发电厂保护原理及其整定计算的研究学位论文

1、2016 届分类号：单位代码：10452毕业论文（设计）发电厂保护原理及其整定计算的研究姓名杜国禾I学号201409920507年级 2014专业电气工程及其自动化系（院）汽车学院指导教师 2016年 月 日临沂大学2016届本科毕业设计摘要随着电力工业的不断发展，发电厂规模和发电机容量也随之不断扩大，随之而来的是由于继电保护设备的不断更新， 我国线路保护在理论、装置制造和运行 管理等方面都有了较高水平，但是元件保护却不尽人意，其研究、运行以及管理 都与线路保护有较大的差距。因此，如何在熟悉保护原理的基础上对大型发电机 变压器进行合理的保护配置和正确的整定计算以及提高元件保护的运行水平已 成为

2、一个十分重要的课题。本文首先研究了发电厂主设备的主保护的原理和整定计算方法，包括发电机、变压器、发电机变压器组、电动机等主设备。其次发电机的主保护主要介绍了发电机主保护分析、 发电机转子匝间短路或 两点接地分析、发电机其它保护分析。变压器的保护整定计算中，本论文着重对变压器主保护和后备保护两个方面 进行阐述本文最后对新形势下大型发电机变压器保护的发展方向进行了一定展望。关键字：发电机；变压器；主保护；整定计算14AbstractWith the con ti nu ous developme nt of power in dustry, power pla nt scale and the c

3、apacitance of the generator is also increasing, the attendant is due to the continuous update of relay protection equipment, line protection in China in theory, device manufacturing and operating management have higher level, but is unsatisfactory protection element, its research, operation and mana

4、gement are with the line protection have larger gap. Therefore, how to in the familiar protection principle based on the large gen erator tran sformer were reas on able protecti on con figuratio n and correct setti ng calculati on and improve operatio n eleme nt protecti on has become a very importa

5、 nt issue.Firstly, this paper studies the main power pla nt equipme nt protecti on prin ciple and setting calculation method, which comprises a generator, transformer and gen erator tran sformer un it, motors and other main equipme nt.Secon dly the mai n protecti on of the gen erator is mai nly in t

6、roduced the gen erator main protection analysis, generator rotor turn to turn short circuit or two point grounding an alysis, gen erator other protect ion an alysis.Protectio n sett ing calculati on of tran sformer, this paper focuses on two aspects of tran sformer main protectio n and backup protec

7、ti onIn the end of this paper, the developme nt direct ion of large gen erator tran sformer protect ion un der the new situati on is prospected.Keywords: Electric generator; Voltage transformer; Main protection; Setting calculati on目录1绪论51.1问题的提出51.2发电厂继电保护及整定计算的发展和现状 62发电机保护原理 72.1发电机差动保护72.1.1比率制动

8、式纵差保护 82.1.2不完全纵差保护 92.1.3横差保护92.2发电机转子匝间短路或两点接地保护 102.3发电机失磁保护 103变压器保护原理 113.1变压器内部故障的主保护整定计算 113.1.1变压器瓦斯保护 113.1.2 变压器纵差动保护整定 121绪论1.1问题的提出发电厂继电保护装置是电力系统安全保障体系的重要组成部分。电力系统的发展，电网结构的日趋复杂以及大容量机组的系统中的不断应用，都对电网和电力设备的安全稳定运行提出了更高的要求，当系统由于自然的、人为的或设备故障等原因，使发电厂的某处发生故障或不正常运行状态时，继电保护装置能迅速将故障部分切除，以保证发电厂及电力系统

9、运行的稳定性， 并最大限度地使发电 厂的非故障部分继续可靠地供电。 国内外无数实例证明，继电保护装置是发电厂 电力系统安全运行的保证，它们在电力系统的安全稳定运行中发挥着非常重要的 作用。保护定值的整定计算是电力系统继电保护工作的一个重要组成部分。保护定值的正确与否决定着保护装置能否发挥作用，从而决定着能否避免事故的进一步 扩大。无论保护装置采用的原理如何先进， 算法如何精确，硬件设计多么严密可 靠，如果给定的定值是不可靠的，则保护装置就不能正常工作。经调查发现，其中2003年100MW 及以上发电机保护正确动作率为 97.02%,比2002年的正确动作率（98.32%）下降了 1.3个百分点

