继电保护原理

1、 摘要 由于大型水电站的母线、发电机和变压器的结构比较复杂，在运行过程中都可能会发生各种各样的故障和异常运行状态，为了确保在保护范围内发生故障，都能有选择性的快速切除故障，需要配置多种继电保护装置，必要时进行多重化配置，从而将水电站中重要设备的危害和损失降到最小，对电力系统的影响最小。发电厂和变电所母线是电力系统中的中的一个重要组成部件，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；而变压器是电力系统十分重要的供电元件再者，发电机、变压器本身就是十分贵重的电气元件，所以，继电保护装置对大型水电站的正常运行起着至关重要的作用。本文主要通过分析原始资料中主要设备的参数，首先，

2、需要对电力系统保护原理进行全面系统的复习、查阅相关资料，加深理解；其次，结合相关参数和各种继电保护原理，确定适用于电力系统的保护方案，最后，分别对母线处、发电机和变压器进行整定计算和配置，并且根据系统一次设计图给出部分二次设计及其配置图和一般原理图。关键词：继电保护、发电机、变压器、母线、二次回路 目 录 前 言1第1章 电力系统继电保护简论31.1 继电保护的作用31.2 继电保护的基本要求、原理、构成与分类4基本要求4基本原理41.2.3 构成7分类8第2章 主变压器保护设计92.1.变压器保护重要性92.2.变压器的故障类型和不正常运行状态92.3 变压器保护配置原则102.4 变压器纵

3、联差动保护122.4.1 构成变压器纵差动保护的基本原则122.4.2 变压器差动保护的不平衡电流162.5变压器后备保护212.5.1 低电压启动的过电流保护21变压器零序电流保护22过负荷保护232.6 变压器保护的整定计算242.6.1 瓦斯保护的整定24变压器纵差保护正定计算24过电流保护整定计算27低电压启动的过电流保护整定计算27第3章 发电机保护设计293.1发电机故障及不正常运行状态29发电机故障类型293.1.2 不正常运行状态293.3发电机纵差保护31工作原理31发电机纵差保护整定323.4发电机横差保护343.5发电机定子绕组单相接地保护363.5 发电机负序电流保护3

4、63.5.1 定时限过电流保护363.5.2 反时限负序过电流保护383.6发电机失磁保护393.7励磁回路一点接地保护393.8复合电压启动的过电流保护403.9 发电机保护的整定计算413.9.1 BCH-2型继电器构成的差动保护413.9.2 横联差动保护整定计算433.9.3 复合电压启动的过电流保护43 前 言本次设计的主要内容是针对电力系统中可能出现的各种不正常状态和故障状态，对水电站的发电机、主变压器和母线的保护配置及二次回路设计，参照电力系统继电保护及电力工程电气设备手册·电气二次部分，并依据继电保护配置原理，对所选择的保护进行整定和灵敏性校验从而来确定方案中的保护是

5、否适用来编写的。设计首先是对保护的原理进行分析,保护的整定计算及灵敏性校验。其次是各种设备的保护配置图和二次回路图。文章内容包括原理分析、保护整定计算和灵敏性校验。其中发电机采取纵联差动保护、横联差动保护和定子绕组接地保护等；变压器主保护采用的是纵联差动保护和瓦斯保护，两者结合做到优势互补，后备保护是复合电压启动过电流保护；母线保护采取的是母联比相式差动保护，简单可靠。第1章 电力系统继电保护简论1.1 继电保护的作用电力系统运行要求安全可靠。但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖的地域辽阔。因此，受自然条件、设备及人为因素的影响（如雷击、倒塔、内部过电压或运行人员误操作

6、等），电力系统会发生各种故障和不正常运行状态。最常见、危害最大的故障是各种形式的短路。故障造成的很大的短路电流产生的电弧使设备损坏。从电源到短路点间流过的短路电流引起的发热和电动力将造成在该路径中非故障元件的损坏。靠近故障点的部分地区电压大幅度下降，使用户的正常工作遭到破坏或影响产品质量。破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使该系统瓦解和崩溃。所谓不正常运行状态是指系统的正常工作受到干扰，使运行参数偏离正常值，如一些设备过负荷、系统频率或某些地区电压异常、系统振荡等。故障和不正常运行情况常常是难以避免的，但事故却可以防止。电力系统继电保护装置就是装设在每一个电气设备上，用来反映它们

7、发生的故障和不正常运行情况，从而动作于断路器跳闸或发出信号的一种有效的反事故的自动装置。它的基本任务是：自动、有选择性、快速地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件损坏程度尽可能降低，并保证该系统中非故障部分迅速恢复正常运行。反映电气元件的不正常运行状态，并依据运行维护的具体条件和设备的承受能力，发出信号、减负荷或延时跳闸。应该指出，要确保电力系统的安全运行，除了继电保护装置外，还应该设置电力系统安全自动装置。后者是着眼于事故后和系统不正常运行情况的紧急处理，以防止电力系统大面积停电和保证对重要负荷连续供电及恢复电力系统的正常运行。例如自动重合闸、备用电源自动投入、自动切负荷、快关汽门、电气制

