水电厂二次设计毕业

本文格式为Word版，下载可任意编辑——水电厂二次设计毕业

摘要

发电厂二次系统是发电厂安全生产、运行维护的重要组成部分，对电力系统安全、可靠运行有着极其重要的作用。实践证明，技术先进的电气二次系统能对电气一次系统进行监测、报警、控制、保护，并能快速、确凿、可靠地预报和切除故障，是一次系统安全、可靠、经济运行的重要保证。

二次系统分为继电保护、发电机励磁系统、直流系统及调速系统几部分。其中继电保护分为发电机保护，主变压器保护，线路保护和厂用电保护，通过对短路电流的计算确定保护类型和保护用设备的参数。

发电机励磁调理系统设计成由两套数字式调理器构成，两台互为备用，故障时自动切换；直流系统包括直流电源系统和蓄电池组；调速器系统中调速器应具备PID调理规律。

1绪论

1绪论

1.1引言

电能与国民经济各部门和人民生活关系密切。现代工业、农业、交通运输业以及居民生活等都广泛的利用电作为动力、热量、照明等能源。供电的中断或不足，不仅将直接影响生产，造成人民生活紊乱，在某些状况下，甚至会造成极其严重的社会性灾难。改革开放以来，我国经济的快速发展刺激电网的快速发展，特别是近几年我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。随着我国电力需求迅速增长，使得电网规模不断扩大、结构越来越繁杂，对包括水电厂在内的各类发电厂的发电量及其二次工程的稳定性可靠性的要求显得更加重要。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装置发挥更重要的作用，针对系统出现的故障能及时切除，确保电网的安全、稳定、经济的运行。发电厂二次系统是发电厂安全生产、运行维护的重要组成部分，对电力系统安全、可靠运行有着极其重要的作用。

西电东送是西部大开发的标志性工程之一，在西部开发三大标志性工程中，西电东送投资最大，工程量最大。顾名思义，西电东送重点在“送〞，要送就要有通道，西电东送从南到北，从西到东，将形成北、中、南三路送电格局。其中南线由云南、贵州、广西等省（区）向华南输电。而本文将介绍的水电厂二次设计就是关于西电东送工程中南线上的一个重要水电厂——崖羊山水电厂。

本设计主要包括四大部分：继电保护、发电机励磁系统、直流系统及调速系统，我将着重介绍继电保护部分和直流系统，其它部分将对其进行理论与硬件参数的概述。

1.2崖羊山水电站简介

崖羊山水电站位于云南省思茅地区墨江哈尼族自治县与普洱哈尼族彝族自治县的界河把边江河段上，该河段位于普洱县境内。为李仙江流域规划七个梯级电站的龙头电站。电站对外有左岸及右岸两条交通运输道路，距昆明火车东站的马路距离分别为370km和418km。

电站是以发电为主，兼顾防洪等综合利用的中型水电站工程。电站共装设两台单机容量分别为50MW和25MW的混流式机组。电站具有季调理水库，发电库容1.34?108m，保证出力23.3MW，多年平均发电量4.99~10kW·h，年利用小时数4158h。电站出线电压等级为220kV。220kV侧为单母线接线，出线一回至李仙江变电站，线路长约30km。220kV开关设备采用气体绝缘金属封闭组合电器。发电机与主变压器采用单元接线，发电机主引出母线采用离相封闭母线，发电机出口装设专用型发电机断路器。

崖羊山水电站电气二次部分，按“无人值班(少人值守)〞的原则进行设计，电站由云南省调调度。电站继电保护系统、直流系统、励磁系统、调速系统、公用辅机设备控制系统等主要二次设备均选用性价比优越的微机型产品。

1水利电力学院

青海大学本科毕业设计：水电厂电气部分二次设计

2发电机继电保护系统

根据《继电保护和安全自动装置技术规程》，对电站的发电机、主变压器、厂用变、220kV母线、220kV线路等配置了微机保护。

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宝贵的电器元件，因此，应当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。

2.1故障类型及不正常运行状态

2.1.1故障类型

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。

2.1.2不正常运行状态

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；由于外部不对称短路或不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等。

2.2发电机继电保护类型

2.2.1主保护

（1）纵联差动保护（2）横联差动保护（3）发电机定子绕组接地保护（4）负序过电流保护（5）失磁保护。

2.2.2后备保护

（1）过电流保护（2）复合电压起动的过电流保护（3）过负荷保护（4）过电压保护（5）低频保护（6）逆功率保护（7）失步保护等。

这里将着重介绍发电机内部相间短路的主保护—纵联差动保护。

2.3发电机纵联差动保护

寻常讲的差动保护包含了母线差动保护、变压器差动保护、发电机差动保护和线路差动保护。实现差动保护的基本原则是一致的，即各侧或各元件的电流互感器，按差接法接线，正常运行以及保护范围以外故障时，差电流等于零，保护范围内故障时差电流等于故障电流，差动继电器的动作电流按躲开外部故障时产生的最大不平衡电流整定计算[3]。