10、。其中，差动保 护和接地保护的不正确动作次数较多。2004年全国电网交流系统全部继电保护 装置正确动作率为 99.88%。元件保护装置正确动作率为 90.16%，比2003年 的正确动作率90.43%下降了 0.27%。其中100MW及以上发电机保护正确动作 率为97.76%。2000年2004年发电机保护动作情况见表 1-1。可见，2000年2004年发电机保护平均正确动作率 97.73%较220k V 及以电网保护的正确动作率 99.21%还有一定距离。造成发电机保护不正确动作 的主要原因有运行维护管理方面的责任（如：运行维护不良、误整定、绝缘老化 等），有制造部门的责任（如制造质量不良、

11、原理缺陷等、软件冋题、其他等），以及设计部门的责任（设计接线不合理）等。其中误整定是造成这种局面的一个 重要原因。因此，做好继电保护整定计算工作对于满足电网对继电保护装置提出的四性 要求，充分发挥继电保护装置的性能和保证电力系统的安全运行具有重要意义。表1-12000年一2004年100MV及以上发电机保护正确动作率统计年份动作总次数正确动作次数不正确动作次数正确动作率%误动拒动200064862918197.0720018788621698.1820027727591398.3220036386191997.0220045815681397.76总计3517343779197.731.2发电

12、厂继电保护及整定计算的发展和现状以前发电厂继电保护主要以人工手算方法为主这是一项十分繁重的工作，通常得经过以下几步：对发电厂设备参数进行标幺值计算； 对各序网网络化简得到 短路点的各序综合阻抗；根据故障类型计算故障点的各序电流； 计算待计算支路 的电流或节点电压，并进行标幺值和有名值的转换；根据所选保护原理、当前用 户的经验、上述故障分析结果进行保护整定计算；生成定值单。从以上过程可以 看出，以人工手算为主的整定方式工作负荷是非常大的， 而且当系统的结构或保 护设备发生变化时，又要重新进行计算。随着计算机技术的飞速发展，使得原有发电厂继电保护水平得到了很大改 善，从20世纪70年代开始，继电保

13、护整定计算从人工手算进入了利用数字计 算机进行计算的新时期。我国有关部门陆续开展了应用计算机进行继电保护整定 计算的研究工作，出现了依靠人工经验的图形化整定计算程序， 并逐步发展到整 定计算及定值通知单形全过程一体化整定计算阶段。目前国内所用的主设备保护装置的生产厂家多而杂，因此现场采用的保护装置类型繁多，相应的整定计算也不尽相同。保护原理及其配置方案各异，微机保 护的整定量大，整定工作复杂，如一般一台发电机和变压器系统所配备的保护就 有40余种，人工整定计算费时，考虑到目前电力系统的改革和讨论较多的主设 备保护的双重化，造成定值的管理难度也大；而且又由于主设备内部故障，各种 故障电量和非电量

14、的分析非常复杂，目前的故障分析水平还只局限于设备引出 端，所以整定过程非常依赖整定人员的经验， 而每一个整定人员的经验是有差别 的；所以对于电厂而言，拥有一套能用于整定计算不同型号的主设备、 不同厂家 保护装置的整定系统具有很大的实用价值。目前国内发电厂主设备保护的现状是： 一方面多种形式保护并存。新建的电 厂、电站多采用微机保护，而老电厂还存在着各种电磁型、晶体管、集成电路保 护，这些传统保护正在不停地更换为微机保护。 另一方面发电厂主设备保护整定 计算还多采用传统的手工计算，整定系统应用相对滞后。2发电机保护原理大型发电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

15、,检修期长,给国民经济造成的直接或间接经济损失巨大。作为大型 发电机内部故障的主保护，它的拒动或误动，均将产生严重后果，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电流； 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对 称负荷（如单相负荷，非全相运行等）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

16、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。因此，大型发电机应当既有相间短路保护，也有匝间短路保护。2.1发电机差动保护发电机的差动保护有纵差保护和横差保护之分。纵差保护又有完全纵差保护和不完全纵差保护。发电机各种差动保护功能比较见表2-1表2-1发电机各种差动保护功能对比发电机差动保护纵差保护横差保护完全差动不完全差动适用于发电机，反映匝间短路和机内绕组相间 短路适用于任意发 电机，反映绕 组相间短路适用于定子绕 组每相有两分 支和多分支，反映绕组相间 短路、匝间短 路2.1.1比率制动式纵差保护纵差动保护是发电机内部相间短路故障的主保护。如图所示为无制

