200MW发电机组继电保护毕业设计

1、1 绪论11.1 继电保护的作用及意义11.2继电保护发展现状及存在的问题21.2.1 继电保护的历史回顾和展望21.2.2 继电保护发展存在的问题及解决办法21.3 选题的目的和意义41.4 对发电机设计案的拟定：52 系统参数计算：53 短路电流计算：63.1 短路计算的目的73.2 序网的制定73.3 系统最大运行方式时短路电流计算：8三相短路电流计算：83.4 系统最小运行方式的短路电流计算：113.5 在点两相短路.124 发电机保护的配置及整定计算.134.1 纵差保护134.1.1 整定计算154.2 横差保护174.2.1 整定计算184.3 发电机的失磁保护19整定计算：20

2、4.4 复合电压启动的过电流保护：234.4.1 反应外部相间短路的后备保护的整定计算254.5 定子绕组对称过负荷保护27 整定计算284.6 励磁绕组过负荷保护284.6.1 整定计算284.7过电压保护29整定计算294.8 逆功率保护30整定计算334.9 基波零序电压和三次谐波电压构成的100定子接地保护334.9.1 整定计算344.10. 励磁绕组一点接地保护38整定计算394.11 直流电桥原理构成的励磁两点接地保护404.11.1 整定计算41致 谢43结论与展望44参 考 文 献451 绪论继电保护装置可视为由测量部分、逻辑部分和执行部分等部分组成，各部分功能如下：（1）测

3、量部分。测量部分是测量从被保护对象输入的有关电气量，并与已给定的整定值进行比较，根据比较的结果，判断保护是否应该启动的部件。（2）逻辑部分。逻辑部分是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关系工作，最后确定是否应该使断路器跳闸或发出信号，并将有关命令传给执行部分的部件。（3）执行部分。执行部分是根据逻辑部分传送的信号，最后完成保护装置所担负的对外操作的任务的部件。如检测到故障时，发出动作信号驱动断路器跳闸；在不正常运行时发出告警信号；在正常运行时，不产生动作信号。1.1 继电保护的作用及意义电力系统在生产过程中，有可能发生各

4、类故障和各种不正常运行状态。其中故障一般可分为两类：横向故障和纵向故障。横向故障包括两相短路、单相接地短路、两相接地短路、三相短路四种，纵向对称故障包括单相断相和两相断相，又称非全相运行。电网在发生故障后会造成很严重的后果： （1）电力系统电压大幅度下降，广大用户负荷的正常工作遭到破坏。 （2）故障处有很大的短路电流，产生的电弧会烧坏电气设备。 （3）破坏发电机的并列运行的稳定性，引起电力系统振荡甚至使整个系统失去稳定而解列瓦解。 （4）电气设备中流过强大的电流产生的发热和电动力，使设备的寿命减少，甚至遭到破坏。 不正常情况有过负荷、过电压、电力系统振荡等.电气设备的过负荷会发生发热现象，会使

5、绝缘材料加速老化，影响寿命，容易引起短路故障。 继电保护被称为是电力系统的卫士，它的基本任务有： （1）当电力系统发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障设备从电力系统中切除，保证系统其余部分迅速恢复正常运行，防止故障进一步扩大。 （2）当发生不正常工作情况时，能自动有选择将信号上传给运行人员进行处理，或者切除那些继续运行会引起故障的电气设备。 可见继电保护是任何电力系统必不可少的组成部分，对保证系统安全运行、保证电能质量、防止故障的扩大和事故的发生，都有极其重要的作用。1.2 继电保护发展现状及存在的问题1.2.1 继电保护的历史回顾和展望改革开放以来，我国经济的快速发展刺激着电网的快速发展，

6、尤其是近几年全国各个地区出现的缺电现象直接促进了大规模机组的投产和电网建设进程的急剧加快。同时随着现代社会对电网供电可靠性的要求的不断提高，就需要我们继电保护发挥更加重要的作用，针对系统出现的故障能及时切除，确保电网的安全稳定经济运行。我国继电保护的发展大体经历了以下几个跨越：（1）60年代中期独立研制并生产了第一套高压电网复杂保护，即整流型距离保护； （2）60年代末到80年代中期我国广泛采用晶体管型保护； （3）到80年代末，集成电路保护已形成完整系列，逐步取代晶体管保护； （4）1984年微机线路保护通过鉴定并获得应用，此后，不同原理、不同种类的微机保护相继研制生产，取得了引人注目的成果

7、，到90年代，我国继电保护技术已完全进入微机保护数字式时代。 从以上的发展过程来看，继电保护技术总是根据电力系统的需要，不断地从相关的学科中吸取最新成果而发展和完善自身的。总的来说，继电保护技术的发展可以概括为4个阶段、2次飞跃。4个阶段是电磁型（整流型）、晶体管型、集成电路型、微机型。第1次飞跃是由电磁型到晶体管型，主要体现在保护由电磁式向静态式转变，保护装置弱电化、无触点化、小型化和低功耗。第2次飞跃是由集成电路型到微机型，主要体现在保护由模拟式向数字式转变，保护装置智能化和信息化。 继电保护现已发展到了微机保护阶段，微机继电保护指的是以数字式计算机（包括微型机）为基础而构成的继电保护。以