2水利电力学院

2发电机继电保护系统

该保护是发电机内部相间短路的主保护，既能快速而灵敏地切除内部所发生的故障，又能在正常运行及外部故障时保证动作的选择性和工作的可靠性。

2.3.1发电机纵联差动保护原理及接线

发电机纵联差动保护的原理接线图如图2-1所示，在中性点测和机端引出线靠近断路器处分别装设一组电流互感器，因此它的保护范围就是定子绕组及其引出线。由于两侧可选同一电压等级、同型号、同变比及特性尽可能一致的电流互感器，因此，其不平衡电流比变压器纵联差动保护的小，只需要考虑由于两侧电流互感性励磁特性不一致产生的不平衡电流，即

Iunb.max?KnpKsam0.1Ik.max/nTA（2-1）

式中，电流互感器同型系数Ksam=0.5；当采用具有速饱和铁心的差动继电器KD时，非周期分量系数Knp=1；Ik.max为外部短路最大短路电流周期分量；nTA是电流互感器变比。为了防止电流和互感器二次回路断线引起保护误动，在差动回路的中线上接有断线监视继电器4。错误！未指定书签。

+6KS++c信号+7跳灭磁开关KD1KD2KD3KAI>4+t5短线信号KT图2-1具有电流互感器二次回路断线监视的发电机纵联差动保护原理接线

2.3.2发电机纵联差动保护整定原则

发电机纵联差动保护的启动电流的整定原则如下：（1）躲开正常运行时电流互感器二次回路断线

为防止差动保护在此状况下误动作，应整定保护装置的启动电流大于发电机的额定电流。引入可靠系数Krel(取1.3)，则保护装置和继电器的启动电流分别为

水利电力学院

Iop?KrelIN.GIact?KrelIN.G/nTA（2-2）

3青海大学本科毕业设计：水电厂电气部分二次设计

（2）躲开外部故障时的最大不平衡电流继电器的启动电流应取为

Iact?KrelIunb.max（2-3）

取上述两公式中最大者为保护的启动电流。

短线监视继电器的启动电流按躲开正常运行时的不平衡电流整定，原则上越灵敏越好。根据经验，其值寻常选择为

Iact?0.2IN.G/nTA（2-4）

其动作时限应大于发电机后备保护的时限，以防止外部故障时由于不平衡电流的影响而误发信号。正常运行时，若监视短线继电器发出断线信号，则运行人员应将差动保护退出工作以防止外部短路时保护误动作。

发电机纵联差动保护的灵敏性仍以灵敏系数衡量，即

Ksen?Ik.min（2-5）Iop式中，Ik.min为发电机内部故障时流过保护装置的最小短路电流，计算时应考虑下面两种状况：（1）发电机与系统并列运行以前，在其出线端发生两相短路。此时，差动回路只有由发电机供给的短路电流；

（2）发电机采用自同期并列时（此时发电机先不加励磁，因此发电机的电势E≈0）,在系统最小运行方式下发电机出线端发生两相短路。此时，差动电路中只有由系统供给的短路电流。

对灵敏系数的要求一般不应低于2。

对100MW及以上大容量发电机，当灵敏系数不满足要求时，可以采用具有比率制动特性的差动继电器，使继电器的启动电流随着制动电流的大小而变化。这样既可保证外部故障时可靠躲开最大不平衡电流的影响，又能保证内部故障的灵敏性[3]。

2.4发电机定子绕组单相接地保护

定子绕组单相接地故障是发电机最常见的一种故障，而且往往是更为严重的绕组内部故障发生的先兆。目前实际应用中比较成熟的定子接地保护有基波零序电压保护、三次谐波电压保护及二者组合构成的保护，国外的发电机中性点大都是经高阻接地，较多的采用的是外加电源式的保护。

发电机定子绕组单相接地时有如下特点：内部接地时，流经接地点的电流为发电机所在电压网络对地电容电流的总和，此时故障点零序电压随故障点位置的改变而改变；外部接地故障时，零序电流仅包含发电机本身的对地电容电流。这些故障信息对接地保护十分重要，下面简单介绍几种定子接地保护方法。

