毕业论文 许育艺

永安西门水电站整定计算保护及研究 许育艺 福建水利电力职业技术学院 永安东门路 366000 1 1 引言引言 随着电力系统容量的增大 大机组不断增多 在电力主设备上要求装设优越完善的或 者双重化的继电保护装置 这不仅对电力系统的可靠运行有着重大意义 而且可保护重要 而昂贵的的主设备减少在各种设备和异常运行中所造成的设备损坏 还有着显著的经济效 益 因此 在电力主设备的保护设计中应遵守的原则是符合现行的 继电保护和安全自动 装置技术规程 GB 14285 2006 对具体的工程设计项目 则要求保护在配置 原理接线 和设备选型等方面 根据电气主接线和被保护设备的一次接线及主设备的运行工况和结构 特点 达到可靠性 灵敏性 速动性和选择性等四性要求 当灵敏性与选择性产生矛盾时 首先要保证灵敏性 没有灵敏性即失去了装设保护的意义 当快速性与选择性产生矛盾时 宜先满足选择性 但特殊情况下也可考虑快速无选择性动作并采取补救措施 论文论文 2 2 发电机保护发电机保护 发电机定子绕组内部故障是一种常见的 破坏性很强的故障 对电厂发电机乃至电网的 安全运行带来一系列严重的影响 为此必须装设内部故障保护装置 发电机纵联差动保护 已有成熟的运行经验 通常作为内部相间短路的主保护 1 2 但是对于纵差动保护灵敏 度是以发电机机端发生两相金属性短路时短路电流与保护动作电流比值来衡量的 此时短 路电流较大 几乎所有的发电机纵差动保护都能满足灵敏度要求 这种校核形同虚设 因 此 对于大型发电机 必须详细分析在定子绕组内部各种相间短路情况下差动电流以及灵 敏系数的变化规律 以便全面评价纵差保护对内部相间短路的保护能力 这就是所要研究 的内容 2 2 1 1 内部相间短路电流分析方法描述内部相间短路电流分析方法描述 电机绕组内部故障属于内部电气不对称故障的范畴 当电机绕组内部不对称时 其气 隙磁场的空间谐波分量就很强 这些谐波磁场的转速各不相同 转向也有正有反 因此在 绕组中感应出的电势谐波很多 长期以来 诸多学者对电机不对称故障作了研究 对此类 故障的分析提出了许多有效的方法 对称分量法是发电机内部短路分析中最常用的方法之一 该方法通常只考虑气隙 磁场基波和定子电流的时间基波 而当绕组内部故障时 谐波分量很大 此时会遇到电抗 修正及相序网络之间的耦合问题 文献 3 提出了以单个线圈元件为基础论述电机基本电 磁关系的交流电机多回路理论 它可以考虑谐波影响以及绕组内部故障时影响重大的因素 如故障空间位置和绕组型式等因素 从而可以比较准确地获得绕组故障后的内部电磁关系 和绕组电流分布 对发电机定子绕组内部故障保护装置的设计 制造和运行起到了积极推 动作用 文献 4 在多回路理论的基础上 建立了求解发电机定子绕组内部故障稳态电量 的通用数学模型 探讨了定子绕组各种内部故障规律 该文所建立的模型精确 结果准确 适用于各种内部故障的分析与计算 其基本思路是 首先从定子绕组单个线圈出发 列写 发电机定转子初始回路的电压 磁链 功率以及外部系统的连接方程 根据故障后回路绕 组的实际连接方式组成新的定子回路 当回路电感和电阻参数已知时 就得到了一组以回 路电感和电阻为系数的非线性变系数微分方程组 根据稳态电量计算的需要 可以假设定 转子回路稳态电量的表达式 将它代入微分方程组 利用同频率量相等的原则 把非线性 变系数微分方程组转换为等效的非线性常系数代数方程组 通过求解这些方程 即可得各 回路稳态电量值 这些代数方程组中回路参数的计算是关键 文献 5 中采用电磁场数值 计算方法进行了参数求解 即按照发电机的实际运行工况和铁心磁阻的实际情况 计算某 一线圈通直流电流之后在其他所有线圈或回路中的磁链 从而得出单个线圈和各个回路的 电感系数 由于该方法能考虑铁心磁阻的非线性 齿槽效应和气隙谐波等因素 因而有助 于提高发电机定子绕组内部故障后回路参数的计算精度 相应的定子绕组内部故障电流仿 真结果也更加合理 同时 作者还编制了 大型发电机定子绕组内部故障电量计算与保护 方案灵敏度分析 软件包 能灵活地模拟各种内部故障并能对多种内部故障保护方案如单 元件横差 