200MW发电机组继电保护毕业设计.doc

内蒙古农业大学本科毕业设计说明书 200MW200MW 发电机组继电保护毕业设计发电机组继电保护毕业设计 1 绪论 1 1 1 继电保护的作用及意义 1 1 2继电保护发展现状及存在的问题 2 1 2 1 继电保护的历史回顾和展望 2 1 2 2 继电保护发展存在的问题及解决办法 2 1 3 选题的目的和意义 4 1 4 对发电机设计案的拟定 5 2 系统参数计算 5 3 短路电流计算 6 3 1 短路计算的目的 7 3 2 序网的制定 7 3 3 系统最大运行方式时短路电流计算 8 3 3 1三相短路电流计算 8 3 4 系统最小运行方式的短路电流计算 11 3 5 在 2 d点两相短路 12 4 发电机保护的配置及整定计算 13 4 1 纵差保护 13 4 1 1 整定计算 15 4 2 横差保护 17 4 2 1 整定计算 18 4 3 发电机的失磁保护 19 4 3 1 整定计算 20 4 4 复合电压启动的过电流保护 23 4 4 1 反应外部相间短路的后备保护的整定计算 25 4 5 定子绕组对称过负荷保护 27 4 5 1 整定计算 28 4 6 励磁绕组过负荷保护 28 4 6 1 整定计算 28 4 7过电压保护 29 4 7 1 整定计算 29 4 8 逆功率保护 30 4 8 1 整定计算 33 4 9 基波零序电压和三次谐波电压构成的 100 定子接地保护 33 4 9 1 整定计算 34 4 10 励磁绕组一点接地保护 38 4 10 1 整定计算 39 4 11 直流电桥原理构成的励磁两点接地保护 40 4 11 1 整定计算 41 200MW 发电机组继电保护 致 谢 43 结论与展望 44 参 考 文 献 45 内蒙古农业大学本科毕业设计说明书 1 1 1 绪论绪论 继电保护装置可视为由测量部分 逻辑部分和执行部分等部分组成 各部分功 能如下 1 测量部分 测量部分是测量从被保护对象输入的有关电气量 并与已给定 的整定值进行比较 根据比较的结果 判断保护是否应该启动的部件 2 逻辑部分 逻辑部分是根据测量部分输出量的大小 性质 输出的逻辑状 态 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关系工作 最后确定是否应该使断路器跳闸或发出信号 并将有关命令传给执行部分的部件 3 执行部分 执行部分是根据逻辑部分传送的信号 最后完成保护装置所担 负的对外操作的任务的部件 如检测到故障时 发出动作信号驱动断路器跳闸 在 不正常运行时发出告警信号 在正常运行时 不产生动作信号 1 11 1 继电保护的作用及意义继电保护的作用及意义 电力系统在生产过程中 有可能发生各类故障和各种不正常运行状态 其中故 障一般可分为两类 横向故障和纵向故障 横向故障包括两相短路 单相接地短路 两相接地短路 三相短路四种 纵向对称故障包括单相断相和两相断相 又称非全 相运行 电网在发生故障后会造成很严重的后果 1 电力系统电压大幅度下降 广大用户负荷的正常工作遭到破坏 2 故障处有很大的短路电流 产生的电弧会烧坏电气设备 3 破坏发电机的并列运行的稳定性 引起电力系统振荡甚至使整个系统失去 稳定而解列瓦解 4 电气设备中流过强大的电流产生的发热和电动力 使设备的寿命减少 甚 至遭到破坏 不正常情况有过负荷 过电压 电力系统振荡等 电气设备的过负荷会发生发热 现象 会使绝缘材料加速老化 影响寿命 容易引起短路故障 继电保护被称为是电力系统的卫士 它的基本任务有 1 当电力系统发生故障时 自动 迅速 有选择地将故障设备从电力系统中 切除 保证系统其余部分迅速恢复正常运行 防止故障进一步扩大 2 当发生不正常工作情况时 能自动有选择将信号上传给运行人员进行处理 或者切除那些继续运行会引起故障的电气设备 可见继电保护是任何电力系统必不可少的组成部分 对保证系统安全运行 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 200MW 发电机组继电保护 2 1 21 2继电保护发展现状及存在的问题继电保护发展现状及存在的问题 1 2 11 2 1 继电保护的历史回顾和展望继电保护的历史回顾和展望 改革开放以来 我国经济的快速发展刺激着电网的快速发展 尤其是近几年全 国各个地区出现的缺电现象直接促进了大规模机组的投产和电网建设进程的急剧加 快 同时随着现代社会对电网供电可靠性的要求的不断提高 就需要我们继电保护 发挥更加重要的作用 针对系统出现的故障能及时切除 确保电网的安全稳定经济 运行 我国继电保护的发展大体经历了以下几个跨越 1 60 年代中期独立研制并生产了第一套高压电网复杂保护 即整流型距离保 护 2 60 年代末到 80 年代中期我国广泛采用晶体管型保护 3 到 80 年代末 集成电路保护已形成完整系列 逐步取代晶体管保护 4 1984 年微机线路保护通过鉴定并获得应用 此后 不同原理 不同种类的 微机保护相继研制生产 取得了引人注目的成果 到 90 年代 我国继电保护技术已 完全进入微机保护数字式时代 从以上的发展过程来看 继电保护技术总是根据电力系统的需要 不断地从相 关的学科中吸取最新成果而发展和完善自身的 总的来说 继电保护技术的发展可 以概括为 4 个阶段 2 次飞跃 4 个阶段是电磁型 整流型 晶体管型 集成电 