某水电站继电保护课程教学设计.doc

.- 1 引 言 1. 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。 发电机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。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。 通过本课程设计，使学生掌握和应用电力系统继电保护的设计、整定计算、资料整理查询和电气绘图等使用方法。在此过程中培养学生对各门专业课程整体观的综合能力，通过较为完整的工程实践基本训练，为全面提高学生的综合素质及增强工作适应能力打下一定的基础。本课程主要设计发电机继电保护的原理、配置及整定计算，给今后继电保护的工作打下良好的基础。 1. 2 原始资料 某水电站（如下图 1）所示： 图 1 水电站系统图 （1）水电站有 3200KW 水轮发电机 2 台，通过 7500KVA 变压器以 35KV 的电压与系统连接，当 35KV 母线短路时，系统供给的最大运行方式下的短路容量为100MVA，最小运行方式下的短路容量为 80MVA。 (2) 厂用电、近区出线供电由发电机母线引出，出线为架空线，长度为 5KM， 0.4/KM。 (3) 变压器参数为：容量 7500KVA、变比 35/6.3、 Ud＝7.5％，所用变容量为 100KVA、变比 6.3/0.4、Ud＝4.5％。 (4) 发电机参数为：容量 3200KW、功率因素 0.8、Xd＝0.2、X2＝0.25。 1. 3 设计工作任务 (1) 选择发电机保护所需的电流互感器变比、计算短路电流。 (2) 设置发电机保护并对其进行整定计算。 (3) 绘制出发电机继电保护展开图。 (4) 绘制出发电机保护屏屏面布置图及设备表。 (5) 写出说明书。 (6) 选出所需继电器的规格、型号。 2 继电保护系统概述 2.1 继电保护概述 继电保护主要利用电力系统中元件发生短路或异常情况时的电气量(电流、电压、功率、频率等)的变化，构成继电保护动作的原理，也有其他的物理量，如变压器油箱内故障时伴随产生的大量瓦斯和油流速度的增大或油压强度的增高。大多数情况下，不管反应哪种物理量，继电保护装置都包括测量部分(和定值调整部分)、逻辑部分、执行部分。 继电保护及自动化是研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施。因在其发展过程中曾主要用有触点的继电器来保护电力系统及其元件（发电机、变压器、输电线路等），使之免遭损害，所以沿称继电保护。基本任务是：当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。 2.2 继电保护基本原理 继电保护的原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量，当突变量达到一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。 故障后，工频电气量变化的主要特征及可以构成的保护 （1）电流增大，构成电流保护。 （2）电压降低，构成低电压保护。 （3）电流与电压之间的相位角改变 ，构成功率方向保护。 （4）测量阻抗发生变化，构成距离保护。 （5）故障时被保护元件两端电流相位和大小的变化 ，构成差动保护 。 （6）不对称短路时，出现相序分量，构成零序电流保护、负序电流保护和负序功率方向保护 。 电力系统的继电保护根据被保护对象不同，分为发电厂、变电所电气设备的继电保护和输电线路的继电保护。前者是指发电机、变压器、母线和电动机等元件的继电保护，简称为元件保护；后者是指电力网及电力系统中输电线路的继电保护，简称线路保护。 按作用的不同继电保护又可分为主保护、后备保护和辅助保护。 主保护是指被保护元件内部发生的各种短路故障时，能满足系统稳定及设备安全要求的、有选择地切除被保护设备或线路故障的保护。 后备保护是指当主保护或断路器拒绝动作时，用以将故障切除的保护。后备保护可分为远后备和近后备保护两种。 远后备是指主保护或断路器拒绝时，由相邻元件的保护部分实现的后备； 近后备是指当主保护拒绝动作时，由本元件的另一套保护来实现的后备，当断路器拒绝动作时，由断路器失灵保护实现后备。 