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I 大型发电厂继电保护毕业论文大型发电厂继电保护毕业论文 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 前 言 1 第一章 大型机组 母线的继电保护配置 3 1 1 大型发电机 变压器的保护配置概述 3 1 1 1 大型发电机组的特点及对继电保护的要求 3 1 1 2 大型发电机的故障 异常运行方式及其保护方式 4 1 1 3 大型变压器的故障 异常运行方式及其保护方式 5 1 2 大型发电机 变压器组的特点及其继电保护配置 7 1 2 1 大型发电机 变压器组的特点 7 1 2 2 大型发电机 变压器组继电保护的特点 9 1 2 3 大型发电机 变压器组的继电保护配置原则 11 1 2 4 大型发电机 变压器组继电保护总体配置情况 12 1 3 母线保护的配置 13 1 3 1 母线保护的一般配置原则 14 1 3 2 高压主接线的母线保护配置 14 第二章 厂用电系统保护的配置原则 22 2 1 厂用电系统概述 22 2 2 厂用电系统保护的配置原则 22 2 2 1 高压厂用工作 备用 起动 变压器的保护配置 22 2 2 2 低压厂用工作和备用变压器的保护配置 24 2 2 3 厂用工作及备用电抗器的保护配置 25 2 2 4 3 10kV 高压厂用电动机保护的配置 26 2 2 5 380kV 低压厂用电动机的保护配置 27 II 2 2 6 备用电源自动投入装置 28 第三章 厂用电系统保护的整定配合 32 3 1 厂用电系统保护的整定计算原则 32 3 1 1 纵联差动保护 32 3 1 2 电流速断保护 34 3 1 3 过电流保护 34 3 1 4 单相接地零序电流保护 36 3 2 低压厂用电系统保护的配合问题 38 3 2 1 概述 38 3 2 2 保护的配合 39 3 2 3 选择性校验 42 3 2 4 配合的要求 43 第四章 实际厂用电系统保护配置设计 45 4 1 厂用电系统接线的特征描述 45 4 2 厂用电系统保护设计 47 4 2 1 3 号高厂变 47 4 2 2 6kV 厂用工作母线 49 4 2 3 低压厂用变压器 50 4 2 4 400V PC 母线所接开关 53 结 论 56 致谢 58 参考文献 59 附 录 61 附录 2 66 附录 3 72 1 前 言 随着电力工业的迅速发展 我国发电机 变压器单机容量不断增大 600MW 的机组已比较普遍 1000MW 的机组也在不断增多 特别是国内大型 发电工程 三峡 二滩 龙滩 秦山二期 岭澳二期等 均已完成设计并已经 或即将投入运行 电力系统正朝着 大机组 超高压 大电网 的方向发展 与此同时继电保护技术亦不断进步 现今 国内外继电保护技术发展的趋势为 计算机化 网络化 智能化 保护 控制 测量 数据通信一体化 1 继电保护装置 就是指能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行 状态 并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置 2 其广泛应用于电力 系统 农网和小型发电系统 是电网及电气设备安全可靠运行的保证 但实践 也表明 发电机 变压器保护在运行中的正确动作率长期偏低 而大型发电机 变压器与中小型相比 又有了自身的新特点 如何对大型发电厂进行继电保护 配置 关系着这些大型发电厂的安全 可靠 灵活 经济的运行 也关系着大 电力系统的安全经济运行 乃至国民经济生活的发展 继电保护装置的基本任务是 1 自动 迅速 有选择性地将故障元件从电力系统中切除 使故障元件 免于继续遭到破坏 保证其他无故障部分迅速恢复正常运行 2 反应电气元件的异常运行状态 并根据运行维护的条件 如有无经常 值班人员 而动作于信号 以便值班员及时处理 或由装置自动进行 调整 或将那些继续运行就会引起损坏或发展成为事故的电气设备予 以切除 3 为了完成它的任务 必须在技术上满足选择性 速动性 灵敏性和可靠性 四个基本要求 在对大型发电厂进行继电保护配置时 应尽量满足和协调好这 四个基本要求 本设计主要研究了发电机 变压器 发 变组 母线及厂用电系统的保护 配置问题 大型发电厂与中小型发电厂相比具有新的特点 其单机容量一般比 较大 对继电保护的要求更高 首先介绍了发电机 变压器以及发变组的特点 2 并对它们的保护配置方式及特点进行了阐述 母线作为发电厂的重要元件之一 其保护的配置方式也非常关键 本设计阐述了双母线 一台半断路器主接线 6 10kV 母线的保护配置方式 并提出了断路器失灵保护和提高母线保护可靠 性的措施 针对目前发电厂厂用系统继电保护的整定计算则无规程 导则可用 本设计对厂用电系统的保护的配置原则和整定计算原则进行整理 并对低压厂 用电系统保护间的配合进行了研究 最后对一个实际的厂用电系统进行了大体 的保护配置方案的设计 3 第一章 大型机组 母线的继电保护配置 据中国电力企业联合会公布的 2005年全国电力工业发电统计年报 显示 截至2005年底 全国已拥有百万千瓦级以上发电厂129座 这些大型发电厂中 的单机容量都比较大 对于这种大型发电厂 要根据发电机和变压器结构的特 点 配置合适的保护 