17、动特性的发电机纵联差动保护原理接线。它应快速而灵敏地切除内部所发生的故障。同时, 在正常运行及外部故障时，又应保证动作的选择性和工作的可靠性。满足这些要 求是确定纵联差动保护整定值的原则。无制动特性的纵联差动保护起动电流要躲 开电流互感器（TA）断线及外部故障时的最大不平衡电流整定，其值较高，保护 灵敏度较低。这种保护一般用于中小型发电机，而对于100MW及以上的发电机，广泛用于具有比率制动特性的纵联差动保护。（发电机纵联差动保护原理接线）当纵联差动保护区外发生短路故障时，按照图中所示极性关系可知，流入制动线圈Wresl、Wres2的两个电流大小相等、方向相同，制动回路有输出；而流 入工作线圈

18、WV的电流为零，差动回路无输出。因此，纵联差动保护不动作。当纵联差动保护区内部发生短路故障时，如果流入制动线圈Wresl、Wres2的两侧短路电流大小相等、方向相反，则两侧制动线圈的制动作用相抵消； 而流入工作线圈 WV的电流为两侧电流之和，差动回路有输出；因此，纵联差动 保护动作于跳闸。当工作线圈匝数NW与制动线圈匝数Nresl、Nres2的关系为 Nres1=Nres2=NW/2时，保护的动作量lop与制动量Ires分别为|op =2.1.2不完全纵差保护传统的纵差保护只能对发电机及其引线的相间短路有效，而匝间故障不能保 护，功能较窄。近年来国外又提出不完全纵差保护方案， 并在大型水轮机中

19、得到 初步应用，该保护综合传统横差和纵差保护的原理，将传统纵差保护的中性点侧 按相安装的互感器改接在每相的部分并联分支电路中，从而将保护功能扩大为对相间、匝间短路及分支开焊均起作用的一种新保护，它可以作为发电机内部故障的第二主保护和引线故障的第一主保护。当然这种功能扩展是以原单项性能折衷 为代价的，即对于某些部位的相间或匝间短路不完全差动保护方案的灵敏度将低 于纵差保护。必须指出不完全纵差保护应审慎地在分支数大于的多分支大型发电机上采 用。因为每相分支数很多时，某个不装设互感器的分支发生故障，在装设互感器的 那些非故障分支中的电流可能很小，不完全纵差保护有可能拒绝动作。不完全纵差保护的制动电流

20、可考虑仅接入机端相电流，这样简化不影响外部 短路的制动作用，但在内部短路时有一定的提高灵敏度的好处。2.1.3横差保护横差保护可以作为发电机内部匝间短路、相间短路和定子绕组开焊的主保 护。根据具体的原理和实现方式来分，横差保护主要有单元件横差保护、高灵敏 单元件横差保护和裂相横差保护。单元件横差保护和高灵敏横差保护在现场中应 用较多。采用装设于两中性点之间的构成的横差保护为单元件横差保护在发电机 电动势波形畸变时，尤其在外部故障情况下，中将出现以三次谐波为主的高次谐 波分量,所以单元件横差保护具有较高的三次谐波滤过比，其中高灵敏单元件横差保护的更高。它们的整定量有动作电流工。和延时。动作电流的

21、整定算法见一其中Kap为暂态系数,一般取2,Iunb.I.max、IUNB.3.max分别为外部短路时流过 的基波、三次谐波零序电流最大值，通常需要对发电机做常规短路试验，绘制相关 的基波一试验电流、三次谐波一试验电流的波形,从而推算lunb.I.max、lunb.3.max,K3为三次谐波滤过比。4999横差保护设定延时主要考虑到转子回路短时两点接地造成横差误动的情况。当发电机转子回路两相接地时，转子回路磁平衡破坏，在定子绕组的并联分支 中将感应出不同的电势，从而使并联分支中性点的连线上通过较大电流,使横差保护误动。通常延时整定为 0.5s1s。2.2发电机转子匝间短路或两点接地保护发电机发