继电保护装置需有操作电源供给保护回路，断路器跳、合闸及信号等二次回路。按操作电源性质的不同，可以分为直流操作电源和交流操作电源。通常在发电厂和变电所中继电保护的操作电源是由蓄电池直流系统供电，因蓄电池是一种独立电源，最大的优点是工作可靠，但缺点是投资较大、维护麻烦。交流操作电源的优点是投资少、维护简便，但缺点是可靠性差。 2.3 继电保护要求 1） 选择性：当电力系统发生故障时，只让离故障点最近的保护装置动作，切除故障元件，保证其他电气设备的正常运行， 2） 快速性：当电力系统发生故障时，快速切除故障可以减轻短路电流对电气设备的破坏程度，尽快回复供电系统的正常运行。 3） 可靠性：保护装置必须经常处于准备状态，一旦在本保护区发生短路故障或不正常工作状态时，它都不该拒绝动作或误动作，而必须可靠动作。 4） 灵敏性：保护装置对其在本保护区发生故障或不正常工作状态，无论其位置如何，程度轻重，均有足够的反应能力，保证动作。各种保护装置的灵敏性用“灵敏度”来衡量。 3 短路计算 3.1 短路计算目的 在发电厂的电气设计中，短路电流计算是其中的一个重要环节，其目的是： 1在选择电气主接线时，给比较各种接线方案提供依据，和确定某一接线是否需要采取措施限制短路电流等。 2为了保证所选择的载流导体及电器元件在正常运行和短路情况下都能安全，可靠地工作，同时又节约资金，这就需对有关短路电流值进行动稳定、热稳定和开断能力的检验。 3为选择继电保护方式和进行整定计算提供依据。 4接地装置的设计，也需用短路电流。 电力系统中，发生单相短路的几率最大，而发生三相短路的可能性最小。但是三相短路造成的危害一般来说最严重。为了使电力系统的电气设备在最严重的短路状态下也能可靠地工作，在选择和校验电气设备的短路计算中，常以三相短路计算为主。 3.2 短路计算步骤 在工程计算中短路电流的计算常采用实用曲线法，其计算步骤如下： （1）选择计算短路点； （2）画等值网络图； A、选取基准容量和基准电压。 B、首先去掉系统中的所有负荷分支。线路电容、各元件的电阻，发电机电抗用次暂态电抗。 C、将各元件电抗换算为同一基准的标么值电抗。 D、汇出等值网络图，并将各元件电抗统一编号。 E、化简等值网络：为计算不同短路点的短路电流值，需要将等值网络分别化简为短路点为中心的辐射形等值网络，并求出各电流与短路点之间的电抗，即转移电抗以及无限大电源对短路点的转移电抗。 （3）求出计算电抗， 式中为第i台等值发电机的额定容量。 （4）由运算曲线查出个电源供给的短路电流周期分量标么值（运算曲线只作到）。 （5）计算无限大功率的电源供给的短路电流周期分量。 （6）计算短路电流周期分量有名值和短路容量。 （7）计算冲击电流。 3.3 短路计算过程 3.3.1 确定短路计算的基准值 根据原始资料，设功率基准值,基准电压. 则 . 3.3.2 短路电路中电抗标幺值计算 （1）在原始资料中，发电机组用的两台容量 3200KW、功率因素 0.8、X、、d＝0.2、X2＝0.25的发电机，根据公式： 所以发电机标幺值X1=X2=6.25 （2）系统中，有两台变压器，变压器T1容量为 100KVA、变比 6.3/0.4、Ud＝4.5％。变压器T2为容量 7500KVA、变比 35/6.3、 Ud＝7.5％。 所以 变压器 变压器 （3）厂用电、近区出线供电由发电机母线引出，出线为架空线，长度为 5KM， 0.4/KM。 所以 架空线路 因此绘短路计算等效电路如图3.1所示。 图3.1 等效电路 3.3.3 三相短路电流的计算 由上面计算各部分的阻抗标幺值得到 总电抗标幺值 再由此得出三相短路电流周期分量有效值 其他短路电流 3.4 电流互感器的选择 3.4.1 电流互感器工作原理 电气一次回路的工作电流一般较高，二次仪表在对一次回路进行测量时，需要转换为比较统一、安全的电流。电流互感器是一种升压（降流）变压器，也是一种传感器，将电流按比例转换成的电流，其一次侧接一次系统，二次侧接二次设备，电力系统中的二次设备如测量仪表、继电保护等，可通过电流互感器获得电气一次回路的电流信息，它起着变流和电气隔离的作用，避免直接测量线路的危险。 