毕业设计（论文）-大型发变组保护配置与整定计算.doc

摘要 大型发变机组是现代电力系统最重要的组成部分之一 它造价昂贵 结构复杂 一旦故障 检修期长 给国民经济造成的直接和间接经济损失巨大 大型发变组保护 的拒动和误动 均将产生严重后果 决不可掉以轻心 因此 必然对大型机组的可靠 性 灵敏性 选择性和快速性提出了更高的要求 由于大型发变组不可避免地存在一些故障及不正常运行方式的可能 迅速地切除 或隔离故障点 是继电保护的主要任务 本文主要介绍了现代大型发电机一变压器继 电保护的配置目的 原理 并系统地介绍了目前大型发变组保护配置的以下主保护及 后备保护 发电机差动保护 变压器差动保护 发电机定子匝间保护 发电机定子接 地保护 发电机对称过负荷保护 发电机负序过负荷保护 发电机失磁保护 发电机 转子接地保护 发电机 变压器 过激磁保护 发电机逆功率保护等 通过对这些保护 原理的分析 指出存在的问题 并提出相应的改进措施 同时 本论文还就一些存在 争议的问题提出了自己的观点 并对发变组保护发展的趋势作了相应的探讨 关键词 主保护 后备保护 存在问题 发展趋势 Abstract Large scale Generator Transformer Unit Protection is one of the most important part of the modern electrical power system It s costly and complex structured Once it fails a long term examination and repair is needed It will bring huge economic losses directly and indirectly The incorrect or rejected tripping of Large scale Generator Transformer Unit Protection will cause serious consequences Therefore it put forward higher requirements to the reliability sensitivity selectivity and speed of Large scale Generator Transformer Unit Protection There are some inevitable faults and abnormal run mode with Large scale Generator Transformer therefore rapid removal or segregation point of failure is the main task of relay protection This passage mainly introduces the purposes principles of the modern Large scale Generator Transformer Unit Protection and introduces the following main protections and back up protections the generator differential protection the transformer differential protection the protection of inter turn the stator ground fault protection the generator symmetry overload protection the negative sequence overload protection the generator excitation loss protection the rotor earth fault protection the generator or transformer over excitation protection the generator reverse power protection etc Meanwhile the author put forward her point of view on some controversial issues The development trend of microcomputer protection is also discussed Keywords Main Protection Back up Protection Existent Problems Development Trend 目录 1 绪论 6 1 1 课题的来源 目的 意义 6 1 2 电力系统元件保护运行现状分析 6 1 2 1 元件保护运行情况概述 6 1 2 2 发电机保护 变压器保护不正确动作情况分析 7 1 3 国内外发变组微机保护的发展及理论研究 7 1 4 数字式发变组保护的热点问题探讨 8 1 5 本课题的主要任务 9 2 发电机保护配置 9 2 1 发电机故障类型及不正常运行状态 9 2 2 发电机保护类型 10 2 3 