路型 微机型 第 1 次飞跃是由电磁型到晶体管型 主要体现在保护由电磁式向静 态式转变 保护装置弱电化 无触点化 小型化和低功耗 第 2 次飞跃是由集成电 路型到微机型 主要体现在保护由模拟式向数字式转变 保护装置智能化和信息化 继电保护现已发展到了微机保护阶段 微机继电保护指的是以数字式计算机 包括微型机 为基础而构成的继电保护 以下各级电网所需的各种保护设备 目 前我国的微机保护的研究和制造均已居于国际先进水平 继电保护理论研究方面 人工神经网络在继电保护中的应用在九十年代被广泛研究 人工智能技术如神经网 络 遗传算法 进化规划 模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用 电力系 统保护领域内的一些研究工作也转向人工智能的研究 专家系统 人工神经网络 ANN 和模糊控制理论逐步应用于电力系统继电保护中 必将为继电保护的发展 注入了活力 内蒙古农业大学本科毕业设计说明书 3 1 2 21 2 2 继电保护发展存在的问题及解决办法继电保护发展存在的问题及解决办法 继电保护的重要性是显然的 是关系到电网稳定的重要设备 继电保护装置历经 电磁型 整流型 发展到 80 年代的晶体管 集成电路型 直到现在的微机型 微机保 护也经历了从简单发展到现在的智能型 保护装置越来越人性化 智能化 然而 继 电保护发展至今 虽设备已经很先进 但仍有一些问题没有得到很好解决 现针对一 些比较现实的问题举例说明 1 加强对外部二次回路的维护 适时推行状态检修 继电保护发展至今 从保 护原理的设计 到生产厂家制造工艺 到售后服务 各方面都已比较完善 微机保护装 置的性能已非常稳定 由于保护装置性能不稳定引起的误动基本上没有出现过 所发 生的保护误动作基本上是保护装置外部原因引起的 从统计的结果看误动有以下几 个主要原因 CT 二次电缆回路接触不良 端子排锈蚀或电缆绝缘下降引起跳闸回 路接通 所使用的 CT 性能不满足保护要求 区外故障时越级跳闸 继电保护工作人 员的误操作 运行人员误投退保护压板 而运行过程中其他因素引起逻辑变化的情 况 至今尚未发生过 这足以说明 当前使用的 CPU 芯片性能已非常稳定 因此在我们 的检验工作中 没有必要对其 CPU 的正确性进行很详细的校验 而应对继电保护设备 实行状态检修 也就是说 只要保护装置不告警 就不用进行检修 当然 这要有一个 逐步完善的过程 需要大量的配套工程 但这是一种发展趋势 2 尽快规范通讯规约管理 减少相关转换环节 继电保护的技术已经很成熟 而近几年发展起来的综合自动化技术 对我们是一个全新的领域 由于其技术新 硬 件成本低 利润高 其发展速度非常之快 这对维护工作是一个很大的挑战 综合自动 化系统以 四遥 指遥控 遥信 遥测 遥调 装置与后台监控机为核心 与保护装 置相比 四遥 装置的原理比较简单 另外 据研究表明 四遥 装置很少出问题 问 题最多的就是后台监控机 究其原因 除了技术未成熟以外 计算机质量比较差也是一 个重大原因 从近几年所出现的问题看 监控系统的问题可归纳为 误发信号 主机 电源烧损 主机硬盘损坏及通讯串口损坏等 而维护工作中难度最大的是通讯问题 当前 综合自动化系统还处于发展阶段 四方 南瑞 南自 东方电子等厂家都自成 一家 各有各的通讯规约 致使维护工作越来越难 一旦碰到通讯问题 必须请厂家人 员才能处理 而且经常要几个相关厂家一起到场才行 如此一来 既降低了设备的安 200MW 发电机组继电保护 4 全运行可靠性 又提高维护的成本 因此 应尽快统一电力系统通讯规约 规范通讯 规约管理 3 注重数据备份 缩短故障处理时间 监控系统问题 出现最多的是硬件问题 而硬盘损坏是仅次于通讯问题的一个难题 此时硬盘上所有的数据都丢失 整个系统 必须重装 这个工作的工作量很大 所以 维护人员应对所有监控系统进行硬盘备份 一旦硬盘损坏 整个硬盘更换即可 此外 验收时应要求厂家提供系统重装所需的安 装盘 如监控系统盘 各种硬件如网卡 声卡 PLC 中央音响驱动卡 四方监控系统 卡安装盘 做好系统重装的准备 这样也可大大缩短故障处理时间 4 推行继电保护网络化管理 减少管理成本 继电保护发展至今 各方面已非 常成熟 但继电保护管理工作太繁琐 耗费大量的人力物力 电力系统自动化程度也 越来越高 光纤等的投入使用使自动化的可靠性也越来越高 但继电保护远程管理在 这方面还没有得到很好地应用 设想 如果定值的更改 检查 保护运行情况监控 信号的采取 加上前面提到的继电保护状态检修 都能进行远程管理 出人为事故的机 率也将大大降低 继电保护技术发展迅速 对保护人员提出了更高的要求 作为继电保护维护工作 者 应从管理方式方法入手 从根本上改变继电保护工作局面 对于工作过程中发现 的问题要及时更正和改进 1 31 3 选题的目的和意义选题的目的和意义 发电机是电力系统中大量使用的重要电气设备 发电机安全运行对保护电力系统 的正常工作和电能质量起着决定性作用 同时发电机本身也是一个十分贵重的电气元 件 因此 应该针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 一旦发生发电机故障 保护装置能够有选择的快速将其从系统中切除 并将发电 机励磁开关跳开并灭磁 当同步发电机处于异常工作状态时 保护装置应及时发出信 号 以便于运行人员快速处理 