大容量机组往往按发电机 变压器组单元接线与高压或超高压电网直接相 连 在电力系统中占有十分重要的地位 而且发电机 变压器组的很多配置原 则和单独的发电机 变压器配置原则相同 因此本章对单独的发电机和变压器 的保护配置原则不再进行具体的叙述 而重点对大型发电机 变压器组的保护 配置进行讨论 1 1 大型发电机 变压器的保护配置概述 1 1 1 大型发电机组的特点及对继电保护的要求 随着电力工业的飞跃发展 大机组的陆续投运 发电机组单机容量不断增 大 使大型发电机在设计 结构 工艺 运行诸方面出现许多特点 相应对继 电保护提出新的要求 在设计 结构和工艺方面 大型发电机组不同于中小型机组的地方有 1 大容量机组的体积不随容量成比例增大 即有效材料利用率高 但却 直接影响了机组的惯性常数明显降低 使发电机容易失步 因此很有 必要装设失步保护 4 2 发电机热容量与铜损 铁损之比明显下降 使定子绕组及转子表面过 负荷能力降低 为了确保大型发电机组在安全运行条件下充分发挥过 负荷的能力 应装设具有反时限特性的过负荷保护及过电流保护 3 电机参数 增大 由于增大 发电机由满载突然甩负 k X k X k X k X 荷引起的过电压就较严重 4 4 由于大型机组的材料利用率高 就必须采用复杂的冷却方式 故障几 率增加 5 单机容量的增大 汽轮发电机轴向长度与直径之比明显加大 从而使 机组振荡加剧 匝间绝缘磨损加快 有时候可能引起冷却系统故障 因此 应当用灵敏的匝间短路保护和漏水保护 对水内冷机组 在运行方面 1 由于单机容量大 发电机保护的拒动或误动均将造成十分严重的后果 所以大型机组继电保护的技术要求更高 2 大型机组的励磁系统更为复杂 故障几率也多 因此发电机的过电压 或失磁故障和变压器的过激磁故障的可能性大了 3 对于异常工况的运行 大型机组要求装设相应的保护继电器 4 大型汽轮发电机组的起停机特别费时费钱 另外大型机组的突然跳闸 有可能给主机和辅机造成不同程度的某些损伤 因此不是在必需的情 况下 不得使大型汽轮发电机组频繁起停 更不轻易紧急跳闸停机 这在设计保护出口电路时应注意 5 大型机组一般是发电机 变压器单元制接线 机端和厂用分支一般均不 设高压断路器 在发电机失磁后机端电压严重下降 在设计保护时必 须注意厂用电的安全 1 1 2 大型发电机的故障 异常运行方式及其保护方式 发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作 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 发电机的故障类型主要有 定子绕组相间短路 定子绕组一相的匝间短路 定子绕组单相接地 转子绕组一点接地或两点接地 转子励磁回路励磁电流消 失 发电机的不正常运行状态主要有 由于外部短路引起的定子绕组过流 由 于负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷 由外部不对称短路或不 5 对称负荷而引起的发电机负序过电流和过负荷 由于突然甩负荷而引起的定子 绕组过电压 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 于汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率等 针对以上故障及不正常运行状态 根据规程规定 一般大型发电机可配置 的保护有 短路故障主保护 纵差动保护 横差动保护 不完全差动保护 纵向零序 过电流保护 转子二次谐波电流保护 100 的定子接地保护 励磁回路接地 保护等等 短路故障后备保护 过流保护 复合电压启动的过流保护 负序过电流保 护和单元件低压启动的过流保护等 异常运行保护 低励失磁保护 失步和失步预测保护 负序电流保护 过 励磁保护 过负荷保护 过电压保护 逆功率保护 低频保护 CT 断线保护 等 1 1 3 大型变压器的故障 异常运行方式及其保护方式 变压器是电力系统不可缺少的重要电气设备 它的故障将对供电的可靠性 和系统的安全运行带来严重的影响 同时大容量的变压器也是非常贵重的设备 因此 应根据变压器容量等级和重要程度 装设性能良好 动作可靠的继电保 护装置 大型电力变压器均为三相三铁芯柱式或由三个单相变压器组成的三相组式 变压器 超高压大容量的变压器均采用 YNd 的联结组别 实际运行中 又以 YNd11 最多 1 变压器的故障 若以故障点的位置对变压器故障分类 有油箱内的故障和油箱外的故障 1 油箱内的故障 变压器油箱内的故障主要有各侧的相间短路 大电流 接地系统侧的单相接地短路及同相部分绕组之间的匝间短路 2 油箱外的故障 变压器油箱外的故障 是指变压器绕组引出端绝缘套 6 管及引出线上的故障 主要有相间短路 两相短路及三相短路 故障 大电流 接地系统侧的接地故障 低压侧的接地故障 2 变压器的异常运行方式 大型超高压变压器的不正常运行方式主要有 由于系统故障或其他原因引 起的过负荷或过电流 由于系统电压的升高或频率的降低引起的过励磁 不接 地运行变压器中性点电位升高 变压器油箱内油位异常 变压器温度过高及冷 却器全停等 3 变压器保护的一般配置 变压器短路故障时 会产生很大的短路电流 使变压器严重过热 甚至烧 坏变压器绕组或铁芯 特别是变压器油箱内的短路故障 伴随电弧的短路电流 可能造成变压器着火 