电力系统继电保护课程设计任务书

1、发电机与母线保护设计目录1内蒙古科技大学课程设计任务书2摘 要 4 第一部分 发电机保护 4一、 发电机的故障 、不正常工作状态 4二、 发电机的保护配置41、 纵差动保护及原理 42、 发电机定子绕组单相接地保护 103、 发电机负序电流保护 124、发电机的失磁保护15 5、发电机的失步保护18三 结论及建议23第二部分 母线保护23一、 装设母线保护基本原则 231、母线的短路故障232、母线故障的保护方式23二、母线差动保护基本原理251 单母线完全电流母线差动保护 252高阻抗母线差动保护(也称电压差动母线保护)263具有比率制动特性的电流差动母线保护 284 电流比相式母线保护 2

2、95 元件固定连接的双母线电流差动保护 306 母联电流比相式母线差动保护 337 一个半断路器接线的母线保护 338 断路器失灵保护简介33三、总结和建议 36参考文献 36内蒙古科技大学课程设计任务书课程名称电力系统继电保护原理设计题目发电机与母线保护设计指导教师李洁时间1周一、教学要求电力系统继电保护课程设计是培养学生应用理论知识的一种综合训练。本课程设计教学要求是：（1）理论与实践紧密联系；（2）学习电力系统保护的配置原则以及整定计算方法。（3）训练学生工程CAD制图方法。（4）学习保护配置原则、整定原则、灵敏系数要求以及灵敏系数校验方法。通过课程设计，使学生系统地掌握电力系统保护配置

3、、整定计算方法与目的。二、设计资料及参数（一）设计原始资料1、待设计发电机系统图2、三相380V供电系统3、容量为300MW三、设计要求及成果1、分析主保护工作原理。2、论证后备保护的基本原理。3、详细绘制信号检测的电路原理图 。4、按照任务书规定的内容和进度完成。四、进度安排1、讲解设计目的、要求、方法、任务分工。（2小时）2、查阅资料，熟悉用户任务要求，（0.5天）3、设计保护方案，提出可行性报告（1天）4、查阅图书、资料、产品手册和工具书进行设备校验，绘制继电保护二次展开图（1天）。5、撰写设计说明书（2天）五、评分标准课程设计成绩采用非百分制记法。主要注重量化过程考核，创新能力考核，评

4、分内容和标准如下：(1) 设计态度20%遵守劳动纪律和安全文明实训，准时上下课，不大声喧哗，不随意走动，不做与课程设计无关的事。认真查找资料，主动提出问题，分析问题，解决问题。服从管理，按时完成设计任务。(2) 实践能力20%继电保护装置满足规程要求，可靠性高，设备选择得当，计算、保护、整定等满足要求。保护屏安装规范，布置美观。设计过程有创新，故障判断准确，短路电流计算正确。(3) 方案设计40%课程设计报告包含两部分，设计说明书和图纸。设计说明书要求内容完整，文字流畅，字迹端正，图纸规范，尤其要突出设计创新，采用新方法，新工艺，新设备。设计论证充分，可靠性高。设备选择正确合理，设计心得体会真

5、实可信。(4) 课题说明书20%对课题考核重点理解深刻，能正确、全面地回答问题。若发现有抄袭或请别人代做者，取消参加考核的资格，成绩以零分记录。最后总评以优、良、中、及格、不及格记。六、建议参考资料1电力系统继电保护，张保会，中国电力出版社，2005，第二版2电力系统继电保护原理，贺家李，宋从矩，中国电力出版社，1994，第二版3微机型继电保护基础，杨奇逊，中国电力出版社19884电力系统继电保护原理，王维俭，清华大学出版社，19925知网数据库论文摘要：发电机的安全运行直接影响电力系统的安全。发电机由于结构复杂，在运行中可能发生故障和不正常工作状态，特别是现代的大中型发电机的单机容量大，对系

6、统影响大，损坏后的修复工作复杂且工期长，所以对继电保护提出了更高的要求。针对发电机的故障和不正常工作状态，硬装设性能完善的继电保护装置。母线保护是发电厂和变电所保护的重要元件。在母线上连接有发电机、变压器、避雷器、压变、输电线路、配电线路以及调相设备等元件；母线工作的可靠性直接影响着发电厂和变电所工作的可靠性；同时，变电所或发电厂的高压母线也是电力系统的中枢部分，担负着连接电网，转移负荷的重要任务，若母线故障不能迅速切除，将会造成或扩大事故，破坏电力系统的稳定运行，甚至造成电网的瓦解。关键词：发电机保护 纵差保护 母线保护 比例制动正文： 第一部分 发电机保护一、 发电机的故障 、不正常工作状

7、态发电机是电力系统中十分重要和贵重的设备，发电机的安全运行直接影响电力系统的安全，因此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、定子一相绕组的匝间短路，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。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；由于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；由于突然甩开负荷而引起的定子绕组过电压；由于励磁回路故障或励磁时间过长而引起的专此绕组过负荷；由于汽轮机主汽门突然