在电力系统中运行的发电机 由于容量相差悬殊 在 设计 结构 工艺 励磁乃至运行等方面都有很大的差异 这就使得发电机极其励磁 回路发生故障 故障的几率和异常工作状态有所不同 进而所装设的保护也有差异 对发电机的保护是非常重要的 也是非常有必要的 虽然现在微机保护占主导地 位 但它的基础仍然是常规保护 都是基于常规保护原理发展起来的 只有掌握了常 内蒙古农业大学本科毕业设计说明书 5 规保护的基本原理 才能更好地用于微机保护 1 4 对发电机设计案的拟定 对发电机设计案的拟定 发电机的故障主要分为定子故障和转子故障 其故障类型主要有 1 定子绕组相间短路 2 定子绕组单相匝间短路 3 定子绕组单相接地 4 转子绕组一点接地或两点接地 5 转子励磁回路电流消失 发电机的异常工作状态 1 外部短路或系统振荡引起的定子绕组过电流 2 定子绕组引起的三相对称过负荷 3 突然甩负荷而引起的定子绕组过电压 4 励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷 5 汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率运行等 2 2 系统参数计算 系统参数计算 2 200MW 机组继电保护 两台双绕组变压器 220KV 侧有电源 QFSN 200 2 型汽轮发电机主要参数 有功功率 额定电压200 N PMW 额定电流 功率因数 额定励磁15 75 N UKV 8625 N IA cos0 85 电压 零序电抗 定子绕组的允许发热时间常数450 fd UV 0 0 0785 f X 次暂态电抗 0 1413 同步电抗 空载励磁电压 1 69K 1 95 d X 暂态电抗 120 fdo UV 0 242 d X 变压器型号 SFP7 240000 220 电压 242 5 2 5 15 75KV 高压 侧为双母线接线 变压器 220KV 中性点直接接地 10KV 绕组三角形接线 电流互感器之比 电压互感器之比 12000 2400 5 TA n 15 75 0 1 157 5 33 TV n 200MW 发电机组继电保护 6 系统参数 SB 100MVA UB Uav 220KV 系统最大运行方式 12 0 02130 SS XX 0 0 04045 S X 系统最小运行方式 0 0 07526 S X 图 1 200MW 发电机组继电保护系统接线 变压器短路电压百分比 US 14 12 14100 0 05833 100100240 SB TT N US XX S 发电机的电抗 200 235 cos0 85 N N P SMWA 12 100 0 14130 14130 06013 235 B GG N S XX S 12 0 03342 SS XX 内蒙古农业大学本科毕业设计说明书 7 3 3 短路电流计算短路电流计算 短路是电力系统的严重故障 产生短路的主要原因是电气设备载流部分的相间 绝缘或相对地绝缘被破坏 包括自然因素和人为因素 人为因素主要是由于设计 安装及维护不良所带来的设备缺陷发展成短路 还有就是人为事故 短路所引起的 后果是破坏性的主要表现在以下几方面 1 短路时 系统电压大幅度下降 对用户影响很大 2 当电力系统发生短路时 有可能使并列运行的发电机失去同步 破坏系统稳 性 是整个系统遭到破坏 引起大片停电 这是短路最严重的后果 3 不对称接地短路所造成的不平衡电流 产生零序不平衡磁通 对临近的通讯 产生干扰 并危及设备和人身的安全 3 13 1 短路计算的目的 在电力系统和电气设备的设计和运行中 短路计算是解决一系列技术问题所不 可缺少的基本计算 主要有以下几方面 1 为了合理地配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参数 必须对电力 网中发生的各种短路进行计算和分析 2 在设计和选择发电厂和电力系统电气主接线时 为了比较各种不同方案的 接线图 确定是否要采取限制短路电流的措施等 都要进行必要的短路电流计算 3 进行电力系统暂态稳定计算 研究短路对用户工作的影响 也包含部分短 路计算 3 23 2 序网的制定序网的制定 本设计主要是对发电机进行常规保护的配置及整定计算 所以以下所有的短路 计算是为了正确选择和校验电气设备 以及进行继电保护装置的整定计算 灵敏度 校验 在短路电流计算过程中我们一般采用近似计算 即在短路电流的最简化计算 中 假定短路电路连接到内阻抗为零的恒电势源上 计算时略去负荷 选定基准 SB 和基准电压 UB Uav 本设计已给出 算出电源对短路点的组合电抗标幺值 Xf 而 电源的电势标幺值取作 1 这样算出的短路电流要比实际的大些 但是它们的差别 随短路点距离的增大而迅速地减少 因为短路点愈远 电源电压恒定的假设条件就 200MW 发电机组继电保护 8 愈接近实际情况 尤其是当发电机有自动励磁调节器时 更是如此 利用这种简化 的计算 可以对短路电流的最大可能作近似的估计 在电力系统中不对称故障占系 统故障中的大部分 通常分析不对称故障的常用方法是对称分量法 根据对称分量 法 一组不对称的三相向量可以分解为正序 负序和零序三组对称的三相向量 因 此 在计算当中首先必需做出电力系统的各序网络 为此 应根据电力系统的接线 图 中性点接地情况等原始资料 在故障点分别施加各序电势 