8、下各级电网所需的各种保护设备，目前我国的微机保护的研究和制造均已居于国际先进水平。继电保护理论研究方面，人工神经网络在继电保护中的应用在九十年代被广泛研究。人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，电力系统保护领域内的一些研究工作也转向人工智能的研究。专家系统、人工神经网络（ANN）和模糊控制理论逐步应用于电力系统继电保护中，必将为继电保护的发展注入了活力。 1.2.2 继电保护发展存在的问题及解决办法继电保护的重要性是显然的,是关系到电网稳定的重要设备。继电保护装置历经电磁型、整流型,发展到80年代的晶体管、集成电路型,直到现在的微机型。微机保护也

9、经历了从简单发展到现在的智能型,保护装置越来越人性化、智能化。然而,继电保护发展至今,虽设备已经很先进,但仍有一些问题没有得到很好解决。现针对一些比较现实的问题举例说明: （1）加强对外部二次回路的维护,适时推行状态检修。继电保护发展至今,从保护原理的设计,到生产厂家制造工艺,到售后服务,各方面都已比较完善。微机保护装置的性能已非常稳定,由于保护装置性能不稳定引起的误动基本上没有出现过,所发生的保护误动作基本上是保护装置外部原因引起的。从统计的结果看误动有以下几个主要原因:CT二次电缆回路接触不良端子排锈蚀或电缆绝缘下降引起跳闸回路接通所使用的CT性能不满足保护要求,区外故障时越级跳闸继电保护

10、工作人员的误操作运行人员误投退保护压板。而运行过程中其他因素引起逻辑变化的情况,至今尚未发生过,这足以说明,当前使用的CPU芯片性能已非常稳定,因此在我们的检验工作中,没有必要对其CPU的正确性进行很详细的校验。而应对继电保护设备实行状态检修,也就是说，只要保护装置不告警,就不用进行检修。当然,这要有一个逐步完善的过程,需要大量的配套工程,但这是一种发展趋势。（2）尽快规范通讯规约管理,减少相关转换环节。继电保护的技术已经很成熟,而近几年发展起来的综合自动化技术,对我们是一个全新的领域。由于其技术新,硬件成本低,利润高,其发展速度非常之快,这对维护工作是一个很大的挑战。综合自动化系统以“四遥”

11、(指遥控、遥信、遥测、遥调)装置与后台监控机为核心,与保护装置相比,“四遥”装置的原理比较简单。另外,据研究表明,“四遥”装置很少出问题,问题最多的就是后台监控机,究其原因,除了技术未成熟以外,计算机质量比较差也是一个重大原因。从近几年所出现的问题看,监控系统的问题可归纳为:误发信号、主机电源烧损、主机硬盘损坏及通讯串口损坏等。而维护工作中难度最大的是通讯问题,当前,综合自动化系统还处于发展阶段,四方、南瑞、南自、东方电子等厂家都自成一家,各有各的通讯规约,致使维护工作越来越难,一旦碰到通讯问题,必须请厂家人员才能处理,而且经常要几个相关厂家一起到场才行。如此一来,既降低了设备的安全运行可靠性

12、,又提高维护的成本。因此，应尽快统一电力系统通讯规约,规范通讯规约管理。（3）注重数据备份,缩短故障处理时间。监控系统问题,出现最多的是硬件问题,而硬盘损坏是仅次于通讯问题的一个难题,此时硬盘上所有的数据都丢失。整个系统必须重装,这个工作的工作量很大。所以,维护人员应对所有监控系统进行硬盘备份,一旦硬盘损坏,整个硬盘更换即可。此外,验收时应要求厂家提供系统重装所需的安装盘,如监控系统盘、各种硬件如网卡、声卡、PLC(中央音响驱动卡,四方监控系统)卡安装盘,做好系统重装的准备。这样也可大大缩短故障处理时间。 （4）推行继电保护网络化管理,减少管理成本。继电保护发展至今,各方面已非常成熟,但继电保

13、护管理工作太繁琐,耗费大量的人力物力。电力系统自动化程度也越来越高,光纤等的投入使用使自动化的可靠性也越来越高,但继电保护远程管理在这方面还没有得到很好地应用。设想,如果定值的更改、检查,保护运行情况监控、信号的采取,加上前面提到的继电保护状态检修,都能进行远程管理,出人为事故的机率也将大大降低。继电保护技术发展迅速,对保护人员提出了更高的要求。作为继电保护维护工作者,应从管理方式方法入手,从根本上改变继电保护工作局面，对于工作过程中发现的问题要及时更正和改进。1.3 选题的目的和意义发电机是电力系统中大量使用的重要电气设备,发电机安全运行对保护电力系统的正常工作和电能质量起着决定性作用，同时