各保护的基本原理与配置原则 10 2 3 1 发电机纵差动保护 10 2 3 2 发电机匝间短路的横差动保护 11 2 3 3 发电机 100 定子绕组单相接地保护 11 2 3 4 发电机的负序过流保护 12 2 3 5 发电机的失磁保护 14 2 3 6 励磁回路接地保护 17 2 3 7 发电机相间短路后备保护 19 2 3 8 同步发电机失步保护 逆功率保护 低频保护 21 2 3 9 同步发电机异常工况保护 22 3 变压器保护配置 24 3 1 变压器的故障类型及不正常运行状态 24 3 2 各保护的基本原理与配置原则 24 3 2 1 瓦斯保护 24 3 2 2 电力变压器的纵联差动保护 25 3 2 3 负序电流及单相式低压起动的过电流保护 26 3 2 4 复合电压起动的过电流保护 27 3 2 5 变压器的过负荷保护 28 3 2 6 变压器接地保护 29 4 短路电流和发电机保护的整定计算 30 4 1 发电机纵联差动保护的整定计算 30 4 2 发电机负序过负荷保护的整定计算 31 4 2 1 定时限负序过负荷 分高定值和低定值 31 4 2 2 反时限负序过电流 32 4 3 发电机过负荷保护 定反时限 33 4 3 1 定时限过负荷保护 33 4 3 2 反时限过负荷保护 33 4 4 发电机过励磁保护 34 4 4 1 定时限过励磁保护 34 4 4 2 反时限过励磁保护 34 4 4 3 异步边界阻抗继电器 35 4 4 4 静稳极限励磁低电压继电器 35 4 5 发电机定子接地保护 37 4 5 1100 定子接地保护 37 4 5 2 95 定子接地保护 38 4 6 发电机励磁绕组过负荷保护 38 4 6 1 定时限过负荷电流定值 38 4 6 2 定时限过负荷动作时间 39 4 6 3 反时限过流速断定值 39 4 6 4 速断动作时间 39 4 7 发电机转子一点接地保护 39 4 8 发电机过电压保护 39 5 变压器保护整定计算 39 5 1 变压器参数计算 40 5 2 最小动作电流 40 5 3 制动特性斜率 40 5 4 拐点电流 40 5 5 灵敏系数 41 5 6 差动电流速断动作电流 41 5 7 增大的最小动作电流 41 结束语 37 参考文献 38 致谢 39 附录 40 英文文献 中文翻译 华北科技学院毕业设计 论文 第 1 页 共 51 页 1 绪论 1 1 课题的来源 目的 意义 我国电力工业的发展建设己进入到大电网 大机组 超高压输电阶段 随着三峡 工程的竣工 将形成全国联网的局面 这就对电力系统的运行和保护提出了更高的要 求 电气主设备 发电机 变压器 母线等 是电力系统中的重要元件 其运行状况在 很大程度上会影响电力系统的安全稳定运行 因此主设备的故障诊断和保护就显得非 常重要 发变组是发电机变压器组的简称 指的是单元式发电系统 也就是说一台发 电机出线直接接至升压变压器的低压侧线圈 有升压变压器升压后再与母线进行连接 然后母线再与电网进行并网 对发电机来说 为了满足大电网对机组容量规模经济的 要求 其单机容量在逐渐增大 一方面 单机容量的增加 机组造价提高 机组容量 占电网总容量的比重加大 一旦发生事故 对国民经济造成的直接和问接损失十分巨 大 另一方面 大机组材料利用率的提高 新的工艺结构 新的冷却和励磁方式等的 应用 提高了大型机组的运行效率 同时也给继电保护带来了困难 如 发电机热容 量相对下降 定 转子承受过热能力降低 因此 过负荷保护中的反时限特性应能更 贴近机组的实际发热 散热特性等 机组安全的重要性 对机组保护装置的选择性 快速性 可靠性 灵敏性提出了更高的要求 经过多年的科研与开发 主设备保护也和线路保护一样经历了电磁式 晶体管式 集成电路式和数字式保护四个阶段 相对而言 电气主设备保护的发展滞后于线路保 护的发展 主要原因是电气主设备的机电和电磁特性复杂 保护配置品种繁多 参数 复杂 并且长期以来对主设备缺乏科学的故障分析工具 不像线路保护那样可以比较 清楚地分析故障成因及故障过程 目前电力系统中还有一些老电厂采用传统式保护 但是新建电站的主设备基本选用数字式保护 数字式保护装置凭借其数学运算 记忆 逻辑处理 自适应性 综合决策功能 以及配置灵活等特点将逐步取代传统的电磁型 保护 成为大型和超大型发变机组的主要保护设备 1 2 电力系统元件保护运行现状分析 1 2 1 元件保护运行情况概述 2009 年运行中 全国电力系统元件保护正确动作率 93 49 其中 1OOMW 及以上 大型发变组保护配置与整定计算 第 2 页 共 51 页 发电机保护正确动作率 98 18 220kV 及以上变压器保护正确动作率 82 54 220kV 及以上母线保护正确动作率 81 05 并联电抗器保护正确动作率 60 00 1 2 2 发电机保护 变压器保护不正确动作情况分析 2009 年运行中 100MW 及以上发电机保护正确动作率 98 18 比 2008 年准确动 作率 97 07 提高了 1 11 个百分点 造成发电机不正确动作的主要原因 运行维 护管理不善占发电机保护不正确动作相当大的比重 另外 影响发电机保护正确动作 的还有制造质量不良 元件老化 以及原理缺陷 保护抗干扰性能差 CPU 死机 元器 件老化等等 2002 年上半年元件保护装置共动作 483 