《继电保护》课程的设计(共25页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上电力系统继电保护的课程设计报告发电机保护和母线保护班级：08级电气2班姓名：邓佃毅学号：摘要：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十分贵重的电气设备，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。本文就发电机的故障、不正常运行状态以及其保护方式进行了论述。重点论述了发电机的比率制动式纵差动保护及其接线方式灵敏性和发电机定子绕组单相接地保护等。 发电厂和变电所的母线是电力系统中的一个重要组成元件，当母线上发生故障时，将使连接在故障母线上的所有元件在修复故障母线期间，或转换到另一组无故障母线上运

2、行或被迫停电。此外，电力系统中枢纽变电所的母线上故障时，还可能引起系统稳定性破坏，造成严重后果。本文重点论述了母线故障和装设母线保护的基本法则，母线差动保护的基本原理和断路器失灵保护等。关键词：发电机保护 母线保护 纵差动保护 目录摘要 .1关键词 .11 设计说明 1.1主接线 .32 发电机保护2.1 发电机的故障、不正常运行状态及其保护方式 .4 2.2 发电机定子绕组短路故障的保护 .5 2.3 发电机定子绕组单相接地保护 .8 2.4 发电机负序电流保护 .11 2.5 发电机的失磁保护 .11 2.6 发电机的失步保护 .11 2.7 发电机逆功率保护 .123 母线保护 3.1

3、母线故障和装设母线保护的基本法则 .13 3.2 母线差动保护基本原理 .14 3.3 母线保护的特殊问题及对策 .223.4 断路器失灵保护简介 .23总结 23参考文献 241 设计说明1.1 主接线300MW 发电机主要保护原理设计，适用于发电机组采用单元接线，发电机出口侧无断路器；励磁方式为静态励磁系统；在发电机出口侧引接台高压厂用工作变压器（采用三相分裂线圈），接地方式，发电机中性点为经配电变压器（二次侧接电阻）接地；主变压器高压侧中性点为直接接地；高压厂用分裂变压器6kV侧中性点为中阻接地系统。2 发电机保护2.1 发电机的故障、不正常运行状态及其保护方式发电机的安全运行对保证电力

4、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十分贵重的电气设备，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。2.1.1 发电机的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、转子绕组一点或两点接地、转子励磁回路励磁电流消失等。2.1.2 发电机的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；由于负荷超过发电机的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；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励时间过长而引起的

5、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。2.1.3 发电机的保护方式在电力系统中广泛地用变压器来升高或降低电压。变压器是电力系统不可缺少的重要电气设备，针对变压器对发电机的保护，可分为主保护和后备保护，主保护通常采用差动保护和瓦斯保护，后备保护主要指相间短路和接地短路的后备保护。发电机应装设的保护： 1）纵联差动保护2）定子绕组匝间短路保护3）定子绕组接地保护4）发电机外部相间短路保护5）定子绕组过负荷保护6）定子绕组过电压保护7）转子表层过负荷保护8）励磁绕组过负荷保护9）励磁绕组一点及两点接地保护10）失磁保护11）过励磁保护12）逆功率保护13）失步保护14）大容

6、量发电机还应考虑配置低频保护、过频保护、起停机保护、误上电保护断口闪络保护等15）发电机的非电量保护，如采用水冷却的发电机应配置断水保护下面对主保护和后备保护中的各种保护的工作原理进行详细的介绍和分析2.2 发电机定子绕组短路故障的保护2.2.1 比率制动式纵差动保护1.工作原理如图2.1所示为发电机纵差动保护原理图，图中以一相为例，规定一次电流已流入发电机为正方向。当正常运行以及发生保护区外故障时，流入差动继电器的电流为零，继电器将不动作。当发生发电机内部故障时流入差动继电器的差动电流将会增大，当差动电流超过整定值时，继电器判为发生了发电机内部故障而作用于跳闸。比率制动式纵差动保护的工作原理

