300WM发电机组变压器继电保护

本科毕业设计说明书300WM发电机组变压器继电保护300WM Generator transformer relay protection学 院：机电工程学院专 业：姓 名：学 号：指导教师：职 称：论文提交日期：二一二年六月设计概况电力系统继电保护的设计与配置是否合理会直接影响到电力系统的安全运行，所以必须合理地选择保护配置和进行正确的整定计算。本次设计要求为2300MW发电机组变压器配置继电保护和自动装置，目的为通过本次设计，进一步加深对所学知识的理解，以及理解保护与保护之间的配合问题。大型发电机主变压器的造价昂贵，结构复杂，一旦发生故障遭到破坏，其检修难度大，检修时间长，要造成很大的经济损失。特别是单机容量占系统容量很大比例的情况下，大机组的突然切除，会对电力系统造成很大的扰动。所以它的安全运行是电力系统可靠工作的必要条件。电力变压器有别于发电机，它无旋转部件，是一种静止的电气设备，是连续运行的，停电机会很少，而且绝大部分安装在室外，受自然环境影响较大。另外，电力变压器时刻受到外界负荷的影响，特别是受电力系统短路故障的威胁较大。因此，电力变压器在运行中，仍然可能发生各种类型故障或出现不正常的工作状态。它的故障对电力系统的安全连续运行会带来严重影响，特别是大容量变压器的损坏，对系统的影响更为严重。为了保证供电的可靠性和连续性，必须根据电力变压器容量的大小、电压的高低和重要程度设置性能良好、动作可靠的继电保护装置。关键词：发电机组变压器;自动装置；整定计算；可靠性；连续性300WM Generator transformer relay protectionDesign OverviewPower system relay protection design and configuration is reasonable or not will directly affect the safe operation of power system, so we must rationally select the protection configuration and setting calculation are correct.The design of 2 300MW generator transformer relay protection and automatic device, for the purpose of the design, to further deepen the understanding, and the understanding of the matching problems between protection and protection.Large generator main transformer is expensive, complex structure, once malfunction destroyed, it is difficult to repair, maintenance time is long, will cause great economic losses. In particular system capacity capacity accounted for a large proportion of the cases, a large unit suddenly cut off, will to power system caused great disturbance. So its safe operation of electric power system reliability is a necessary condition. Power transformer is different from the generator, it has no rotating parts, and is a static electrical equipment, is the continuous operation of the power outage, few opportunities, but most are