某水電站繼電保護課程設(shè)計

1、電力系統(tǒng)繼電保護課程設(shè)計說明書1 引 言1. 1 摘要 由于大型水電站的母線、發(fā)電機和變壓器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在運行過程中都可能會發(fā)生各種各樣的故障和異常運行狀態(tài)，為了確保在保護范圍內(nèi)發(fā)生故障，都能有選擇性的快速切除故障，需要配置多種繼電保護裝置，必要時進行多重化配置，從而將水電站中重要設(shè)備的危害和損失降到最小，對電力系統(tǒng)的影響最小。  發(fā)電機是電力系統(tǒng)中的中的一個重要組成部件，發(fā)電機的安全運行對保證電力系統(tǒng)的正常工作和電能質(zhì)量起著決定性的作用。所以，繼電保護裝置對大型水電站的正常運行起著至關(guān)重要的作用。  通過本課程設(shè)計，使學(xué)生掌握和應(yīng)用電力系

2、統(tǒng)繼電保護的設(shè)計、整定計算、資料整理查詢和電氣繪圖等使用方法。在此過程中培養(yǎng)學(xué)生對各門專業(yè)課程整體觀的綜合能力，通過較為完整的工程實踐基本訓(xùn)練，為全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)及增強工作適應(yīng)能力打下一定的基礎(chǔ)。本課程主要設(shè)計發(fā)電機繼電保護的原理、配置及整定計算，給今后繼電保護的工作打下良好的基礎(chǔ)。1. 2 原始資料某水電站（如下圖 1）所示：圖 1 水電站系統(tǒng)圖 （1）水電站有 3200KW 水輪發(fā)電機 2 臺，通過 7500KVA 變壓器以 35KV 的電壓與系統(tǒng)連接，當 35KV 母線短路時，系統(tǒng)供給的最大運行方式下的短路容量為100MVA，最小運行方式下的短路容量為 80MVA。(2) 廠用電、

3、近區(qū)出線供電由發(fā)電機母線引出，出線為架空線，長度為 5KM， 0.4/KM。(3) 變壓器參數(shù)為：容量 7500KVA、變比 35/6.3、 Ud7.5，所用變?nèi)萘繛?100KVA、變比 6.3/0.4、Ud4.5。(4) 發(fā)電機參數(shù)為：容量 3200KW、功率因素 0.8、X´´d0.2、X20.25。 1. 3 設(shè)計工作任務(wù)(1) 選擇發(fā)電機保護所需的電流互感器變比、計算短路電流。(2) 設(shè)置發(fā)電機保護并對其進行整定計算。(3) 繪制出發(fā)電機繼電保護展開圖。(4) 繪制出發(fā)電機保護屏屏面布置圖及設(shè)備表。(5) 寫出說明書。(6) 選出所需繼電器的規(guī)格、型號。2 繼電保護

4、系統(tǒng)概述2.1 繼電保護概述繼電保護主要利用電力系統(tǒng)中元件發(fā)生短路或異常情況時的電氣量(電流、電壓、功率、頻率等)的變化，構(gòu)成繼電保護動作的原理，也有其他的物理量，如變壓器油箱內(nèi)故障時伴隨產(chǎn)生的大量瓦斯和油流速度的增大或油壓強度的增高。大多數(shù)情況下，不管反應(yīng)哪種物理量，繼電保護裝置都包括測量部分(和定值調(diào)整部分)、邏輯部分、執(zhí)行部分。繼電保護及自動化是研究電力系統(tǒng)故障和危及安全運行的異常工況，以探討其對策的反事故自動化措施。因在其發(fā)展過程中曾主要用有觸點的繼電器來保護電力系統(tǒng)及其元件（發(fā)電機、變壓器、輸電線路等），使之免遭損害，所以沿稱繼電保護?；救蝿?wù)是：當電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時，在可

5、能實現(xiàn)的最短時間和最小區(qū)域內(nèi)，自動將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除，或發(fā)出信號由值班人員消除異常工況根源，以減輕或避免設(shè)備的損壞和對相鄰地區(qū)供電的影響。2.2 繼電保護基本原理繼電保護的原理是利用被保護線路或設(shè)備故障前后某些突變的物理量為信息量，當突變量達到一定值時，起動邏輯控制環(huán)節(jié)，發(fā)出相應(yīng)的跳閘脈沖或信號。故障后，工頻電氣量變化的主要特征及可以構(gòu)成的保護 （1）電流增大，構(gòu)成電流保護。（2）電壓降低，構(gòu)成低電壓保護。（3）電流與電壓之間的相位角改變 ，構(gòu)成功率方向保護。（4）測量阻抗發(fā)生變化，構(gòu)成距離保護。（5）故障時被保護元件兩端電流相位和大小的變化 ，構(gòu)成差動保護 。（6）不對稱短路時，出現(xiàn)相序