另外 变压器内 外部的故障短路电流产生电动力 也 可能造成变压器本体和绕组变形而损坏 变压器的异常运行也会危及变压器的安全 如果不能及时发现处理 会造 成变压器故障及损坏变压器 为确保变压器的安全经济运行 当变压器发生短路故障时 应尽快切除变 压器 而当变压器出现不正常运行方式时 应尽快发出报警信号并进行相应的 处理 为此 对变压器配置整套完善的保护装置是必要的 1 短路故障的主保护 变压器短路故障的主保护主要有纵差保护 重瓦斯保护 压力释放保护 另外 根据变压器的容量 电压等级及结构特点 可配置零差保护及分侧差动 保护 2 短路故障的后备保护 目前 电力变压器上采用较多的短路故障后备保护种类主要有 复合电压 闭锁过流保护 零序过电流或零序方向过电流保护 负序过电流或负序方向过 电流保护 复合电压闭锁功率方向保护 低阻抗保护等 3 异常运行保护 变压器异常运行保护主要有过负荷保护 过励磁保护 变压器中性点间隙 7 保护 轻瓦斯保护 温度 油位保护及冷却器全停保护等 1 2 大型发电机 变压器组的特点及其继电保护配置 大容量机组往往按发电机 变压器组单元接线与高压或超高压电网直接相 连 在电力系统中占有十分重要的地位 由于它结构复杂 造价昂贵 一旦因 故障而遭到破坏 在经济上必然会受到很大损失 因此在考虑大容量发电机 变压器组的继电保护整体配置时 应强调最大限度地保证机组安全和最大限度 地缩小故障破坏范围 尽可能避免不必要的突然停机 对某些异常工况采用自 动处理装置 特别要避免保护装置误动和拒动 所以不仅要求有可靠性高 灵 敏性和选择性强 快速性好的保护继电器 还要求在继电保护的整体配置上尽 量做到完善 合理 并力求避免繁琐 复杂 5 1 2 1 大型发电机 变压器组的特点 1 发电机出口除支接高压厂用变压器外 无其他机端负荷 2 发电机出口和支接高压厂用变压器高压侧均不装设断路器 3 升压变压器高压侧中性点直接接地或经放电间隙接地运行 4 发电机中性点一般可经消弧线圈 欠补偿 或经接地变压器二次电阻 高阻 接地运行 5 支接高压厂用变压器的低压侧一般为高阻或中阻接地系统 6 6 汽轮发电机三相绕组中性点侧引出方式可为 a 4 个引出端 如图 1 1 b 所示 即定子绕组为双星形接线 其中一个 星形接线绕组的三相端子引出机外 另外一个星形接线绕组只引出它的中性点 它也可装设发电机和发 变组的不完全纵差保护 但两套保护的中性点侧电流 互感器均在同一个星形接线的三相分支绕组中 其性能略低于中性点侧 6 个引 出端的方案 同时装设零序电流型高灵敏横差保护 b 4 个引出端 如图 1 1 b 所示 即定子绕组为双星形接线 其中一个 星形接线绕组的三相端子引出机外 另外一个星形接线绕组只引出它的中性点 8 图 1 1 发电机中性点侧端子引出方式 它也可装设发电机和发 变组的不完全纵差保护 但两套保护的中性点侧电流 互感器均在同一个星形接线的三相分支绕组中 其性能略低于中性点侧 6 个引 出端的方案 同时装设零序电流型高灵敏横差保护 c 2 个引出端 即两个星形接线绕组的中性点引出机外 各相分支绕组 9 均不引出 发电机主保护装设零序电流型高灵敏横差保护和故障分量负序方向 保护 微机型 或纵向零序电压保护等 不能装设发电机和发 变组的完全或 不完全纵差保护 d 3 个引出端 即发电机三相中性点侧引出机外 不能装设零序电流型 高灵敏横差保护和不完全纵差保护 只能装设传统的完全纵差保护反映相间短 路 因此对匝间短路和分支开焊故障必须另设保护 水轮发电机的机内空间大 发电机中性点侧的各分支互感器可以安装在 机壳内部或外部 可实现两套不完全纵差保护 裂相横差和零序电流型高灵 敏横差保护 国内已有很多大型水电厂实现了这种保护配置方案 1 2 2 大型发电机 变压器组继电保护的特点 随着大容量机组和大型发电厂的出现 发电机 变压器组的接线方式在电 力系统中获得了广泛的应用 由于发电机和变压器的成组连接 相当于一个工 作元件 因此 就能够把发电机和变压器中某些性能相同的保护合并成一个对 全组公用的保护 7 例如 装设公共的纵差动保护 过电流保护 过负荷保护 等 这样的结合 可使发电机 变压器组的继电保护变得较为简单和经济 现将发 变组一些主要保护的特点说明如下 1 发 变组纵差动保护 1 当发电机和变压器之间无断路器时 一般装设整组公用的纵差动保护 如图 1 2 a 所示 2 但对大容量的发电机组 发电机应补充装设单独的纵差动保护 如图 1 2 b 所示 对于水轮发电机组和绕组直接冷却的汽轮发电机 当 公用的差动保护整定值大于 1 5 倍发电机额定电流时 发电机也应补 充装设单独的纵差动保护 3 当发电机与变压器之间有断路器时 发电机和变压器应分别装设纵差 动保护 如图 1 2 c 所示 4 当发电机与变压器之间有分支线时 如厂用电出线 应把分支线也包 10 括在差动保护范围以内 其接线如图 1 2 c 所示 这时分支线上电 图 1 2 发电机变压器组纵差动保护点相原理图 流互感器的变比应与发电机回路的相同 2 发电机电压侧单相接地保护 对于发 变组 由于发电机与系统之间没有电的联系 因此 发电机定子 接地保护就可以简化 表 1 2 发电机定子绕组单相接地故障电流允许值 发电机额定电压 kV发电机额定功率 MW接地电容电流允许值 A 6 3 504 汽轮发电机50 100 10 5 水轮发电机10 100 3 