不完全差动 裂相横差保护等方案的灵敏度进行分析 本文在此基础上对纵差 保护在各种内部相间短路情况下的差动电流和灵敏度规律进行探讨 2 2 发电机基本参数及保护定值设定 2 2 1 SF125 96 15600 水轮发电机基本参数 额定功率 PN 125 MW 额定电压 UN 13 800 V 额定电流 IN 5 980 A 额定空载 励磁电流 IF0 817 A 定子槽数 Z 792 定子绕组每相并联支路数 as 3 相匝数 Wa 88 2 2 2 纵差保护定值设定 图 1 为发电机纵联差动保护的接线图 比率制动式纵差保护的继电器动作特性如 图 2 所示 具体整定为 1 式中 Iop 为动作电流 Iop0 为最小动作电流 Ires 为制动电流 Ires I1 I2 2 I1 I2 为差动保护两侧二次电流 m 为比率制动特性的折线斜率 本文取 m 0 35 1 0 为额定定子电流 图 1 纵联差动保护接线图 图 2 发电机纵差保护比率制动特性 设内部故障时继电器差动电流为 Icd I1 I2 则差动保护灵敏系数为 Ksen Icd Iop 2 3 灵敏度分析 本文以发电机孤立空载运行为计算条件 且不考虑励磁调节器的作用 由于内部 相间短路时流过故障相差动继电器的差动电流相同 且非故障相的差动电流为零 所以只 需分析一个故障相 如本文以 A 相为例 的差动电流即可 图 3 为相间短路故障示意图 图 中 Rg 为短路点的过渡电阻 图 3 相间短路示意图 2 3 1 短路匝比及故障位置影响规律 为了探讨内部相间短路时差动电流的短路匝比规律 模拟 B1 支路对 A1 支路中性 点发生金属性相间短路 对应图 3 中即故障点 k 在中性点 O B1 支路故障点 j 可移动 过 渡电阻 Rg 0 图 4 为纵差一次侧差流基波幅值 Icd 以下同 与短路匝比的关系曲线 为 短路匝比 j 点到中性点的匝数与相匝数 Wa 的百分比 由图 4 可知 随着短路匝比的增大 差流先减小然后再逐渐增大 即有一个最小点 这是因为差流反映的是短路回路电流 当 短路匝比 较小时 回路电势增大的幅度不及回路电感增大的幅度 所以短路电流呈减小 趋势 当 较大时 短路回路电势增大较快 而回路电感增大反而减慢 所以短路回路电 流又呈现增大趋势 从图 4 中可看出 当 22 73 时 Icd 最小 为 11 745 9 A 即 1 39 IN 77 27 时 Icd 21 104 5 A 即 2 50 IN 为最大 图中曲线在局部范围内 出现的 振荡现象 这是由于分数槽绕组 N S 极交错连接所造成的 为了探讨短路故障位置对差动保护动作的影响 模拟了 A1 对 B1 支路相间金属性 短路 即对应图 3 中的故障点 k j 一起移动 且 k j 到中性点的匝数 nF 相同 图 5 给出 了纵差差流随故障位置的变化曲线 图中 为短路匝数 nF 与相匝数 Wa 的百分比 从图 5 可知 当 23 86 时 差动电流 Icd 最小 为 7 786 4 A 即 0 92 IN 当 1 14 即 1 匝对 1 匝短路时 差动电流 Icd 最大 为 17 114 4 A 即 2 02 IN 从图 4 和图 5 也可以看出 当定子绕组内部发生金属性相间短路时 差动电流很 大 相对应的差动保护灵敏系数也很高 即保护都能正确动作 图 4 纵差差流随短路匝比变化曲线 图 5 纵差差流随故障位置变化曲线 2 3 2 过渡电阻影响规律 以上分析均按金属性短路考虑 实际上往往短路点存在过渡电阻 众所周知 故 障点的过渡电阻将影响短路时故障电量如电流和电压的大小及相位 对保护产生很大影响 下面就来分析过渡电阻对差动保护动作的影响规律 首先分析 3 1 节中出现差流最小的情况 即对应图 5 中 23 86 的一种故障情 况时过渡电阻对差动电流的影响 令过渡电阻 Rg 从零逐渐增大 考察差流 Icd 随 Rg 的变 化关系 图 6 为该种故障情况下过渡电阻对差流的影响关系曲线 Rg 的单位为国际单位 从图 6 可知 该种短路故障过渡电阻对纵差差流的影响不大 因为此时故障回路的电 抗很大 图 7 为纵差保护灵敏系数 