次 正确动作 432 次 不正确动作 51 次 其正确动作率为 89 44 2002 年上半年造成 100MW 及以上发电机保护不正确动作的 原因 主要是运行管理上的闯题 有运行维护不良 整定计算错误 误碰 基建部门 的调试质量不良 还有制造质量不良等等 多次造成发电机保护不正确动作原因主要 有 电压互感器二次回路上端子接线松动 引起保护装置交流回路谐振产生过电压 因下雨造成发电机出口 A 相 PT 柜进水短路 发电机不对称负荷保护整定不当误动跳闸 发变组差动保护中高厂变高压侧 TA 变比错误 保护装置引线虚焊接触不良 纵差保护 电流采样异常 保护用的 A D 模块插件内部存在故障 比率制动特性偏移造成保护误 动 等等 1 3 国内外发变组微机保护的发展及理论研究 因为大型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备公司有相 应产品 如 GEC 阿尔斯通的 LGPG 型发电机保护装置 ABB 公司的 REG216 型发变组保 护装置 GE 公司的 GE SDGP 型发电机保护 还有西门子公司的 7UM622 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 阀世较早 具有丰富的现场运行经验 国内微机发变组保护装置的研制始于八十年代初 主要以东南大学史世文教授带 领的学术梯队为代表 1994 年至 1996 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 现投入市场的比较典型的有 南自的 DGTS01 型发变组保护 许 华北科技学院毕业设计 论文 第 3 页 共 51 页 继的 WFB 800 型发变组保护 南瑞 RCS985 型发变组保护等 这些装置在保护新原理的 应用以及动作性能上具有一定的优势 也更符合国内的要求 经过数年的运行实践 国内的发变组微机继电保护装置积累了许多宝贵经验 同 时也暴露出一些不足 例如 保护应该以简单的设计结构来提高其可靠性 在我国 由于电力系统比较薄弱 很多由系统解决的问题交由保护来解决 使得继电保护复杂 而且脆弱 机组容量级别多 电压等级多 主接线类型多更使主设备保护复杂化 而 且对于同样的一次设备和一次系统 由于保护人员和设计人员对保护理解的差异 保 护配置的内容相差也较大 另一方面 国内电力建设的快速发展需要开发新的保护装 置 以满足其结构简洁明晰 性能可靠完备 硬软件模块化 配置更灵活要求 1 4 数字式发变组保护的热点问题探讨 一般认为加快保护的动作速度可以提高系统的稳定性 但也应考虑到 对系统稳 定影响不大的主设备 将保护的动作时间略微延长一点使得保护装置能确保判据的准 确性 则可以大大增强保护装置的可靠性 因此 主设备对系统稳定的敏感程度分析 对合理处理保护可靠性和系统稳定性之间的问题有很重要的作用 在比率制动式差动保护中 制动系数和制动曲线的斜率是两回事 但是在现场中 往往将之混淆 不同的制动特性曲线套用同一个斜率 将发电机变压器保护整定导则 和现场实际情况相结合的实用化整定软件的开发和推广使用也将是一个热点 上个世纪 90 年代以来 开展了自适应保护及人工智能技术在继电保护领域的应用 研究 对于后者尽管迄今不太成熟 但在继电保护智能化方面开辟了一个崭新的领域 其主要研究方向包括 模糊数学和模糊集理论 专家系统应用研究 人工神经网络应 用研究 网络化继电保护的作用将不只限于切除故障元件和限制故障影响范围 还要 保证全系统的安全稳定运行 各个保护单元都能通过网络共享全系统的运行和故障信 息的数据 保护装置得到的系统故障信息越多 对故障元件故障性质 故障位置的判 断就越准确 目前 对自适应原理的研究已经取得了一些成果 主要是利用就地电量和非电量 信息来实现自适应保护 进一步的网络化自适应保护则基于全网信息的自适应保护 以网络为基础 真正实现对系统运行方式和故障状态的自适应变化 微机保护通常使用的信号分析工具是傅立叶算法 它是纯频域的分析方法 在时 域没有分析能力 不适合对突变信号进行时一频分析 而小波分析则通过把信号分解 大型发变组保护配置与整定计算 第 4 页 共 51 页 为不同位置和尺度的小波函数 使其在时域和频域都具有良好的局部化性能 小波分 析在主设备保护的应用着眼于用小波分析捕捉和处理微弱突变信号的能力进行有效的 状态检测和利用小波寻找新的故障特征 1 5 本课题的主要任务 本文的通过充分利用资料 了解目前国内外大型发变组保护的主要配置 并结合 国内外大型机组 尤其是兰溪某电厂 4 台机组的发变组保护运行过程中存在的问题 对现代的发变组保护的原理 存在问题 改进措施等作一阐述 提出大型火力发电机 组更加完善的保护配置 并分析励磁变差动保护误动原因分析 提出了励磁变不能设 差动这一观点 本文以兰溪某电厂匝间保护逻辑分析为例来阐明本人对负序功率方向 宜采取允许式和闭锁式的看法 通过对兰溪电厂及几个省内电厂转子接地保护误动或 误报警的事例来分析几种不同原理的转子接地保护的优缺点 通过逆功率保护 匝间 保护等几个在整定过程中存在的问题来说明保护配置的必要性 分析得出发电机主保护配置完全纵差保护 裂相保护和中性点不平衡电流保护是 合理的 定子分支结构应优先选择中性点不平衡电流保护 分析了主保护的双重化配 置 无纵差保护 