8、动、远方切机、在按选定的开关上实现系统解列、过负荷控制等。随着电力系统的扩大，对安全运行的要求也越来越高。为此，还应设置以各级计算机为中心，用分层控制方式实施的安全监控系统，它能对包括正常运行在内的各种运行状态实施控制，这样才能更进一步地确保电力系统的安全运行。1.2 继电保护的基本要求、原理、构成与分类1.2.1基本要求对作于跳闸的继电保护，在技术上应满足四个基本要求，及可靠性、选择性、性和灵敏性1.2.2基本原理要完成继电保护的基本任务，首先要提取和利用电力元件在三种运行状态下的“差异”，然后“区分”出三种运行状态（正常、不正常和故障状态），最后是“甄别”出发生故障和出现异常的元件。目前已

9、经发现不同运行状态下具有明显差异的电气量有：流过电力元件的相电流、序电流、功率及其方向；元件的运行相电压幅值、序电压幅值；元件的电压与电流的比值即“测量阻抗”等。（a）正常运行情况（b）三相短路情况图1-1 我国常用的110kV及以下单侧电源的供电网络发现并正确利用能可靠区分三种运行状态的可测参量或参量的新差异，就可以形成新的继电保护原理。在此以图1-1为例分析一下利用不同电气量特征分别能构成哪种保护：1.线路电流幅值2.母线的相间或对地电压幅值3.线路始端电压与电流之比（即测量阻抗）图1-2 220kV及以上多侧电源的输电网路如图1-2所示，其中：正常运行如图1-2（a）所示，如果规定电流的

10、正方向是从母线流向线路，那么，A-B两侧电流的大小相等，相位相差，两侧电流的矢量和为零。外部短路如图1-2（b）所示，如果规定电流的正方向是从母线流向线路，那么，A-B两侧电流的大小相等，相位相差，两侧电流的矢量和为零。内部短路如图1-2（c）所示，两侧电源分别向短路点供给短路电流和，都是由母线流向线路，此时两个电流一般不相等，在理想条件下（两侧电势同相位且全系统的阻抗角相等），两个电流同相位，两个电流的矢量和等于短路点的总电流，其值较大。其他类型的保护有：1.纵联保护利用某种通信通道同时比较被保护元件两侧正常运行与故障时电气量差异的保护。电流差动保护利用内部与外部短路时两侧电流矢量的差别构成

11、。电流相位差动保护利用内部与外部短路时两侧电流相位的差别构成。图1-3 过电流保护单相原理图方向比较式纵联保护利用内部与外部短路时两侧功率方向的差别构成。以上保护常被用做220kV及以上输电网络和较大容量发电机、变压器、电动机等电力元件的主保护。2.反映非电量特征的保护气体保护当变压器油箱内部的绕组短路时，反应于变压器油受热分解所产生的气体保护。过热保护当变压器油箱内部的绕组短路时，反应于电动机绕组温度的升高而构成的保护。1.2.3 构成以过电流保护为例：（如图1-3所示）正常运行： LJ不动故障时： LJ动 SJ动（延时） XJ动 信号 TQ动 跳闸保护装置由测量元件、逻辑元件和执行元件三部

12、分组成。（如图1-4所示）图1-4 继电保护装置组成方框图（1） 测量元件测量从被保护对象输入的有关物理量（如电流、电压、阻抗、功率方向等），并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”等具有“0”或“1”性质的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启动。（2）逻辑元件根据测量部分输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的布尔逻辑及时序逻辑工作，最后确定是否应跳闸或发信号，并将有关命令传给执行元件。逻辑回路有：或、与、非、延时启动、延时返回、记忆等。（3）执行元件：根据逻辑元件传送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。如：故障

13、时跳闸；不正常运行时发信号；正常运行时不动作。1.2.4分类通常分为以下几类：（1）按被保护的对象分类：输电线路保护、发电机保护、变压器保护、电动机保护、母线保护等；（2）按保护原理分类：电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、零序保护等；（3）按保护所反应故障类型分类：相间短路保护、接地故障保护、匝间短路保护、断线保护、失步保护、失磁保护及过励磁保护等；（4） 按构成继电保护装置的继电器原理分类：机电型保护（如电磁型保护和感应型保护）、整流型保护、晶体管型保护、集成电路型保护及微机型保护等；（5） 按保护所起的作用分类：主保护、后备保护、辅助保护等；主保护满足系统稳定和设备安全要求

14、，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护。后备保护主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。又分为远后备保护和近后备保护两种。远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现的后备保护。近后备保护：当主保护拒动时，由本设备或线路的另一套保护来实现后备的保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现近后备保护。辅助保护：为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护。第2章 主变压器保护设计2.1.变压器保护重要性变压器是电力系统中大量使用的重要电 气设备，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