2.4.1利用零序电流构成的定子接地保护

反应零序电流的发电机定子接地保护，其启动电流依照躲外部单相接地是发电机本身的电容电流以及正常运行时零序电流互感器二次侧的不平衡电流来整定，动作时限取1~2s，以躲开外部单项

4水利电力学院

青海大学本科毕业设计：水电厂电气部分二次设计

解决方法为:这种不平衡电流是不可避免的，只能靠尽可能减少电流互感器铁芯的饱和程度来虚弱其影响。为此，应严格依照电流互感器的10％误差曲线选择二次负载，负载减小了等于降低了二次电压，也就降低了电流互感器的磁感应强度，减弱了铁芯饱和度，相应地也就降低了不平衡电流。

3.4变压器纵联差动保护整定计算

目前常用的国产差动保护继电器主要有BCH-1、BCH-2、BCH-4型等。变压器的差动保护一般采用BCH-2型差动继电器，它具有较好的避免励磁涌流特性，也有躲避外部短路暂态不平衡电流的性能。因此，这里的整定计算将采用BCH-2型变压器纵差动保护。

3.4.1变压器参数

主变压器的参数为SFL1-10000/60型，60/10.5kV，Y/d11结线，%=9。已知10.5kV母线上三相

(3)(3)短路电流在最大、最小运行方式下分别为IK=3950A，IK=3200A，归算到60KV分别为691A2min2max与560A，10kV侧最大负荷电流为ILmax=450A，归算到60KV侧为78.75A。

3.4.2基本侧的确定

（在变压器的各侧中，CT二次联接臂电流最大一侧称为基本侧）

计算变压器原副路额定电流，选出电流互感器的变比，计算电流互感器二次联接臂中的电流。

表3-1变压器各侧有关数据

数据名称变压器的额定电流电流互感器的接线方式电流互感器变比的计算值选择电流互感器标准变比电流互感器二次联接臂电流各侧数据60kV10.5kVITNY?STN10000??96.2A3UN13?60ΔINTd?STN10000??550A3UN23?10.5YKTAd?3ITNY96.2166.6?3?555KTAD=200/5KTA?Y?ITNd550?55KTAY=600/5I2?ITNd550??4.583AKTAY600/5I1?3ITNY96.2?3?4.165AKTAd200/5应选大者10.5kV侧为基本侧。平衡线圈WbI接于10.5KV的基本侧，平衡线圈Wb?接于60KV侧。

3.4.3计算差动保护装置基本侧的动作电流

应满足以下三个条件：

10水利电力学院

3主变压器继电保护系统

1）躲过变压器励磁涌流的条件

Iop1?KrelITN?d?1.3?550?715A

2）躲开电流互感器二次断线不应误动作的条件

Iop1?KrelIL?max?1.3?450?585A

3)躲过外部穿越短路最大不平衡电流的条件

(3)Iop1?KrelIunb?max?Krel(KstKerr??U??fs)IK2max?1.3(1?0.1?0.05?0.05)?3950?1027A

式中:Krel,Kst,Kerr——可靠系数，电流互感器的同型系数与电流互感器的误差；

ITNd,ILmax——变压器于基本侧的额定电流与最大负荷电流；

?U,?f——改变变压器分接头调压引起的相对误差与整定匝数不同于计算匝数引起的相对误

差；

(3)IK2max——在最大运行方式下，变压器二次母线上短路，归算于基本侧的三相短路电流值。

选取上述三个条件计算值中最大的作为基本侧的一次动作电流，即Iop1=1027A。差动继电器于基本侧的动作电流为

Iopr?Iop1KTAYKcon?1027?1?8.56A

600/5式中:KTAy,Kcon基本侧的电流互感器变比与其接线系数。

3.4.4确定BCH-2型差动继电器各线圈的匝数

该继电器在保护时其动作安匝值(线圈匝数与线圈通过的电流的乘积)AN=60±4，则继电器于基本侧的动作匝数为

Wop?AN60?4??7匝Iop?r8.56为了平衡得更确切，使不平衡电流影响更小，可将接于基本侧的平衡线圈作为基本侧动作匝数的一部分，即选取差动线圈Wd与平衡线圈Wb1的整定匝数Wds=6匝，Wb1S=1匝，即