汽轮发电机125 200 13 8 15 75 水轮发电机40 225 2 18 20300 6001 11 对于氢冷发电机接地电流允许值为 2 5A 对发 变组 其发电机的中性点一般不接地或经消弧线圈接地 发生单相 接地的接地电容电流 或补偿后的接地电流 通常小于表 1 2 的允许值 故接 地保护可以采用零序电压保护 并作用于信号 对大容量的发电机也应装设保 护范围为 100 的定子接地保护 3 发电机定子绕组匝间短路保护 所谓匝间短路 就是指由于同相绕组之间的绝缘破坏 导致的同相不同分 支之间或相同分支绕组之间的短路 一直以来 针对发电机要不要设匝间保护 都是存在争论的 近年来 在 国内 虽然大型水轮发电机定子绕组主保护已广泛采用单元件高灵敏横差保护 不完全纵差保护 还有故障分量负序方向保护和裂相横差保护 对于相间短路 匝间短路和分支开焊故障构成双重或三重主保护 但大多大型汽轮发电机都不 设匝间短路保护 很多人认为大型汽轮发电机同相同槽的线棒数量很少 发生 匝间短路的几率很低 而目前匝间短路保护装置的灵敏性和可靠性均不理想 已装设的大多已退出运行 从国外引进的大型发电机组也大多不装设匝间短路 保护 但相关研究表明 大型汽轮发电机同相同槽的约占 50 发生匝间短路 的几率是不会小的 若无匝间短路保护 一旦发生匝间短路 没有继电保护功 能 发电机就会持续被匝间短路电流损伤 导致定子铁心严重烧坏 而纵差保 护要等到故障发展到相间短路才会动作 这对发电机定子铁心是很不利的 8 对于匝间短路 单元件式或裂相式横差保护和不完全纵差保护都是有很好 的技术性能的 但要装设这些保护 发电机中性点侧必须引出 6 个或 4 个端子 这在前面已予以讨论过了 随着电机制造技术的进步 从发电机中性点侧引出 6 个或 4 个端子也将不是问题 1 2 3 大型发电机 变压器组的继电保护配置原则 1 切实加强大型发电机 变压器组主保护 保证在保护范围内任一点发生 12 各种故障 均有双重或多重原理不同的主保护 有选择性地 快速地 灵敏地 切除故障 使机组受到的损伤最轻 对电力系统的影响最小 2 在切实加强主保护的前提下 同时注意落实后备保护的简化 过于复 杂的后备保护配置方案 不仅是不必要的 而且运行实践证明是有害的 具体 说 大型发电机机端即主变压器低压侧不再装设后备保护 仅在主变压器高压 侧配置反应相间短路和单相接地的后备保护 作为主变压器高压母线故障和主 变压器引线部分故障的后备 同时为提高安全性 这些后备保护均不联锁跳高 压母线上的联络断路器和分段断路器 3 主变压器高压侧相间短路后备保护 以高压母线两相金属性短路的灵 敏度大于或等于 1 2 为整定条件 首先考虑采用过电流保护 如灵敏度不够 改用一段简易阻抗保护 不设振荡闭锁环节 以 0 5 1 0s 延时取得选择性和避 越振荡 但应有电压回路断线闭锁和电流起动元件 对自并励方式的发电机 还应校核短路电流衰减对过电流或低阻抗保护的影响 并采取相应的技术措施 例如低电压自保持的过电流保护 电压控制的过电流保护或精确工作电流足够 小的低阻抗保护 4 双重化原则 继保规程 GBGB 1428514285 19931993 2 2 2 52 2 2 5 条规定 对 300MW 及以上的汽轮发电机 变压器组 应装设双重快速保护 即装设发电机 纵联差动保护 变压器纵联差动保护和发电机 变压器共用的纵联差动保护 当发电机与变压器之间有断路器时 装设双重发电机纵联差动保护 这种主保 护方案可使发电机内部各种相间短路 匝间短路和定子绕组开焊故障均得到双 重快速保护 同时还能使发电机独立运行时机端引线的相间短路也有快速保护 当每相分支数大于 2 时 在每相中性点侧装设互感器的分支数应大于或等于 n 2 n 为每相分支数 采用这种主保护配置方案时 可完全舍弃纵向零序电压 保护和二次谐波转子电流保护 1 2 4 大型发电机 变压器组继电保护总体配置情况 大型机组的保护装置可以分为短路保护和异常运行保护两类 短路保护 用以反应被保护区域 13 内发生的各种类型的短路故障 这些故障将造成机组的直接破坏 因此 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 异常运行保护 用以反应各种可能给机组造成危害的异常工况 但这些工 况不会或不能很快造成机组的直接破坏 这类保护装置 一般都装设一套专用 的继电器 不设后备保护 9 发电机 变压器组的保护与发电机 变压器单独工作时的保护类型选择基 本相同 但其保护对象 除了发电机 变压器之外 还包括高压厂用变压器 励磁变压器等厂用分支 下面以附图 1 所示的汽轮发电机 变压器组为例来说 明大型发电机 变压器组继电保护总体配置的情况 列于附表 1 中 为了减少机组全停的次数 缩短恢复正常供电的时间 各保护装置动作后 按所控制的对象 保护的性质和选择性要求 保护出口一般有以下现象 1 全停 断开出口断路器 灭磁 断开高压厂用电源断路器 关闭主汽 门 锅炉甩负荷 2 解列灭磁 断开出口断路器 灭磁 断开高压厂用电源断路器 汽机 甩负荷 锅炉甩负荷 3 解列 双绕组变压器只断开出口断路器 三绕组变压器高 中压侧的 保护只断开本侧断路器 4 母线解列 对双母线系统 断开母线联络断路器 5 减出力 减少汽轮机的输出功率 6 信号 发出音响和光信号 为更好了解大型发电机 变压器组的继电保护配置情况 