15、静止的电气设备，结构比较简单，运行可靠性较高，发生故障的机会相对较少。但是，变压器是连续运行的，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，变压器时刻受到外接负荷的影响，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，仍然有可能发生各种类型的故障或出现不正常工作状态。它的故障对电力系统的安全连续运行会带来严重的影响。特别是大容量变压器的损坏，对系统的影响更为严重。因此，考虑到变压器在电力系统中的重要地位及故障和不正常工作状态可能造成的严重后果，必须根据电力变压器容量和重要程度装设相应的继电保护装置。2.2.变压器的故障类型和不正常运行状态（1）变压器故障类型变

16、压器的故障可分为油箱外和油箱内两种故障。油箱外的故障主要是套管和引出线上发生相间短路及接地短路。油箱内的故障包括绕组间相间短路、接地短路、匝间短路及铁芯的烧损等。油箱内故障时产生的电弧，不仅会损坏铁芯的绝缘、烧毁贴心，而且由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生大量的气体，有可能引起变压器油箱爆炸。对于变压器发生的各种故障，保护装置应尽快的将变压器切除。实践表明，变压器套管和引出线上的相间短路、接地短路、绕组的匝间短路是比较常见的故障形式；而油箱内发生短路的情况比较少。（2）变压器不正常工作状态变压器的不正常工作状态主要有：油箱外部短路引起的过电流，负荷长时间超过额定容量引起的过负荷，风扇故障或

17、漏油等原因引起冷却能力的下降等。这些不正常运行状态会使绕组和铁芯过热。此外，对于中性点不接地运行的星形接线变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性点过电压，威胁变压器的绝缘；大容量变压器在过电压或低频率等异常运行工况下会使变压器过励磁，引起铁芯和其它金属构件的过热。变压器处于不正常运行状态时，继电保护应根据其严重程度，发出报警信号，使运行人员及时发现并采取相应的措施，以确保变压器的安全。变压器油箱内故障时，除了变压器各侧电流、电压变化外，油箱内的油、气、温度等非电量也会发生变化。因此，变压器保护分电量保护和非电量保护两种。非电量保护装设在变压器内部。线路保护中采用的许多保护如过电流保护、纵差

18、动保护等在变压器的电量保护中都有应用，但在配置上有区别。2.3 变压器保护配置原则1.反应变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护容量为800kVA及以上的油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。当油箱内部故障产生轻微瓦斯或油面下降时，保护装置应瞬时动作于信号；当产生大量瓦斯时，瓦斯保护宜动作于断开变压器各电源侧断路器。对于高压侧未装设断路器的线路变压器组，在采取瓦斯保护切除变压器内部故障时，瓦斯保护可仅动作于信号。对于容量为400kVA及以上的车间内油浸式变压器，也应装设瓦斯保护。2.相间短路保护反应变压器绕组和引出线的相间短路的纵联差动保护或电流速断保护，对其中性点直接接地侧绕组和引出线的接地短路以

19、及绕组匝间短路也能起保护作用。容量为6300kVA以下并列运行的变压器以及10000kVA以下单独运行的变压器，当后备保护时限大于0.5s时，应装设电流速断保护。容量为6300kVA及以上、厂用工作变压器和并列运行的变压器、10000kVA及以上厂用备用变压器和单独运行的变压器、以及2000kVA及以上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。对高压侧电压为330kV及以上的变压器，可装设双重差动保护。对于发电机变压器组，当发电机与变压器之间有断路器时，变压器应装设单独的纵联差动保护。当发电机与断路器之间没有断路器时，100MW及以下的发电机，可只装设发电机变压器组共用的纵联

20、差动保护。100MW以上的发电机，除发电机变压器组共用纵联差动保护外，发电机还应装设单独的纵联差动保护。对于200MW及以上的汽轮发电机，为提高快速性，在机端还宜增设复合电流速断保护，或在变压器上增设单独的纵联差动保护，即采用双重快速保护方式。如果变压器的纵联差动保护对单相接地保护灵敏性不符合要求，可增设零序差动保护。3.后备保护对于由外部相间短路引起的变压器过电流，可采用下列保护作为后备保护。(1)过电流保护。宜用于降压变压器，保护装置的整定值应考虑事故时可能出现的过负荷。(2)复合电压（包括负序电压及线电压）起动的过电流保护。宜用于升压变压器和系统联络变压器及过电流保护不符合灵敏性要求的降

