峡电站设计供电范围为华中、华东和重 庆三地区，通过1 5 回5 0 0 k v 线路送出，它的建成将把华中、华东和重庆地区电网联结 成一个联合电网，进而可与华北、华南、西北电网联网，促进我国电网的形成和发展， 获得巨大的联网效益。并在我国西电东送战略发展目标中起到桥梁作用。 三峡左岸电站发电机和变压器组合方式采用一机一变单元接线，变压器高压侧设 5 0 0 k v 断路器，两个单元接线组成联合单元接线进入5 0 0 k v - - 倍半接线，5 0 0 k v 主母线 设有母线分段断路器，将左岸电站分成左一电厂和左二电厂两部分，共8 回出线。左 一电厂的5 0 0 l 主母线接有8 台杌，5 回5 0 0 k v 出线，其中4 个联合单元的进线和4 回出 线组成4 串一倍半接线，另一回为双开关接线出线；左二电厂的5 0 0 k v 主母线接有6 台 机，3 回5 0 0 k v 出线，3 个联合单元进线和3 回出线组成3 串一倍半接线。左一电厂与左 二电厂5 0 砸w 母线设有联络开关。 左岸电站机组1 4 台水轮发电机组分别由蝴t o m 与v g s ( v 0 1 t h - g e - s i e m e n s 联 合体) 提供，其中a l s t ( m 蝶团公司供货8 台机组( 4 _ 6 ，1 0 1 4 ) ，v g s 集团公司提供6 台( 1 - 3 ，7 - 9 ) 。水轮机为混流式，立轴半伞式三导轴承结构，发电机冷却方式采用 半水冷即定子绕组采用直接水冷，定子铁芯和转子绕组采用空冷。定子每相为5 分支 结构，其中一组由l 、2 、3 分支并联组成，另一组由4 、5 分支并联组成，采用自并励励 l o 华中科技大学硕士学位论文 磁方式。v g s 机组保护由s i e m e n s 公司的s i p r o t e c 系列( 7 u m 6 2 、7 l r r 6 1 、7 s j 6 1 ) 微机保护装置组成。a l s t o m 机组保护采用a b b 公司的r e g 2 1 6 型发变组微机保护装 置及相关附件组成。r e g 2 1 6 为内部总线( a 4 4 s c ) 式多c p u 模块化结构在本工程中保 护系统a ，b 均配置了两个处理器模块( 2 1 6 v c 6 2 a ) ，主c p u 为3 2 位的8 0 4 8 6 d x - 2 。 本文是对a b b 公司的r e g 2 1 6 型发变组微机保护装置进行研究，并对其存在的一 些问题做出了改进。 3 2 机组内部故障主保护的配置原则 发电机的内部故障类型主要有： ( 1 ) 定子绕组的相问短路。这是对机组危害最大的一种故障模式。 ( 2 ) 定子绕组的匝间短路。在匝问电压的作用下，产生很大的环流，引起故障处温 度升高，绝缘破坏，并可能转变为单相接地短路或相问短路。 ( 3 ) 定子绕组的单相接地短路。这是发电机内部比较常见的一种故障。这里主要讨 论因相间或匝问绝缘破坏而导致灾难性的相间或匝问短路【4 2 】。 众所周知，匝数很少尤其是多分支的匝问短路，是一种很难发现的故障。因此， 故障匝中短路电流很大，而相电流却没有很大变化，若不及时切除发电机，将使定子 铁芯和绕组严重破坏。而且，很多相问短路是从匝问短路开始的。因此，必须装设灵 敏的定子匝间短路保护，当发生匝间短路时，立即将发电机从电网中切除，并灭磁停 机【4 3 1 。 通过计算分析，在可能的各项常规保护中，尽可能考虑纵差、横差和裂相三种保 护的配合，完全差动保护没有明显的优势( 尤其是对匝间短路) ，而裂相保护和横差保 护在各种匝问短路情况下均能获得较高的灵敏度。 1 ) 纵差保护对匝问短路没有多大作用，只能作为相间短路的主保护。而且相间短 路时非故障相不会动作，其动作电流接近于零。近年来，可变比率制动式差动保护和 所谓标积制动式差动保护方案得到广泛应用。前者虽然在外部故障时制动特性得到改 善，但却降低了某些内部短路情况下的灵敏度：后者在外部短路时有较强的制动作用， 但当内部两相发生相间小匝间短路时，制动作用的方向性值得研究。