8、关闭而引起的发电机逆功率等。二、 发电机的保护配置1、纵差动保护及原理 反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路故障，动作于瞬时跳开发电机开关、停机并灭磁。其原理图如下图1.图1. 纵差动保护原理图以图中(a)的中相为例(其它两相的继电器未画出，原理相同)，当发电机正常运行或在差动保护区外，例如断路器的B、C相短路，此时1TA和2TA一次侧通过的电流大小相等、方向相同。由于1TA和2TA的同名端朝向同一方向，1TA和2TA的二次侧异极、相连并列接在差动继电器KA的线圈上，KA中流过的差动电流，所以KA不动作。如图4(b)所示，若在差动保护区内发生相间短路，例如发电机引出线B、C之间发生相间短路，

9、2TA一次侧流过的电流是发电机送至故障点的短路电流，单机运行时，1TA一次侧电流几乎为零，多机并列运行时，1TA一次侧流过的是母排上其他发电机送至故障点的短路电流，和正常运行时或外部短路故障时相比，流过1TA的电流方向改变了，此时KA中的电流或，KA中流过与短路故障点电流大小成比例的差动电流，使KA动作，瞬时切除故障和灭磁。1.1 纵差动保护的必要性发电厂中的发电机，通常使用断路器作短路保护和过载保护。但是，无论断路器的脱扣器有几段保护，都不能保护发电机内部绕组，在发电机绕组引出线和中性点侧存在保护盲区。前几年，某钢铁企业自备电厂的发电机保护，其发电机采用断路器进行过载长延时、短路短延时、短路

10、瞬动三段保护，主电路如图1.1所示。由于该发电机功率小于1500kW，采用三段保护已满足规范要求。可是发电机在进行试验时，因发电机至主配电板之间的电缆绝缘被压破造成B、c相短路。从图1.1可以看出，主配电板上断路器的三段保护不能对发生相间短路的发电机进行保护，结果造成了发电机组的严重损坏。因为发电机保护有盲区，使上述发电机损坏而报废，影响了交船期。发电机本身造价高，发生故障后修理费用大，检修时间长，而且进出舱也较困难。因此在发电机保护装景的可靠保护范围方面，在保护装置的快速动作和反映故障的灵敏度方面，都应当有更高的要求。图1.1发电机保护的盲区1.2 比率制动式纵差保护比率制动式纵差保护仅反应

11、相间短路故障。具有比率制动特性的差动保护的二次接线如图1.2所示图中，KVI串接于三相电流互感器的中性线上，反应中性线上的电流大小，作为差动保护TA断线监视用，延时发信号。当差动线圈匝数Wd与制动线圈匝数Wres的关系为=1/2时，图1.2具有比率制动特性的差动保护的二次接线差动电流制动电流比率制动式差动保护的动作方程为： 式中： ， 一次电流； ， 二次电流； na 电流互感器变比。 差动电流或称动作电流 制动电流 拐点电流启动电流 K 制动斜率差动保护的制动特性如图1.2.1中的折线ABC所示。图中，纵坐标为差动电流Id，横坐标为制动电流Ires。 为了正确进行整定计算，首先应了解纵差保护

12、的不平衡电流与负荷电流和外部短路电流间的关系。 发电机纵差保护用的10P级电流互感器，在额定一次电流和额定二次负荷条件下的比误差为3%。因此，纵差保护在正常负荷状态下的最大不平衡电流不大于6%。但随着外部短路电流的增大和非周期暂态电流的影响，电流互感器饱和，不平衡电流将急剧增大，实际的不平衡电流与短路电流的关系曲线如图1.2.1中的曲线OED所示。根据比率式制动特性曲线分析。当发电机正常运行时，或区外较远的地方发生短路时，差动电流接近为零，差动保护不会误动。发电机内部发生短路故障时，差动电流明显增大，图1.4 比率制动式差动保护的制动特性和 相位接近相同，减小了制动量，从而可灵敏动作。当发生发

13、电机内部轻微故障时，虽然有负荷电流制动，但制动电流比较小，保护一般也能可靠动作。1.3、标积制动式纵差动保护标积制动是比率制动原理的另一种表现形式，这里介绍一种实用的标积制动式纵差动保护的判据。仍以电流流入发电机为正方向，令标积制动式纵差动保护的动作判据为下式：式中 1.4、发电机纵联差动保护的构成装设差动保护的目的是为了当发电机绕组内部及其引出线端子至发电机断路器之间这段线路上发生故障时，差动保护装景能对发电机进行可靠保护。纵联差动保护的构成如图1.3所示。发电机的纵联差动保护，是发电机定子绕组及其引出线发生相间短路时的主保护。2台以上发电机并列运行时，当发电机lDG的A、B相引出线发生相问