Ksen 随过渡电阻的变化关系曲线 方案 1 的最小动作电 流 Iop0 取为 0 2 IN 方案 2 的 Iop0 取为 0 3 IN 由图 7 知当 Ksen 2 0 时 方案 1 所 对应的临界过渡电阻 Rgcr 为 0 767 方案 2 所对应的 Rgcr 为 1 34 图 6 纵差差流随 短路 过渡电阻变化曲线 图 7 纵差 灵敏度随过渡电阻变化曲线 另一种最不利情况为短路回路电势最小 即 B1 支路 1 匝 靠近中性点 对 A1 支路 中性点相间短路故障 图 8 为差流随过渡电阻的变化关系曲线 从图 8 可知 此时过渡电 阻对纵差差流影响很大 当 Rg 从 0 增大到 0 025 时 差流 Icd 减少了约 4 倍 即从 21 055 A 减少到 5 405 A 两种方案的灵敏度随过渡电阻的变化关系曲线如图 9 示 从图 9 可知 当过渡电阻很小时 由于此时短路电流很大 纵差保护呈现制动特性 当灵敏系 数 Ksen 2 0 时 方案 1 所对应的 Rgcr 为 0 027 方案 2 对应的 Rgcr 为 0 041 大 大低于图 7 中的临界过渡电阻值 即过渡电阻对该种故障影响很大 或保护的动作对过渡 电阻很敏感 图 8 纵差差流随过渡电阻变化曲线 图 9 灵敏度随过渡电阻变化曲线 2 4 结论 从以上计算可见 比率制动式纵差保护对发电机内部相间短路有较高灵敏度 可 以对绝大多数内部相间短路起到保护作用 若不考虑过渡电阻 则任何相间故障都能使保 护可靠动作 Iop0 取稍大也无妨 若考虑过渡电阻 则 Iop0 取较小可增加保护灵敏度 或者说保护可以反应经较大过渡电阻短路的故障 同时可见 过渡电阻对纵差差流和灵敏 度也有较大影响 尤其当位于中性点附近短路匝数较少时 所以 比率制动式纵差动保护 的死区一般是位于靠近中性点附近经过渡电阻短路的情况 死区大小既与短路匝比有关 也与过渡电阻的大小有关系 具体分析要通过内部故障的详细计算才能进行 需要指出的是比率制动式纵差保护只对内部相间短路起保护作用 对于内部匝间 短路却无能为力 必须增设发电机定子绕组匝间短路保护装置 参考文献 1 国家电力调度通信中心组编 发电机变压器继电保护应用 北京 中国电力出版社 1998 2 王维俭 电气主设备继电保护原理和应用 北京 中国电力出版社 1996 3 高景德 王祥珩 交流电机的多回路理论 清华大学学报 自然科学版 1987 27 1 4 胡敏强 屠黎明 林鹤云 吴济安 水轮发电机定子绕组内部故障稳态电量仿真及 其规律探讨 中国电机工程学报 已录用 5 林鹤云 屠黎明 胡敏强 大型水轮发电机回路参数的有限元计算 中国电机工程学 报 1998 18 4 258 261 2 2 变压器保护变压器保护 变压器保护装设原则 1 电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件 它的故障将对对供电可靠性和系统 的正常运行带来严重的影响 同时大容量的电力变压器也是十分重要的元件 因此必须 根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好 工作可靠的继电保护装置 一 变压器应根据工程具体情况考虑装设相应的保护 对升压 降压 联络变压器的下列故障及异常运行状态 按规定装设相应的保护装置 绕组及引出线的相间短路和中性点直接接地或经小电阻接地侧的接地短路 绕组 的匝间短路 外部相间短路引起的过电流 中性点直接接地或经小电阻接地电网中外 部短路引起的过电流及中性点过电压 过负荷 过励磁 中性点非有效接地侧的单 相接地故障 油面降低 变压器油温 绕组温度过高及邮箱压力过高和冷却系统故障 根据 继电保护和安全自动装置技术规程 GB 14285 2006 及变压器保护装设的基 本要求 对西门水电站变压器应装设差动保护 瓦斯保护 复合电压启动过电流保护 对 称过负荷保护和过电压保护 二 变压器保护装设的基本要求 2 1 变压器对主保护的要求 对变压器的内部 套管及引出线的短路故障 按其容量及重要性的不同 应装设下列 保护作为主保护 