因此，无论选用 哪种差动保护，对发电机保护来讲，在提高灵敏度的同时，必须十分注意可靠性，不 华中科技大学硕士学位论文 致发生误动【】。 2 ) 单元横差保护可作为三峡发电机内部故障的第一灵敏主保护。对于发电机内部 相间短路和匝间短路，均能可靠动作。从原理上讲，这种保护是利用匝间短路时，在 分支绕组之间的两个中性点连接线上流过的零序电流实现的，故保护装置只需在两个 中性点连接线上装一个电流互感器。由于不会因电流互感器特性不同产生不平衡电 流，所以其动作电流较小，灵敏度较高。另外，由于发电机内部短路的同一故障，减 小电流互感器变比，增大二次短路电流。灵敏度会迸一步提高。不过，变比的减小势 必会增大流人保护继电器在外部短路时的不平衡电流( - - 次值) ，从而必须相应提高保 护的动作电流。由于发电机内部短路时，中性点连线上的短路电流也会因电动力或发 热而破坏t a ，因此为了取得高灵敏度，各机组在选择保护之前，有必要分析横差保护 不平衡电流的成因并测定其谐波成分，提出减小不平衡电流的技术措施。达到降低保 护整定值和提高保护灵敏度的目的。 横差保护最大的优点是它能满足发电机相间短路保护的技术要求。当发生相间短 路时，发电机的等效电抗并未明显改交，相位关系也未明显变化，只有故障分支电势 的大小受到较大影响，因此，横差保护具有很高的灵敏度【4 5 】。 3 ) 裂相保护可以作为多分支分布中性点接线的机组内部短路时的另一主要保护， 而且灵敏度很高。裂相保护作为第二重主保护，不仅能保证在极端情况下横差拒动时 可靠的后备保护，而且，和横差保护一起，能对定子绕组开焊起到一定的保护作用， 尤其是横差保护，当负荷不太小时，一定能可靠动作嘲巾0 1 。 3 3a b br e g 2 1 6 型发变组保护系统配置 三峡左岸a b b 发电机变压器保护系统是以数字式继电保护系统为主的保护系 统，其微处理机是采用适应于工业环境的通用型工业用微机，换句话说，也就是以微 机保护为主，同时还辅以反应变压器内部气体和油流的瓦斯保护等非微机化附件。发 电机变压器组是采用两个独立保护予系统的双重化保护配置，分别安装在a 盘和b 盘 两块盘上，同一功能的保护采用原理不同、但性能接近的设计原则，当某一系统软件 或硬件故障均不影响该系统其他部分和另一予系统的正常工作。保护系统具有事件顺 序记录及故障录波功能，并配有外接p c 的串行接口，能记录及输出事件的时问、地点、 1 2 华中科技大学硕士学位论文 故障类型。 三峡左岸a b b 发电机一变压嚣组保护配置可分为短路保护、异常运行保护和辅助 保护三大类。 3 3 i 短路保护 短路保护是用以反应被保护区域内发生的各种类型的短路故障，这些故障将造成 发电杌交压器组的直接破坏。这类保护很重要，所以为防止保护装置或断路器拒动， 又有主保护和后备保护之分。 1 ) 主保护 主保护是满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保护设 备。以第一时限( 保护及断路器的固有时间) 动作，切除故障。 ( 1 ) 发电机 a 发电机不完全差动保护( 8 7 g s p - a ) 输入量：机端电流和中性点1 、2 、3 分支电流。 保护范围：定子绕组相间、匝间短路及分支断线、开焊故障。 动作后果：发电机全停( 跳主变高压断路器、停机、灭磁、启动消防控制系统) 。 b 发电机裂相保护( s t o u p - a ) 输入量：中性点每一相中两组分支电流( 一组由l 、2 、3 分支组成、另一组e h 4 、5 分支组成) 。 保护范围：定子绕组相间、匝问短路及分支断线、开焊故障。与8 7 g s p - a 配合， 保护灵敏度大于2 。 动作后果：发电机全停。 c 发电机中性点不平衡保护( 6 0 g - b ) 又称为横差保护，采取有效措施抑制三次谐波输入。 输入量；两个中性点之间不平衡电流。 