14、短路时，A、B之问的总短路电流是由2部分供给的，一部分是由1DG供给，另一部分是由2DG供给，所以当IDG绕组或引出线发生相间短路时，不仅要使1 DG的1QF断开，以切断2DG供给的短路电流，而且要使1DG灭磁，以消除1DG供给的短路电流。纵联差动保护由2组电流互感器1TA和2TA组成，1TA安装在发电机出口断路器附近，2TA安装在发电机中性点引出线上，1TA和2TA之间的范围即为保护区。1.5、发电机纵差动保护的整定与灵敏度1.5.1 纵差动保护灵敏系数的定义及效验根据规程规定，发电机纵差动保护的灵敏系数在发电机机端发生两相金属性短路情况下差动电流和动作电流的比值，要求。随着对发电机内部短路

15、分析的进一步深入，图1.3 发电机纵联差动保护的构成对发电机内部发生轻微故障的分析成为可能，可以更多地分析内部发生故障时的保护动作行为，从而更好的选择保护原理和方案。1.5.2 纵差动保护的整定根据比率式制动特性曲线分析可知保护动作特性可由A、B、C三点决定。对差动保护的整定计算，实质上是对、及的整定计算。（1）启动电流的整定。启动电流的整定的原则是躲过发电机额定工况下差动回路中最大的不平衡电流。在发电机额定工况下，在差动回路中产生的不平衡电流主要是由纵差动保护两侧的TA变比误差、二次回路参数及测量误差（简称为二次误差）引起。因此启动电流为 （1.5.1）式中 可靠系数，取1.5 2 保护两侧

16、的TA变比误差产生的差流，取0.06(为发电机额定电流)； 保护两侧的二次电流误差（包括二次回路引线差异以及纵差动保护输入通道变换系数调整不一致）产生的差流，取0.1。代入（1.5.1）得，通常取0.3。 对于不完全纵差保护，尚需要考虑发电机每相各分支电流的差异，应适当提高的整定值。在数字保护中，由于可由软件对差动保护两侧输入量进行精确地平衡调整，可有效地减小上述稳定误差，因此发电机正常平稳运行时，在数字保护中引起的差点流很小，启动电流的不平衡更多的是指暂态不平衡量。（2）拐点电流的整定。拐点电流的大小，决定保护开始产生制动作用的电流的大小。根据比率式制动特性曲线可以看出，在启动电流及动作特性

17、曲线的斜率K保持不变的情况下，越小，差动保护的动作区越小；而制动区增大；反之亦然。因此，拐点电流的大小直接影响差动保护的动作灵敏度。通常拐点电流整定计算式为 （1.5.2）（3）比率制动特性的制动系数和制动斜率的整定。发电机纵差动保护比率制动特性的制动斜率，决定于夹角。可以看出，当拐点电流确定后，夹角决定于C点。而特性曲线上的C点又可近似由发电机外部故障时最大短路电流与差动回路中的最大不平衡电流确定。由此制动系数可以表示为 （1.5.3）而制动线斜率则可表示为 （1.5.4）差动回路中的最大不平衡电流，除与纵差动保护用两侧TA的10%误差、二次回路参数差异及差动保护测量误差有关外，尚与纵差动保

18、护两侧TA暂态特性有关。因此故障时，为躲开最大不平衡电流，C点电流应取为 （1.5.5）式中 可靠系数，取1.3 1.5； 暂态特性系数，相同时取0，不同时取0.050.1； 最大动作电流。将以上数据代入（1.5.5）得。令=，代入式（1.5.3）可得。因此，对于发电机完全纵差动保护，可取0.3；而对不完全纵差动保护，可取0.30.4。而对制动斜率K可以根据公式（1.5.5）求得。2、发电机定子绕组单相接地保护 我国现阶段大型发电机中性点主要有以下2种接地方式，一是经消弧线圈欠补偿接地方式。补偿后的残余电流（容性）小于安全允许电流值, 发电机定子绕组单相接地保护带延时动作于信号。二是经专用配电

19、变压器高阻接地方式。单相接地电流约为, 一般情况均大于安全允许电流值, 发电机定子绕组单相接地保护带延时作用于跳闸。2.1 基波零序过电压保护该保护的动作电压Uop应按躲过正常运行时中性点单相电压互感器或机端三相电压互感器开口三角绕组的最大不平衡电压Uunb.max整定，即 UopKrelUunb.max 式中：Krel 可靠系数，取1.21.3。 Uunb.max 为实测不平衡电压，其中含有大量三次谐波。为了减小Uop，可以增设三次谐波阻波环节，使Uunb.max主要是很小的基波零序电压，大大提高灵敏度，此时Uop5V，保护死区5%。应校核系统高压侧接地短路时，通过升压变压器高低压绕组间的每