14、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。一旦发生发电机故障，保护装置能够有选择的快速将其从系统中切除，并将发电机励磁开关跳开并灭磁。当同步发电机处于异常工作状态时，保护装置应及时发出信号，以便于运行人员快速处理。在电力系统中运行的发电机，由于容量相差悬殊，在设计、结构、工艺、励磁乃至运行等方面都有很大的差异，这就使得发电机极其励磁回路发生故障，故障的几率和异常工作状态有所不同，进而所装设的保护也有差异。对发电机的保护是非常重要的，也是非常有必要的。虽然现在微机保护占主导地位，但它的基础仍然是常规保护，都是基于常规保护原理发

15、展起来的。只有掌握了常规保护的基本原理，才能更好地用于微机保护。1.4 对发电机设计案的拟定： 发电机的故障主要分为定子故障和转子故障，其故障类型主要有：(1) 定子绕组相间短路；(2) 定子绕组单相匝间短路；(3) 定子绕组单相接地；(4) 转子绕组一点接地或两点接地；(5)转子励磁回路电流消失。 发电机的异常工作状态：(1) 外部短路或系统振荡引起的定子绕组过电流；(2) 定子绕组引起的三相对称过负荷；(3) 突然甩负荷而引起的定子绕组过电压；(4) 励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷；(5) 汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率运行等；2 系统参数计算：2×2

16、00MW机组继电保护,两台双绕组变压器,220KV侧有电源,QFSN-200-2型汽轮发电机主要参数：有功功率；额定电压；额定电流；功率因数；额定励磁电压；零序电抗；定子绕组的允许发热时间常数；次暂态电抗0.1413；同步电抗 ；空载励磁电压：；暂态电抗；变压器型号SFP7-240000/220；电压242±5×2.5/15.75KV；高压侧为双母线接线；变压器220KV中性点直接接地；10KV绕组三角形接线。 电流互感器之比；电压互感器之比；系统参数： SB=100MVA UB= Uav220KV系统最大运行方式： 系统最小运行方式： 图1 200MW发电机组继电保护系统

17、接线变压器短路电压百分比：US%=14发电机的电抗： 3 短路电流计算：短路是电力系统的严重故障，产生短路的主要原因是电气设备载流部分的相间绝缘或相对地绝缘被破坏。包括自然因素和人为因素。人为因素主要是由于设计、安装及维护不良所带来的设备缺陷发展成短路，还有就是人为事故。短路所引起的后果是破坏性的主要表现在以下几方面：（1）短路时，系统电压大幅度下降，对用户影响很大。（2）当电力系统发生短路时，有可能使并列运行的发电机失去同步，破坏系统稳性，是整个系统遭到破坏，引起大片停电。这是短路最严重的后果。（3）不对称接地短路所造成的不平衡电流，产生零序不平衡磁通，对临近的通讯产生干扰，并危及设备和人身

18、的安全。3.1 短路计算的目的在电力系统和电气设备的设计和运行中，短路计算是解决一系列技术问题所不可缺少的基本计算，主要有以下几方面：（1）为了合理地配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参数，必须对电力网中发生的各种短路进行计算和分析。（2）在设计和选择发电厂和电力系统电气主接线时，为了比较各种不同方案的接线图，确定是否要采取限制短路电流的措施等，都要进行必要的短路电流计算。（3）进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响，也包含部分短路计算。3.2 序网的制定本设计主要是对发电机进行常规保护的配置及整定计算，所以以下所有的短路计算是为了正确选择和校验电气设备，以及进行继电保护装置的

19、整定计算、灵敏度校验。在短路电流计算过程中我们一般采用近似计算：即在短路电流的最简化计算中.假定短路电路连接到内阻抗为零的恒电势源上，计算时略去负荷，选定基准SB和基准电压UB=Uav，（本设计已给出）算出电源对短路点的组合电抗标幺值Xf*而电源的电势标幺值取作1，这样算出的短路电流要比实际的大些。但是它们的差别随短路点距离的增大而迅速地减少。因为短路点愈远，电源电压恒定的假设条件就愈接近实际情况，尤其是当发电机有自动励磁调节器时，更是如此。利用这种简化的计算，可以对短路电流的最大可能作近似的估计。在电力系统中不对称故障占系统故障中的大部分，通常分析不对称故障的常用方法是对称分量法，根据对称分

20、量法，一组不对称的三相向量可以分解为正序、负序和零序三组对称的三相向量。因此，在计算当中首先必需做出电力系统的各序网络。为此，应根据电力系统的接线图、中性点接地情况等原始资料，在故障点分别施加各序电势，然后逐步查明各序电流流通的情况。凡是某一序电流能流通的元件都必须包括在该序网络中，并用相应的序参数和等值电路表示。短路电流计算的方法，常用的有欧姆法（又称有名单位制法）和标幺制法（又称相对单位制法）。本设计采用标幺制法进行短路计算，而且要对最大运行方式和最小运行方式下计算。 制定各序网络时，应包含该序电流通过的所有元件。制定零序网络时，一般从故障处开始。确定零序电势所能形成的零序电流通路。在一相