7、时，动作值随着外部短路电流的增大而自动增大。设 ， ，比率制动式差动保护的动作方程为 ， (2.1) ， 图 2-1 发电机纵差动保护原理图 图 2-2 比率制动特性曲线2.整定方法图 2-3 比率制动式差动继电器原理接线图制动电流：将外部故障的短路电流作为制动电流。差动电流：把流入差动回路的电流作为动作电流。（1）启动电流 （2.2）（2)拐点电流的整定 （2.3） （2.4）（3）比率制动特性的斜率 （2.5） 2.2.2 差动保护的接线方式灵敏性 下面就以三相三柱全星形接线的变压器纵差保护电流互感器的接线方式为例。单相接地故障时, 电流互感器采用三角形或星形接线方式时, 纵差保护的相对灵

8、敏度为了分析简便起见, 设电流互感器的变比nLH=1当电流互感器为三角形接线时，一次电流与二次电流有如下关系： IA=Ia IB=Ib IC=Ic Ia=IA-IB Ib=IB-IC Ic=IC-IA （2.6） 如果A相发生单相接地故障时，故障相电流互感器二次电流与一次电流相等, 由于接线系数为1.732倍, 整定值，增了万倍。而同一地点三相短路时, 二次电流是一次电流的万倍,故单相接地故障时保护的相对灵敏度较同一地点发生三相故障时的灵敏度降低了万倍。 在发生单相或三相接地故障时, 二次电流等于一次电流, 因为接线系数等于,在同样条件下,整定值比三角形接线时小沂倍。表 列出两种电流互感器接线

9、方式纵差保护的相对灵敏度即在发生各种类型故障时, 保护装置灵敏度较同一地点发生三相短路时的灵敏度降低的程度。 整定计算 1.按躲外部故障时的不平衡电流整定 Iop = Krel Iunb.max （2.7）对汽轮机： Iop = (0.5 0.6)ING对水轮机： Iop = (0.3 0.4)ING2.当电流互感器二次回路断线时不误动Iop =KrelING （2.8） 发电机纵差动保护的灵敏性Ksen=I.Kmin/Iop （2.9）计算条件：（1）发电机与系统并列运行以前，其出口发生两相短路（2）发电机采用自同期并列时，在系统最小运行方式下，其出口发生两相短路。2.3 发电机定子绕组单相

10、接地保护2.3.1 发电机定子绕组单相接地时电器的特征量目前发电机中性点都是不接地或经消弧线圈接地的，当发电机内部发生单相接地故障时，流经接地点的电流仍为发电机所在电压网络对地电流的总和。大型发电机由于造价昂贵，结构复杂，检修困难，且容量的增大使得其接地故障电流也随之增大，为了防止故障电流烧坏铁芯，大型发电机有的装设了消弧线圈，通过消弧线圈的电感电流与接地电容电流的相互抵消，把定子绕组单相接地电容电流限制在规定的允许值之内。 （a） （b）图 2-4 发电机定子绕组单相接地时的电路图和向量图（a） 电路图 ； （b） 向量图假设A相在距离定子绕组中性点a处发生金属性接地故障，如图 2-4 所示

11、。做近似估计时机端各相电动势为 （2.10）式中a中心点到故障点的绕组占全部绕组的百分数。向量图可以求得故障电压为 （2.11）当中性点不接地时，故障点的接地电流为 （2.12）当中性点经消弧线圈接地时，故障点的接地电流为 （2.14）零序等效网络如图 3-2 所示，为发电机各相的对地电容， 为发电机外部各元件对地电容，L是代表中性点消弧线圈的电感。 图2-5 发电机定子绕组单相接地时的零序等效网络(a)中性点不接地；(b)中性点经消弧线圈接地当发电机电压网络的接地电容电流大于允许值时，不论该网络是否装有消弧线圈，接地保护动作于跳闸；当接地电流小于允许值时，接地保护动作于信号，即可以不立即跳闸