21、压变压器。(3) 负序电流保护和单相式低电压启动的过电流保护。可用于63000kVA及以上的升压变压器。(4)对于升压变压器和系统联络变压器，当采用上述、保护不能满足灵敏性和选择性要求时，可采用阻抗保护。上述各项保护动作后，应带时限动作于跳闸。4.中性点直接接地电网中的变压器外部接地短路时的零序电流保护110kV及以上中性点直接接地电网中，如果变压器中性点可能接地运行，对于两侧或三侧电源的升压变压器或降压变压器上应装设零序电流保护。作为变压器主保护的后备保护，并作为相邻元件的后备保护。 5.过负荷保护对于400kVA及以上的变压器，当数台并列运行或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能

22、过负荷的情况装设过负荷保护。对自耦变压器和多绕组变压器，保护装置应能反应公共绕组及各侧过负荷的情况。过负荷保护应接于一相电流上，带时限动作于信号。在无经常值班人员的变电所，必要时过负荷保护可动作于跳闸或断开部分负荷。 6.过激磁保护为降低材料消耗，现代大型变压器铁芯一般都用新型电工硅钢片制成，其额定磁密近于饱和磁密，过电压或低频率时容易引起过激磁，因此500kVA及以上的大容量变压器宜装设过激磁保护。2.4 变压器纵联差动保护变压器纵联差动保护在正常运行和外部故障时，理想情况下，流入差动继电器的电流等于零。但实际上由于变压器的励磁电流、接线方式和电流互感器误差等因素的影响，继电器中有不平衡电流

23、流过。由于这些特殊因素的影响，变压器差动保护的不平衡电流远比发电机差动保护的大。因此，变压器差动保护需要解决的主要问题之一是采取各种措施避越不平衡电流的影响。在满足选择性的条件下，还要保证在内部故障时有足够的灵敏系数和速动性。按照励磁涌流方法的不同，变压器差动继电器可按不同的工作原理来实现。目前，国内广泛应用有以下几种类型继电器构成差动保护： 带短路线匝的BCH-2型差动继电器； 带磁制动特性的BCH-1型差动继电器； 多侧磁制动特性的BCH-4型差动继电器； 鉴别涌流间断角的差动继电器； 二次谐波制动的差动继电器。此外，有些单位还研制了高次谐波制动的差动继电器。2.4.1 构成变压器纵差动保

24、护的基本原则图2-1 双绕组单相变压器纵差动保护的原理接线图如图2-1所示，其中：、分别为变压器高压侧和低压侧的一次电流，参考方向为母线指向变压器；、为相应的电流互感器二次电流； 差动继电器。流入差动继电器的差动电流为 （2-1）纵差保护的动作判据为 （2-2）式中，为纵差动保护的动作电流；为差动电流的有效值。设变压器的变比为，式（2-1）可进一步表示为变形为 （2-3）式中，、分别为两侧电流互感器的变比。若选择电流互感器的变比，使之满足 （2-4）这样式（2-3）变为 （2-5）忽略变压器的损耗，正常运行和区外故障时一次电流的关系为。根据式（2-5），正常运行和变压器外部故障时，差动电流为零

25、，保护不会动作；变压器内部（包括变压器与电流互感器之间的引线）任何一点故障时，相当于变压器内部多了一个故障支路，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），只要故障电流大于差动继电器的动作电流，差动保护就能迅速动作。因此，式（2-4）成为变压器纵差动保护中电流互感器变比选择的依据。实际电力系统都是三相变压器（或三相变压器组），并且通常采用Y，d11接线方式，如图2-2(a)所示（假定一次电流从同名端流入，二次电流从同名端流出）。这样的接线方式造成了变压器一、二次电流的不对应，以A相为例，正常运行时，由于，超前，如图2-2（b）所示。若仍用上述针对单相变压器的差动继电器的接

26、线方式，将一、二次电流直接引入差动保护，则会在继电器中产生很大的差动电流。可以通过改变纵差动保护的接线方式消除这个电流，就是将引入差动继电器的Y侧的电流也采用两相电流差，即 （2-6） 式中，、分别为流入三个差动继电器的差动电 （a）接线图； (b)对称工况下的向量关系 图2-2 双绕组三相变压器纵差动保护原理接线图这样就可以消除两侧电流不对应。由于Y侧采用了两相电流差，该侧流入差动继电器的电流增加了倍。为了保证正常运行及外部故障情况下差动回路没有电流，该侧电流互感器的变比也要相应地增大倍，即两侧电流互感器变比的选择应该满足 （2-7）为了满足式（2-6），变压器两侧电流互感器采用不同的接线方

27、式，如图2-2（a）所示。d侧采用Y，d12的接线方式，将各相电流直接接入差动继电器内；Y侧采用Y，d11的接线方式，将两相电流差接入差动继电器内。模拟式的差动保护都是采用图2-2（a）所示的接线方式；对于数字式差动保护，一般将Y侧的三相电流直接接入保护装置内，由计算机的软件实现式（2-6）的功能，以简化接线。电力系统中常常采用三绕组变压器。三绕组变压器的纵差动保护原理与双绕组变压器是一样的。图2-3所示的是Y，y,d11接线方式三绕组变压器纵差动保护单相示意图，接入纵差动继电器的差电流为: （2-8）图2-3 三绕组变压器纵差动保护接线单相示意图三相变压器各侧电流互感器的接线方式和变比的选择