21、零序网络中，中性点接地阻抗以其三倍值表示。而且应用对称分量法分析计算不对称故障时，首先必需做出电力系统的各序网络。为此，应根据电力系统的接线图，中性点接地情况等原始资料，在故障点分别施加各序电势，然后逐步查明各序电流流通的情况。凡是某一序电流能流通的元件，都必须包括在该序网络中，并用相应的序参数和等值电路表示。正序网络就是通过计算对称短路时所用的等值网络。除中性点接地阻抗，空载线路（不计导纳）以及空载变压器（不计励磁电流）外，电力系统元件均应包括在正序网络中并且用相应的正序参数和等值电路表示。负序电流能流通的元件与正序的电流的相同，但所有电源的负序电压为零。因此，把正序网络中各元件的参数都用负

22、序参数代替，并令电源电势等于零，而在短路点引入代替故障条件的不对称电势源中的负序分量，便得到负序网路。3.3 系统最大运行方式时短路电流计算：系统最大运行方式时： 3.3.1 三相短路电流计算： 在点短路时： 图2 220KV侧点短路 图3 点短路d1点三相短路电流为:在点短路时：图4 15.75KV侧点短路点三相短路电流:图5 点短路3.4 系统最小运行方式的短路电流计算： 系统最小运行方式时： 在点三相电短路时： 图6 220侧d1点短路图7 点短路 d1点三相短路电流为:在点三相短路电流图8 15.75KV侧点短路 3.5 在点两相短路 表1 短路电流计算表 单位:KA短路名称三相短路单

23、相接地（T） 两相接地(T)短路点点220KV点15.75KV点点点点15.75KV最大运行放式3.7592_最小运行方式2.1161.03_51.98 4 发电机保护的配置及整定计算 4.1 纵差保护定子绕组相间短路时，由于短路电流大，故障点的电弧会破坏绝缘，烧毁绕组和铁芯，甚至引起火灾，这是发电机内部最严重的故障。发电机定子绕组不同地点发生相间短路时，由于定子绕组个点感应电势不同，短路回路阻抗也不同，所以短路电流大小就不一样。定子一相绕组发生匝间短路时，绕组两端的电流都相同，流入差动继电器的差动回路电流只有不平衡电流，差动继电器不会动作，故它不能反应反应匝间短路。发电机纵联差动保护，根据接

24、入发电机中性点电流的份额，可分为完全纵差动保护和不完全纵差动保护。完全纵差保护能反映发电机内部及其引出线上的相间短路，但不能反映发电机内部匝间短路及分支开焊、对于大电流系统侧的单相接地短路故障，灵明度有所下降。不完全纵差保护，适用于每相定子绕组为多分支的大型发电机。它除了能反映发电机相间短路故障，还能反映定子线棒开焊及分支匝间短路。对于大容量的发电机（100MW及以上），为了减少故障发生于发电机中性点附近而出现的纵差动保护的死区，要求将纵联保护的动作电流降低，提高保护动作的灵敏性，并要保证在区外短路时保护可靠不误动。考虑到不平衡电流随着流过电流互感器TA电流的增加而增加，往往采用性能更好的比率

25、制动式纵差动保护，使其动作值随着外部短路电流的增大而自动增大（即利用外部故障时的穿越电流实现制动，其原理接线如图所示。 基本原理：是基于保护的动作电流随着外部故障的短路电流而产生的最大不平衡电流的增大而按比例的线性增大，且比最大不平衡电流增大的更快，使在任何情况下的外部故障时，保护不会误动作。(这这样就可以避免由于外部短路电流的增大而造成电流互感器饱和而引起不平衡电流的增大，也就是可以避免继电器误动)；动电流：将外部故障的短路电流作为制动电流；动电流：把流入差动回路的电流作为动作电流。图9 比率制动式差动继电器原理接线图11 发电机纵差保护特性图中Ires是制动电流，即外部短路时流过制动线圈的

26、电流，Iact即差动继电器的动作电流，Iact.min为差动继电器的最小动作电流，Ires.min表示继电器开始具有制动作用的最小制动电流，通常取Ires.min等于负荷电流，因为在电流互感器误差很小，不平衡电流很小，Iact.minIbp，所以此时没有制动作用的继电器也不会误动作，而当外部短路电流大于负荷电流，Ibp随Ik增大时，若Ibp/Ik=Idz/Ires=Kres,调整继电器的制动特性使之具有K=Ibp/IkKres,做出现直线BP，则继电器具有这样性能，不管外部短路短路电流多大，继电器总不会误动，K为制动系数。 整定计算1. 最小动作电流的选择由于保护装置采用比率制动特性，保护动作

27、电流不必按躲过外部故障时的不平衡电流来整定，其整定值只需躲过最大负荷条件下条件下差回路的不平衡电流。继电器的最小动作电流为 =×= ××××式中可靠系数，采用1.31.5： 考虑非周期分量影响的系数，采用1；电流互感器的同型系数，采用0.5；电流互感器的相对误差，取0.1；发电机的二次额定电流；电流互感器之比；、实际上最小动作电流的确定还要根据选定的制动系数和继电器固有动作电流来确定。 =1.5×1×0.5×0.1×8625/2400=0.26若在最大负荷电流条件下，电流互感器处于不饱和状态时，误差远小于