但发电机中性点不平衡电流保护能很好的保护内部相间短路故障或 内部匝间短路故障 只是不能很好地检测发电机三相同时短路故障 保护可靠性略有 降低 针对大型发电机的特点 讨论了大机组后备主保护配置的合理性 通过发电机逆功率保护在某电厂的应用 进行大型机组逆功率保护运行分析研究 通过机组逆功率保护动作过程 论证大型发变机组加装逆功率保护是非常必要的 根 据发电机及调速器的特点提出了逆功率保护动作不需要加闭锁条件 定值分两端整定 经短延时出口的改进方案 研究机组保护中性点电流互感器 TA 的配置对保护的影响 借助机组中性点 TA 故障致使保护误动作事件来分析说明 对于定子多分支发电机 配 置保护时 除了考虑保护的完备可靠之外更应该慎重考虑 TA 的安装位置 应考虑 TA 散热效果及使用环境 最后对发电机组轴电流保护及相关非电量保护进行分析 论证 加装轴电流保护对发变机组的轴瓦免受电腐蚀是非常必要的 通过目前轴电流保护应 用情况 提出在大轴加装 TA 测轴电流方案 论证了机组相关非电量保护如机组过速保 护 水内冷机组纯水系统保护对机组安全运行的重要性 对大型发电机组保护配置的 完备性进行分析 华北科技学院毕业设计 论文 第 5 页 共 51 页 2 发电机保护配置 2 1 发电机故障类型及不正常运行状态 故障类型有定子绕组相间短路 定子绕组匝间短路 可能发展为单相接地短路和 相间短路 定子绕组单相接地 较常见 可造成铁芯烧伤或局部融化 转子绕组一点 接地和两点接地 一点接地时危害不严重 两点接地时 因破坏了转子磁通的平衡 可能引起发电机的强烈震动或将转子绕组烧损 不正常运行状态有由于外部短路引起的定子绕组过电流 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 温度升高 绝缘老化 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 在转子中感应出 100hz 的倍频电流 可使转子局部灼伤或使护环受热松脱 而导致发电机重大事故 此外 引起发电机的 100hz 的振动 由于突然甩负荷引起的定子绕组过电压 调速系统惯性较大发电机 在 突然甩负荷时 可能出现过电压 造成发电机绕组绝缘击穿 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 由于汽轮机主气门突然关闭而引起的发电机逆 功率 当机炉保护动作或调速控制回路故障以及某些人为因素造成发电机转为电动机 运行时 发电机将从系统吸收有功功率 即逆功率 转子励磁回路励磁电流急剧下降 或消失 从系统吸收无功功率 造成失步 从而引起系统电压下降 甚至可使系统崩 溃 2 2 发电机保护类型 发电机保护类型有发电机纵差动保护 定子绕组及其引出线的相间短路保护 发 电机横差动保护 定子绕组一相匝间短路的保护 发电机单相接地保护 对发电机定 子绕组单相接地短路的保护 发电机失磁保护 反应转子励磁回路励磁电流急剧下降 或消失 发电机过电流保护 反应外部短路引起的过电流 同时兼作纵差动保护的后 备保护 负序电流保护 反应不对称短路或三相负荷不对称时 发电机定子绕组中出 现的负序电流 过负荷保护 发电机长时间超过额定负荷运行时作用于信号的保护 过电压保护 反应突然甩负荷而出现的过电压 转子一点接地保护和两点接地保护 励磁回路的接地故障保护 转子过负荷保护 逆功率保护 2 3 各保护的基本原理与配置原则 2 3 1 发电机纵差动保护 大型发变组保护配置与整定计算 第 6 页 共 51 页 保护基本原理 比较发电机两侧的电流的大小和相位 它是反映发电机及其引出 线的相间故障 发电机纵联差动保护的构成的两侧电流互感器同变比 同型号 纵差保护作用 反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路 是发电机的主要保 护 纵差动保护整定方法按照以下两个原则来整定 在正常情况下 电流互感器二次 回路断线时保护不应误动 继电器的起动电流为 2 2 保护装置的起动电流 按躲开外部故障时的最大不平衡电流整定 2 3 再根据前面对不平衡电流的分析 有 2 4 2 3 2 发电机匝间短路的横差动保护 横差动保护原理 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 横差动保护有两种接线方式 一种是每相装设两个电流互感器和一个继电器构成 单独的保护 三相共需要六个互感器和三个继电器 由于这种方式接线复杂 保护中 的不平衡电流较大 在实际中已经很少采用 目前广泛应用的接线方式是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 保护动作电流 应按躲过系统内不对称短路或发电机失磁失步时转子偏心产生的 最大不平衡电流来整定 根据运行经验一般可采用下式计算 即 2 5 动作时限 与转子两点接地保护动作延时相配合 一般取 2 6 K drel gN TA IIKn drel unb maxIK I drelnpst k max TA 0 1 IK K K In NGact II 4 0 3 0 st 1 5 0 华北科技学院毕业设计 论文 第 7 页 共 51 页 2 3 3 发电机 100 定子绕组单相接地保护 