20、相耦合电容CM传递到发电机侧的零序电压Ug0大小，传递电压计算用近似简化电路，见下图。图2.1为传递电压计算用近似简化电路图中，E0为系统侧接地短路时产生的基波零序电动势，由系统实际情况确定，一般可取 ，UHn为系统额定线电压。Cg为发电机及机端外接元件每相对地总电容。CM为主变压器高低压绕组间的每相耦合电容。Zn为3倍发电机中性点对地基波阻抗。 Ug0可能引起基波零序过电压保护误动作。因此，应从动作电压整定值及延时两方面与系统接地保护配合。2.2 三次谐波电压单相接地保护 对于100MW及以上的发电机，应装设无动作死区(100%动作区)单相接地保护。一种保护方案是基波零序过电压保护与三次谐波

21、电压保护共同组成100%单相接地保护。 电压互感器变比为：机端TV 中性点TV 如发电机中性点经消弧线圈或配电变压器接地，保护装置应具有调平衡功能，否则应增设中间电压互感器。设机端和中性点三次谐波电压各为 和 ，三次谐波电压单相接地保护可采用以下两种原理：a) 实测发电机正常运行时的最大三次谐波电压比值设为a0，则取阈值a(1.051.15)a0。根据发电机定子绕组对地电容和中性点对地三次谐波阻抗的大小，见图2.2，可计算a0。a0可能小于或大于1.0。b) 式中分子为动作量，调整系数 ，使发电机正常运行时动作量最小。然后调整系数，使制动量 在正常运行时恒大于动作量，一般取0.20.3。 动作

22、判据1)的保护装置简单，但灵敏度较低。动作判据2)较复杂，但灵敏度高。定子绕组单相接地保护中的三次谐波部分只动作于信号。E3发电机三次谐波相电动势；EH3系统高压侧三次谐波相电动势；Zn发电机中性点对地三次谐波感抗或电阻的三倍；C1发电机每相对地电容之半；C2机端外接元件每相对地总电容；CM主变压器高低压绕组间每相耦合电容图 2.2 发电机三次谐波电压分析计算用等值电路2.3 中性点经配电变压器高阻接地的定子绕组单相接地保护接于配电变压器(变比nt)二次侧的电阻RN，应按机端单相接地时由RN产生的电阻电流大于电容电流选定，即 式中：发电机及机端外接元件每相对地总电容。 a)基波零序过电压保护。

23、与2.1相同，但此保护用在中性点经配电变压器高阻接地的发电机上，灵敏度较低。 b)三次谐波电压单相接地保护。与2.2相同。c)95%定子绕组单相接地基波零序过电流保护。该保护装设在发电机中性点接地连线的电流互感器上，保护应具有三次谐波阻波部件，其动作电流为 式中：Ker电流互感器比误差系数，取为3%；U%机端电压变化百分值，取为10%；机端单相金属性接地电流；na电流互感器变比；I2n电流互感器二次额定电流；Ier保护继电器误差，取为5%。保护经0.5s延时动作于停机。3、发电机负序电流保护发电机正常运行时发出的是三相对称的正序电流。发电机转子的旋转方向和旋转速度与三相正序对称电流所形成的正向

24、旋转磁场的转向和转速一致，即转子的转动与正序旋转磁场之间无相对运动，此即“同步”的概念。当电力系统发生三相不对称短路或负荷三相不对称时，在发电机定子绕组中就流过负序电流，该负序电流在发电机气隙中产生反向（与正序电流产生的正向旋转磁场方向相反）旋转磁场，它相对于转子来说为2倍的同步转速，因此在转子中就会感应出100HZ的电流，即所谓的倍频电流，该倍频电流的主要部分流经转子本体、槽锲和阻尼条，而在转子端部附近沿周界方向形成闭合回路，这就使得转子端部、护环内表面、槽锲和小齿接触面等部位局部灼伤，严重时会使护环松脱，给发电机造成灾难性破坏，即通常所说的“负序电流烧机”，这是负序电流对发电机的危害之一。

25、另外，负序（反向）气隙旋转磁场与转子电流之间，正序（正向）气隙旋转磁场与定子负序电流之间产生的100HZ的交变电磁力矩，将同时作用于转子大轴和定子机座，引起频率为100HZ的振动，此为负序电流危害之二。汽轮发电机承受负序电流的能力，一般取决于转子的负序电流发热条件，而不是发生的振动。鉴于以上原因，发电机应装设负序电流保护。负序电流保护按其动作时限分为定时限和反时限两种。前者用于中型发电机，后者用于大型发电机。大容量的发电机，额定电流比较大，低电压启动的过电流保护，往往不能满足远后备灵敏度的要求。此外当电力系统发生不对称短路、断线、或负载不平衡等情况，发电机定子绕组中将产生负序电流，并将在转子铁