6、分量，構(gòu)成零序電流保護、負序電流保護和負序功率方向保護 。電力系統(tǒng)的繼電保護根據(jù)被保護對象不同，分為發(fā)電廠、變電所電氣設(shè)備的繼電保護和輸電線路的繼電保護。前者是指發(fā)電機、變壓器、母線和電動機等元件的繼電保護，簡稱為元件保護；后者是指電力網(wǎng)及電力系統(tǒng)中輸電線路的繼電保護，簡稱線路保護。 按作用的不同繼電保護又可分為主保護、后備保護和輔助保護。主保護是指被保護元件內(nèi)部發(fā)生的各種短路故障時，能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定及設(shè)備安全要求的、有選擇地切除被保護設(shè)備或線路故障的保護。后備保護是指當主保護或斷路器拒絕動作時，用以將故障切除的保護。后備保護可分為遠后備和近后備保護兩種。遠后備是指主保護或斷路器拒絕時，由相鄰元

7、件的保護部分實現(xiàn)的后備；近后備是指當主保護拒絕動作時，由本元件的另一套保護來實現(xiàn)的后備，當斷路器拒絕動作時，由斷路器失靈保護實現(xiàn)后備。 繼電保護裝置需有操作電源供給保護回路，斷路器跳、合閘及信號等二次回路。按操作電源性質(zhì)的不同，可以分為直流操作電源和交流操作電源。通常在發(fā)電廠和變電所中繼電保護的操作電源是由蓄電池直流系統(tǒng)供電，因蓄電池是一種獨立電源，最大的優(yōu)點是工作可靠，但缺點是投資較大、維護麻煩。交流操作電源的優(yōu)點是投資少、維護簡便，但缺點是可靠性差。2.3 繼電保護要求1） 選擇性：當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，只讓離故障點最近的保護裝置動作，切除故障元件，保證其他電氣設(shè)備的正常運行，2） 快速性

8、：當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，快速切除故障可以減輕短路電流對電氣設(shè)備的破壞程度，盡快回復(fù)供電系統(tǒng)的正常運行。3） 可靠性：保護裝置必須經(jīng)常處于準備狀態(tài)，一旦在本保護區(qū)發(fā)生短路故障或不正常工作狀態(tài)時，它都不該拒絕動作或誤動作，而必須可靠動作。4） 靈敏性：保護裝置對其在本保護區(qū)發(fā)生故障或不正常工作狀態(tài)，無論其位置如何，程度輕重，均有足夠的反應(yīng)能力，保證動作。各種保護裝置的靈敏性用“靈敏度”來衡量。3 短路計算3.1 短路計算目的在發(fā)電廠的電氣設(shè)計中，短路電流計算是其中的一個重要環(huán)節(jié)，其目的是：   1在選擇電氣主接線時，給比較各種接線方案提供依據(jù)，和確定某一接線是否需要采

9、取措施限制短路電流等。2為了保證所選擇的載流導(dǎo)體及電器元件在正常運行和短路情況下都能安全，可靠地工作，同時又節(jié)約資金，這就需對有關(guān)短路電流值進行動穩(wěn)定、熱穩(wěn)定和開斷能力的檢驗。                                   &#

10、160;                                  3為選擇繼電保護方式和進行整定計算提供依據(jù)。           

11、0;                 4接地裝置的設(shè)計，也需用短路電流。   電力系統(tǒng)中，發(fā)生單相短路的幾率最大，而發(fā)生三相短路的可能性最小。但是三相短路造成的危害一般來說最嚴重。為了使電力系統(tǒng)的電氣設(shè)備在最嚴重的短路狀態(tài)下也能可靠地工作，在選擇和校驗電氣設(shè)備的短路計算中，常以三相短路計算為主。         

12、60;                                 3.2 短路計算步驟在工程計算中短路電流的計算常采用實用曲線法，其計算步驟如下：（1）選擇計算短路點；（2）畫等值網(wǎng)絡(luò)圖；A、選取基準容量和基準電壓。B、首先去掉系統(tǒng)中的所有負荷分支。線路電容、各元