发电机 100 定子绕组接地保护种类很多 广泛使用的是利用三次谐波电压构成的 100 定子绕组接地保护 该保护保护一般由两部分组成 一部分是零序电压保护 保 护定子绕组的 85 以上 另一部分利用发电机三次谐波电压构成 它用来消除零序电 压保护的死区 从而实现保护 100 定子绕组的接地保护 为可靠起见 两部分保护区 有一段重叠 利用发电机三次谐波电压构成的部分 保护原理 是利用发电机中性点和出线端的三次谐波电压在正常运行和接地故障 时变化相反的特点构成 正常运行时 发电机中性点的三次谐波电压比发电机出线端 的三次谐波电压大 而在发电机内部定子接地时 出线端的三次谐波却比中性点的大 利用这个特点 使发电机出口的三次谐波电压成为动作分量 而使中性点的三次谐波 分量成为制动分量 从而使发电机出口三次谐波电压大于中性点三次谐波电压时让继 电器动作 这样 保护就会在正常时制动 而在定子绕组接地时保护可靠动作 2 3 4 发电机的负序过流保护 负序过电流产生原因及其的危害 当电力系统中发生不对称短路或在正常运行情 况下三相负荷不平衡时 在发电机定于绕组中将出现负序电流 此电流在发电机空气 隙中建立的负序旋转磁场相对于转子为两倍的同步转速 因此将在转子绕组 阻尼绕 组以及转子铁心等部件上感应 100Hz 的倍频电流 该电流使得转子上电流密度很大的 某些部位 如转子端部 扩环内表面等 可能出现局部的灼伤 甚至可能使扩环受热松 脱 从而导致发电机的重大事故 此外 负序气隙旋转磁场与转子电流之间 以及正 序气隙旋转磁场与定子负序电流之间所产生的 100Hz 交变电磁转矩 将同时作用在转 子大轴和定于机座上 从而引起 100Hz 的振动 负序电流在转子中所引起的发热量 正比于负序电流的平方及所持续时间的乘积 不使转子过热所允许的负序电流和时间的关系 2 7 22 22 0 t dttA iI 式中 i2 流经发电机的负序电流值 t i2 所持续的时间 在时间 t 内的平均值 使用中应采用以发电机额定电流为基准的标么值 2 2i 2 2i 大型发变组保护配置与整定计算 第 8 页 共 51 页 A 与发电机型式和冷却方式有关的常数 同步发电机的负序电流保护原理 保护反应发电机定子绕组的电流大小 保护一般 由两部分组成 即定时限过负荷与反时限过流 反时限过流 反时限特性曲线由三个 部分组成 上限定时限 反时限 下限定时限 当发电机电流大于上限整定值时 则按上限定时限动作 如果电流超过下限整定 值 但不足以使反时限部分动作时 则按下时限动作 电流在此间则按反时限规律 为了使转子不致过热 则 2 2t A I 图 2 1 发电机允许负序电流与持续时间的关系图 曲线表明 发电机允许负序电流的时间是随 I2 大小而变化 针对此情况 装设发电 机负序过流保护 负序定时限过流保护由两段式构成 I 段经 t1 延时动作于跳闸 段 段经 t2 延时动作于信号 1 在 ab 段内 t1 大于允许时间 对发电机不安全 2 在 bc 段内 t1 小于允许时间 未充分利用发电机的承受负序电流的能力 3 在 cd 段内 发信号 而靠近 d 点时 由于运行人员处理的时间已大于允许时 间 对发电机安全来讲不利 4 在 de 段内 保护根本不反应 负序反时限过流保护保护用于防止发电机因过负荷而引起发电机定子绕组过热 上图反应了反时限负序电流保护动作特性与允许负序电流反时限之间的配合关系 由 于动作特性曲线在允许曲线之下 对发电机的安全来讲是绝对有利的 但是由长期运行 华北科技学院毕业设计 论文 第 9 页 共 51 页 实践经验表明 在长时间区域内是偏于保守 实际持续允许的负序电流比 2 2tIA 所确定的值要大 因此负序反时限过流保护的动作特性通常可以在允许的负序 2 2t A I 电流曲线之上 此时保护装置的动作特性可表示为 2 8 2 2t Aat I 修正常数 考虑到转子的散热条件 图 2 2 负序保护电流时间图 2 3 5 发电机的失磁保护 失磁的原因 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 自动开关误动 可控硅励磁装置中部分元件损坏 励磁绕组由于长期发热 绝缘老化 或损坏引起短路 运行人员误调整等 失磁后的物理过程 90 转子加速剧烈 异步运行阶段 失磁的危害有转子中 fG fS 的差频电流过热 失磁后 若不失步 无直接危害 失 步后 对发电机及系统有不利影响 故应装设专门的失磁保护 装设原则 100MW 以下失磁对电力系统有重大影响的发电机和 100MW 以上的 发电机 应装设专用的失磁保护 对 600MW 的发电机可装设双重化的失磁保护 大型发变组保护配置与整定计算 第 10 页 共 51 页 失磁后 功角 逐渐增大 当功角 0 时 其机端测量阻抗沿等有功阻抗圆 向第四象限变化 2 9 失磁后 失步前机端阻抗的特点有 圆的大小与 P 有关 P 增大则圆的半径减小 失磁前 发电机向系统送无功 Q 为正 ZK 位于第 象限 失磁后 随 Q 的变化 Q 由正变成负 ZK 从 到 象限 圆越小 从 到 越快 圆的位置与 jXs 有关 临界失步点 华北科技学院毕业设计 论文 第 11 页 共 51 页 等无功阻抗圆 90 2 10 图 2 3 临界失步 或静稳极限 阻抗圆 失步后的阻抗轨迹 最终将稳定在第四象限内的异步边界阻抗圆内 