然后逐步查明各序 电流流通的情况 凡是某一序电流能流通的元件都必须包括在该序网络中 并用相 应的序参数和等值电路表示 短路电流计算的方法 常用的有欧姆法 又称有名单位制法 和标幺制法 又 称相对单位制法 本设计采用标幺制法进行短路计算 而且要对最大运行方式和最 小运行方式下计算 制定各序网络时 应包含该序电流通过的所有元件 制定零序网络时 一般从 故障处开始 确定零序电势所能形成的零序电流通路 在一相零序网络中 中性点 接地阻抗以其三倍值表示 而且应用对称分量法分析计算不对称故障时 首先必需 做出电力系统的各序网络 为此 应根据电力系统的接线图 中性点接地情况等原 始资料 在故障点分别施加各序电势 然后逐步查明各序电流流通的情况 凡是某 一序电流能流通的元件 都必须包括在该序网络中 并用相应的序参数和等值电路 表示 正序网络就是通过计算对称短路时所用的等值网络 除中性点接地阻抗 空载 线路 不计导纳 以及空载变压器 不计励磁电流 外 电力系统元件均应包括在 正序网络中并且用相应的正序参数和等值电路表示 负序电流能流通的元件与正序 的电流的相同 但所有电源的负序电压为零 因此 把正序网络中各元件的参数都 用负序参数代替 并令电源电势等于零 而在短路点引入代替故障条件的不对称电 势源中的负序分量 便得到负序网路 3 33 3 系统最大运行方式时短路电流计算 系统最大运行方式时 12 0 02130 SS XX 0 0 04045 S X 内蒙古农业大学本科毕业设计说明书 9 3 3 13 3 1三相短路电流计算三相短路电流计算 在点短路时 1 d 图 2 220KV 侧点短路 1 d 图 3 点短路 2 f 11 0 060130 058330 11846 GT XXX 100 0 25 33230 B B B S IKA U 12 22 122 22 22 1 8 44 0 11846 11 55 39 0 060130 05833 0 02130 0 02130 8 4455 3915 01 0 058330 060130 02130 GTS S d GTS E fId X E fId XXXX X IdIId XXX 200MW 发电机组继电保护 10 d1点三相短路电流为 3 11 15 01 0 253 75 B IdIdIKA 在在点短路时点短路时 2 d 12 1 22 122 222 22 11 16 63 0 06013 11 55 39 0 060130 05833 0 02130 0 02130 16 6355 3925 07 0 058330 060130 02130 G GTS S GTS E fId XX E fId XXXX X IdIdId XXX 图 4 15 75KV 侧点短路 2 d 100 3 67 33 15 75 B B B S IKA U 点三相短路电流 2 f 3 22 25 073 6792 B IdIdIKA 内蒙古农业大学本科毕业设计说明书 11 图 5 点短路 2 f 3 43 4 系统最小运行方式的短路电流计算 系统最小运行方式的短路电流计算 系统最小运行方式时 0 0 07526 S X 在在点三相电短路时 点三相电短路时 1 d 图 6 220 侧 d1点短路 12 0 03342 SS XX 200MW 发电机组继电保护 12 图 7 点短路 1 f 12 0 060130 058330 11846 GT XXX 111 0 058330 06013 0 033420 026 TGs XXXX 0 0 03342 0 058330 021 STI XXX 11 1 8 44 0 11846 E fId X 100 0 25 33230 B B B S IKA U d1点三相短路电流为 3 11 8 440 252 11 B IdIdIKA 在在点三相短路电流点三相短路电流 2 d 图 8 15 75KV 侧点短路 2 d 内蒙古农业大学本科毕业设计说明书 13 1 0 06013 G XX 2 1 16 63 0 06013 E Id X 100 3 67 33 15 75 B B B S IKA U 3 22 16 63 3 6761 03 B IdIdIKA 3 53 5 在在点两相短路点两相短路 2 d 23 22 33 60 0351 98 22 IdIdKA 表 1 短路电流计算表 单位 KA 短路名称三相短路单相接地 T 两相接地 T 短路点 点 1 d 220KV 点 2 d 15 75KV 点 1 d点 2 d点 1 d点 2 d 15 75KV 最大运行放式 3 7592 最小运行方式 2 1161 03 51 98 4 4 发电机保护的配置及整定计算 4 14 1 纵差保护 定子绕组相间短路时 由于短路电流大 故障点的电弧会破坏绝缘 烧毁绕组 和铁芯 甚至引起火灾 这是发电机内部最严重的故障 发电机定子绕组不同地点 发生相间短路时 由于定子绕组个点感应电势不同 短路回路阻抗也不同 所以短 路电流大小就不一样 定子一相绕组发生匝间短路时 绕组两端的电流都相同 流 入差动继电器的差动回路电流只有不平衡电流 差动继电器不会动作 故它不能反 应反应匝间短路 200MW 发电机组继电保护 14 发电机纵联差动保护 根据接入发电机中性点电流的份额 可分为完全纵差动保 护和不完全纵差动保护 