28、也要参照Y，d11双绕组变压器的方式进行调整，即d侧电流互感器用Y接线方式；两个Y侧电流互感器则采用d接线方式。设变压器的高-低侧（1-3）和中-低侧（2-3）的变比为和，考虑到正常运行和区外故障时变压器各侧电流满足，电流互感器变比的选择应该满足 （2-9）2.4.2 变压器差动保护的不平衡电流1.由变压器带负荷调节分接头产生的不平衡电流1.计算变比与实际变比不一致产生的不平衡电流变压器两侧的电流互感器都是根据产品目录选取的标准变比，其规格种类是有限的。变压器的变比也是有标准的，三者的关系很难完全满足式（2-4），令变比差系数为 （2-10）根据式（2-3）可得 （2-11）穿越电流如果将变压

29、器两侧的电流都折算到电流互感器的二次侧，并忽略不为零的影响，则区外故障时变压器两侧电流大小相等，即，但方向相反，为区外故障时变压器的穿越电流。由式（2-11）知，电流互感器和变压器变比不一致产生的最大不平衡电流为 （2-12） 区外故障时最大的穿越电流。改变分接头的位置，实际上就是改变变压器的变比，电流互感器的变比选定后不可能根据运行方式进行调整，只能根据变压器分接头未调整时的变比进行选择。因此，由于改变分接头的位置产生的最大不平衡电流为 （2-13）变压器分接头改变引起的相对误差，考虑到电压可以正负两个方向进行调整，一般可取调整范围的一半。图2-4 电流互感器等效电路 励磁回路等效电感； 二

30、次负载的等效阻抗；电流互感器传遍误差产生的不平衡电流 励磁电流，也就是电流互感器的传变误差；包括了电流互感器的漏抗和二次负载阻抗，一般电阻分量占主导，在定性分析时可以当作纯电阻处理。电流互感器的二次电流为 （2-14）励磁电流为 （2-15）区外故障时变压器两侧的一次电流为（折算到二次侧），故由电流互感器传变误差引起的不平衡电流为 （2-16）（a）励磁电流中无直流偏移； （b）励磁电流中有直流偏移2-5 电流互感器铁芯的磁滞回路引入同型系数表示互感器型号对不平衡电流的影响 （2-17）当两个电流互感器型号相同时，取=0.5；否则取1如图2-5所示，其中： 曲线1铁芯的基本磁化曲线（通常简称为

31、磁化曲线）； 曲线2励磁电流随时间的变化曲线； 曲线3励磁电流按照曲线2变化时的磁滞回线； S点 饱和点。由于电压u与铁芯磁通之间关系为（是线圈的匝数，定性分析时可假设=1），故磁化曲线的斜率（严格讲是各点切线的斜率）就是磁滞回路的电感。铁芯未饱和时很大且接近常数； 铁芯饱和后大为减小。如图2-5（b）所示，由于非周期分量引起偏离时间轴的一侧，磁通也偏离磁化曲线并按照曲线的局部磁滞回环变化。显然，偏离时间轴后会减小。非周期分量的存在将会显著地减小。剩磁电流互感器一次侧电流消失后，励磁电流也相应地变为零。由于磁滞回线的磁滞现象，铁芯中将长期存在残留磁通，称为剩磁。10%误差曲线电流互感器误差达到

32、10%时，一次电流与二次负载电阻之间的关系曲线。通常根据电流互感器的10%误差曲线来选择电流互感器的型号： （2-18） （2-19）引入非周期分量系数： （2-20）式（2-19）的只是稳态不平衡电流，在变压器外部故障时，一次电流（a）外部短路电流； （b）纵差动保护不平衡电流图2-6 纵差动保护的暂态不平衡电流中除稳态分量外还有非周期分量等暂态分量。导致不平衡电流的瞬时值较稳态量大，非周期分量系数就是考虑这个因素而引入的。 电流互感器的暂态误差非周期分量的存在大大增加了电流互感器的饱和程度，由此产生的误差称为电流互感器的暂态误差。差动保护是瞬时动作的，必须考虑非周期分量引起的暂态不平衡电流

33、。图2-6为变压器外部故障时的暂态电流和纵差动保护暂态不平衡电流的滤波图。故障初始：电流互感器不饱和，不平衡电流不大；几个周波后:电流互感器开始饱和，不平衡电流逐渐达到最大值；随着一次电流非周期分量的衰减：不平衡电流又逐渐下降并趋于稳态不平衡电流。结论：暂态不平衡电流含有很大的非周期分量，其特性完全偏于时间轴的一侧。4.变压器励磁电流产生的不平衡电流2-7 双绕组单相变压器等效电路将变压器参数折算到二次侧后，单相变压器等效电路如图2-7所示。显然，励磁回路相当于变压器内部故障的故障支路。励磁电流全部流入差动继电图2-8 与变压器容量的关系曲线器中，形成不平衡电流，即 （2-21）正常运行和外部