结论 1 发电机正常运行时 其机端测量阻抗位于阻抗复平面第一象限的 点 2 失磁后 其机端测量阻抗沿等有功阻抗圆向第四象限变化 3 临界失步时达到等有功阻抗圆与等无功阻抗圆的交点 点 4 进入等无功阻抗圆内 并最终稳定运行在 点附近 主要判据 1 阻抗整定边界 常为静稳边界圆或异步边界圆 或逆无功判据 2 高压侧母线低电压判据 以防止母线电压降到不能维持系统稳定运行的水平 3 定子过电流判据 用以判断失此后机组运行是否安全 辅助判据和闭锁措施 大型发变组保护配置与整定计算 第 12 页 共 51 页 1 转子低电压判据 可以较早的发现发电机是否失磁 2 不出现负序分量 3 振荡闭锁措施 用延时躲过振荡 4 电压回路断线闭锁元件 当电压回路发生断线时将保护装置解除工作 逆无功原理发电机失磁保护保护构成原理 逆无功原理的失磁保护主判据是逆无 功和定子过电流 失磁的危害判据有系统低电压和机端低电压 用来判别发电机失磁 对系统及对厂用电的影响 为减少发电机失磁运行时的危害程度 采用发电机有功功率 判据 阻抗原理的失磁保护保护构成原理 主判据是机端测量阻抗判据 失磁的危害判 据有系统低电压 定子过电流和机端低电压 用来判别发电机失磁对系统 发电机及 对厂用电的影响 延时躲振荡 通常整定为 1 1 5s 同时也可避开外部短路可能引起 的误动作 图 2 4 失磁保护逻辑框图 2 3 6 励磁回路接地保护 励磁回路故障的原因及危害有破坏了气隙磁通的对称性 引起发电机剧烈振动 部分绕组中将由于过电流而过热 烧坏转子 也可能使转子 汽轮机的汽缸等部件磁 化 高速旋转的转子由于其励磁电流分布不均 从而和定子三相电流形成不对称电磁 华北科技学院毕业设计 论文 第 13 页 共 51 页 力 使转子发生机械损坏 保护的装设原则为水轮发电机装设励磁回路一点接地保护 一般不装设两点接地 保护 汽轮发电机装设励磁回路一点接地保护及两点接地保护当一点接地时动作于信 号 若又发生两点接地时 保护应动作于停机 大型机组可不装设两点接地保护 常 用的保护 励磁回路一点接地检查装置 适用范围 1MW 以下的水轮发电机和容量在 100MW 以下的汽轮发电机 基本原理 定期检测励磁回路正 负极对地电压的大小 f U RR R U 21 2 2 2 11 若则表示励磁回路正常 若则表示励磁回路发生了 特点 当接地发生在绕组中部 检测装置不能发现故障 存在 死区 图2 5 发电机转子一点接地测量原理图 图 2 6 发电机转子保护的逻辑图 21 RR f UUU5 0 21 21 RR f U RR RRUU U 21 2121 2 t 出口 setff RR 大型发变组保护配置与整定计算 第 14 页 共 51 页 保护的特点 1 转子分布电容对测量无影响 2 发电机起动 转子无电压时 保护不失去作用 发电机励磁回路两点接地保护 1 电桥原理转子两点接地保护 图 2 7 电桥原理转子两点接地保护原理框图 保护原理 1 正常运行时 电桥平衡 电流继电器中无电流流过 2 在励磁绕组发生一点接地后 电桥的平衡被破坏 毫安表中有输出 调节可 调电阻 使电桥达到一个新的平衡状态 两点接地保护被投入 3 当励磁绕组第二点接地时 电桥的平衡破坏 电流继电器中有电流流过 如 果流过继电器中的电流大于其整定电流时 则保护动作于跳闸 2 反映定子电压二次谐波的转子两点接地保护 保护的原理 1 发电机转子绕组两点接地时 其气隙磁场将发生畸变 定子绕组中将产生 2 次谐波负序分量 2 在转子一点接地后 自动投入转子两点接地保护在转子一点接地后 自动投 入转子两点接地保护 2 22 为转子一点接地保护动作条件 2 3 7 发电机相间短路后备保护 1 复合电压启动过电流保护 适用范围 1MW 以下的发电机和升压变压器 系统联络变压器和过电流保护不能 setff RR 华北科技学院毕业设计 论文 第 15 页 共 51 页 满足灵敏度要求的降压变压器 构成 A 电压元件 1 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 2 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 3 低电压元件主要反映对称故障 灵敏度较高 B 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 2 负序电流和单相式低电压启动的过电流保护 图2 8 过电流保护保护逻辑框图 适用范围 50MW 以上发电机和 63MVA 及以上升压变压器 构成 1 负序电流元件和单相式低电压启动的过电流保护 2 负序电流元件用来反应不对称故障 3 单相式低电压启动的过电流保护主要反映对称故障 3 低阻抗保护 适用范围 330 500kV 大型升压及降压变压器 作用 作为变压器引线 母线 相邻线路相间故障后备保护 大型发变组保护配置与整定计算 第 16 页 共 51 页 图2 9 低阻抗保护保护逻辑框图 2 3 8 同步发电机失步保护 逆功率保护 低频保护 1 发电机失步保护 失步 当电力系统发生诸如负荷突变 短路等破坏能量平衡的事故时 引起不稳 定振荡 使一台或多台同步电机失去同步 进而使电网中两个或更多的部分不再运行 于同步状态 发电机失步的危害 1 使发电机组遭受力和热的损伤 