完全纵差保护能反映发电机内部及其引出线上的相间短路 但不能反映发电机内部匝间短路及分支开焊 对于大电流系统侧的单相接地短路故障 灵明度有所下降 不完全纵差保护 适用于每相定子绕组为多分支的大型发电机 它 除了能反映发电机相间短路故障 还能反映定子线棒开焊及分支匝间短路 对于大容量的发电机 100MW 及以上 为了减少故障发生于发电机中性点附 近而出现的纵差动保护的死区 要求将纵联保护的动作电流降低 提高保护动作的灵 敏性 并要保证在区外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动保护 使其动作值 随着外部短路电流的增大而自动增大 即利用外部故障时的穿越电流实现制动 其原 理接线如图所示 基本原理 是基于保护的动作电流随着外部故障的短路电流而产生的最大不平衡 电流的增大而按比例的线性增大 且比最大不平衡电流增大的更快 使在任何情况下 的外部故障时 保护不会误动作 这这样就可以避免由于外部短路电流的增大而造 成电流互感器饱和而引起不平衡电流的增大 也就是可以避免继电器误动 动电流 将外部故障的短路电流作为制动电流 动电流 把流入差动回路的电流作为动作电流 图 9 比率制动式差动继电器原理接线 内蒙古农业大学本科毕业设计说明书 15 图 11 发电机纵差保护特性 图中 Ires 是制动电流 即外部短路时流过制动线圈的电流 Iact 即差动继电器的 动作电流 Iact min 为差动继电器的最小动作电流 Ires min 表示继电器开始具有制 动作用的最小制动电流 通常取 Ires min 等于负荷电流 因为在电流互感器误差很小 不平衡电流很小 Iact min Ibp 所以此时没有制动作用的继电器也不会误动作 而 当外部短路电流大于负荷电流 Ibp 随 Ik 增大时 若 Ibp Ik Idz Ires Kres 调整继电 器的制动特性使之具有 K Ibp Ik Kres 做出现直线 BP 则继电器具有这样性能 不管外部短路短路电流多大 继电器总不会误动 K 为制动系数 4 1 1 整定计算整定计算 1 最小动作电流的选择 由于保护装置采用比率制动特性 保护动作电流不必按躲过外部故障时的不平 衡电流来整定 其整定值只需躲过最大负荷条件下条件下差回路的不平衡电流 继 电器的最小动作电流为 minact I K K bp I K K fzd K tx K i f 2N I 式中 可靠系数 采用 1 3 1 5 K K 考虑非周期分量影响的系数 采用 1 fzd K 电流互感器的同型系数 采用 0 5 tx K 200MW 发电机组继电保护 16 电流互感器的相对误差 取 0 1 i f 发电机的二次额定电流 2N I 电流互感器之比 TA n 实际上最小动作电流的确定还要根据选定的制动系数和继电器固有动作电流 来确定 1 5 1 0 5 0 1 8625 2400 0 26 minact I 若在最大负荷电流条件下 电流互感器处于不饱和状态时 误差远小于 10 差回路的不平衡电流比 0 26 小很多 所以不平衡电流一般由现场 bp I 测定 2 比率制动系数 K 的选择 制动系数选择得当是防止外部短路误动作的保证 根据定义 act res I K I 假定最大外部短路电流下流过继电器的动作电流是 act I K K fzd K tx K i f maxd I 此时制动电流 res I maxd I 所以 K 0 065 0 075 K K fzd K tx K i f 那么上式计算得 K 是一条过坐标原点的直线 因此 对于制动曲线具有 一段水平线的比率制动式差动继电器 还应进行制动特性的校验 一般可先从制动特性曲线族中选取制动系数大于计算值的一条曲线 为 了兼顾灵敏系数和选择性方面的要求 即折点 B 的斜率就就是所选择的制动 系数 在 B 点的斜率 m 等于制动系数的计算值 即 m K 若制动电流 Ires min 1 标幺值 时 则得继电器的动作电流最小值为 Iact min m Ires min K Ires min K 由此可见 当制动系数取得 过大时 将使保护的灵敏系数下降 3 灵敏系数校验 内蒙古农业大学本科毕业设计说明书 17 灵敏系数 23 22 33 60 0351 98 22 IdIdKA Ksen Id min Iact j 式中 Id min 发电机出口两相短路时流经保护的最小周期性短路电流 Iact j 于所校验的情况下继电器的动作电流 应根据继电器制动特 性曲线图上的制动电流是以整个制动绕组为基准还是以半个制动绕组为基准 再根据校验灵敏系数时的短路情况是通过整个制动绕组还是半个制动绕组而 决定动作电流 Ires j 用 Ires j 查继电器制动特性曲线得对应的 Iact j 灵敏系数 Ksen 2 所以发电机出口两相短路时流经保护的最小周期性短路电流 Id min 51980 2400 21 65A 此时只有半个制动线圈流过此电流 那么 Ires j 10 825A 又因为择 LCD 7 型继电器 查 K 0 4 时 那么对应于半个制动绕组决定的动 作电流为 Ires j 对应的 Iact j 3 314 Ksen 21 65 3 314 6 53 2 4 2 横差保护横差保护 定子绕组匝间短路时 被短路的各匝将有短路电流流过 产生局部过热 破坏 绕组绝缘 以致转变为单相接地或相间短路 同一支路绕组间短路 或同相不同支 