12、，值班人员请示调度中心，转移故障发电机的负荷，然后平稳停机进行检修。2.3.2 利用零序电压构成的发电机定子绕组接地保护图 2-6 发电机变压器组单相接地信号装置接线图2.3.3 发电机100%定子绕组单相接地保护的基本原理发电机100%定子绕组接地保护种类很多，广泛使用的是利用三次谐波电压构成的100%定子绕组接地保护。该保护保护一般由两部分组成：一部分是零序电压保护，保护定子绕组的85%以上；另一部分利用发电机三次谐波电压构成，它用来消除零序电压保护的死区，从而实现保护100%定子绕组的接地保护。为可靠起见，两部分保护区有一段重叠。利用发电机三次谐波电压构成的部分，其原理是利用发电机中性点

13、和出线端的三次谐波电压在正常运行和接地故障时变化相反的特点构成。正常运行时，发电机中性点的三次谐波电压比发电机出线端的三次谐波电压大；而在发电机内部定子接地时，出线端的三次谐波却比中性点的大。利用这个特点，使发电机出口的三次谐波电压成为动作分量，而使中性点的三次谐波分量成为制动分量，从而使发电机出口三次谐波电压大于中性点三次谐波电压时让继电器动作。这样，保护就会在正常时制动，而在定子绕组接地时保护可靠动作。2.4 发电机负序电流保护 随着发电机组容量不断增大，它所允许的承受负序过负荷的能力也随之下降。此外，由于大容量机组的额定电流很大，而在相邻元件末端发生两相短路时的短路电流可能较小，此时采用

14、复合电压启动的过电流保护往往不能满足作为相邻元件后备保护时对灵敏性的要求。在这种情况下，采用负序过电流保护作为后备保护，就可以提高不对称短路时的灵敏性。由于负序过电流保护不能反应于三相短路，因此，当用它作为后备保护时，还需要附加装设一个单相式的低电压启动过电流保护，以专门反应三相短路。 2.5 发电机的失磁保护发电机失磁后，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低于允许值

15、，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。 2.6 发电机的失步保护对于中小机组，通常都不装设失步保护。当系统发生振荡时，由运行人员来判断，然后利用人工增加励磁电流、增加或减少原动机出力、局部解列等方法来处理。对于大机组，这样处理将不能保证机组的安全，通常需要装设用于反应振荡过程的专门的失步保护。 2.7 发电机的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

16、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。此外，应用于发电机的保护还有发电机低频保护、非全相运行保护、过电压保护等等。 3.母线保护3.1 母线故障和装设母线保护的基本原则3.1.1 母线故障的类型主要是单相接地和相间短路故障。3.1.2 装设母线保护的基本原则1. 利用母线上其它供电元件的保护装置来切除故障；1）利用发电机的过电流保护切除母线故障2）利用变压器的过电流保护切除低压母线故障3）双侧电源网络，利用电源侧的保护切除母线故障图 3-1 利用发电机的过电流保护切除母线故障 图3-2

17、利用变压器的过电流保护切除低压母线故障图 3-3 双侧电源网络，利用电源侧的保护切除母线故障2.装设专门的母线保护规程规定：在110kv及以上的双母线和分段单母线上，为了保证有选择性地切除任一组（或段）母线上发生的故障，而另一组（或段）无故障的母线仍能继续运行，应装设专门的母线保护；110kv及以上的单母线，重要发电厂的35kv母线或高压侧为110kv及以上的重要降压变电所的35kv母线，按照装设全线自动速动保护的要求必须快速切除母线上的故障时，应装设专门的母线保护。3.2 母线差动保护基本原理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，流入电流和流出电流相等，或表示为I=0