28、10，差回路的不平衡电流比0.26小很多，所以不平衡电流一般由现场测定。2.比率制动系数K的选择制动系数选择得当是防止外部短路误动作的保证，根据定义假定最大外部短路电流下流过继电器的动作电流是 =××××此时制动电流=所以K=×××=0.0650.075那么上式计算得K是一条过坐标原点的直线，因此，对于制动曲线具有一段水平线的比率制动式差动继电器，还应进行制动特性的校验。一般可先从制动特性曲线族中选取制动系数大于计算值的一条曲线，为了兼顾灵敏系数和选择性方面的要求，即折点B的斜率就就是所选择的制动系数。在B点的斜率m等于制动

29、系数的计算值，即m=K若制动电流Ires.min=1(标幺值)时，则得继电器的动作电流最小值为Iact.min =m×Ires.min= K×Ires.min= K，由此可见，当制动系数取得过大时，将使保护的灵敏系数下降。3 灵敏系数校验灵敏系数 Ksen= Id.min/Iact.j式中Id.min发电机出口两相短路时流经保护的最小周期性短路电流； Iact.j于所校验的情况下继电器的动作电流。应根据继电器制动特性曲线图上的制动电流是以整个制动绕组为基准还是以半个制动绕组为基准。再根据校验灵敏系数时的短路情况是通过整个制动绕组还是半个制动绕组而决定动作电流Ires.j，用

30、Ires.j查继电器制动特性曲线得对应的Iact.j灵敏系数Ksen2所以发电机出口两相短路时流经保护的最小周期性短路电流Id.min=51980/2400=21.65A；此时只有半个制动线圈流过此电流，那么Ires.j=10.825A又因为择LCD-7型继电器，查K=0.4时，那么对应于半个制动绕组决定的动作电流为Ires.j对应的Iact.j=3.314 Ksen=21.65/3.314=6.5324.2 横差保护定子绕组匝间短路时，被短路的各匝将有短路电流流过，产生局部过热，破坏绕组绝缘，以致转变为单相接地或相间短路。同一支路绕组间短路，或同相不同支路绕组匝间短路，都称为定子绕组的匝间短

31、路，发生匝间短路时纵差保护不能反应，故必须装设专用保护。图10 横差保护原理图在双星型中性点N.，N间加装电流互感器作为横差电流继电器I的电流源，为横差保护。发电机正常运行或外部短路时，N，N间无电流过，横差保护不动作。当定子绕组的同一分支的匝间发生短路时，短路分支的三相电势不平衡，于是在N，N间有电流流过，当其值大于横差保护的动作电流时，保护跳开发电机。这种保护的优点是接线简单，灵敏度也可以很高，其缺点是发电机中性点侧必须有6个引出端子，保护有不大的死区。在大容量发电机中，由于额定电流很大，其每相都是由两个或多个并联的绕组组成。在正常运行的时候，各绕组中的电动势相等，流过相等的负荷电流。而当

32、任一绕组发生匝间短路时，绕组中的电动势就不再相等，因而会出现因电动势差而在各绕组间产生均衡电流。利用这个环流，可以实现对发电机定子绕组匝间短路的保护，即横差动保护.这种接线方式只用一个互感器装于发电机两组星形中点的连线上，其本质是把一半绕组的三相电流之和去与另一半绕组三相电流之和进行比较。这种接线方式没有由于互感器误差所引起的不平衡电流，其起动电流比较小，灵敏度高，且接线非常简单。转子回路两点接地时，衡差动保护可能误动作，但不必在转子回路两点接地时闭锁横差保护在投入两点接地保护的同时，横差保护硬切换至带0.51S的延时动作于跳闸，可防止转子回轮偶然性的两点接地时引起的横差保护误动作。 整定计算

33、保护动作电流按躲过外部短路故障时最大不平衡电流以及装置对高次谐波过比的大小整定，由于不平衡电流很难确定，因此工程设计中可根据经验公式计算。（ 1 ）3次谐波滤过比不小于10时，继电器动作电流为Iact=( 0.20.3 )/式中：发电机额定电流 电流互感器变比 Iact=( 0.20.3 )×8625/2400=0.7181.07A( 2 )灵敏系数校验。灵敏系数是以保护动作死区占整个绕组的百分比表示的，由下式可求出保护动作死区占的百分比=a/式中 等于Iact发电机零序电抗0.0785a表示发电机动作死区占的百分比 S发电机的视在功率为235MW a=1.07×4

34、5;0.0334=14.2重上述计算可知，保护动作整定值越高，保护死区越大，为了减小保护死区，应经三次谐波滤过器，尽量减小3次谐波不平衡电流。4.3 发电机的失磁保护发电机正常运行，向系统送出无功功率，失磁后将从系统吸取大量无功功率，使机端电压下降。当系统缺少无功功率，严重时可能使电压低到不允许的数值，以致破坏系统稳定。发电机失磁后，对电力系统和发电机本身会产生诸多不利影响，如需要从电力系统中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场,由于从电力系统中吸收无功功率将引起电力系统电压下降，如果电力系统的容量较小或无功功率储备不足，则可能使失磁发电机的机端电压、升压变压器高压侧的母线电压或其他邻近的电压