2 周期性作用在旋转轴系上的振荡扭矩 可能使大轴扭伤或缩短运行寿命 保护的配置 1 中小型发电机组的失步故障一般由运行值班人员处理 不装失步保护 2 对大型发电机 特别是汽轮发电机 必须有相应的失步保护 对失步保护的基本技术要求 1 能正确区分短路与振荡 稳定振荡和失步振荡 失步保护只在失步振荡时 动作 2 失步保护动作后的行为应由系统安全稳定运行的要求决定 不应立即动作 于跳闸 而应在振荡次数或持续时间达到规定时动作 3 应能选择切断电流较小的时刻使发电机跳闸 2 发电机逆功率保护 逆功率的危害 逆功率运行对发电机并无直接危害 但残留在汽轮机尾部的蒸汽 华北科技学院毕业设计 论文 第 17 页 共 51 页 与长叶片摩擦 会使叶片过热 作用 防止发电机处于逆功率运行 我国目前要求在 200MW 及以上汽轮发电机组上装设逆功率保护 延时分两段 短延时 1 0 1 5s 动作于信号 长延时 2 3min 动作于跳闸 3 发电机低频保护 低频的危害 接近叶片自振频率时 将导致共振 使材料疲劳 材料的疲劳是一 个不可逆的积累过程 若达到材料所不允许的限度时 叶片就有可能断裂 造成严重 事故 对低频保护的要求 1 能监视当前频率状况 2 能在发生低频工况时 根据预先划分的频率段自动累计各段异常运行的时 间 达到任一频率段相应的规定累计运行时间 保护均动作于声光信号告警 3 在并网前及解列后低频保护应退出 并网后自动投入 机组允许的运行频率及相应的运行时间 运行频率 f 1 0 99 50 49 5 0 99 0 975 49 5 48 75 0 975 0 935 48 75 46 75 0 935 允许时间 min 长期60100 2 3 9 同步发电机异常工况保护 1 发电机过励磁保护 我国继电保护规程规定 对频率降低和电压升高引起的铁心工作磁密过高 300MW 及以上发电机和 500kV 变压器应装设过励磁保护 产生过励磁的原因 1 产生过励磁的原因主要有电压的升高或频率的降低 2 通过测量电压 U 和频率 f 就能确定励磁情况 两段式定时限过励磁保护 1 第一段 过励磁倍数整定值 1 18 1 20 延时 2 6s 大型发变组保护配置与整定计算 第 18 页 共 51 页 2 第二段 过励磁倍数整定值 1 10 延时 45 60s 图 2 9 异常工况保护逻辑图 2 发电机过电压保护 若发电机在满负荷下突然甩去全部负荷 由于调速系统和自动励磁调节装置有一 定惯性 转速将上升 励磁电流不能突变 发电机电压在较短时间内升高 其值可能 达到 1 3 1 5 倍额定电压 持续时间可能达到几秒 我国通常采用简单的一段式或两段式定时限过电压保护 一般第 段时间发信 第 段时间跳闸 误上电保护原则 1 容量在 600MW 及以上的发电机组 要求装设误上电保护 2 第一阶段 开机 合磁场开关 在这期间 由于无励磁 发电机不可能进 行并网操作 因此只要发电机断路器合闸和定子有电流 则必然为误上电 瞬时跳闸 3 第二阶段 合磁场开关 并网 在这期间 用阻抗元件来区分并网和误上 电 并且误上电情况越严重 跳闸也越快 4 误上电保护在发电机并网后自动退出运行 解列后自动投入运行 3 断路器闪络保护 产生的原因 大型发 变组在与系统进行并列的过程中 断路器主触头两断口之间可 能承受两侧电动势绝对值之和 1800 的高电压 有时会造成断路器断口闪络事故 危害 1 造成断路器损坏 2 对发电机产生冲击转矩和负序电流 对机组安全不利 3 可能引发事故扩大 影响系统的稳定运行 原理 华北科技学院毕业设计 论文 第 19 页 共 51 页 1 在大机组上装设断口闪络保护如果断路器未合闸而发电机定子有电流 则认 为断路器发生闪络 2 断路器闪络保护在发电机并网后自动退出运行 解列后自动投入运行 4 发电机启停机保护 1 通常配置基波零序电压式定子接地保护 2 启停机保护在发电机并网后自动退出运行 解列后自动投入运行 大型发变组保护配置与整定计算 第 20 页 共 51 页 3 变压器保护配置 3 1 变压器的故障类型及不正常运行状态 1 变压器的故障类型 各相绕组之间的相间短路 油箱内部故障 单相绕组部分线匝之间的匝间短路 单相绕组或引出线通过外壳发生的单相接地故障 引出线的相间短路 油箱外部故障 绝缘套管闪烁或破坏引出线通过外壳发生的单相接地短路 2 变压器不正常工作状态 1 外部短路或过负荷导致过电流 2 油箱漏油造成油面降低 3 外加电压过高或频率降低导致过励磁等 3 装设的继电保护装置 1 瓦斯保护 防御变压器油箱内各种短路故障和油面降低 重瓦斯导致跳闸 轻瓦 斯触发信号 2 纵差动保护和电流速断保护 防御变压器绕组和引出线的多相短路 大接地电 流系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路 3 相间短路的后备保护 4 过电流保护 5 瓦斯保护 反应变压器油箱内部气体量的多少和油流速度而动作的保护 保护变 压器油箱内各种短路故障 特别是对绕组的相间短路和匝间短路 并且是变压器铁芯 烧损的唯一保护方式 由于短路点电弧的作用 将使变压器油和其他绝缘材料分解 产生气体 气体从油箱经连通管流向油枕 利用气体的数量及流速构成瓦斯保护 3 2 各保护的基本原理与配置原则 3 2 1 瓦斯保护 