这里再列举了某 大型发电厂的发变组继电保护配置图以示对比 见附图 2 1 3 母线保护的配置 母线是发电厂和变电站的重要组成部分 其连接着许多重要元件 起着汇 14 集和分配电能的作用 母线工作的可靠性直接影响着发电厂和变电站工作的可 靠性 母线方式及母线保护方式的选择和运行 是保证电力系统安全运行的重 要环节之一 目前 国内的主要母线方式有双母线及双母分段 单母线及单母 分段 角形母线等 1 3 1 母线保护的一般配置原则 一般说来 不采用专门的母线保护 而利用供电元件的保护装置就可以把 母线故障切除 但其故障切除时间一般较长 此外 当双母线同时运行或母线 为分段单母线时 上述保护不能保证有选择性地切除故障母线 因此 在下列 情况下应装设专门的母线保护 1 在 110kV 及以上的双母线和分段单母线上 为保证有选择性地切除任 一组 或段 母线上所发生的故障 而另一组 或段 无故障的母线 仍能继续运行 应装设专用的母线保护 2 110kV 及以上的单母线 重要发电厂的 35kV 母线或高压侧为 110kV 及以上的重要降压变电所的 35kV 母线 按照装设全线速动保护的要 求必须快速切除母线上的故障时 应装设专用的母线保护 为满足速动性和选择性的要求 母线保护都是按差动原理构成的 10 实 现母线差动保护所必须考虑的特点是在母线上一般连接着较多的电气元件 如 线路 变压器 发电机等 因此 就不能像发电机的差动保护那样 只用简 单的接线加以实现 但不管母线上元件有多少 实现差动保护的基本原则仍是 适用的 主要的专用母线保护有完全电流差动母线保护 电流比相式母线保护 其 他母线保护方式有带制动特性的母线保护 电压差动母线保护 线性互感器构 成的母线保护 封闭母线的保护 相位比较比例差动母线保护等 1 3 2 高压主接线的母线保护配置 15 1 双母线保护配置原则 对于双母线 经常是以一组母线运行的方式工作 在母线上发生故障后 将造成全部停电 需要把所连接的元件倒换至另一组母线上才能恢复供电 这 是一个很大的缺点 因此 对于发电厂和重要变电站的高压母线 大多采用双 母线同时运行 即母线联络断路器经常投入 每组母线上连接约 1 2 的供电 和受电元件 这样当任一组母线上出现故障时 只需切除故障母线 而另一组 母线上的连接元件仍可继续运行 所以大大提高了供电的可靠性 对于这种同 时运行的双母线 要求母线保护应能判断母线故障 并具有选择故障母线的能 力 以四分段双母线为例 适用于四分段双母线的保护有 1 电流差动母线保护 2 带制动特性的电流差动母线保护 3 电压差动母线保护 4 相位比较比例差动母线保护 母线保护应考虑的特点 1 当一段母线发生短路时 短路电流可能自母线流出 2 任一连接元件都可能在两段母线之间进行切换 3 每段母线都通过分段断路器和母联断路器与另一段母线相连 4 对于母联或分段断路器与电流互感器之间发生的短路 应利用断路器 失灵保护来切除 2 一台半断路器主接线的母线保护配置 一台半断路器接线的母线是指每两个连接元件通过三个断路器连接到两组 母线上 这种接线方式的母线除具有供电高度可靠 运行调度灵活 倒闸操作 方便等优点外 当母线短路时不影响对连接元件的继续供电 当母线短路且断 路器失灵时 停电范围可减到最小 所以 对于 500kV 变电站和 220kV 及以 上重要发电厂以及枢纽变电站一般采用此种接线方式的母线 一台半断路器接线的母线短路时的特点和要求是 16 1 对系统稳定性影响大 为此要求母线保护必须快速动作 2 因系统容量大 外部短路时电流互感器易饱和 要求保护具有良好的 躲避不平衡电流的能力 3 在一组母线短路时 如图 1 3 所示 若母线 上 K1 点发生短路 断 路器 QF9 处于断开状态 当线路 L2 侧无电源容量较小时 流向短路 点的电流为和 此时通过 QF4 的电流自母线流出 要求保护 k I b I b I 能可靠动作 在这种情况下 电流相位比较式母线保护将不能反应母 线故障 对于单母线或双母线保护 通常把安全性放在重要位置 因为正常运行或 外部短路时 如果母线保护误动作将造成变电站部分或全部停电 而对于一台 半断路器接线的母线 母线保护误动作 并不影响各连接元件连续运行 只是 改变了它们的潮流分布 但是 如果区内短路时母线保护拒动 则故障母线将 由各连接元件对侧的后备保护延时切除 这将严重影响系统的稳定性 因此 对于一台半断路器接线的母线保护 要求它的可靠性 不拒动 比安全性 不 误动 更高 为了提高保护的可靠性 通常采用保护双重化 即采用工作原理 不同的两套母线保护 每套保护应分别接在电流互感器不同的二次绕组上 应 有独立的直流电源 它们的出口继电器触点应分别接通断路器两个独立的跳闸 线圈等 17 kI bI bI K2 K1 QS QF9 QF8 QF7 QF6 QF5 QF4 QF3 QF2 QF1 L2 L1 L3 L4 TV 图 1 3 母线故障时电流流出母线示意图 一台半断路器接线的母线 靠近母线侧的断路器都通过一个隔离开关与母 线连线 图中未画出 所以 这种母线相当于两组单母线 不存在连接元件 有一组母线切换到另一组母线的情况 这样 可以简化保护的接线 只需在每 组母线上装设如前所述的电流差动母线保护 就能够有效地切除故障母线 当有一条线路停用 如图 1 3 所示 L3 线路侧开关 QS 其他元件未画出 断开时 线路保护均停用 若在该范围内的短引线上发生故障 