路绕组匝间短路 都称为定子绕组的匝间短路 发生匝间短路时纵差保护不能反应 故必须装设专用保护 200MW 发电机组继电保护 18 图 10 横差保护原理图 在双星型中性点 N N 间加装电流互感器作为横差电流继电器 I 的电流源 为横差保护 发电机正常运行或外部短路时 N N 间无电流过 横差保护不动作 当定子绕组的同一分支的匝间发生短路时 短路分支的三相电势不平衡 于是在 N N 间有电流流过 当其值大于横差保护的动作电流时 保护跳开发电机 这种 保护的优点是接线简单 灵敏度也可以很高 其缺点是发电机中性点侧必须有 6 个 引出端子 保护有不大的死区 在大容量发电机中 由于额定电流很大 其每相都 是由两个或多个并联的绕组组成 在正常运行的时候 各绕组中的电动势相等 流 过相等的负荷电流 而当任一绕组发生匝间短路时 绕组中的电动势就不再相等 因而会出现因电动势差而在各绕组间产生均衡电流 利用这个环流 可以实现对发 电机定子绕组匝间短路的保护 即横差动保护 这种接线方式只用一个互感器装于发 电机两组星形中点的连线上 其本质是把一半绕组的三相电流之和去与另一半绕组 三相电流之和进行比较 这种接线方式没有由于互感器误差所引起的不平衡电流 其起动电流比较小 灵敏度高 且接线非常简单 转子回路两点接地时 衡差动保 护可能误动作 但不必在转子回路两点接地时闭锁横差保护在投入两点接地保护的 同时 横差保护硬切换至带 0 5 1S 的延时动作于跳闸 可防止转子回轮偶然性的 两点接地时引起的横差保护误动作 4 2 1 整定计算整定计算 保护动作电流按躲过外部短路故障时最大不平衡电流以及装置对高次谐波过比 的大小整定 由于不平衡电流很难确定 因此工程设计中可根据经验公式计算 内蒙古农业大学本科毕业设计说明书 19 1 3 次谐波滤过比不小于 10 时 继电器动作电流为 Iact 0 2 0 3 N I TA n 式中 发电机额定电流 N I 电流互感器变比 TA n Iact 0 2 0 3 8625 2400 0 718 1 07A 2 灵敏系数校验 灵敏系数是以保护动作死区占整个绕组的百分比表示的 由下 式可求出保护动作死区占的百分比 a 0 3I fo X 式中 等于 Iact 0 3I 发电机零序电抗 0 0785 fo X a 表示发电机动作死区占的百分比 S 发电机的视在功率为 235MW B f0 S100 X 0 07850 07850 0334 235S a 1 07 4 0 0334 14 2 重上述计算可知 保护动作整定值越高 保护死区越大 为了减小保护死区 应经三次谐波滤过器 尽量减小 3 次谐波不平衡电流 4 3 发电机的失磁保护发电机的失磁保护 发电机正常运行 向系统送出无功功率 失磁后将从系统吸取大量无功功率 使机端电压下降 当系统缺少无功功率 严重时可能使电压低到不允许的数值 以 致破坏系统稳定 发电机失磁后 对电力系统和发电机本身会产生诸多不利影响 如需要从电力系统中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场 由于从电力系统中吸 收无功功率将引起电力系统电压下降 如果电力系统的容量较小或无功功率储备不 足 则可 能使失磁发电机的机端电压 升压变压器高压侧的母线电压或其他邻近的电压低于 200MW 发电机组继电保护 20 允许值 从而破坏了负荷与各电源间的稳定运行 甚至可能因电压崩溃而使系统瓦 解 发电机失磁后不但不发出无功功率还要从系统 吸收无功功率 当系统无功功率储备不足时将导致发电厂母线电压 发电机机 端电压下降 发电机失磁后 由于发电机吸收无功量的增大及定子电压的降低 定子电 流就会增大 有功功率越大 定子电流就会越大 发电机从失磁到功角增大到90 的 过程中 发电机的电磁功率先减小 但原动机的机械功率来不及减小 造成转子加速使 功角不断增大 当功角大于90 发电机失步运行时发电机的异步功率维持着输入 输 出功率平衡 发电机失磁后无功很快减小到零 然后向负变化到较大值 失步后发电 机的无功功率按照滑差周期有规律的摆动 失磁发电机维持的有功功率越大及滑差 越大 发电机从系统吸收的无功越大 发电机从失磁开始到稳定异步运行其机端测量阻抗沿着等有功阻抗圆由第1 象 限向第4 象限变化 失磁原因主要有三种 1 励磁回路开路 励磁绕组断线 灭磁开关误动作 励磁调节装置的自动开关勿动 可控硅励磁装置中部分元件损坏 2 励磁绕组由于长期发热 绝缘老化或损坏引起短路 3 运行人员调整等 失磁保护有三点 1 发电机虽然失磁 但对失磁发电机和电力系统尚未形成危 害时 应能即时发出信号 2 发电机失磁后威胁到发电机及电力系统安全运行时 失磁保护应能即时动作 切除失磁发电机 3 在发电机外部故障 电力系统震荡 发电机自同期并列等非正常运行状态下 失磁保护不应误动作 失磁保护由阻抗元件 母线低电压元件和闭锁元件组成 阻抗元件用于失磁故 障 母线低电压元件用于监视母线电压 以保证系统安全 闭锁元件用于保护装置 在外部短路 系统震荡 自同步及电压回路断线等情况下不误动作 当失磁后母线 电压低于允许置时 失磁保护带时限动作于断路器跳闸 当母线电压未低于允许值 时 保护带时限动作于信号 同时动作于切换励磁回路和自动减出力 可作为失磁 保护的判据有 4 3 1整定计算 整定计算 内蒙古农业大学本科毕业设计说明书 21 系统侧主判据 