26、芯、励磁绕组及阻尼绕组等部件上感应出倍频电压、电流，引起转子附加发热，危害发电机的安全运行假设负序电流使转子发热是个绝热过程，则不使转子过热所允许的负序电流与持续时间的关系为 式中在时间t内负序电流的均方根值（以发电机额定电流为基准的负序电流标幺值）；流经发电机的负序电流；t负序电流持续时间；A发电机允许过热常数，其值与发电机型式和冷却方式有关。关于A值，应采用制造厂所提供的数据。其参考值：对于凸机式发电机或调相机可取A=40;对于空气或氢气表面冷却的隐极式发电机可取A=30;对于导线直接冷却的100至300MW汽轮机可取A=6至15等。 随着发电机组容量的不断增大，他所允许的承受负序过负荷的

27、能力也随之下降（A值减小）例如取600MW汽轮机A的设计值为4，其允许负序电流与持续时间的关系如图3.1中的abcde所示。图3.1两段定时限负序过电流保护动作特性曲线与发电机允许负序电流曲线的配合情况 在曲线bc段内，当故障的负序电流刚刚大于负序跳闸的动作电流，经4s后，保护动作于跳闸，没有充分利用发电机本身所具有的承受负序电流的能力。 当故障的负序电流刚刚小于负序跳闸的动作电流，由动作于信号的负序过电流保护动作，这时保护动作于信号是不安全的。允许负序电流热稳定时间常数较小的大型发电机，采用定时限两段负序电流保护在与发电机允许负序电流时间曲线难于配合，对于大型发电机采用反时限负序过电流保护。

28、3.1 定时限负序电流保护(1) 原理接线对表面冷却的汽轮发电机和水轮发电机，大都采用两段式定时限负序过电流保护，其原理接线如图3.2所示。 图3.2 发电机负序电流及单项式低电压启动的过电流保护的原理接线图(2) 负序电流的整定计算1）启动电流的整定计算动作于信号的保护部分（继电器3） 按躲开发电机长期允许的负序电流和最大负荷时负序滤过器的不平衡电流整定，一般情况下取式中 负序过电流保护整定值；长期允许的负序电流动作于跳闸的保护部分（继电器4），保护的启动电流按下面两个条件整定。按转子发热条件整定，启动电流值为 式中A发电机允许过热的时间常数。对非强迫式冷却的发电机。 T值班人员有可能采取措

29、施消除负序电流的时间，一般取120s，如值班人员在此时间内来不及消除产生负序电流的运行方式，则保护动作于跳闸。对于表面冷却的发电机组，常取，代入上式后可得发电机的负序动作电流： 动作于跳闸的负序动作电流还需与相邻元件的负序电流后备保护在灵敏度上相配合 式中配合系数，取1.1；在计算运行方式下，发生外部故障时流过相邻元件（一般只考虑升压变压器的情况）的负序短路电流刚好与其负序电流保护的启动电流相等时，流经被保护发电机的负序短路电流（考虑有否分支系数）。敏度校验 式中被校验保护范围末端发生金属性不对称短路时，流过保护的最小负序电流。3）动作时限的整定保护的动作时限按保护在外部不对称短路时，动作的选

30、择性进行确定，对于动作于信号的保护，一般取510s；对于动作跳闸的保护，一般取35s。3.2 反时限负序过电流保护 反时限负序过电流保护反应负序电流增大，其动作时间与负序电流成反比。通常采用图3.2所示的配合方式。实现反时限负序过电流保护动作特性与发电机允许的负序电流曲线相配合。图中曲线1是发电机允许负序电流曲线，是在绝热过程导出的。为了充分利用发电机转子温升裕度及发热过程中散热的影响，避免发电机还没有到达危险状态时被切除，引入一个修正系数，这样发电机最大允许负序电流与时间的关系式中与发电机转子温升裕度，散热等因素有关的常数。发电机最大允许负序电流与时间曲线如图3.3中曲线2所示。要求反时限负

31、序过电流保护的时限特性为曲线1，两曲线之间有个裕度。 图3.2 负序过电流保护反时限动作特性与允许负序电流曲线的配合 图3.3反时限过电流保护的原理说明图4、发电机的失磁保护 发电机失磁保护是常见的故障形式。特别是大型机组励磁系统的环节较多,增加了发生低励或失磁的机会。有关统计资料表明,在发电机各类故障中,由于失磁引起的故障占60 %以上,居于各类故障首位。根据要求,对100MW 以下,但失磁对电力系统有重大影响的发电机,应装设专用的失磁保护;对于100MW 以上的发电机,应装设专用的失磁保护;对600MW的发电机可装设双重化的失磁保护。由于失磁保护的判据较多,闭锁方式和出口方式也较多,因此失

32、磁保护的配置目前是所有发电机保护中最复杂,种类也是最多。如此之多的配置方案给系统和发电机的安全运行带来不便或构成安全隐患。本文分析讨论失磁保护的规范化方案,以供同行借鉴和参考4.1失磁保护的主判据目前失磁保护使用最多的主判据有三种,分别是: (1) 转子低电压判据; (2) 低阻抗判据; (3) 系统低电压判据。以上三种判据分别反映了转子侧、定子侧和系统侧的电气量。4.1.1 转子低电压判据早期的整流型和集成电路型保护,采用等励磁电压判据,表达式为: （4.1.1）式中 为空载励磁电压,K为小于1 的常数。目前的微机保护多采用变励磁电压判据即在发电机带有功P的工况下,根据静稳极限所需的最低励磁