如 K2 点 将 无保护切除故障 为此 需设置短引线纵联差动保护 仅在 QS 断开时投入该 保护 以快速切除故障 根据一台半断路器母线短路时的特点和对母线保护的要求 通常都采用带 比率制动式电流差动母线保护 其原理接线图见图 1 4 TA1TA2TA3 D1 D2 D3 D4 D5 D6 U P KRD D7 D8 Ures M IM IP R Id RW UOP KA UA UA3 UA2UA1 L3 L2L1 KST 0 5Rres 0 5Rres N 图 1 4 带比率制动式电流差动母线保护原理接线图 1 3 3 6 10kV 母线保护配置 1 6 10kV 母线的特点及对保护的要求 目前 发电厂 6 10kV 母线 一般采用单母线分段接线方式 1 I 2 I 3 I 1 I 2 I 3 I 18 6 10kV 母线上通常接有较多的馈电线路 一般可达 10 20 回 为了减小 短路容量 使馈电线路上可采用断流容量小的轻型开关设备 往往在馈电线路 的出线端和分段断路器回路中装设电抗器 馈电线路的断路器和其他设备 都 按电抗器后发生短路的条件来选择 馈电线路的断路器与电抗器之间的短路 则依靠各供电元件的断路器来切除 发电厂的厂用电有两种供电方式 一种是由厂用变压器供电 另一种是由 厂用电抗器供电 油浸式厂用变压器一般都布置在屋外 它的高压侧经一段引 线和穿墙套管后 接至屋内开关柜 变压器本身以及高压侧引线的故障 是由 变压器的差动保护或电流速断装置来切除 因此变压器高压侧的断路器 应按 能切除高压侧断路的条件来选择 厂用变压器发生故障时 要求母线保护不动 作 而当母线发生短路时应将厂用变压器断开 以使备用变压器能迅速地自动 投入 保证该段厂用母线的连续供电 厂用电抗器的断路器 与馈电线路一样 也采用轻型断路器 因此该断路 器与厂用电抗器均装设在屋内配电装置中 使上述地点发生短路的几率较小 同样 当母线发生短路时母线保护应断开厂用电抗器 使备用厂用电抗器迅速 地自动投入 以保证厂用母线的可靠供电 11 2 配置原则 1 对于 6 10kV 分段母线及并列运行的双母线 在下列情况下应装设专 用母线保护 a 需快速而有选择地切除一段或一组母线上的故障 以保证发电厂 及电力网安全运行和重要负荷的可靠供电时 b 当线路断路器不允许切除线路电抗器前的短路时 2 当有电源的支路经常接在不同的母线上运行时 宜在所有有电源的支 路上 发电机除外 装设单独的电流闭锁电压速断保护 3 当为单母线或无电源支路的母线等情况时 可由发电机 变压器的后 备保护来实现对母线的保护 1 3 4 断路器失灵保护 19 所谓断路器失灵保护是指当故障线路的继电保护动作发出跳闸信号后 断 路器拒绝动作时 能够以较短的时限切除同发电厂或变电站内其他有关的断路 器 将停电范围限制到最小的一种后备保护 也称后备接线 产生断路器失灵故障的原因是多方面的 如断路器跳闸线圈断线 断路器 的操作机构失灵等 高压电网的断路器和保护装置 都应具有一定的后备保护 以便在断路器或保护装置失灵时 仍能有效切除故障 对于重要的 220kV 及 以上主干线路 针对保护拒动通常装设两套独立的主保护 即保护双重化 针对断路器拒动即断路器失灵 则专门装设断路器失灵保护 1 装设断路器失灵保护的条件 由于断路器失灵保护是在系统故障的同时断路器失灵的双重故障情况下的 保护 所以允许适当降低对它的要求 即仅要最终能切除故障即可 装设断路 器失灵保护的条件是 1 线路保护采用近后备方式并当线路故障后 断路器有可能发生拒动时 应装设断路器失灵保护 因为此时只有依靠断路器失灵保护才能将故 障切除 2 线路保护采用远后备方式并当线路故障后 断路器确有可能发生拒动 如由其他线路或变压器的后备保护来切除故障将扩大停电范围 并引 起严重后果时 应装设断路器失灵保护 因为它能只切除与故障线路 位于同一组 或同一段 母线上的有关断路器 将停电范围限制到最 小 3 如断路器与电流互感器之间发生故障 不能由该回路主保护切除 而 由其他断路器和变压器后备保护切除又将扩大停电范围并引起严重后 果时 应装设断路器失灵保护 4 相邻元件保护的远后备保护灵敏度不够时应装设断路器失灵保护 5 对分相操作的断路器 允许只按单相接地故障来校验其灵敏度时 应 装设断路器失灵保护 2 对断路器失灵保护的要求 20 1 失灵保护的误动和母线保护误动一样 影响范围广 必须有较高的可 靠性 安全性 即不应发生误动作 2 失灵保护首先动作于母联断路器 此后相邻元件保护已能以相继动作 切除故障时 失灵保护仅动作于母联断路器 3 在保证不误动的前提下 应以较短延时 有选择性地切除有关断路器 4 失灵保护的故障鉴别元件和跳闸闭锁元件 应对断路器所在线路或设 备末端故障有足够的灵敏度 1 3 5 提高母线保护可靠性的措施 1 母线保护方式的选择 母线的接线方式有多种 可以是单母线 双母线 一台半断路器母线和四 分段双母线方式 因此适用的母线保护方式 首先应适应母线可靠运行的要求 其次 应考虑随着运行方式的变化 各连接元件的负载电流 母线内部或外部 发生短路时的短路电流 都可能在很大范围内发生变化 因此在不利条件下 要求所选用的母线保护仍有足够的灵敏度 再次 在短路电流大的电力系统中 母线保护的快速动作也是一个重要因素 母线保护的接线应力求简单 选用的 继电器和器件要求性能良好和可靠 保护屏的接线和布置 