35、低于允许值，从而破坏了负荷与各电源间的稳定运行，甚至可能因电压崩溃而使系统瓦解。发电机失磁后不但不发出无功功率还要从系统吸收无功功率。当系统无功功率储备不足时将导致发电厂母线电压、发电机机端电压下降。发电机失磁后,由于发电机吸收无功量的增大及定子电压的降低,定子电流就会增大。有功功率越大,定子电流就会越大。发电机从失磁到功角增大到90°的过程中,发电机的电磁功率先减小,但原动机的机械功率来不及减小,造成转子加速使功角不断增大,当功角大于90°发电机失步运行时发电机的异步功率维持着输入、输出功率平衡。发电机失磁后无功很快减小到零,然后向负变化到较大值。失步后发电机的无功功率按

36、照滑差周期有规律的摆动。失磁发电机维持的有功功率越大及滑差越大,发电机从系统吸收的无功越大。发电机从失磁开始到稳定异步运行其机端测量阻抗沿着等有功阻抗圆由第1 象限向第4 象限变化失磁原因主要有三种：1 励磁回路开路，励磁绕组断线，灭磁开关误动作，励磁调节装置的自动开关勿动，可控硅励磁装置中部分元件损坏。2 励磁绕组由于长期发热，绝缘老化或损坏引起短路。3运行人员调整等失磁保护有三点：1发电机虽然失磁，但对失磁发电机和电力系统尚未形成危害时，应能即时发出信号。2发电机失磁后威胁到发电机及电力系统安全运行时，失磁保护应能即时动作，切除失磁发电机。3在发电机外部故障，电力系统震荡，发电机自同期并列

37、等非正常运行状态下，失磁保护不应误动作。失磁保护由阻抗元件，母线低电压元件和闭锁元件组成，阻抗元件用于失磁故障，母线低电压元件用于监视母线电压，以保证系统安全，闭锁元件用于保护装置在外部短路，系统震荡。自同步及电压回路断线等情况下不误动作，当失磁后母线电压低于允许置时，失磁保护带时限动作于断路器跳闸，当母线电压未低于允许值时，保护带时限动作于信号，同时动作于切换励磁回路和自动减出力，可作为失磁保护的判据有：4.3.1 整定计算：系统侧主判据高压母线三相同时低电压继电器。本判据主要用于防止由发电机低励失磁故障引发无功储备不足的系统电压崩溃，造成大面积停电，其动作判据为Uact.3ph(0.850

38、.90)Uh.min 式中Uact.3ph三相同时低电压继电器动作电压(此值应经调度部门确定)；Uh. nmi高压系统最低正常运行电压。经辅助判据“与门”输出，短延时动作于发电机解列。 发电机侧主判据： （1)异步边界阻抗继电器； （2)静稳极限阻抗继电器； （3)静稳极限励磁低电压继电器。 低励失磁保护的辅助判据有： （1)负序电压元件； （2)励磁低电压元件； （3)延时元件。1阻抗元件 按异步边界圆征整定: 式中发电机额定容量 发电机额定电压 发电机电流互感器之比 发电机电压互感器之比 可靠系数，取1.2 发电机暂态电抗,取0.242 发电机同步电抗，1.95 (2) 按静稳边界圆整定：

39、为系统联系阻抗，为图11 系统联系阻抗图2 电压元件整定保护动作电压Uact=（0.70.8）/式中为高压侧母线额定电压 为高压侧母线电压互感器之比为230/0.1 Uact =（0.70.8）×230/2300=(7080)V3 励磁低电压闭锁元件的整定Uact=P××式中 Uact励磁低电压的整定值 P给定有功功率，取0.5为综合阻抗=Xd+Xs，Xd为发电机同步电抗，Xs为系统阻抗空载励磁电压 Uact=0.5×（1.95+0.08433）×120=122.05V（2）延时元件按异步边界整定：t=0.51.0S按静稳边界整定t=1.01.

40、5S4 负序电流（或电压）闭锁元件的整定负序电流元件动作电流：Iact.2=(0.050.06) 负序电压元件动作电压：Uact.2=(0.050.06) 式中Iact.2（Uact.2）负序电流（负序电压）的动作值： （）发电机的额定电流（额定电压） Iact.2= (0.050.06) ×8625/2400=0.180.21A Uact.2=(0.050.06) ×100=56V延时元件：延时返回时间为810S图12 失磁保护原理逻辑图4.4 复合电压启动的过电流保护：发电机相间短路的后备保护可采用过电流保护、带低电压的过电流保护、复合电压启动的过电流保护、负序过电流保