installed in the outdoor, natural environment influence. In addition, power transformer by the time of external load effects, in particular by power system short circuit fault of a greater threat. Therefore, power transformer in operation, may still occur on various types of fault or abnormal working state. Its the fault of the power system security and continuous operation can bring serious effect, particularly for large capacity transformer damage, more serious effects on the system.In order to ensure the reliability and continuity of power supply, must according to the electric power transformer capacity, voltage level and the importance of setting performance is good, reliable action of protective relay device.Key Words: Generator transformer; automatic device; setting calculation; reliability; continuity目录1 引言11.1 继电保护技术概述11.2 研究背景和意义12 短路电流计算22.1 技术参数22.1.1 设备技术参数22.1.2 参数计算32.2 短路电流计算32.2.1 三相短路计算32.2.2 不对称短路电流计算72.2.2.1 d1点单相接地短路92.2.2.2 d1点两相短路112.2.2.3 d2点两相短路132.3 短路电流列表163 变压器保护的选型及整定计算173.1 变压器的保护选型及装置介绍173.1.1 瓦斯保护183.1.2 纵联差动保护183.1.3 变压器的相间短路的后备保护203.1.4 零序电流保护203.1.5 过负荷保护213.2 变压器保护整定计算213.2.1 BCH-2型纵差保护整定213.2.2 复合电压启动的过电流保护整定253.2.3 零序电流保护的整定273.2.4 过负荷保护的整定273.2.5 瓦斯保护274 结语28致谢29参考文献29插图和附表清单1. 图1 系统等值图32. 图2 d1点短路等值图43. 图3 d2点短路等值图44. 图4 d1点短路等值图45. 图5 d2点短路等值图66. 图6 d1点短路正序图77. 图7 d1点短路负序图88. 图8 d1点短路零序图99. 图9 单相接地短路复合序网1010. 图10 两相短路复合序网1111. 图11 两相短路复合序网1212. 图12 d2点短路正序图1313. 图13 d2点短路负序图1414. 图14 两相短路复合序网1515. 图15 瓦斯保护原理图1816. 图16 差动保护原理图1917. 图17 BCH-2型差动保护继电器结构原理图1918. 图18 复合电压过电流保护原理图2019. 图19 过负荷保护原理图2120. 图20 220KV母线两相短路复合序网图1421. 图21 220KV侧短路负序图1511. 表1 变压器参数表212. 表2 发电机参数表213. 表3 短路电流标幺值表1614. 表4 短路电流有名值表1715. 表5 各侧数值表22 内蒙古农业大学学士学位论文 311 引言1.1 继电保护技术概述继电保护技术是随着电力系统的发展而发展起来的。电力系统中的短路是不可避免的。短路必然引起电流的增大，因而为了保护发电机免受电流的破坏，首先出现了反应电流超过一预定值的过流保护。熔断器就是最早的、最简单的过电流保护。