34、故障时：变压器不会饱和，励磁电流一般不会超过额定电流的2%5%，对纵差动保护的影响常常略去不计；变压器空载投入或外部故障切除电压恢复时：变压器电压从零或很小的数值突然上升到运行电压。在这个电压上升的暂态过程中，变压器可能会严重饱和，产生很大的暂态励磁电流。这个暂态励磁电流称为励磁涌流。2.5变压器后备保护2.5.1 低电压启动的过电流保护只有在电流元件和电压元件同时动作后，才能启动时间继电器，经过预定的延时后动作于跳闸。由于电压互感器回路发生断线时，低电压互感器将误动作，因此在实际装置中还需配置电压回路断线闭锁功能，具体逻辑此处从略。采用低电压继电器后，电流继电器的整定值就可以不再考虑并联运行

35、变压器切除或电动机自启动时可能出现的最大负荷，而是按大于变压器的额定电流整定。过电流保护按躲开可能出现的最大负荷电流小整定，启动电流比较大，只有在电流元件和电压元件同时动作后，才能启动时间继电器，经过预定的延时后动作于跳闸。由于电压互感器回路发生断线时，低电压互感器将误动作，因此在实际装置中还需配置电压回路断线闭锁功能，具体逻辑此处从略。采用低电压继电器后，电流继电器的整定值就可以不再考虑并联运行变压器切除或电动机自启动时可能出现的最大负荷，而是按大于变压器的额定电流整定。 对于降压变压器，负荷在低压侧电动机自启动时高压侧电压比低压侧高了一个变压器压降（标幺值）。所以高压侧取值比较高。对于发电

36、厂升压变压器，负荷在高压侧，电机自启动时低压侧电压实际上更高，原因是发电机在失磁运行时低压母线电压会比较低。电流继电器灵敏度的校验方法与不带低压启动的过电流保护相同。对于升压变压器，如果低压继电器只接在一侧电压互感器上，则另一侧故障时，往往不能满足灵敏度要求。此时可采用两组低电压继电器分别接在变压器两侧的电压互感器上，并用触电并联的方法提高灵敏性。2.5.2变压器零序电流保护电力系统中接地故障是最常见的故障形式。接于中性点直接接地系统的变压器，一般要求在变压器上装设接地保护，作为变压器主保护和相邻元件接地保护的后备保护。发生接地故障时，变压器中性点将出现零序电流，母线将出现零序电压，变压器的接

37、地后备保护通常都是反映这些电气量构成的。中性点直接接地运行的变压器毫无例外的都采用零序过电流保护作为变压器接地后备保护，零序电流保护通常采用两段式。零序电流段与相邻元件零序电流保护段相配合；零序电流段与相邻元件零序电流保护后备段（注意:不是段）相配合。零序电流保护在配置上要考虑缩小故障影响范围的问题。根据需要，每段零序电流可设两个时限，并以较短的时限动作于缩小故障影响范围，以较长时限断开变压器各侧断路器。图2-9所示是双绕组变压器零序过电流保护的系统接线和保护逻辑。零序过电流取自变压器中性点电流互感器的二次侧。由于是双母线运行，在另一条母线故障时，零序电流保护图2-9零序过电流保护的系统接线和

38、保护逻辑应断开母联断路器QF,使变压器能够继续运行。所以零序电流保护段和段均采用两个时限，短时限、跳开母联断路器QF，长时限、跳开变压两侧段路器。零序电流保护段的动作电流按下式整定式中 可靠系数，取1.2； 零序电流分支系数； 相邻元件零序电流段的动作电流。零序电流段的短时限取； 长时限在上再增加一级时限。零序电流保护段的动作也按式0000整定只是式中的应理解为相邻元件零序电流保护后备段的动作电流。动作时限：（为相邻元件保护后备段时限），。零序电流段灵敏系数按变压器母线处故障校验，段按相邻元件末端故障校验。2.5.3过负荷保护变压器的过负荷电流在大多数情况下都是三相对称的，因此装设单相过负荷保

39、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。保护只用一个电流继电器，接于任意相电流中经延时动作于信号。过负荷保护的安装侧，应根据保护能反映变压器各侧绕组可能过负荷的情况来选择，具体如下：对双绕组变压器，装于发电机电压侧；对一侧无电源的三绕组升压变压器，装于发电机电压侧和无电源侧；对三侧有电源的三绕组变压器，三侧均应装设；对于双绕组降压变压器，装于高压侧；对一测电源的三绕组降压变压器，若三侧绕组容量相等，只装于电源侧；若三侧容量相等，则装于电源侧及绕组容量较小侧；对两侧有电源的三绕组降压变压器，三侧均应装设；装于各侧的保护，均应经过同一时间继电器作用于信号。 为了防止过负荷在外部时误