18、；2.当母线上发生故障时，所有与电源连接的元件都向故障点供给短路电流，而在供电给负荷的连接元件中电流为0，因此，I=Id（短路点的总电流）；3. 从相位来看，在正常运行以及外部故障时，至少有一个元件中的电流相位和其余元件中的电流相位相反，而当母线故障时，除电流等于0的元件外，其余元件中的电流相位相同。3.2.1 单母线保护1.完全电流差动母线保护（1）完全电流差动母线保护的原理接线图3-4完全电流差动母线保护的原理接线图（2）正常运行或外部故障一次侧电流 （3.1）二次侧电流 图3-5正常运行或外部故障时状态图 （3.2）（3）母线故障在母线故障时，所有有电源的线路，都向故障点供给故障电流。一

19、次侧电流 （3.3）二次侧电流 （3.4）图3-6 母线故障时的运行图（4）整定原则1）躲过外部故障时所产生的最大不平衡电流； （3.5）2）躲过电流互感器二次回路断线时的负荷电流 （3.6）灵敏度校验 （3.7）2.电流比相式母线保护（1）电流比相式母线保护的工作原理根据内部故障和外部故障时各连接元件电流相位的变化来实现的。图3-7电流比相式母线保护的工作原理图（2）电流比相式母线保护的工作原理图3-8电流比相式母线保护的工作原理（3）电压形成回路的原理接线 、分别接入和，经半波整后接到小母线1、2、3，小母线输出接到相位比较、延时、脉冲展宽回路。（4）工作情况1）母线正常运行或外部故障a电

20、流相位相差180，检波后的波形为 图3-9电压形成回路的原理接线图图3-10母线正常运行或外部故障 电流相位相差180，检波后的波形图b电流相位相差相同，检波后的波形为图3-11母线正常运行或外部故障 电流相位相差相同，检波后的波形图2）延时回路的作用 实际上，外部故障时，电流相位差不可能是180，可能是180。 小母线的波形会出现间断的电压，延时回路起动，可能误动作。 为了保证可靠性，延时回路延时时间 所对应的时间。取=60，即3.3ms。 图3-12外部故障时母线波形图3）特点a无需考虑不平衡电流，灵敏度高；b电流互感器型号不同或变比不一致仍可以使用。3.2.2 双母线保护1. 双母线固定

21、连接的差动保护 （1）原理接线图图3-13原理接线图（2）区外故障图3-14区外故障时状态图（3）第组母线故障（4）第组母线故障图3-15第组母线故障时状态图（4）第二组母线故障图3-16第二组母线故障时状态图（5）固定连接破坏，区外故障图3-17固定连接破坏，区外故障时状态图（6）固定连接破坏，第组母线故障图3-18固定连接破坏，第组母线故障时状态图2.母联相位差动保护（1）工作原理按照比较母线联络断路器回路的电流与总差动电流的相位关系而构成。当第组母线上故障时，流过母联的电流是由母线流向母线；当第组母线上故障时，流过母联的电流是由母线流向母线；总差电流是反应母线故障的总电流，其相位不变。（

22、2）接线原理图3-19接线原理图（3）电流相位比较继电器图3-20电流相位比较继电器原理图（4）母线上故障图3-21母线上故障时状态图（5）母线上故障图3-22母线上故障时状态图3.3 母线保护的特殊问题及对策3.3.1 电流互感器的饱和问题及母线保护常用对策1. 中阻抗母线差动保护抗TA饱和措施中阻抗母线差动保护利用TA饱和时励磁阻抗降低的特点来防止差动保护误动作。2. 数字式母线差动保护抗TA饱和措施目前数字式母线差动保护主要为低阻抗母线差动保护，影响其动作正确性的关键就是TA饱和问题。结合数字式保护性能特点，数字式母线差动保护抗TA饱和的基本对策主要基于以下几种原理。（1）具有制动特性的