高压母线三相同时低电压继电器 本判据主要用于防止由发 电机低励失磁故障引发无功储备不足的系统电压崩溃 造成大面积停电 其动作判 据为 Uact 3ph 0 85 0 90 Uh min 式中 Uact 3ph 三相同时低电压继电器动作电压 此值应经调度部门确定 Uh nmi 高压系统最低正常运行电压 经辅助判据 与门 输出 短延时动作于发电机解列 发电机侧主判据 1 异步边界阻抗继电器 2 静稳极限阻抗继电器 3 静稳极限励磁低电压继电器 低励失磁保护的辅助判据有 1 负序电压元件 2 励磁低电压元件 3 延时元件 1 阻抗元件 按异步边界圆征整定 2 1 2 NTA ad NTV U n XX S n 2 NTA bKd NTV U n XK X S n 式中 发电机额定容量 N S 发电机额定电压 N U 发电机电流互感器之比 TA n 发电机电压互感器之比 TV n 可靠系数 取 1 2 K k 发电机暂态电抗 取 0 242 d X 200MW 发电机组继电保护 22 发电机同步电抗 1 95 d X 22 1115 752400 0 2421 95 22235 157 5 NTA ad NTV U n XX S n 22 15 752400 1 2 1 9537 64 235 157 5 NTA bKd NTV U n XK X S n 2 按静稳边界圆整定 2 NTA aS NTV U n XX S n 为系统联系阻抗 为 S X 1122 TSGT XXXX 0 058330 03342 0 060130 058330 08433 S X 图 11 系统联系阻抗图 22 15 752400 0 084331 356 235 157 5 NTA aS NTV U n XX S n 2 NTA bKd NTV U n XK X S n 22 15 752400 1 2 1 9537 64 235 157 5 NTA bKd NTV U n XK X S n 内蒙古农业大学本科毕业设计说明书 23 2 电压元件整定 保护动作电压 Uact 0 7 0 8 N U TV n 式中 为高压侧母线额定电压 N U 为高压侧母线电压互感器之比为 230 0 1 TV n Uact 0 7 0 8 230 2300 70 80 V 3 励磁低电压闭锁元件的整定 Uact P Xd Ufdo 式中 Uact 励磁低电压的整定值 P 给定有功功率 取 0 5 为综合阻抗 Xd Xs Xd 为发电机同步电抗 Xs 为系统阻抗Xd 空载励磁电压Ufdo Uact 0 5 1 95 0 08433 120 122 05V 2 延时元件按异步边界整定 t 0 5 1 0S 按静稳边界整定 t 1 0 1 5S 4 负序电流 或电压 闭锁元件的整定 负序电流元件动作电流 Iact 2 0 05 0 06 N I 负序电压元件动作电压 Uact 2 0 05 0 06 N U 式中 Iact 2 Uact 2 负序电流 负序电压 的动作值 发电机的额定电流 额定电压 N I N U 200MW 发电机组继电保护 24 Iact 2 0 05 0 06 8625 2400 0 18 0 21A Uact 2 0 05 0 06 100 5 6V 延时元件 延时返回时间为 8 10S G KZKT KVKCO TA TV 跳QF 灭磁 KS 信号 图 12 失磁保护原理逻辑图 4 44 4 复合电压启动的过电流保护 复合电压启动的过电流保护 发电机相间短路的后备保护可采用过电流保护 带低电压的过电流保护 复合 电压启动的过电流保护 负序过电流保护等 为了防止外部短路所引起的过电流和 作为发电机的后备保护 在发电机上可装设过电流保护或带低电压起动的过电流保 护 如这种保护的灵敏度不够或为了简化接线 也可装设负序过电流保护或复合电 压起动的过电流保护 在本设计中采用三相三继电器式接线 且为了使其灵敏度达 到要求采用复合电压启动的过电流保护 电流启动元件由接于相电流的 3 个继电器 构成 电压启动元件由反应不对称短路的负序电压继电器 U2 和反应对称短路接于相 间电压的低电压继电器 KV 构成 只有电流启动元件和电压启动元件都动作时才能启 动时间继电器 KT 由于外部短路 非周期重合闸以及系统震荡而引起过电流 1MW 及以上发电 机 可装设复合电压起动的过电流保护 作为相间短路故障的后备保护 通常在 微机保护中可通过改变设置变成简单过流保护或低压起动的过流保护 具有更好 的适应性 广泛用于各种中小发电机 保护通常带两段时限 其中较短时限用于 内蒙古农业大学本科毕业设计说明书 25 减小故障范围 较长时限跳发电机 负序电压元件和反映相间电压的低电压元件 两者构成或门关系 负序电压元件主要针对于不对称故障 提高了反应不对称故 障的保护的灵敏度 故障相电流继电器中至少两个动作 同时负序电压继电器 KVN 动作 其常闭触点打开 于是加于低电压器继电器上电压被迫为零 启动时间继 电器 KT 经过 KT 的延时 其触点闭合 启动出口继电器 KCO 使发电机各侧断路 器跳闸 低电压元件主要反映对称故障 灵敏度较高 由于短路瞬间也会产生短 时的负序电压 使负序电压继电器 KVN 启动 使低压继电器 KV 动作 当负序电压 消失后 KV 接于相间电压上 因此只有母线电压高于 KV 的返回电压方可使 KV 返 回 但三相短路时母线电压均很低 