40、动作，其时限应比变压器的后备保护动作时限大一个t。2.6 变压器保护的整定计算2.6.1 瓦斯保护的整定 一般瓦斯继电器气体容积整定范围为250300，变压器容量在10000kVA以上时，一般正常整定值为250，气体容量整定值是利用调节重锤的位置来改变的。 重瓦斯保护油流速度的整定重瓦斯保护动作的油流速度整定范围为0.61.5m/s，在整定流速时均以导油管中的流速为准，而不依据继电器处的流速。根据运行经验，管中油流速度整定为0.61m/s时，保护反映变压器内部故障是相当灵敏的。但是，在变压器外部故障时，由于穿越性故障电流的影响，在导油管中油流速度约为0.40.5m/s。因此，为了防止穿越性故障

41、时瓦斯保护误动作，可将油流速度整定在1m/s左右。本设计所选瓦斯继电器气体的容积整定范围为250；而重瓦斯保护油流速度整定在1m/s左右。2.6.2变压器纵差保护正定计算1.-变压器总差保护整定计算当外部发生短路时，已知0.20 =10% 取13.8KV =100WVA则将发电机和变压器的电抗标幺值折算到变压器故障点的值为：=0.10=0.133 =0.20=0.27=+=0.27+0.13=0.40=0.10=0.31=0.20×=+=0.31+0.81=1.12/+0.13=0. 25=16.7 kA躲过电流互感器二次回路断线时引起的差动电=3.77kA=1.3×3.7

42、7kA=4.09kA躲过保护范围外部短路时的最大不平衡电流=（×10%+）则=（1×0.1+0.025+0.05）×16.7 kA =2.92kA(3) 躲过变压器的最大励磁涌流 =1.3×1×3.77kA=4.09kA取上述三个之中最大者作为纵差保护的动作电流，则=4.09kA灵敏系数校验= =3.53>22. 变压器总差保护整定计算 同理得发电机：= 13.4kA (1) 躲过电流互感器二次回路断线时引起的差动电流 =1.73kA =1.3×1.73kA =2.25kA(2)躲过保护范围外部短路时的最大不平衡电流 =（

43、15;10%+）根据前面计算可知=234.9A=（1×0.1+0.025+0.05）×13.4kA =2.35kA (3) 躲过变压器的最大励磁涌流 =1.3×1×1.73kA =2.25kA取上述三个之中最大者作为纵差保护的动作电流，则=2.35kA灵敏系数校验=4.8 >22.6.3过电流保护整定计算保护的启动电流按躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定，即=214.7A=286.2A式中 并联变压器的最少台数每台变压器的额定电流 =286.2A=397.5A式中 可靠系数。一般取1.21.3返回系数，取为0.850.95变压器可能出现的最大负

44、荷电流低电压启动的过电流保护整定计算 1. T1T4的低电压启动的过电流保护整定计算低电压继电器动作的的动作电压按以下条件整定，并取最小值。按躲过正常运行时可能出现的最低电压整定，计算式为:式中 最低工作电压，一般取0.9可靠系数，取1.11.2低电压继电器的反回系数，取1.151.25则计算得=150V按躲过电动机自启动时的电压整定：当低压继电器有变压器低压侧继电器供电时，计算式为： =（0.50.6） 则=133.9V当低压继电器有变压器高压侧继电器供电时，计算式为=0.7 则=169.4V则低电压继电器的的动作电压为：=133.9V2. T0的低电压启动的过电流保护整定计算同理，T0低电

45、压继电器的的动作电压为：=133.9V第3章 发电机保护设计3.1发电机故障及不正常运行状态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器元件，因此，应该整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3.1.1发电机故障类型发电机的故障类型主要有定子绕组相间短路、定子一相绕组内的匝间短路、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等。1.定子绕组相间短路是危及发电机最严重的一种故障。短路点有很大的短路电流，其所产生的电弧不但会烧坏绝缘，还可能损坏铁芯，甚至引起火灾，给发电机的修复工作带来很在困

46、难。2.定子绕组单相匝间短路在匝间电压作用下，产生环流，使该处温度升高，绝缘损坏，并可能转变为单相接地或相间短路故障。3.定子绕组单相接地故障点处会有电流流过定子铁心，研究证明当故障点电流超过5A并持续一定时间时，故障点定子铁心可能熔化，发电机须进行大修，定子铁心须重新选压。4.转子回路一点或两点接地转子回路发生一点接地故障时，由于没有电流通路，对发电机并无危害。但若不及时处理，就有可能导致两点接地故障，造成励磁回路短路，可能损坏转子绕组和铁心。3.1.2 不正常运行状态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；由于负荷等超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；由于外部