保护范围；定子绕组相问、叵间短路及分支断线、开焊故障。 动作后果：发电机全停。 ( 2 ) 主变压器 变压器差动保护( 8 7 t a ) 、( s t t - b ) 采用二次谐波制动、三次谐波、五次谐波制动。 捡厶量；主变直低压埋i 电流( 澄直差进 田变塑励磁变侧曲电流) 。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 保护范围：变压器内部及至t a 的引出线故障。 动作后果：发电机全停。 ( 3 ) 厂用高压变压器 厂用高压变压器差动保护( 9 7 b ) 特性同主变压器差动保护。 采用二次谐波制动、三次谐波、五次谐波制动。 输入量：厂用高压变压器高、低压侧电流。 保护范围；厂用高压变压器内部及至t a 的引出线故障。 动作后果；发电机全停。 ( 4 ) 励磁变压器 励磁变压器差动保护( 8 7 e t - b ) 特性同厂用高压变压器差动保护。 采用二次谐波制动、三次谐波、五次谐波制动。 输入量：励磁变高、低压侧电流。 保护范围：励磁变内部及至t a 的引出线故障。 动作后果：发电机全停。 2 ) 后备保护 主保护或断路器拒动时，以某一延时动作，用来切除故障的保护。后备保护又分 远后备保护和近后备保护。 远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现的 后备保护。 近后备保护：当主保护拒动时，由本电力设备或线路的另一套保护来实现的后备 保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现后备保护。 ( 1 ) 发电机 a 发电机后备保护( 1m - a ) 不对称故障：负序电流启动。 对称故障：具有记忆的低压电流启动。 输入量：机端电压、机端电流 保护范围：系统故障和发电机一变压器组故障。 动作后果：i 段跳系统侧开关( 开关站1 d l 和2 d l ) 段解列( 跳变压器高压侧开关) 。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 b 断路器保护( 5 2 b - a 由三相不一致保护和失灵保护两部分组成。 三相不一致保护：反映断路器在跳合闸时三相触头之问的动作时间误差。当动作 时间误差超过2 0 0 娜时，保护跳三相。 失灵保护： 输入量：发电机变压器组保护输出接点和主变高压侧回路电流共同启动。 保护范围：发电机变压器组故障。 动作后果：跳系统侧开关、另一主变解列、停机、灭磁。 ( 2 注变压器 变压器零序保护( 5 1 t n - a ) ( 5 1 t n - b ) 输入量：变压器中性点上的电流。 保护范围：作为母线、线路的后备保护。 动作后果：暇作为母线的后备，与相邻线路的主保护配合，动作后跳母线解列。 i i 段作为相邻线路的远后备，与相邻线路的后备保护配合，动作后解列。 ( 3 ) 厂用高压变压器 厂用高压变压器三相式过电流保护( 5 1 s t - a ) 输入量：厂用高压压器变高压侧电流。 启动方式：三相式过电流启动。 动作后果：延时解列、停机、灭磁。 ( 4 ) 励磁变压器 励磁变三相式过电流保护( 5 1 e t - a ) 输人量：励磁变高压侧电流。 启动方式：三相式过电流启动。 动作后果：延时解列、停机、灭磁。 3 3 2 异常运行保护 1 ) 发电机保护 ( 1 ) 定子一点接地故障保护( 6 4 g - a ) ( 6 4 g - b ) 6 4 0 岍0 1 和“g 2 组成。6 4 g 2 - a 、6 4 g 2 - b 连接到机端电压互感器二次侧，与电 压互盛盛曲熔断盛担配金：拯证当电压互感墨副边发生接地敛瞳吐，熔断墨先壬埕控 华中科技大学硕士学位论文 动作而熔断，确保保护不误动。 ： 输入量；通过在发电机中性点接地变压器二次侧注入一个2 0 h z 信号实现。 保护范围：靠近中性点侧定子绕组一点接地。 动作后果：发电机全停或发信号