要求便于检查 调 试和更换条件 2 电流互感器的选择 1 电流互感器的配置 一般情况下都将电流互感器安装在线路侧 但对 于断路器与电流互感器之间发生的短路 必须利用带时限的断路器失 灵保护来切除 使切除短路的时间被延长 此外 也增大了电力系统 各连接元件的工作时间 对于在动稳定要求严格的 500kV 系统 和 220kV 系统的大容量电源侧 则采取在断路器的两侧各配置一组电流 互感器 并使线路保护和母线保护范围互相重叠 从而可使断路器与 电流互感器之间发生的短路 可由线路两侧的保护无时限切除 21 2 电流互感器的接入 为了保证交流电流回路的安全可靠 要求将母线 保护接在一组专用的电流互感器二次线圈上 某些情况下如电流回路 中还需接入其他负载 应通过中间变流器接入 为减小负载阻抗起见 各电流互感器的二次侧 一般应在专用电流端子箱内并接后 再接到 主控制室的保护屏 3 电流互感器误差的要求 接至母线保护的电流互感器的比值误差 应 不大于 10 3 母线保护的直流电源 母线保护的直流电源 应通过一对专用的熔断丝供电 在直流回路中应接 入监视电源的继电器 当失去直流电源时 监视继电器返回 它的常闭触点接 通中央信号屏上的光字牌 并发出警告信号 4 母线保护的双重化 考虑到母线保护的接线比较复杂 对于双母线等母线方式 一般不采取母 线保护双重化的措施 仅在一台半断路器母线方式中采用双重化的母线保护 5 母线保护的闭锁措施 为防止母线保护因误碰或误通电而引起的误动作 一般都加设闭锁措施 常用的闭锁措施 一种是将闭锁触点串接在出口继电器线圈回路中 另一种是 将闭锁触点与跳闸回路触点相串联 22 第二章 厂用电系统保护的配置原则 2 1 厂用电系统概述 发电厂在起动 运转 停役 检修过程中 有大量由电动机拖动的机械设 备 用以保证机组的主要设备 如锅炉 汽轮机或水轮机 发电机等 和输煤 碎煤 除灰 除尘及水处理的正常运行 这些电动机以及全厂的运行 操作 试验 检修 照明用电设备等都属于厂用负荷 总的耗电量 则统称为厂用电 12 一般发电厂厂用电系统可分为以下几个部分 1 发电厂各车间的全部电动机 2 发电厂的照明 3 各种电压等级的厂用电配电装置 4 直流装置 5 供电给厂用电的电源 厂用电的可靠性 对电力系统的安全运行非常重要 随着超临界参数大容 量机组 双水内冷发电机冷却方式 计算机实时控制的采用以及核电厂的出现 对厂用电的可靠性提出了更高的要求 13 为此我们必须认真考虑合理厂用供 电电源的取得方式 工作电源和接线方式 合理配置厂用机械 在运行中对厂 用机械进行正确维护和科学管理 并正确选择电动机类型 容量和台数 除了 这些以外 我们还应配备完善的继电保护与自动装置 2 2 厂用电系统保护的配置原则 厂用电系统设备繁多 各设备所配置的保护种类也比较多 根据以往设计 经验 厂用电系统的保护配置原则可总结如下 2 2 1 高压厂用工作 备用 起动 变压器的保护配置 23 1 高压厂用工作变压器保护 高压厂用工作变压器应装设下列保护 1 纵联差动保护 高压厂用工作变压器容量为 6300kVA 及以上时 应装 设纵联差动保护 当变压器容量为 6300kVA 及以下时 若电流速断灵 敏度不够 可装设纵联差动保护 对于大容量发电机变压器组 高压 厂用变压器高压侧无断路器 则保护应动作于发电机变压器组总出口 继电器 使各侧断路器及灭磁开关跳闸 保护灵敏系数不低于 2 2 电流速断保护 当变压器容量为 6300kVA 及以下时 如果灵敏度足够 可采用电流速断保护 保护瞬时动作于各侧断路器跳闸 以防御变压 器内部及高压侧引出线上的多相和单相接地短路 3 瓦斯保护 容量为 800kVA 以上的油浸式变压器 应装设瓦斯保护 用于防御变压器油箱内部故障和油面降低 对于容量为 400kVA 及以 上的车间油浸式变压器 也应装设瓦斯保护 4 过电流保护 用于防御变压器外部及相邻元件的相间短路所引起的过 电流 并作为瓦斯保护和纵联保护 或电流速断保护 的后备保护 当变压器供电给 2 个分段时 还应在各分支上分别装设过电流保护 采用两相两继电器式接线 带时限动作于本分支断路器跳闸 保护灵 敏系数不低于 1 5 对于分裂变压器 当过电流保护灵敏系数不够时 应采取措施加以解决 当采用低电压起动的过电流保护时 其低电压 继电器可分别由两段厂用母线的电压互感器引接 5 单相接地保护 当变压器高压侧用电缆接至 10 35kV 电压主母上 且 主母线上接有装设单相接地馈线时 则变压器也装设单相接地保护 使有选择性地指示厂用变压器高压侧单相接地故障 当变压器高压侧 用硬母线或软导线接至 10 35kV 主母线上 由于一般距离较短 且硬 母线或软导线发生单相接地故障的可能性很少 因此即使馈线装有单 相接地保护 变压器也不装设单相接地保护 6 低压侧分支纵联差动保护 当高压厂用变压器低压侧带两个分段时 24 如变压器至厂用配电装置间的电缆两端均装设断路器 且各分支的故 障会引起发电机变压器组的断路器动作时 则在每一分支上应分别装 设纵联差动保护 保护由两相两继电器的接线方式构成 瞬时动作于 本分支两侧的断路器跳闸 保护灵敏系数不低于 2 2 高压厂用备用及起动变压器保护 高压厂用备用变压器及起动变压器应装设下列保护 1 纵联差动保护 对于 10000kVA 及以上或带公用负荷的 6300kVA 及以 上和 2000kVA 及以上 