3.4.2 发电机电流互感器的选择 发电机、一次侧额定电流： 查资料后选用LA-10/600的电流互感器，其标准变比为：600/5=120。 所以电流互感器的二次侧电流为Il=507.94/120=4.23A。 4 发电机继电保护 在电力系统中，发电机是一个尤其重要的电器元件，决定着电力系统的正常工作与电能质量。同时，发电机本身价格昂贵，因此，必须装设性能完善的继电保护装置，用于针对发电机各种故障和不正常运行状态。 4.1 故障分析 4.1.1故障类型 （1）定子绕组相间短路：危害最大； （2）定子绕组一相的匝间短路：可能演变为单相接地短路和相间短路； （3）定子绕组单相接地：较常见，烧坏铁芯或造成局部融化； （4）转子绕组一点接地或两点接地：一点接地时危害不严重；两点接地时，因破坏了转子磁通的平衡，可能引起发电机的强烈震动或烧损转子绕组； （5）转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失：从系统吸收无功功率，造成失步，从而引起系统电压下降，甚至可使系统崩溃。 4.1.2不正常运行状态 （1）外部短路引起的定子绕组过电流：温度升高，绝缘老化； （2）负荷等超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷：温度升高，绝缘老化； （3）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：在转子中感应出100Hz的倍频电流，可使转子局部灼伤或使护环受热松脱，对发电机造成重大损害。 （4）突然甩负荷引起的定子绕组过电压：调速系统惯性较大发电机，在突然甩负荷时，可能出现过电压，造成发电机绕组绝缘击穿。 （5）励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷； （6）汽轮机主气门突然关闭而引起的发电机逆功率：发电机不发出有功功率而从系统中吸收有功功率，造成发电机转为电动机运行，原因调速控制回路故障、机炉保护动作或某些认为因素。 4.1.3保护类型 1．发电机纵差动保护：定子绕组及其引出线的相间短路保护； 2．横差动保护：定子绕组一相匝间短路的保护； 3．单相接地保护：对发电机定子绕组单相接地短路的保护； 4．发电机的失磁保护：针对转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失设置的保护； 5． 过电流保护：反应外部短路引起的过电流，同时作为纵差动保护的后备保护； 6． 负序电流保护：反应不对称短路或三相负荷不对称时，发电机定子绕组中出现的负序电流； 7． 过负荷保护：发电机长时间超负荷运行时，作用于信号的保护； 8． 过电压保护：反应突然甩负荷而出现的过电压； 9． 转子一点接地保护和两点接地保护：励磁回路的接地故障保护； 10． 转子过负荷保护； 11． 逆功率保护：汽轮机主汽门误关闭同时发电机出口断路器未跳闸，发电机失去原动力，从发电机运行转为电动机运行，从电力系统中吸收有功功率。危害：汽轮机尾部叶片有可能过热而造成事故。 本发电厂发电机保护装置的设置可依据以上原则并结合小型水电站情况进行，对发电机发电机比率制动式纵差保护和定子匝间短路保护进行整定计算。 4.2 发电机比率制动式纵差保护（主保护）原理及其整定计算 4.2.1 比率制动式差动保护原理 比率制动式纵差保护仅反应相间短路故障。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。 4.2.2 比率制动式差动保护的整定计算 1、启动电流的整定： 式中——可靠系数，取1.5 ~ 2 ——保护两侧的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。 所以：，通常取0.3。 所以： =0.3*4.23=1.269（A） 2、拐点电流的整定： 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： 而制动线斜率则可表示为： 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： 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0.05~0.1； ——最大动作电流。 