23、母线差动保护。具有制动特性的母线差动保护在TA饱和不是非常严重时，比率制动特性可以保证母线差动保护不误动作。但当TA进入深度饱和时，此方法仍不能避免保护误动，需要采用其他专门的抗TA饱和方法。（2）TA线性区母线差动保护。TA进入饱和后，在每个周波内的一次电流过零点附近存在不饱和时段。TA线性区母线差动保护就是利用TA这一特性，在TA每个周波退出饱和线性区内，投入差动保护。（3）TA饱和同步识别法。当母线区内故障时，差电流增大和母线电压降低同时发生。当母线区外故障时，无论故障电流有多大，TA在故障的最初瞬间都不会饱和，在饱和之前差电流很小，母线差动电流元件不会误动作；若以母线电压构成差动保护的

24、启动元件，则故障发生时可以瞬时动作，两者的动作有一段时间。（4）通过比较差动电流变化率鉴别TA饱和。（5）波形对称原理。判别对称性有多种方法，最基本的一种是电流相隔半周波的导数模值是否相等。（6）谐波制动原理。谐波制动原理利用了TA饱和时差电流波形畸变的特点，根据差电流中谐波分量的波形特征检测TA是否发生饱和.3.3.2 母线运行方式的切换及保护自适应各种主接线方式中以双母线接线运行最为复杂。随运行方式的变化，母线上各种连接元件在运行中需要经常在两条母线上切换，因此希望母线保护能自动适应系统运行方式的变化，免去人工干预及由此引起的认为误操作。可以利用隔离开关辅助触点来判断母线运行方式。数字式保

25、护有强大的计算、自检及逻辑处理能力，数字式母线保护可以充分利用这些优势，采用将隔离开关辅助触点和电流两种方法相结合，且更加先进、有效的运行方式自适应方法。3.4 断路器失灵保护简介1.基本原理图3-23断路器失灵保护基本原理2.断路器失灵保护原理框图图3-23断路器失灵保护原理框图3.动作时间整定：t=0.30.5S结论：在设计认识到不论是发电机的保护还是母线的保护，他们的保护都分为主保护和后备保护，后备保护又分为近后备保护和远后备保护。他们的的保护都是一个有机的整体。各级保护根据保护配置原则、整定原则、灵敏系数要求以及灵敏系数校验方法装设在系统中。继电保护、电气设备和其他设备有机的组成了电力

26、系统。发电机和母线是电力系统中非常重要的电气设备，尤其是发电非常昂贵。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，而母线也不例外，所以对发电机保护和母线保护进行设计时非常有必要的。从这几周的设计过程中，学到了许多知识。包括查找原始资料、分析总结、确定所写的大体方向、列提纲和撰写论文等。着这短短的几周中我们把之前老师讲过的理论知识和实践紧密的联系在一起，并学会了电力系统继电保护的配置原则以及整定计算方法。从而加深了对电力系统继电保护这门课知识点的掌握和研究方法的认识。而且对办公软件有了进一步的掌握。参考文献1 张保会，尹项根等 电力系统继电保护 M. 北京：中国电力出版社

27、，2009.12.2 杨奇逊 微机型继电保护基础 M 北京：中国电力出版社，1988.3 王维俭 力系统继电保护原理，清华大学出版社，1992.4 贺家李，宋从矩 电力系统继电保护原理 M. 北京：中国电力出版社，1994，第二版.5 吴建福, 周移华 发电机定子接地保护动作分析及防范措施J. 电力系统保护与控制. 第38 卷 第5 期2010 年3 月1 日.6 梁炳均 发电机定子接地保护的分析J. 工 业 技 术. 2010 NO.01.7 魏杜娟 浅析母线差动保护J.工业技术与产业经济. （2010）03-028-01.8 宋 杰,高 亮,马爱清,凌震亚,刘建锋数字化变电站母线保护特性及改进方案研究J.华东电力.第39卷.第1期.2011年1月.9 潘海俊,沈 庆 电力系统中母线的继电保护研究 J.技术研发.（2011）01.专心-专注-专业