反应变压器油箱内部气体量的多少和油流速度而动作的保护 保护变压器油箱内 各种短路故障 特别是对绕组的相间短路和匝间短路 并且是变压器铁芯烧损的唯一 保护方式 由于短路点电弧的作用 将使变压器油和其他绝缘材料分解 产生气体 气体从油箱经连通管流向油枕 利用气体的数量及流速构成瓦斯保护 华北科技学院毕业设计 论文 第 21 页 共 51 页 800KVA 及以上的油浸式变压器和 400KVA 以上的车间内油浸式变压器 应装设 瓦斯保护 重瓦斯保护动作于跳开变压器各电源侧断路器 轻瓦斯保护动作于发出信 号 3 2 2 电力变压器的纵联差动保护 变压器差动保护的基本原理 与线路纵差保护的原理相同 都是比较被保护设备 各侧电流的相位和数值的大小 变压器差动保护与线路差动保护的区别 由于变压器高压侧和低压侧的额定电流 不相等再加上变压器各侧电流的相位往往不相同 因此 为了保证纵差动保护的正确 工作 须适当选择各侧电流互感器的变比 及各侧电流相位的补偿使得正常运行和区 外短路故障时 两侧二次电流相等 装设原则 6300KVA 及以上并列运行的变压器 10000KVA 及以上单独运行的变 压器 发电厂厂用工作变压器和工业企业中 6300KVA 及以上重要的变压器 应装设纵 差保护 对于 2000KVA 以上的变压器 当电流速断保护灵敏度不能满足要求时 也应装设 纵差保护 构成变压器纵差动保护的基本原则 I J 1 I 双绕组变压器纵差 动保护单相原理图 正常运行或外部故障时 3 1 B nII 2 1 所以两侧的 CT 变比应不同 且应使 3 2 2 1 II 即 大型发变组保护配置与整定计算 第 22 页 共 51 页 3 3 21 2 1 ll n I n I 或 3 4 2 1 2 1 II n n l l 即按相实现的纵差动保护 其电流互感器变比的选择原则是两侧 CT 变比的比值等 于变压器的变比 不平衡电流产生的原因和消除方法 理论上 正常运行和区外故障时 Ij I1 I2 0 实际上 很多因素使 Ij Ibp 0 Ibp 为不平衡电流 变压器纵差动保护的整定计算原则 1 纵差动保护起动电流的整定原则 1 躲开变压器的最大负荷电流 3 5 可靠系数取 1 3 最大负荷电流 2 躲开变压器保护范围外部短路时的最大不平衡电流 3 6 可靠系数取 1 3 最大负荷电流 其计算公式为 3 7 变比 扎数引起的相对误差 带负荷调压引起的相对误差 电流互感器容许的最大相对误差 非周期分量系数 电流互感器的同流系数 取为 1 3 2 3 负序电流及单相式低压起动的过电流保护 对于大容量的发电机变压器组 由于额定电流大 电流元件往往不能满足远后备 灵敏度的要求 可采用负序电流保护 负序电流元件和反应对称短路故障的单相式低 压过电流保护组成 maxsetrelL IKI rel K maxL I maxsetrelunb IKI rel K maxunb I max max 10 unbzanpstk IfUKKI AA za f U 0 1 np K st K 华北科技学院毕业设计 论文 第 23 页 共 51 页 电压回路 断线信号 信号 跳 跳 负序电流保护灵敏度较高 且在星 三角接线的变压器另一侧发生不对称短路故 障时 灵敏度不受影响 接线也较简单 保护的基本原理 当过电流保护不能满足灵敏度要求时可采用低压起动的过电流 保护 只有电压测量元件和电流测量元件同时动作后才能起动时间继电器 经预定的 延时发出跳闸脉冲 Te h k dz I K K I Udz 0 7 Ue T 2 1 U U K mind dz lm 图 3 1 低电压起动的过电流保护原理接线图 3 2 4 复合电压起动的过电流保护 1 保护的基本原理 由负序电压滤过器 过电压继电器及低电压继电器组成复合电压起动回路 当发 生各种不对称短路时 出现负序电压 过压继电器动作 其常闭接点断开 低电压继 电器失电 其常闭接点闭合 起动中间继电器 低压闭锁开放 若电流继电器也动作 则起动时间继电器 经预定延时发出跳闸脉冲 大型发变组保护配置与整定计算 第 24 页 共 51 页 至信号 跳 来自低压侧电互感器压 跳 至电压回路断线信号 至信号 图 3 2 保护原理接线图 2 保护的整定计算 电流元件 3 8 低电压元件 3 9 火电厂升压变压器 3 10 负序电压元件 3 11 3 2 5 变压器的过负荷保护 变压器的过负荷保护原理 过负荷保护反应变压器对称过负荷引起的过电流 保 护用一个电流继电器接于一相电流 经延时动作于信号 过负荷保护的安装侧 应根 据保护能反应变压器各侧绕组可能过负荷情况来选择 对双绕组升压变压器 装于发 电机电压侧 max L re rel act I K K I TNact UU 7 0 TNact UU 6 0 5 0 TNact UU 2 12 0 06 0 华北科技学院毕业设计 论文 第 25 页 共 51 页 图 3 3 原理接线图 过负荷保护的整定计算 过负荷保护的动作电流按躲过变压器的额定电流进行整定 过负荷保护的延时应比变压器过电流保护时限长一个时限阶段 一般取 10s 3 2 6 变压器接地保护 电力系统中 接地故障常常是故障的主要形式 因此 大电流接地系统中的变压 器 一般要求在变压器上装设接地 零序 保护 作为变压器本身主保护的后备保护 和相邻元件接地短路的后备保护