于是可得。令=，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0.3~0.4。而对制动斜率K可以根据公式求得。 4.3 发电机定子匝间短路保护（横差保护）原理及整定计算 发电机定子匝间短路保护原理，主要有发电机纵向零序过电压及故障分量负序方向型匝间保护，不仅作为发电机内部匝间短路的主保护，还可作为发电机内部相间短路及定子绕组开焊的保护；故障分量负序方向(ΔP2)保护应装在发电机端，不仅可作为发电机内部匝间短路的主保护，还可作为发电机内部相间短路及定子绕组开焊的保护；高灵敏零序电流型横差保护，作为发电机内部匝间、相间短路及定子绕组开焊的主保护。 发电机横差保护，是发电机定子绕组匝间短路（同分支匝间短路及同相不同分支之间的匝间短路）、线棒开焊的主保护，也能保护定子绕组相间短路。 单元件横差保护，适用于每相定子绕组为多分支，且有两个或两个以上中性点引出的发电机。 发电机单元件横差保护的输入电流，为发电机两个中性点连线上的TA 二次电流。以定子绕组每相两分支的发电机为例，其交流输入回路示意图如下所示： 理想发电机正常时中性点连线上不会有电流产生，实际上发电机不同中性点之间从在不平衡电流，原因如下: （1）定子同向而不同分支的绕组参数不完全相同，致使两端的电动势及支路电流有差异。 （2）发电机定子气息磁场不完全均匀，在不同定子绕组中产生的感应电动势不同。 （3）转自偏心，在不同的定子绕组中产生不同电动势。 （4）存在三次谐波。 因此单原件纵差保护动作电流必须克服这些不平衡，整定式为： 额定工况下，同相不同分支绕组由于绕组之间参数的差异产生的不平衡电流，由于是三相之和，一般可取 磁场气隙不平衡产生的不平衡电流，一般可取 转自偏心产生的不平衡电流，一般取 可靠系数，取1.2—1.5 把各系数代入得 4.4 励磁回路两点接地保护 当发电机励磁回路发生两点接地故障时，部分励磁线圈将被短路，由此由于气隙磁势的对称性遭到破坏，可能使转子产生剧烈振动，因此在发电机上需要装设励磁回路两点接地保护，该装置只设一套,并仅在励磁回路中出现稳定性的一点接地时才投入工作。 4.5 过负荷保护整定 过负荷保护是动作于信号的保护，考虑到过负荷对称性，该保护只有一相中装设，并与过电流保护共用一组互感器，保护由电流继电器及时间继电器组成。 电流继电器动作值按照下式计算： Idz.j=5.22A Kk 可靠系数，取=1.05； Kh 返回系数，取=0.85； Inf 发电机额定电流； nl 电流互感器变比； 过负荷保护动作时限比过电流保护长，一般为9～10s. 结 语 本次课程设计主要针对某水电站电力系统对其进行短路电流的计算，对发电机继电保护进行设计。在这些设计过程中需要用到各种电力工程设计手册，并且借用AutoCAD辅助工具画出其各类电气接线图。 在完成本次课程设计的过程中，运用了大量的专业知识，也进行了大量的计算。而在此过程中也将自己专业知识不扎实，计算能力不强的缺点暴露无遗。在完成课设期间得到了同学的大力帮助，在此衷心的表示感谢。通过对该小型水电站电气部分继电保护的设计，使我对继电保护系统有了进一步的掌握，在此过程中，使我了解并一定程度掌握了专业知识在实际工程中的应用，通过该设计也使我学会了在电气设计中如何正确的查询相关规程规范。 参 考 文 献 [1]水利电力部东北电力设计院编，电力工程设计手册，上海：上海科学技术出版社，1981年9月 [2]卓乐友编，电力工程电气设计手册电气二次部分，北京：水利电力出版社1990年9月 [3]水利电力部华东电力设计院主编，电力工程概算指标，北京：水利电力出版社，1987年8月 [4]孟祥萍高燕编，电力系统分析，北京：高等教育出版社，2004年2月 [5]何永华主编，发电厂及变电站的二次回路，北京：中国电力出版社，2004年3月 [6]商国才编，电力系统自动化，天津：天津大学出版社，1999年6月 [7]孙国凯霍利民柴玉华主编，电力系统继电保护原理，北京：中国水利水电出版社，2002年1月 [8]熊信银张支涵主编，电力系统工程基础，武汉：华中科技大学出版社，1997年