这种保护方式至今仍广泛的应用于低压线路和用电设备。1890年出现了装设于断路器上直接反应一次短路电流的电磁型过电流继电器。20世纪初随着电力系统的发展，继电器才开始广泛应用于电力系统的保护。这个时代被认为是继电保护技术发展的开端。电力系统继电保护的基本性能应满足四个基本要求，即选择性、速动性、灵敏性、可靠性。这些要求之间，有的相辅相成，有的相互制约，需要针对不同的使用条件，分别进行调节。继电保护装置就是指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。它的基本任务包括如下两方面：1）发生故障时，自动、迅捷、有选择的将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭受破坏，保证非故障部分迅速恢复正常运行。2）对于不正常运行状态，根据运行维护条件，而动作于发出信号、减负荷或跳闸，且能与自动重合闸相配合。1.2 研究背景和意义电力系统继电保护的设计与配置是否合理会直接影响到电力系统的安全运行，所以必须合理地选择保护配置和进行正确的整定计算。本次设计要求为2300MW发电机组变压器配置继电保护和自动装置，目的为通过本次设计，进一步加深对所学知识的理解，以及理解保护与保护之间的配合问题。大型发电机主变压器的造价昂贵，结构复杂，一旦发生故障遭到破坏，其检修难度大，检修时间长，要造成很大的经济损失。特别是单机容量占系统容量很大比例的情况下，大机组的突然切除，会对电力系统造成很大的扰动。所以它的安全运行是电力系统可靠工作的必要条件。电力变压器有别于发电机，它无旋转部件，是一种静止的电气设备，是连续运行的，停电机会很少，而且绝大部分安装在室外，受自然环境影响较大。另外，电力变压器时刻受到外界负荷的影响，特别是受电力系统短路故障的威胁较大。因此，电力变压器在运行中，仍然可能发生各种类型故障或出现不正常的工作状态。它的故障对电力系统的安全连续运行会带来严重影响，特别是大容量变压器的损坏，对系统的影响更为严重。为了保证供电的可靠性和连续性，必须根据电力变压器容量的大小、电压的高低和重要程度设置性能良好、动作可靠的继电保护装置。2 短路电流计算2.1 技术参数2.1.1 设备技术参数1.发电机主要技术参数表1 变压器参数表型 号QFS-300-2容 量KW电 压18000KV电 流11320A功率因数0.85（滞后）转 速3000r/min功 率98.61%同步电抗226.39%瞬变电抗20.4%零序电抗16.7%2.主变压器主技术参数表2 变压器参数表型 号额定电压（KV）连接组号阻抗电压（%）SFP7-/220高压242+22.5%低压18、20Ynd11143.系统参数 最大运行方式 X1=X2=0.93158 X0=1.28634 最小运行方式 X1=X2=1.53472 X0=1.742622.1.2 参数计算等值图如下图所示：取Sj=300 MVA，UB=UAV图1 系统等值图发电机：G1 G2变压器：T1 T2 2.2 短路电流计算2.2.1 三相短路计算（1）最大运行方式下1）d1点三相短路时图2 d1点短路等值图此时流过T1 T2的短路电流标么值为2）d2点三相短路时图3 d2短路点等值图此时流过T1的短路电流标么值为流过T2的短路电流标么值为 （1）最小运行方式下1）d1点三相短路时图4 d1点短路等值图此时流过T1 T2的短路电流标么值为2）d2点三相短路时图5 d2点短路等值图此时流过T1的短路电流标么值为流过T2的短路电流标么值为 2.2.2 不对称短路电流计算 d1点短路正序图图6 d1点短路正序图 最大运行方式下 最小运行方式下 负序图图7 d1点短路负序图最大运行方式下最小运行方式下零序图图8 d1点短路零序图最大运行方式下最小运行方式下最大运行方式 最小运行方式 2.2.2.1 d1点单相接地短路根据单相接地短路的特点得复合序网图9 单相接地短路复合序网最大运行方式下结合公式（3-1），有 G1=1XT1+XG1=4.3 G2=1XT2+XG2=3.88 GS2= GS1=1XS1=1.07 G3=1XT1=8.57 G4=1XT2=8.57 GS0=1XS0=0.78流过T1的正序电流 IT1(1)=G1G1+G2+GS1 