41、护等。为了防止外部短路所引起的过电流和作为发电机的后备保护，在发电机上可装设过电流保护或带低电压起动的过电流保护，如这种保护的灵敏度不够或为了简化接线，也可装设负序过电流保护或复合电压起动的过电流保护。在本设计中采用三相三继电器式接线，且为了使其灵敏度达到要求采用复合电压启动的过电流保护。电流启动元件由接于相电流的3个继电器构成，电压启动元件由反应不对称短路的负序电压继电器U2和反应对称短路接于相间电压的低电压继电器KV构成。只有电流启动元件和电压启动元件都动作时才能启动时间继电器KT。由于外部短路，非周期重合闸以及系统震荡而引起过电流。1MW及以上发电机，可装设复合电压起动的过电流保护，作为

42、相间短路故障的后备保护。通常在微机保护中可通过改变设置变成简单过流保护或低压起动的过流保护，具有更好的适应性，广泛用于各种中小发电机。保护通常带两段时限，其中较短时限用于减小故障范围，较长时限跳发电机。负序电压元件和反映相间电压的低电压元件，两者构成或门关系。负序电压元件主要针对于不对称故障，提高了反应不对称故障的保护的灵敏度，故障相电流继电器中至少两个动作，同时负序电压继电器KVN动作，其常闭触点打开，于是加于低电压器继电器上电压被迫为零，启动时间继电器KT，经过KT的延时，其触点闭合，启动出口继电器KCO，使发电机各侧断路器跳闸；低电压元件主要反映对称故障，灵敏度较高，由于短路瞬间也会产生

43、短时的负序电压，使负序电压继电器KVN启动，使低压继电器KV动作，当负序电压消失后，KV接于相间电压上，因此只有母线电压高于KV的返回电压方可使KV返回。但三相短路时母线电压均很低，小于KV的返回电压，故KV保持动作状态，此时相当于低电压启动的过电流保护。记忆元件：采用加记忆元件或利用低电压自保持，以防止保护装置中途返回。接线：LH-发电机中性点 YH-发电机出口 动作结果: 跳DL，MK图13 复合电压过电流保护出口逻辑 反应外部相间短路的后备保护的整定计算（ 1 ）保护动作电流：Iact = /×式中: 发电机额定电流 可靠系数，采用1.2 返回系数，采用0.85 Iact=1.

44、2/0.85×8625=12176A ( 2 )负序电压继电器动作电压按躲过正常运行时的不平衡电压整定：Uact=0.06Ue式中U额定相间电压 Uact=0.06×100=6V ( 3 )接在相间的低电压继电器动作电压按躲过电动机自启动的条件整定，此外还应躲过失去励磁时的非同步运行方式是的电压降：Uact=0.6U Uact=0.6×100=60V( 4 )灵敏系数按后备保护范围末端进行校验:Ksen1.21 )电流元件：当发电机定子绕组为星形接线，并且保护用的电流互感器也接成星形时：Ksen=Id.min/Id.act式中Id.min后备保护范围末端金属性不对

45、称短路时，通过保护的最小一次稳态电流 Ksen=1827.26/871.69=2.091.22 )负序电压元件：Ksen=Ud.min.2/Ud.act后备保护范围末端金属性不对称短路时，保护安装处的最小负序电压。两相短路: 图14 两相短路序网 Ksen=50/6=8.331.23 ）相间电压元件:Ksen=Ud.act/Ud.max式中:Ud.max后备保护范围末端金属性三相短路时，保护安装处的最大相间电压。 图15 三相短路Ksen=60/49.9=110000/90354=1.2021.2 动作时限整定与主保护配合：取t=3.5S。 保护出口：全停。4.5 定子绕组对称过负荷保护防止由

46、于过负荷超过发电机的额定的、容量而引起的过电流保护，在经常有值班人员的情况下，过负荷保护通常作用于信号。由于过负荷电流在大多数情况下是三相对称的，因此，过负荷保护仅接入一相电流，各侧的过负荷保护均经过同一时间继电器发出信号，即采用接一相电流的电流继电器和一个时间继电器构成，带延时动作于信号。大型发电机的材料利用率高，热容量与铜损之比较小，热时间常熟也较小，相对过负荷能力就低，较易因过负荷而温升过高，影响机组正常寿命，应装设过负荷保护。 电流取自发电机中性点或机端TA三相电流。4.5.1 整定计算 定子绕组过负荷保护对于非直接冷却方式的中小型发电机，采用单相式定时限过电流保护，经延时动作于信号，

47、动作电流按发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定，即Iact=(Krel/Kre)Ild.max/式中Krel可靠系数，为1.05 Kre返回系数，为0.85 Ild.max发电机长期允许的负荷电流，一般取作发电机额定电流 电流互感器之比 Iact=1.85/0.85×8625/2400=4.44A按大于发电机后备保护限度（相间短路）：取时间为315秒。 图16 过负荷原理接线图4.6 励磁绕组过负荷保护 整定计算Iact=/×式中可靠系数，取1.05返回系数，取0.85 正常运行最大励磁电流，一般取1.1倍额定励磁电流。 Iact=1.05/0.85×1