Wop·set?Wd·set?Wb1?set?6?1?7匝

确定非基本侧平衡线圈的匝数，即：

水利电力学院

11青海大学本科毕业设计：水电厂电气部分二次设计

WbII?I24.583(Wd·?W)?W?(6?1)?1.7匝setbI?setd·setI14.165选取Wb?的整数匝Wb?set=2匝，此时相对误差即：

?fs?WbII?WbII?set1.7?2???0.0395

WbII?Wd?set1.7?6可见?fs?0.05，故可不必再重新计算动作电流。

确定短路线圈匝数，即确定短路线圈的抽头点的插孔。从直流助磁特性可知，短路线圈匝数越多，躲过励磁涌流的性能越好，但当内部故障电流中有较大的非周期分量时，BCH-2型继电器的动作时间就要延长。因此，对励磁涌流倍数大的中、小容量变压器，当内部故障时短路电流非周期分量衰减较快，对保护动作时间要求又较低，故多项选择用插孔C2-C1或D2-D1。另外，还应考虑电流互感器的型式、励磁阻抗小的电流互感器，如套管式，吸收非周期分量较多，短路线圈应选用较多匝数的插孔。所选插孔是否适合，应通过变压器空投入试验来确定。本例题宜选用插孔C2-C1拧入螺钉，接通短路线圈。

3.4.5灵敏度校验

本例题为单电源应以最小运行方式下10kV侧两相短路反应到电源侧进行校验，10kV母线两相短路电流归算到60kV侧流入继电器的电流为

(2)IK2?r?3IKTAd(2)K2min3?(?3(3)?IK2min)1.5?5602??21A

KTAd200/560kV电源侧BCH-2型继电器的动作电流为

Iop?r?则差动保护装置的最小灵敏度为

AN60??7.5A

Wd?set?WbII?set6?2k(2)S?min(2)IK21?2?r??2.8?2Iop?r7.5可见灵敏度满足要求，因此，根据计算可选用BCH—2型差动保护装置。

3.5变压器相间短路的后备保护

为反应相间短路电流增大而动作的过电流，以及在变压器内部故障时作为差动保护和瓦斯保护的后备，变压器应装设相间短路的后备保护。根据变压器容量和系统短路电流水平的不同，实现变压器相间短路后备保护的方式有过电流保护、低电压启动的过电流保护、复合电压启动的过电流保护以及定时限负序过电流保护等。

12水利电力学院

3主变压器继电保护系统

3.5.1变压器相间短路的过电流保护

简单过电流保护装置的启动电流按躲开变压器可能出现的最大负荷电流进行整定。

Iop?KrelKMsKrelKMsKre（3-4）

式中，Kre为可靠系数，一般采用1.2~1.3；KMs为自启动系数，与负荷性质及用户与电源间的电气距离有关；Kre为电流继电器的返回系数，取0.85~0.95.保护装置的灵敏度

Ksen?Ik.min（3-5）Iop[4]

过电流保护作为变压器的近后备保护，灵敏系数要求大于1.5，远后备保护的灵敏系数大于1.2。保护的动作时间比出线的第三段保护动作时限长1个时限阶段。

3.5.2低电压启动的过电流保护

当过电流保护不能满足灵敏度要求时可采用低压起动的过电流保护。只有电压测量元件和电流测量元件同时动作后才能起动时间继电器，经预定的延时发出跳闸脉冲，进而启动出口中间继电器跳开变压器两侧的断路器。

由于低电压元件的存在，电流元件的整定值可以不考虑可能出现的最大负荷电流，而是按大于变压器的额定电流整定IN.T,即

Iop?KrelIN.T（3-6）Kre式中，Krel为可靠系数，取1.2;Kre为电流继电器的返回系数，取0.85~0.95。

低电压元件的启动值按躲开正常运行状况下母线上可能出现的最低工作电压，且考虑外部故障切除后电动机自启动的过程中它必需返回来整定。根据运行经验，寻常采用

Uop?0.7UN.T（3-7）

式中，UN.T为变压器的额定线电压。低电压元件灵敏度

Ksen?Uop（3-8）Uk.maxUk.max为最大运行方式下，相邻元件末端三相金属性短路时，保护安装处的最大线电压，要求

Ksen≧1.2。

对升压变压器，假使低电压元件只接于某一侧的电流互感器上，则当另一侧故障时往往不能满足上述灵敏系数的要求。可以考虑采用两套低电压元件分别接在变压器两侧的电流互感器上，其接点采用并联的连接方式；也靠考虑采用复合电压启动的过电流保护。

当电压互感器回路发生断线时，低电压继电器将误动作。因此，在低电压保护中一般应设置电压回路断线的信号指示，延时发出断线信号，便于运行人员加以处理。

3.5.3复合电压启动的过电流保护

由负序电压滤过器、过电压继电器及低电压继电器组成复合电压起动回路。当发生各种不对称

水利电力学院

13青海大学本科毕业设计：水电厂电气部分二次设计

短路时，出现负序电压，过压继电器动作?