I(1)=1.67流过T1的负序电流 IT1(2)=G1G1+G2+GS2 I(1)=1.67流过T1的零序电流 IT1(0)=G3G3+G4+GS0 I(1)=1.732在点发生单相接地短路时，流过T1的短路电流 IT1(1)=IT1(1)+IT1(2)+IT1(0)=5.11最小运行方式下 I(1)= I(2)= I(0)=E X1+ X2+ X0 = G1=1XT1+XG1=4.3 G2=1XT2+XG2=3.88 GS2= GS1=1XS1=0.65 G3=1XT1=8.57 G4=1XT2=8.57 GS0=1XS0=0.57流过T1的正序电流 IT1(1)=G1G1+G2+GS1 I(1)=1.73流过T1的负序电流 IT1(2)=G1G1+G2+GS2 I(1)=1.73流过T1的零序电流 IT1(0)=G3G3+G4+GS0 I(1)=1.732在点发生单相接地短路时，流过T1的短路电流 IT1(1)=IT1(1)+IT1(2)+IT1(0)=5.1922.2.2.2 在点发生两相短路最大运行方式下两相短路的序网图只有正序网和负序网，正序网同图35，负序网同图36。 X1=0.1034 X2=0.1145根据两相短路的特点得复合序网 图10 两相短路复合序网结合公式（3-1），有 Ia1=E X1+ X2 =4.59 Ia2=Ia1=4.59 流过T1的正序电流 Ia1T1=G1G1+G2+GS1 Ia1=2.11流过T1的负序电流 Ia2T1=G1G1+G2+GS2 Ia2=2.11b相短路，流过T1的电流 IbT1=2Ia1T1+ Ia2T1=j3Ia1T1=j3.65=3.6590c相短路，流过T1的电流 IcT1=Ia1T1+2 Ia2T1=IbT1=j3.65=3.6590在点发生两相短路时，流过T1的短路电流 IT1(2)=3.65最小运行方式下两相短路的序网图只有正序网和负序网，正序网同图35，负序网同图36。 X1=0.1081 X2=0.1189根据两相短路的特点得复合序网 图11 两相短路复合序网结合公式（3-1），有 Ia1=E X1+ X2 =4.41 Ia2=Ia1=4.41 流过T1的正序电流 Ia1T1=G1G1+G2+GS1 Ia1=2.16流过T1的负序电流 Ia2T1=G1G1+G2+GS2 Ia2=2.16b相短路，流过T1的电流 IbT1=2Ia1T1+ Ia2T1=j3Ia1T1=j3.74=3.6590c相短路，流过T1的电流 IcT1=Ia1T1+2 Ia2T1=IbT1=j3.74=3.7490在点发生两相短路时，流过T1的短路电流 IT1(2)=3.742.2.2.3 d2点短路两相短路 正序图图12 d2点短路正序图最大运行方式下 最小运行方式下负序图图13 d2点短路负序图最大运行方式下最小运行方式下最大运行方式 最小运行方式 图14 两相短路复合序网最大运行方式下 Ia1=E X1+ X2 =5.5 Ia2=Ia1=5.5 Ia1T1=XG1 X1+ XG1 Ia1=5.5=1.52 Ia2T1=XG1 X1+ XG1 Ia2=1.52b相接地短路，流过T1的电流 IbT1=2Ia1T1+ Ia2T1=j3Ia1T1=j2.64=2.6490c相短路，流过T1的电流 IcT1=Ia1T1+2 Ia2T1= IbT1=j2.64=2.6490在点发生两相短路时，流过T1的电流 IT1(2)=2.64最小运行方式下 Ia1=E X1+ X2 =5.42 Ia2=Ia1=5.5 Ia1T1=XG1 X1+ XG1 Ia1=5.42=1.44 Ia2T1=XG1 X1+ XG1 Ia2=1.44b相接地短路，流过T1的电流 IbT1=2Ia1T1+ Ia2T1=j3Ia1T1=j2.50=2.5090c相短路，流过T1的电流 IcT1=Ia1T1+2 Ia2T1= IbT1=j2.55=2.5090在点发生两相短路时，流过T1的电流 IT1(2)=2.502.3 短路电流列表表3 短路电流标么值表 d1点 d2点三相短路单相接地短路两相短路三相短路两相短路最大最小最大最小最大最小最大最小最大最小4.304.305.11 5.193.653.743.303.162.642.50电流基准值表4 