33、电压,来判别是否已失磁。正常运行情况下(包括进相) ,励磁电压不会低于空载励磁电压。凡是能导致失步的失磁初始阶段, 判据可快速动作。在通常工况下失磁, 判据动作大约比静稳边界阻抗判据动作提前1 秒钟以上,有预测失磁失步的功能,显著提高成套机组压出力或切换励磁的效果。但是 的整定计算相对复杂,因为是转子系统的电气量多为直流,而功率P 是定子系统的电气量为交流量,两者在一个判据进行比较,如果整定不当很容易导致误动作。勿容置疑的是,该判据灵敏度最高,动作很快。如果掌握好其整定计算方法,在整定计算上考虑空载励磁电压和同步电抗等参数的影响,或在试运行期间加以实验调整,不仅可以避免误动作,而且是一个十分有

34、效的判据。能防止事故扩大而被迫停机,特别适用于励磁调节器工作不稳定的情况。为了保证在机组空载运行的情况下失磁时保护能够可靠动作,附加等励磁电压判据,与变励磁判据结合使用。转子低电压判据的动作特性曲线如图4.1 所示:图4.1转子低电压判据动作特性曲线低励、失磁故障将导致机组失步,失步后励磁电压和发电机输出功率作大幅度波动,通常会使转子低电压判据周期性地动作与返回。因此低励、失磁故障的转子低电压判据在失步后(进入静稳边界圆) ,应采取由低阻抗判据帮助形成自保持或延时返回的措施保证其输出持续动作。4.2 低阻抗判据反映发电机机端感受阻抗,当感受阻抗落入阻抗圆内时,保护动作。失磁保护的阻抗圆常见有两

35、种,一是静稳边界圆,另一个是异步圆。还有介于两者之间的苹果圆(主要用于凸极机) 。发电机发生低励、失磁故障后,总是先通过静稳边界,然后转入异步边界。因此,静稳边界圆比异步边界圆灵敏。由于静稳边界圆存在第一、二象限的动作区,在进相运行时,当进相较深的时候,有可能误动。静稳边界圆与纵轴交于A、B 两点,A 点为系统阻抗,B 点为( 同步阻抗) 。在整定计算时,A 点系统阻抗 有时取最大运行方式下的阻抗,有时取最小运行方式下的阻抗,B 点 的取值有时为保证能可靠动作,乘上一个可靠系数K( K一般取1. 2) 4 。若机组不将进相运行作为正常运行方式,用以上整定计算方法保护都不会误动作。但是若将进相运

36、行作为正常的运行方式,整定计算时应充分考虑进相运行对保护的影响,以防止误动作。对于进相运行的机组,若取最大系统阻抗(小方式) ,B 点又乘可靠系数1. 2 ,很容易误动。若取最大系统阻抗(小方式) ,B 点不乘可靠系统1. 2 ,或者取最小系统阻抗(大方式) ,B 点又乘可靠系数1. 2 ,在系统振荡,进相深度过深,三相不平衡以及机组特性差异等因素下,也可能造成保护误动而停机解列。因此,对进相运行作为正常运行方式的机组,一般采用以下方法来躲开进相运行区:(1) 宜采用异步圆跳闸,可有效保证进相运行不会误动。(2) 若采用静稳圆, 取最小系统阻抗(大方式) ,B 点不乘可靠系数1. 2 ,或者取

37、= 0 ,将系统等值为无穷大系统,B 点取 。(3) 若采用静稳圆,采用过原点的两根直线将进相区躲开,此时,进相深度可整定。如图4.2 所示。图4.2(4) 若采用静稳圆,选择与无功反向判据结合。如图4.3 所示。 图4.34.3系统低电压判据反映系统(电厂高压侧母线) 三相同时低电压。本判据主要用来防止由发电机失磁故障引发无功储备不足的系统电压崩溃。这种判据在系统容量较小、电厂与系统联系薄弱或系统无功不足时,能可靠动作。这种情况往往出现在远离负荷中心的水电厂或坑口火电厂的建设初期,或水电厂的枯水期。高压侧母线的三相电压严重下降将导致系统稳定运行的破坏,因此须快速跳闸。当电厂建成后,一般有多台

38、发电机并列运行,而且电厂能量外送的输变电工程也竣工投产,此时,一台发电机失磁不大可能将高压侧母线电压下降到整定值(0. 80. 85) 以下,本判据往往不能动作。因此,在设计失磁保护的逻辑回路时,宜采用当其他失磁主判据满足时,若系统低电压判据不满足,则经一较长延时跳闸;若系统低电压也满足,则快速跳闸。对于与系统联系紧密的电厂和小型机组,本判配置方案采用上述的三个主判据,并结合异常工况闭锁的辅助判据,组成完整的失磁保护。逻辑图如图4.4 所示。失磁保护的出口回路可归纳为以下几条:(1) 转子低电压判据+ 没有异常工况时间元件t3 发信号、减出力、切换厂用电。(2) 转子低电机组。压判据+ 低阻抗