并瞬时动作于断开变压器的各侧断路器 1 电压在 10kV 及以下 容量在 10MVA 及以下的变压器 采用电流速断保护 2 电压在 10kV 以上 容量在 10MVA 及以上的变压器 采用纵差保护 对于电压为 10kV 的重要变压器 当电流速断灵敏度不符合要求时也可采用纵差保护 3 电压为 220kV 及以上的变压器装设数字式保护时 除非电量保护外 应采用双 重化保护配置 当断路器具有两组跳闸线圈时 两套保护宜分别动作于断路器的一组跳闸 线圈 2 变压器对差动保护的基本要求 纵联差动保护应满足下列要求 1 应能躲过励磁涌流和外部短路产生的不平衡电流 2 在变压器过励磁时不应误动作 3 在电流回路断线时应发出端线信号 电流回路断线允许差动保护动作跳闸 4 在正常情况下 纵联差动保护的保护范围应包括变压器套管和引出线 如不能 包括引出现时 应采取快速切除故障的辅助措施 在设备检修等特殊情况下 允许差动保 护短时利用变压器套管电流互感器 此时套管和引线故障由后备保护动作切除 如电网安 全稳定运行有要求时 应将纵联差动保护切至旁路短路器的电流互感器 3 变压器装设相间短路后备保护的基本要求 对外部相间短路引起的变压器过电流 变压器应装设相间短路后备保护 保护带延时 跳开相应的断路器 相间短路后备保护宜选用过流保护 复合电压 负序电压和线间电压 启动的过电流保护或复合电流保护 负序电流和单相式电压启动的过电流保护 1 35 66kV 及以下中小容量的降压变压器 宜采用过电流保护 其保护的整定值 要考虑变压器可能出现的过负荷 2 110 500kV 降压变压器 升压变压器和系统联络变压器 相间短路后备保护用 过电流保护不能满足灵敏性要求时 宜采用复合电压启动过电流保护或复合电流保护 3 变压器差动保护灵敏度计算分析 一 Y d 变压器差动保护的相位补偿 3 变压器通常采用 Yd 接线 对于这种变压器 其两侧电流之间有的相位差 即使变 0 30 压器两侧电流互感器二次电流的数值相等 但由于两侧电流存在着相位差 也将在保护装 置的差动回路中出现不平衡电流 如图 3 1 所示 unb I a b 图 3 1 Yd11 接线变压器所产生的不平衡电流 a 变压器接线图 b 电流相量图 为了消除这种不平衡电流的影响 通常都是将变压器的星形侧的三个电流互感器接成 三角形 而将变压器三角形侧的三个电流互感器接成星形 并适当考虑连接方式后即可把 二次电流的相位校正过来 图 3 2 a 为 Yd11 接线的三相变压器及差动保护用两侧电流互感器的接线 图 3 2 b 为电流相量图 其中 分别表示变压器星形侧的线电流 该侧 YA I I YB I YC 电流互感器二次电流为 因电流互感器为三角形接线 故流入差动 I Ya I Yb I Yc 臂的三个电流为 I Ya I Yb I Ya I Yb I Yc I Yb I Yc I Ya 它们正好分别与变压器三角形接线侧电流互感器二次侧的电流方向反 故 I Yc o 180 流入继电器的总电流从理论上讲可以校正平衡 新微机保护可以通过软件计算进行平衡 但其计算结果也是必须达到图 3 2 相位校正的效果 采用了相位补偿接线后 在电流互感器绕组接成三角形的一侧 流入差动臂中的电流 要比电流互感器的二次电流大倍 为了使正常工作及外部故障时差动回路中两差动臂3 的电流大小相等 可以通过适当选择电流互感器变比解决 考虑到电流互感器的二次额定 电流为时 变压器三角形接线侧的电流互感器变比应为A5 3 3 5 nT TA I n 变压器星形侧的电流互感器变比应为 3 4 5 3 YnT YTA I n 上式中 变压器绕组接成三角形侧的额定电流 nT I 变压器组成星形侧的额定电流 YnT I 在进行相位补偿的同时还要进行数值补偿 将 Y 侧电流互感器接成 d 形 即 5 3 N I 根据式 3 3 和式 3 4 的计算结果 选定一个接近并稍大于计算值的标准变比 图 3 2 Yd11 接线变压器的差动保护接线和相量图 a 接线图 b 电流相量图 二 拐点电流的选择 带比率制动特性的差动保护的动作特性 如图中折线 ABC 所示 图中 纵坐标为动作电 