22、生转子一点接地如来不及处理， 就可能发生转子两点接地保护，发 生两点接地后，故障特征和机理就和转子匝间短路是一样了。同步发电机转子匝间短路是一种常见的电气故障， 发生这种故障的主要原因 有：（1）发电机启、停时的离心力或负荷变化所引起的热胀冷缩，使转子线圈发 生位移、变形或局部绝缘损坏，造成匝间短路；（2）检修或运行时在转子绕组的 通风槽内落入异物，造成转子线圈匝间短路；（3）制造质量较差，转子线圈有毛 刺或留有异物颗粒等，都可能在运行中导致转子线圈匝间短路。 虽然发电机在轻 微转子匝间短路故障时仍可在一定条件下坚持运行， 但当发展到一定程度时，会 因匝间短路，减弱发电机有效磁场，在同样运行工

23、况下需要较大的励磁电流，甚至可能因此而降低发电机的出力或由于不对称短路导致振动加剧。此外，短路点处的局部过热可能使故障进一步扩大为转子绕组接地故障。转子一点接地时由于没有形成闭合通路，励磁绕组参数没有改变，所以不会 造成直接的危险，然而如果再发生第二点接地，即形成两点接地，此时一部分励 磁绕组被短接，便会烧坏绕组绝缘及铁芯，而且由于转子磁通的对称性受到破坏， 会引起机组的振动，振动的程度与励磁电流的大小及短接线圈的多少有关，在多极水轮机上振动尤为严重。由上可知，发生转子线圈匝间短路故障占故障总数的比重较大，较多的发电机都发生过或存在转子线圈匝间短路故障，由于其对机组正常运行影响不大或故 障特征

24、不明显，许多匝间短路故障都被忽略了，但长期运行下去匝间短路故障会 导致转子线圈一点甚至两点接地，而且发电机长期运行在故障状态也会对其寿命 产生影响，导致恶性事故的发生。2.3发电机失磁保护失磁保护整定量有高压母线或发电机机端低电压定值Uop.l，见式（3-14），Uh为高压侧母线或发电机机端额定电压。现场应用较多的失磁保护阻抗继电器有静稳阻抗圆和异步阻抗圆。静稳阻抗圆为发电机处于临界失稳状态时的阻抗圆，进入静稳阻抗圆将会对发电机和系统造成 危害。异步阻抗圆为发电机进入异步运行状态所对应的阻抗圆。由于水轮发电机通常不允许异步运行，即使大型的汽轮发电机也仅在一定条件下允许异步运行。 在现场中不同厂

25、家的保护装置整定方法有所不同，具体整定计算公式见（3-15），其中dX、dX、qX分别为发电机暂态电抗、同步电抗和交轴电抗，nU为发电机机端额定线电压，nS为发电机额定视在功率，conX为发电机与系统 间的联系电抗（包括升压变压器阻抗）。（见 2006 111）3变压器保护原理变压器保护主要包括1瓦斯保护：防止变压器油箱内各种短路故障和油面降低，其中重瓦斯跳闸、轻瓦 斯发信号。2纵联差动保护和电流速断保护：防止变压器绕组和引出线多相短路、 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（包括过电流保护）：防止变压器外部相间短路并作为瓦 斯保护和差动保护的后备。

26、4零序电流保护：防止大接地电流系统中变压器外部接地短路。3.1变压器内部故障的主保护整定计算变压器的内部故障可以分为油箱内和油箱外两种。 油箱内的故障包括绕组的 相间短路、接地短路、匝间短路以及铁心的烧损等 ，对变压器讲，这些故障都是十 分危险的，因为油箱内产生的电弧，将引起绝缘物质的剧烈气化，从而可能引起爆 炸，因此，这些故障应该尽快加以切除，油箱外的故障，主要是套管和引出线上发生 相间短路和接地短路。根据上述故障类型，对变压器应装设下列保护。3.1.1变压器瓦斯保护瓦斯保护是变压器油箱内部故障的一种主要保护，特别是铁芯故障。无论差动保护或其他内部短路保护如何改进提高性能，都不能代替瓦斯保护。瓦斯保护是反应变压器油箱内各种故障的主保护。 当油箱内故障产生轻微瓦 斯或油面下降时，瓦斯保护影瞬时动作于信号当产生大量瓦斯时，应顺势动作于断 开变压器各侧断路器。瓦斯保护动作于信号的轻瓦斯部分，通常按产生气体的容积整定。对于容量10MVA及以上的变压器，整定容积为250300ml。