短路电流有名值表d1点d2点三相短路（A）单相接地路 两相短路(A)三相短路（A）两相短路（A）最大最小最大最小最大最小最大最小最大最小220KV电压侧322532253835.53892.527372805247523701980187518KV电压侧413664136649158.2499283511335979317463039925396.8240503 变保护的选型及整定计算3.1 变压器的保护选型及装置介绍电力变压器在运行中，可能发生各种类型的故障，对电力系统的安全连续运行会带来严重影响，特别是大容量变压器的损坏，对系统的影响更为严重。尤其是随着电力事业的发展，超高压输电线路在我国的建设越来越普遍，大容量超高压的大型电力变压器的应用也随之扩大，其运行是否正常直接关系到整个电网的可靠性。因此必须根据电力变压器容量的大小、电压的高低和重要程度，设置性能良好，动作可靠的继电保护装置。针对变压器的故障类型及不正常运行状态，应对变压器装设相应的继电保护装置，其任务就是反映上述故障或异常运行状态，并通过断路器切除故障变压器，或发出信号告知运行人员采取措施消除异常运行状态。同时，变压器保护还应能作相邻电气元件的后备保护。针对本次设计，故根据DL4001991继电保护和安全自动装置技术规程的规定，变压器应装设如下保护。3.1.1瓦斯保护为了反映变压器油箱内部各种短路故障和油面降低，对于容量为0.8MVA及以上的油浸式变压器均应装设瓦斯保护。原理图如下，图15 瓦斯保护原理图3.1.2 纵联差动保护纵联差动保护用来反映变压器绕组、套管及引出线上的相间短路，中性点直接接地系统中系统侧绕组和引出线的接地短路以及绕组匝间短路。根据变压器容量的不同，选择装设纵联差动保护。对于容量为6.3MVA及以上并列运行的变压器和10MVA及以上单独运行的变压器以及6.3MVA及以上的厂用变压器，应装设纵联差动保护。双绕组变压器纵联差动保护的单相原理接线图如图所示图16 差动保护原理图其保护区域在电流互感器之间。理想情况下，在变压器正常运行或保护区外部短路时，变压器各侧电流流入差动继电器的差动电流为零，保护不会动作；但在保护区内部故障时，流入差动继电器的差动电流等于故障点电流变换到电流互感器二次侧的值，此时保护动作。理想情况下，变压器纵联差动保护的动作判据为Ir0。本次设计对变压器配置的纵差保护采用BCH-2型继电器。BCH-2型差动继电器是具有带短路线圈的速饱和变流器，它能可靠地躲过变压器励磁涌流及保护区外故障时的不平衡电流。图17 BCH-2型差动继电器结构原理图BCH-2型差动继电器中各线圈的作用如下：a、 差动线圈（Ld）与电流互感器二次回路相连，产生差动磁通。b、 平衡线圈（Lbal1、Lbal2）是补偿于变压器两侧电流互感器计算变比与实际变比不同所产生的不平衡电流。c、 短路线圈（Lk、Lk）的作用是加强继电器躲避励磁涌流的能力。d、 二次线圈（L2）的作用是产生二次电势，使执行元件励磁。3.1.3 变压器相间短路的后备保护对于外部相间短路引起的变压器过电流，应作瓦斯保护和纵联差动保护的后备保护。根据变压器容量和系统短路电流水平的不同，变压器相间短路的后备保护可采用过电流保护、低压起动的过电流保护、复合电压起动的过电流保护、负序过电流保护和阻抗保护等。针对本次设计被保护的变压器，选用复合电压起动的过电流保护。复合电压起动的过电流保护，通常用于升压变压器、系统联络变压器和过电流保护灵敏度不满足要求的降压变压器。复合电压起动的过电流保护原理接线图如下所示， 图18 复合电压过电流保护原理图电流起动元件由接于相电流的继电器KA1KA3构成，电压起动元件由反应不对称短路的负序电压继电器KVN和反应对称短路接于相间电压的低电压继电器KVU构成。只有电流起动元件和电压起动元件都动作时才能起动保护出口回路。3.1.4 零序电流保护在110KV及以上中性点直接接地的电网中，接地短路是常见的故障形式，因此，对于该系统中的变压器，在其高压侧应装设零序保护。220KV及以上的大型变压器，高压绕组采用分级绝缘。本次零序保护的变压器采用中性点装设放电间隙。3.1.5 过负荷保护如果变压器过负荷运行时间过长，将使绕组绝缘老化，影响绕组绝缘寿命，因此还必须装设过负荷保护。