48、.1×1765=2398A保护时限：保护延时按躲过后备保护的最大延时整定;动作于信号或自动减负荷：t=10S 反时限部分的动作时间式中 定子绕组电流标幺值,取1.5倍额定电流 a与定子绕组温升裕度有关的常数，取0.01. K定子绕组的允许发热时间常数，为1.69 保护上限设最小延时定值,便于与快速保护配合:t=1S，保护出口：程序跳闸4.7 过电压保护发电机出现过电压，不仅对定子绕组绝缘带来威胁，同时使变压器励磁电流剧增，引起变压器的过励磁和过磁通。过励磁可使绝缘因发热而降级，过磁通使变压器铁芯饱和并在铁芯相邻的导磁体内产生巨大的涡流损失，严重时可因涡流发热使绝缘材料遭永久性损坏。过

49、电压保护用来保护发电机各种运行情况下引起的定子过电压。发电机定子绕组过电压保护反应发电机机端电压大小，该电压取自发电机机端TV的线电，过电压保护动作于跳闸。该两段过电压保护跳闸段，反应机端相间电压的最大值，动作于跳闸出口，过电压保护可作为过压启动、闭锁及延时元件、保护取三相线电压，当任一线电压大于整定值，保护即动作。4.7.1 整定计算定子过电压保护的整定值，应根据电机制造厂提供的允许过电压能力或定子绕组的绝缘状况决定。对于200MW及以上汽轮发电机： 所以继电器的动作电压整定值：t =0.5s动作于解列灭磁发电机过电压保护是一个带频率补偿（或对频率不灵敏）过电压继电器。这个继电器应该由一个瞬

50、时动作单元和有一个反时限特性的延时单元。瞬时动作单元整定为在130-150额定电压下动作，而反时限单元整定为在110额定电压下动作。由接在发电机输出端电压互感器上的一个过电压继电器YJ以及时间继电器SJ，信号继电器XJ，保护出口中间继电器BCJ等组成。图17 过电压接线原理图4.8 逆功率保护 大型汽轮机在运行中由于各种原因将关闭主气门后，发电机将从电力系统吸收能量变为电动机运行。由于逆功率运行时没有蒸汽流过汽轮机，故风损造成的热量不能被带走，气轮机叶片将会过热而导致损坏。而且发电机变为电动机运行时，燃汽轮机可能有齿轮损坏的问题。故为了及时发现发电机的逆功率运行的异常工作状况，一般对大、中型机

51、组都装设逆功率保护。保护装置由灵敏的功率继电器构成，带时限动作于信号，经长时限动作于解列。 汽轮机能耐受这种工况的时间长短不仅与汽轮机型式有关，还会随蒸汽工况的变化而变化。防止发电机处于电动机运行状态的主保护通常可以是机械式的机轮机阀门的限位开关、排汽缸温度敏感装置或测量汽轮机冲动室和高压排汽室之间差压的压力开关。逆功率保护是上述主保护的一种后备保护。对发电机变电动机运行的异常运行方式，200MW 及以上的汽轮发电机，宜装设逆功率保护K1图18 逆功率保护接线原理图它是由逆功率继电器组成，保护设两段时限，第一段时限作用于信号；第二段时限（延时定值较长）作用于解列灭磁或程序跳闸。逆功率保护的核心

52、元件是逆功率继电器，该继电器与功率方向继电器相似，只是在功率方向反向时（即功率反向由电力系统流入发电机），逆功率继电器动作，及时发出信号或延时自动切机。逆功率保护所需电压和电流分别取自发电机机端TV和TA。绝对值比较式逆功率保护的继电器动作条件为：K1K1+，式中动作量A=K1，制动量B=K1+当发电机逆功率时，发出无功功率，吸收有功功率，滞后的角度大于90°。设为有功分量电流，为无功分量电流。无功分量电流经TX后形成的电压为，滞后于K190°，逆功率继电器不反映无功功率。有功分量电流经电抗器TX后形成的电压为，与K1反向，故AB，继电器动作。发电机发出的有功功率P 可通过

53、下式计算其中：U 为发电机的电压； I 为发电机的电流；为发电机的功率因数角； q E 为发电机的空载电动势； d X 为发电机的电抗； 为发电机的功角。如果不考虑发电机的励磁调节器的作用，即认为发电机的空载电动势q E 恒定，则如图:21发电机正常运行在额定功率PN ，此时对应于为0o90o 之间的A 点；当 为90o 时，发电机发出的有功功率为最大值Pm 。当汽轮机的主汽门关闭，即发电机没有动力时，理想情况下发电机发出的功率应该为零。在仅考虑主汽门可能的微小漏汽时，发电机发出的功率数值也很小，对应于曲线上的D（0.7% P N ）以下点，此时发电机如果与系统断开，汽轮发电机组超速不会超过机组能力，则不会出现“飞车”危险；仅考虑汽轮机和发电机的旋转损耗时，发电机将运行在电动机状态，发出的功率为数值很小的负数，对应于曲线上的E 点，此时汽轮机的叶片可能受到损坏。由于常规火电厂的汽轮机叶片较短，承受逆功率运行的能力较强，此时主要考虑避免出现“飞车”的情况，仅需要设逆功率保护即可。 图19 发电机的功-角曲线4.8.1 整定计算200MW及以上发电机逆功率运行时，其动作判据为PPact式中：P发