47、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；由于汽轮机主气门突然关闭而引起的发电机逆功率等。对于发电机变压器组，对容量在100MW以下的发电机，应装设保护区不小于绕组串联匝数90%的定子接地保护对容量在100MW以上的发电机，应装设保护区为100%的定子接地保护，保护带时限动作于信号，必要时也可以动作于切。3.2发电机保护的配置原则针对上述故障类型及不正常运行状态，发电机应装设以下继电保护装置：（1）针对1MW及以上的发电机的定子绕组及其引出线的相间短路，应装设差动

48、保护。（2）对于直接连于母线的发电机定子绕组单相接地故障当单相接地故障电流（不考虑消弧线圈的补偿作用）大于表的规定允许值时，应装设选择性的接地保护装置。（3）对于发电机定子绕组的匝间短路，当定子绕组星形接线、每相有并联分支且中性点侧有分支引出端时，应装设横差保护；200MW及以上的发电机有条件时可装设双重化横差保护。（4）对于发电机外部短路引起的过电流，可采用下列保护方式： 1）负序过电流及单元件低电压启动过电流保护，一般用于50MW及以上的发电机； 2）负荷过电压启动的过电流保护，一般用于1MW以上的发电机； 3）过电流保护，用于1MW及以下的小型发电机； 4）带电流记忆的低压过电流保护，用

49、于自并励发电机。（5）对于由不对称负荷或外部不对称短路而引起的负序过电流，一般在50MW及以上的发电机上装设负序过电流保护。（6）对于不对称负荷引起的发电机定子绕组过电流，应装设接于一相电流的过负荷保护。（7）对于水轮发电机定子绕组过电压，应装设延时的过电压保护。（8）对于发电机励磁回路的一点接地故障，对1MW及以下的小型发电机可装设定期检测装置；对1MW以上的发电机应装设专用的励磁回路一点接地保护。（9）对于发电机励磁消失故障，在发电机不允许失磁运行时，应在自动灭磁开关断开时连锁断开发电机的断路器；对采用半导体励磁及100MW及以上采用电机励磁的发电机，应增设直接反应发电机失磁时电气参数变化

50、的专用保护。（10）对于转子回路的过负荷，在100MW及以上，比且采用半导体励磁系统的发电机，应装设转子过负荷保护。（11）对于汽轮发电机主汽门突然关闭而出现的发电机变电动机运行的异常运行方式，为防止汽轮损坏，对200MW及以上的大容量汽轮发电机装设逆功率保护；对于燃汽轮发电机，应装设逆功率保护。（12）对于300MW及以上的发电机，应装设过励磁保护。（13）其他保护：如当电力系统震荡影响机组安全运行时，在300MW机组上，宜装设失步保护；当汽轮机低频运行会造成机械振动，叶片损伤，对汽轮机危害极大，可装设低频保护；当水冷发电机断水时，可装设断水保护等。为了快速消除发电机内部的故障，在保护动作于

51、发电机断路器跳闸的同时，还必须动作自动灭磁开关，断开发电机励磁回路，使定子绕组不再感应出励磁电动势，继续供给短路电流。3.3发电机纵差保护3.3.1工作原理该保护是发电机内部相间短路的主保护，根据启动电流的不同有两种选取原则，与其相对应的接线方式也有一些差别。因为该保护可以无延时的切除保护范围内的各种故障，同时又不反应发电机的过负荷和系统振荡，且灵敏系数一般较高，所以纵差动保护毫无例外的用作容量在1MW以上发电机的主保护。该保护是利用比较发电机中性点侧和引出线侧电流幅值和相位的原理构成，因此在发电机中性点测和引出线侧装设特性和变比完全相同的电流互感器来实现纵差保护。两组电流互感器之间为纵差保护

52、的范围。电流互感器二次侧按照循环电流接线法接线，即如果两组电流互感器一次侧极性分别以中性点测和母线侧为正极性，则二次侧同极性相连接。差动互感器与两侧电流互感器的二次绕组并联。发电机故障时，如图00001中的k1点短路，两侧电流互感器的一、二次电流如图所示，差动继电器中的电流为=+.当大于继电器的整定电流时，继电器动作。在正常运行或保护区外故障时，流过继电器的电流为两侧电流之差（=-），（短路点）。在循环电流回路两臂引线阻抗相同、两侧电流互感器特性完全一致和铁芯剩磁理想的情况下，量测电流相等（=），流过继电器的电流为零，此电流称为不平衡电流。但实际上差动继电器中流过不大的电流，此电流称为不平衡电流。差动保护在原理上不反应负荷电流和外部短路电流，只反应发电机两侧电流互感器保护区内的故障电流，因此，纵差保护在时限上不必与其他时限配合，可以瞬时动作于跳闸。3.3.2发电机纵差保护整定纵差保护的整定原则如下：BCH-2型继电器构成的差动保护1.动作电流大于发电机额定电流时差动保护的动作电流保护动作电流应躲开外部短路时最大不平衡电流，即 式