39、判据+ 没有异常工况时间元件t2 跳闸。(3) 转子低电压判据+ 低阻抗判据+ 没有异常工况+ 系统低电压+ 没有高压侧TV 断图4.4线时间元件t1 跳闸。本方案转子低电压与低阻抗判据相“与”, 经一较长延时t2 出口跳闸;若系统低电压判据又同时满足,表示无功储备不足, 则不经长延时t2 , 而是经短延时t1 出口跳闸。本方案主要适用于大型机组和对系统影响很大的5、发电机的失步保护 随着工农业的发展,电网需求不断的扩大,机组的容量也越来越大,并与变压器构成单元接线,发变组的电抗比与它们相连的系统等值电抗大。当系统发生振荡,振荡中心往往落于发变组内,严重影响厂站侧的厂用系统, 危及机组安全运行

40、。对大型机组应该配置功能比较齐全的失步保护。这里介绍一种三阻抗元件的失步保护。5.1 基本原理发电机与系统发生失步的振荡中心轨迹图如下:图5.1机端失步阻抗轨迹，B代表发电机A代表系统代表发电机阻抗代表主变阻抗代表系统阻抗图5.1中,三条虚线都表示发电机B 与系统A 失步时机端的振荡阻抗轨迹,其中:虚线1 表示时的振荡轨迹, 与失步线AB 垂直, 交点处的EA 、EB 夹角(即功角) 为180 度, 虚线圆弧2、3 分别表示在 和的情况下, 机端振荡阻抗轨迹。当 与 的相位差180 度时,振荡中心的轨迹与失步线AB 相交。阻抗轨迹1、2、3 从图5.1 的右方向左移动, 表明发电机电势比系统电

41、势超前,是发电机状态。阻抗轨迹1、2、3 从图5.1 的左方向右移动,表明发电机电势比系统电势滞后,是电动机状态。5.2失步保护的主要构成根据图5.1的阻抗运行轨迹,可以用一个透镜阻抗元件和两根直线型阻抗元件构成三阻抗元件监测发电机的失步。阻抗元件图如图5.2 , EF 为电抗元件,把阻抗平面分为两个动作区,即图5.2 所示的动作区1、动作区2。当振荡中心落于区1 说明振荡中心位于发变组内部,当落于区2 时,振荡中心位于升压变以外的系统。AB 为阻挡元件,把透镜元件分成左右两部分。 为阻抗角, 失步线AB EF。坐标原点0 代表失步保护安装处,即机端。图5.2 三阻抗元件的构成5.3失步保护需

42、要检测的内容判断发电机是否处于失步状态,必须进行下列检测:（1）发电机转子旋转速度与同步速的差别() ,见第5 节。（2）失步阻抗的测定。由机端电压和电流, 在线测量机端失步阻抗轨迹,即图1 中的虚线1 或2 或3 。（3）功角的检测。在失步过程中的某一瞬间, 与相交于失步阻抗轨迹上一点(如图5.1中的D 点) ,与(为振荡电流) 组成的电压三角形,三角形的ADB 就是要检测的功角。（4）振荡失步的滑极次数N1 和N2 , N1 代表动作区1 的滑极次数, N2 代表动作区2 的滑极次数。图5.1 中的虚线1、2、3 必须与透镜元件相交于两点, 且与阻挡元件相交于一点,才能作为1 次滑极。5.

43、4何时进行功角的检测（1）三相中的最小电流大于0. 10 IN（2）三相电压中的最大电压低于0. 92UN（3）转差频率为0. 28Hz（4）处于发电机状态当满足以上4 个条件时,失步保护装置进行发电机功角检测, 如检测的功角大于整定的报警角,保护装置发报警信号,提示运行人员。5.5发电机转子角速度f 的测量(即或 )通常利用装在转轴上的测速电机或电磁传感器,但是有些发电机大轴已无法添置测速电机或测速齿盘,而且在系统扰动期间的转轴扭振(约10Hz左右) 对测速也有影响。这里介绍一种新型原理的测速方法。实测发电机机端三相电压 、,它们的综合矢量为式中 , x 为观测节点的位置( 即机端) 。该矢

44、量在复平面() 上的实部和虚部为由于电力系统中的各种非线性负荷和暂态过程的影响,和中除基波外, 还有各种谐波成分和随机噪音,设它们的基频分量为,设一个基频周期内的采样数为N , 采样间隔为T ,由最小二乘法解得其中 对于时刻,有 其中 由此得 、 的基频分量为 基波综合矢量可写成 上式中第1 项为正序分量,第2 项为负序分量。正序基波综合矢量在轴上的投影为 则由机端观测到的角速度为: 注意到发电机定子旋转磁场转速发生变化() 时,转子旋转磁场的转速变化() 应有一个滞后,其关系为式中转子惯性时间常数;K 常系数,与观测点位置有关。5.6何时确认失步（1）至少有50ms 在透镜形阻抗动作区内;（