变压器的过负荷保护反应变压器对称过负荷引起的过电流。变压器过负荷在大多情况下都是三相对称的，因此，过负荷保护只需接于一相电流上，装于各侧的过负荷保护均经过同一时间继电器经整定延时作用于信号。对于双绕组变压器，过负荷保护应装在电源侧。变压器过负荷保护原理图如下，图19 过负荷保护原理图3.2 变压器整定计算3.2.1 BCH-2型纵差保护的整定（1）按平均电压（变压器额定电压及变压器最大额定容量）计算各侧二次额定电流，完成主变电流互感器参数、额定电流、平衡系数的计算。1)一次侧额定电流式中 变压器额定容量。 变压器各侧额定电压；2)选择电流互感器变比为式中 为电流互感器接线系数。当三角形接线时，；当为星形接线时，。 选择标准变比3)二次侧额定电流式中 为电流互感器接线系数。当三角形接线时，；当为星形接线时，。表5 各侧数值表额定电压24218额定电流90212124电流互感器接线Y电流互感器计算变比12124/5电流互感器实际变比1800/515000/5流入差动臂中电流4.344.04不平衡电流00.3由表计算结果可知，220kv侧为基本侧(2)计算各侧外部短路时的短路电流值按短路电流计算方法进行各侧短路电流值的计算。 (3)计算差动保护的动作电流按下述条件计算差动保护的动作电流，并选取最大者1)按躲过变压器空投时和外部故障切除后电压恢复时变压器产生的励磁涌流计算，即 式中 保护动作电流； 变压器额定电流（折算至基本侧）；可靠系数，取1.3。 2)按躲过外部短路时的最大不平衡电流计算，即 式中 不平衡电流；可靠系数，取1.3。 电流互感器最大相对误差，取0.1; 电流互感器同型系数。同型号时，=0.5;不同型号时，=1； 在变压器两侧因有调压分接头引起的相对误差，一般可取调整范围之半；继电器整定匝数与计算匝数不等所引起的相对误差，可先取0.05。 外部短路时流过变压器的最大短路电流3)按躲过电流互感器二次回路断线时计算，即 式中 正常运行时变压器的最大负荷电流。当不能确定时，采用变压器额定电流。计算中，各侧所有的短路电流均应归算到基本侧。这样求出的是基本侧的动作电流计算值（）。选用上述三条件算得的最大值作为保护动作电流的计算值。(4)基本侧继电器线圈匝数计算变压器基本侧直接接差动线圈，其余两侧接相应的平衡绕圈。基本侧继电器动作电流计算为 式中 基本侧保护动作计算值； 基本侧电流互感器变比； 电流互感器的接线系数。基本侧继电器线圈匝数（差动线圈匝数）计算为 式中 差动绕组的动作安匝，一般可用实测值。若无此值，可采用额定值，即；接继电器线圈实有抽头，选用较计算值小而相近的抽头匝数，作为差动线圈的整定匝数匝，平衡线圈匝。基本侧实际的差动继电器动作电流为 保护的一次动作电流计算 式中 电流互感器变比；为电流互感器接线系数。当三角形接线时，；当为星形接线时，。 (5)非基本侧平衡线圈计算匝数 选用接近的整数匝数，作为平衡线圈的实际整数匝数（6）确定相对误差，即 则以上计算有效(7)保护灵敏度计算，即1）在系统最小运行方式下，18KV侧发生两相短路时，保护装置灵敏度最低 式中 变压器差动保护范围内短路时，最小短路电流有名值（归算到基本侧）此处为最小运行方式下d2点的两厢短路电流； 接线系数，此处为2）在系统最小运行方式下，220KV侧发生单相接地短路时，保护装置灵敏度最低灵敏度系数满足要求3.2.2 复合电压起动的过电流保护1）电流元件动作电流按变压器额定电流整定 式中 变压器的额定电流。 可靠系数，采用1.2； 返回系数，采用0.85。继电器动作电流 2）低电压继电器动作电压按躲过正常运行时母线的最低工作电压（如电动机自起动时）整定，根据运行经验，可取 式中 额定相间电压； 继电器动作电流3）负序电压继电器的动作电压按躲过正常运行时的最大不平衡电压整定。4）灵敏系数a)负序电压继电器灵敏系数图20 220kv母线两相短路复合序网图21 220kv侧短路负序图式中 相邻元件末端两相金属性短路时保护安装处最小负序电压。符合灵敏度要求b）低电压继电器灵敏系数符合灵敏度要求5）动作时间设定动作时间为0.5s3.2.3零序电流保护的整定 以主变压器中性点装设放电间隙构成方式整定定值。 零序电流元件的动作电流可根据间隙放电电流的经验数据整定，一般取一次动作电流值为100A。 零序电压元件的动作电压