流 横坐标为制动电流 由线段 AB BC op I res I 组成 特性的上方为动作区 下方为制动区 称为最小动作电流 称为最小 min op I min res I 制动电流 又称拐点电流 一般取 TA N n I 0 15 0 由于电流互感器的饱和与许多因素有关 制动特 性中非线性部分的具体数值是不易确定的 而在两折 线式微机变压器差动保护整定计算中 参数整定有两 种方法 第一种 根据最大误差确定制动系数 再由拐点制动电流求出最小动作电流 res K 第二种方法是先确定最小动作电流 选择拐点制动电流 确定斜率 最后确定制动系数S 最后根据制动电流求出保护动作电流 差动电流除以保护动作电流 求出灵敏系数 res K 其两种方法在整定计算时个各有其有缺点 第二种方法在整定时计算简单 安全可靠 但偏于安全 用第一种方法整定时 当拐点电流取小时 其动作区减少 制动区增大 res I 灵敏度增大 这样容易失去选择性 其实制动电流达到多少时电流互感器开始饱和也是难 以确定的 通常认为制动电流小于或略大于变压器额定电流时肯定不会饱和 故拐点电流 选取的范围为 res I TA N res n I I 0 15 0 4 对差动保护 复合电压启动过电流保护进行评价 一 变压器的差动保护 变压器差动保护的范围是构成变压器差动保护的电流互感器之间的电气设备 以及连 接这些设备的导线 由于差动保护对保护区外故障不会动作 因此差动保护不需要与保护 区外相邻元件保护在动作值和动作时限上相互配合 所以在区内故障时 可以瞬时动作 但其缺点是对变压器内部不严重的匝间短路反映不够灵敏 变压器因装瓦斯保护 二 复合电压启动过电流保护 复合电压启动的过电流保护通常作为变压器的后备保护 它是由一个负序电压继电器和 一个接在相间电压上的低电压继电器共同组成的电压复合元件 两个继电器只要有一个动作 同 时过电流继电器也动作 整套装置即能启动 该保护较低电压闭锁过电流保护 在后备保护 范围内发生不对称短路时 有较高灵敏度 在变压器后发生不对称短路时 电压启动元件的 灵敏度与变压器的接线方式无关 由于电压启动元件只接在变压器的一侧 故接线比较简单 5 结论 1 比率差动保护的构成较复杂 影响其动作因素很多 对继电保护的基本要求 选择性 可靠性 灵敏性和速动性 是互相联系而又不想矛盾 例如 有计算说明书表明灵敏系数 复合要求时并不能保证保护的可靠性 综合考虑各种不确定因素 对保护进行可靠性评估 确有必要且是可行的 参考文献 1 高有权 高华 发电机变压器继电保护设计及整定计算 中国电力出版社 2011 2 许建安 中小型水电站电气设计手册 中国水利水电出版社 2002 3 许建安 电力系统继电保护 黄河水利出版社 2008 2 22 2 变压器后备保护 变压器后备保护 采用复合电压启动的过电流保护 复合电压启动的过电流保护通常作为发电机或者变压器的后备保护 它是由一个负序电 压继电器和一个接在相间电压上的低电压继电器共同组成的电压复合元件 两个继电器只要 有一个动作 同时过电流继电器也动作 整套装置即能启动 该保护较低电压闭锁过电流保护有下列优点 1 在后备保护范围内发生不对称短路时 有较高灵敏度 2 在变压器后发生不对称短路时 电压启动元件的灵敏度与变压器的接线方式无关 3 由于电压启动元件只接在变压器的一侧 故接线比较简单 3 3 线路保护线路保护 3 13 1 线路零序电流保护线路零序电流保护 利用接地时产生的零序电流使保护动作的装置 叫零序电流保护 在电缆线路上都采用专门的零序电流互感器来实现接地保护 零序电流保护 中性点直接接地系统发生接地短路 将产生很大的零序电流 利用 零序电流分量构成保护 可以作为一种主要的接地短路保护 零序过流保护不反应三相 和两相短路 在正常运行和系统发生振荡时也没有零序分量产生 所以它有较好的灵敏 度 但零序过流保护受电力系统运行方式变换影响较大 灵敏度因此降低 特别是短距 离线路上以及复杂的环网中 由于速动段的保护范围太小 甚至没有保护范围 致使零 序电流保护各段的性能严重恶化 使保护动作时间很长 灵敏度很低 3 23 2 线路距离