45、2）失步阻抗轨迹穿越阻抗元件AB 。5.7失步保护定值整定根据图5.1、5.2 ,定值如下整定（1）作为动作区2 的末端,即限制检测发变组以外的区域。为了使保护装置不经常报警, 是变压器的短路电抗, 为系统阻抗。与都归算到发电机侧。（2）作为动作区1 和动作区2 的分界线, 。（3）作为动作区1 的起点, 。（4） 是 、 、 的阻抗角, 也用于确定功率方向,当位于发电机中性点侧, 的整定范围为:240270,当位于线路侧, 的整定范围为60 90。（5）报警功角为了向运行人员尽早提示系统或机组运行情况,而又不必长期报警, 报警角整定3060之间。（6）跳闸功角为了保证断路器跳闸的安全,跳闸角

46、整定为两侧电势相位差 1 , 复归时间不能整定得比滑差频率的周期短。图5.2 中的透镜元件是可变的,它随整定的跳闸功角而变。如跳闸功角整定为90, 阻抗圆就变成圆。这样的透镜形阻抗元件能可靠保证在最大负荷条件下阻抗元件不误动。三 结论及建议发生在大型电力系统振荡中的发电机保护误动作突显了改进发电机保护与发电机控制之间协调的必要性。本文提供了有实践经验的指导, 特别是明确提出发电机保护与发电机满负荷运行容量以及发电机静态稳定之间必须协调。继电保护的设置是一门艺术, 也是一门科学。上述讨论的协调方法已为行业实践公认。尽管如此, 其他可以达到相同目的的方法也可以被采用。在大型系统发生振荡时保持发电机

47、并网运行是一个重要目标, 它需要发电机保护与发电机控制的良好协调。第二部分 母线保护一、 装设母线保护基本原则1、母线的短路故障 母线发生故障，将造成大面积用户停电，电气设备遭到严重破坏，甚至使电力系统稳定运行破坏，导致电力系统瓦解，后果是十分严重的。2、母线故障的保护方式 一种是利用供电元件的保护兼母线故障的保护，另一种是采用专用母线保护。 （1）利用其他供电元件的保护对于降压变电所可以利用变压器的后备保护切除故障；对于发电厂，可由发电机过电流保护切除故障；对于图示网络，可利用线路保护切除故障。 图1.1为利用线路保护切出故障 图1.2 利用变压器的过电流保护切除低压母线故障图1.3 利用发

48、电机的过电流保护切除母线故障利用相邻供电元件的保护来切除母线故障，不需另外装设保护，简单、经济，但故障切除的时间一般较长。（2）专用母线保护根据继电保护和安全自动装置技术规程的规定，在下列情况下应装设专用母线保护。 110kV及以上双母线和分段母线，为了保证有选择地切除任一母线故障。 110kV单母线，重要发电厂或110kV以上重要变电所的3566kV母线，按电力系统稳定和保证母线电压等要求，需要快速切除母线上的故障时。 3566kV电力网中主要变电所的3566kV双母线或分段单母线，当在母联或分段断路器上装设解列装置和其它自动装置后，仍不满足电力系统安全运行的要求时。 对于发电厂和主要变电所

49、的110kV分段母线或并列运行的双母线，须快速而有选择地切除一段或一组母线上故障时，或者线路断路器不允许切除线路电抗器前的短路时。二、母线差动保护基本原理为满足速动性和选择性的要求，母线保护都是按差动原理构成的。实现母线差动保护必须考虑在母线上一般连接着较多的电气元件（如线路、变压器、发电机等），因此，就不能向发电机的差动保护那样，只用简单的接线加以实现。但不管母线上元件有多少，实现差动保护的基本原则仍是适用的，即：（1）在正常运行以及母线范围以外故障时，在母线上所有连接元件中，流入的电流和流出的相等，或表示为，如图1.3中的图a；（2）当母线上发生故障时，所有与母线连接的元件都向故障点供给短路电流或流出残留的负荷电流，按基尔霍夫电流定律，（为短路点的总电流），如图1.3中的图b；（3）从每个连接元件中电流的相位来看，在正常运行及外部故障时，至少有一个元件中的电流相位和其余元件中的电流相位是相反的。具体说来，就是电流流入的元件和电流流出的元件中电流的相位相反。而当母线故障时，除电流等于零的元件以外，其他元件中电流是接近同相位的。根据原则（1）和原则（2）可构成电流差动保护，根据原则（3）可构成电流比相式差动保护。图1.3 母线外故障和母线内故障时流过元件的短路电流的相位1 单母线完全电流母线差动保