小于 KV 的返回电压 故 KV 保持动作状态 此时相当于低电压启动的过电流保护 记忆元件 采用加记忆元件或利用低电压 自保持 以防止保护装置中途返回 接线 LH 发电机中性点 YH 发电机出口 动作结果 跳 DL MK 图13 复合电压过电流保护出口逻辑 4 4 1 反应外部相间短路的后备保护的整定计算反应外部相间短路的后备保护的整定计算 1 保护动作电流 Iact K k h K N I 式中 发电机额定电流 N I 可靠系数 采用1 2 K k 返回系数 采用0 85 h K 200MW 发电机组继电保护 26 Iact 1 2 0 85 8625 12176A 2 负序电压继电器动作电压按躲过正常运行时的不平衡电压整定 Uact 0 06Ue 式中U 额定相间电压 Uact 0 06 100 6V 3 接在相间的低电压继电器动作电压按躲过电动机自启动的条件整定 此外还应 躲过失去励磁时的非同步运行方式是的电压降 Uact 0 6U Uact 0 6 100 60V 4 灵敏系数按后备保护范围末端进行校验 Ksen 1 2 1 电流元件 当发电机定子绕组为星形接线 并且保护用的电流互感器也接成星 形时 Ksen Id min Id act 式中Id min 后备保护范围末端金属性不对称短路时 通过保护的最小一次稳态 电流 3 1 33 min21101827 26 22 IdIdA Ksen 1827 26 871 69 2 09 1 2 2 负序电压元件 Ksen Ud min 2 Ud act 式中Ud min 2 后备保护范围末端金属性不对称短路时 保护安装处的最小负 序电压 两相短路 内蒙古农业大学本科毕业设计说明书 27 图14 两相短路序网 1122 XXXX 2212 12 0 5 aa E UXIX XX d min 2 0 50 5 15750 U50 157 5 av TV U V n Ksen 50 6 8 33 1 2 3 相间电压元件 Ksen Ud act Ud max 式中 Ud max 后备保护范围末端金属性三相短路时 保护安装处的最大相间 电压 1122 0 060130 05833 0 060130 05833 0 021300 01567 GTGTS XXXXXX X 1 63 0 01567 E I X 200MW 发电机组继电保护 28 图15 三相短路 1112 12 0 060130 05833 0 02130 GTS fXXfX ff 12 1 263 8 3 ff f 11 d max 157508 3 0 06013 15750 U49 9 157 5 G TV f X V n Ksen 60 49 9 110000 90354 1 202 1 2 动作时限整定与主保护配合 取 t 3 5S 保护出口 全停 4 54 5 定子绕组对称过负荷保护定子绕组对称过负荷保护 防止由于过负荷超过发电机的额定的 容量而引起的过电流保护 在经常有值 班人员的情况下 过负荷保护通常作用于信号 由于过负荷电流在大多数情况下是 三相对称的 因此 过负荷保护仅接入一相电流 各侧的过负荷保护均经过同一时 间继电器发出信号 即采用接一相电流的电流继电器和一个时间继电器构成 带延 时动作于信号 大型发电机的材料利用率高 热容量与铜损之比较小 热时间常熟也较小 相 对过负荷能力就低 较易因过负荷而温升过高 影响机组正常寿命 应装设过负荷 保护 内蒙古农业大学本科毕业设计说明书 29 电流取自发电机中性点或机端 TA 三相电流 4 5 14 5 1 整定计算整定计算 定子绕组过负荷保护对于非直接冷却方式的中小型发电机 采用单相式定时 限过电流保护 经延时动作于信号 动作电流按发电机长期允许的负荷电流下能可 靠 返回的条件整定 即 Iact Krel Kre Ild max TA n 式中 Krel 可靠系数 为 1 05 Kre 返回系数 为 0 85 Ild max 发电机长期允许的负荷电流 一般取作发电机额定电流 电流互感器之比 TA n Iact 1 85 0 85 8625 2400 4 44A 按大于发电机后备保护限度 相间短路 取时间为 3 15 秒 KA KT KS 过负荷信号 图16 过负荷原理接线图 200MW 发电机组继电保护 30 4 64 6 励磁绕组过负荷保护 4 6 1 整定计算整定计算 Iact k K h K 1L I 式中 可靠系数 取 1 05 k K 返回系数 取 0 85 h K 正常运行最大励磁电流 一般取 1 1 倍额定励磁电流 1L I Iact 1 05 0 85 1 1 1765 2398A 保护时限 保护延时按躲过后备保护的最大延时整定 动作于信号或自动减负荷 t 10S 反时限部分的动作时间 2 1 1 K t Ia 式中 定子绕组电流标幺值 取 1 5 倍额定电流 1 I a 与定子绕组温升裕度有关的常数 取 0 01 K 定子绕组的允许发热时间常数 为 1 69 2 1 69 1 36 1 510 01 ts 保护上限设最小延时定值 便于与快速保护配合 t 1S 保护出口 程序跳闸 4 7 过电压保护过电压保护 发电机出现过电压 不仅对定子绕组绝缘带来威胁 同时使变压器励磁电流剧 增 引起变压器的过励磁和过磁通 过励磁可使绝缘因发热而降级 过磁通使变压 器铁芯饱和并在铁芯相邻的导磁体内产