采用电流速断保护灵敏性不符合要求的变压器 应装设纵联差动保护 其保护范围不包括各分支线 保护构成方式同 工作变压器 2 电流速断保护 对 10000kVA 以下或带公共负荷的 6300kVA 以下的变 压器 如灵敏系数满足要求 可装设电流速断保护 保护一般采用三 相三继电器式接线 保护装置瞬时动作于变压器各侧断路器跳闸 对 于分裂变压器 当过电流保护灵敏系数不够时 可采用低电压起动的 过电流保护 此时低电压继电器一般由变压器低压侧的电压互感器引 接 此种方案所需元件多 接线复杂 工程上有采用复合电流保护方 案的 保护由负序电流元件和单相电流元件组成 此保护方案所使用 元件少 接线简单 3 瓦斯保护 过电流保护及高压侧的接地保护 保护构成方式同工作变 压器 4 备用分支过电流保护 其保护构成方式同备用电抗器 2 2 2 低压厂用工作和备用变压器的保护配置 低压厂用工作及备用变压器应装设下列保护 1 电流速断保护 用于防御绕组内部及引出线上的相间短路 保护由两 相两继电器的接线方式构成 瞬时动作于高压侧断路器及低压侧具有 备用电源自动投入装置的所有空气开关跳闸 25 2 纵联差动保护 容量在 2000kVA 及以上 用电流速断保护灵敏性不满 足要求时 应装设纵差保护 保护瞬间动作于变压器各侧断路器跳闸 3 瓦斯保护 装于 800kVA 及以上户外变压器和室内的 400kVA 及以上 的变压器 轻瓦斯动作于信号 重瓦斯动作于跳闸 跳闸范围同电流 速断保护 4 过电流保护 除作为电流速断保护的后备外 当对变压器低压侧单相 短路有足够的灵敏度时 也可作为防御变压器低压侧单相接地短路的 保护 为了提高灵敏度采用两相三继电器的接线方式 保护带时限动 作于跳闸 跳闸范围同电流速断保护 5 零序过电流保护 防御变压器低压侧单相短路 当变压器高压侧过电 流保护对低压侧单相短路灵敏度不足时 则在低压侧中性上装设零序 电流保护 6 单相接地保护 当所连接的高压厂用电系统中各出线装有单相接地保 护时 则在变压器的高压侧也装设单相接地保护 保护装置的构成方 式同电抗器的单相接地保护 7 低压侧厂用分支线过电流保护和零序电流保护 对具有两个及以上的 厂用分支线的低压厂用工作变压器和低压厂用备用变压器 为使某一 分支线故障时 不影响另一分支线正常运行 在每一厂用分支线上一 般应装设单独的过电流保护和零序电流保护 2 2 3 厂用工作及备用电抗器的保护配置 1 厂用工作电抗器保护配置 厂用工作电抗器应装设下列保护 1 纵联差动保护 为尽快切除电抗器和电缆中的多相短路故障 加速备 用电源自动投入 一般装设两相继电器式的纵联差动保护 对采用不 允许切除电抗器前短路故障的断路器 不考虑装设闭锁速动保护的装 26 置 因为 a 电抗器前短路是稀少的 b 断路器间隔的设备 引线 电流互感器等 都是以电抗器后发生 故障时的短路电流条件来选择的 c 在很多情况下 电抗器前故障要等母线或发电机 变压器组的速动 保护来切除 纵差保护采用两相两继电器式接线 当用电流继电器构成时 在差动 回路中可装设 5 的电阻 以减小非周期分量电流对保护性能的影响 2 过电流保护 用于保护电抗器回路及相邻元件的相间短路故障 保护 装置采用两相两继电器式接线 且带时限动作于两侧断路器跳闸 电 抗器供电给 2 个分段时 还应在各分支上装设过电流保护 保护接线 原则同上 且带时限动作于本分支断路器跳闸 3 单相接地保护 当电抗器所接电压系统中的各出线装有单相接地保护 时 电抗器回路也需装设单相接地保护 以便有选择性地反应单相接 地故障 保护由 1 个接于零序电流互感器上的电流继电器构成 当从 电抗器接出的电缆为 2 根及以上 且每根电缆分别装设零序电流互感 器时 应将各互感器的二次线圈串联后接至电流继电器 电缆终端盒 的接地线应穿过零序电流互感器 以保证保护正确动作 保护带时限 动作于信号 2 厂用备用电抗器的保护配置 厂用备用电抗器装设下列保护 1 过电流保护 与厂用工作电抗器相同 对于备用分支过电流保护 当备用电源自动投入至永久性故障时 分支过流保护应加速跳闸 2 单相接地保护 与厂用工作电抗器相同 由于厂用备用电抗器线路分支线较多 同时又系备用 不存在加速备用电 源自动投入问题 故不装设纵联差动保护或电流速断保护 27 2 2 4 3 10kV 高压厂用电动机保护的配置 高压厂用电动机应装设下列保护 1 纵联差动保护 当电动机容量为 2000kW 及以上时皆应装设纵联差动 保护 容量在 2000kW 以下具有六个引出线的重要电动机 必要时亦 可装设 以防御电动机内部及引出线多相故障 2 电流速断保护 防御电动机多相短路 3 单相接地保护 电动机正常或备用电源投入时 若单相接地电容电流 大于 10A 装设单相接地保护 当主母线的引出馈电线路装设有接地 保护 且厂用母线与主母线有电的联系时 则厂用电动机上亦装设接 地保护 4 过负荷保护 对由于生产过程原因易发生过负荷的电动机应装设过负 荷保护 5 低电压保护 其装设原则如表 2 1 所示 2 2 5 380kV 低压厂用电动机的保护配置 低压厂用电动机配置以下保护 1 多相短路保护 根据电动机回路中的保护及操作设备 有以下方式之 一构成 a 由熔断丝与磁力起动器或接触器组成的回路 用熔断器作为多相 短路保护 b 由自动空气开关与磁力起动器或接触器组成的回路 用自动空气 开关本身的短路脱扣器作为多相短路保护 c 用自动空