13、件的電阻，發(fā)電機電抗用次暫態(tài)電抗。C、將各元件電抗換算為同一基準的標么值電抗。D、匯出等值網(wǎng)絡(luò)圖，并將各元件電抗統(tǒng)一編號。E、化簡等值網(wǎng)絡(luò)：為計算不同短路點的短路電流值，需要將等值網(wǎng)絡(luò)分別化簡為短路點為中心的輻射形等值網(wǎng)絡(luò)，并求出各電流與短路點之間的電抗，即轉(zhuǎn)移電抗以及無限大電源對短路點的轉(zhuǎn)移電抗。（3）求出計算電抗，式中為第i臺等值發(fā)電機的額定容量。（4）由運算曲線查出個電源供給的短路電流周期分量標么值（運算曲線只作到）。（5）計算無限大功率的電源供給的短路電流周期分量。（6）計算短路電流周期分量有名值和短路容量。（7）計算沖擊電流。3.3 短路計算過程3.3.1 確定短路計算的基準值根據(jù)原

14、始資料，設(shè)功率基準值,基準電壓.則 .3.3.2 短路電路中電抗標幺值計算（1）在原始資料中，發(fā)電機組用的兩臺容量 3200KW、功率因素 0.8、X、d0.2、X20.25的發(fā)電機，根據(jù)公式： 所以發(fā)電機標幺值X1=X2=6.25（2）系統(tǒng)中，有兩臺變壓器，變壓器T1容量為 100KVA、變比 6.3/0.4、Ud4.5。變壓器T2為容量 7500KVA、變比 35/6.3、 Ud7.5。所以 變壓器 變壓器 （3）廠用電、近區(qū)出線供電由發(fā)電機母線引出，出線為架空線，長度為 5KM， 0.4/KM。所以 架空線路 因此繪短路計算等效電路如圖3.1所示。圖3.1 等效電路3.3.3 三相短路電

15、流的計算由上面計算各部分的阻抗標幺值得到總電抗標幺值再由此得出三相短路電流周期分量有效值 其他短路電流 3.4 電流互感器的選擇3.4.1 電流互感器工作原理電氣一次回路的工作電流一般較高，二次儀表在對一次回路進行測量時，需要轉(zhuǎn)換為比較統(tǒng)一、安全的電流。電流互感器是一種升壓（降流）變壓器，也是一種傳感器，將電流按比例轉(zhuǎn)換成的電流，其一次側(cè)接一次系統(tǒng)，二次側(cè)接二次設(shè)備，電力系統(tǒng)中的二次設(shè)備如測量儀表、繼電保護等，可通過電流互感器獲得電氣一次回路的電流信息，它起著變流和電氣隔離的作用，避免直接測量線路的危險。3.4.2 發(fā)電機電流互感器的選擇發(fā)電機、一次側(cè)額定電流：查資料后選用LA-10/600的

16、電流互感器，其標準變比為：600/5=120。所以電流互感器的二次側(cè)電流為Il=507.94/120=4.23A。4 發(fā)電機繼電保護在電力系統(tǒng)中，發(fā)電機是一個尤其重要的電器元件，決定著電力系統(tǒng)的正常工作與電能質(zhì)量。同時，發(fā)電機本身價格昂貴，因此，必須裝設(shè)性能完善的繼電保護裝置，用于針對發(fā)電機各種故障和不正常運行狀態(tài)。4.1 故障分析4.1.1故障類型（1）定子繞組相間短路：危害最大；（2）定子繞組一相的匝間短路：可能演變?yōu)閱蜗嘟拥囟搪泛拖嚅g短路；            

17、60; （3）定子繞組單相接地：較常見，燒壞鐵芯或造成局部融化；                     （4）轉(zhuǎn)子繞組一點接地或兩點接地：一點接地時危害不嚴重；兩點接地時，因破壞了轉(zhuǎn)子磁通的平衡，可能引起發(fā)電機的強烈震動或燒損轉(zhuǎn)子繞組；            

18、;         （5）轉(zhuǎn)子勵磁回路勵磁電流急劇下降或消失：從系統(tǒng)吸收無功功率，造成失步，從而引起系統(tǒng)電壓下降，甚至可使系統(tǒng)崩潰。                               

19、60;        4.1.2不正常運行狀態(tài)（1）外部短路引起的定子繞組過電流：溫度升高，絕緣老化；（2）負荷等超過發(fā)電機額定容量而引起的三相對稱過負荷：溫度升高，絕緣老化；     （3）外部不對稱短路或不對稱負荷而引起的發(fā)電機負序過電流和過負荷：在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出100Hz的倍頻電流，可使轉(zhuǎn)子局部灼傷或使護環(huán)受熱松脫，對發(fā)電機造成重大損害。          

20、60;                                                 

21、60;              （4）突然甩負荷引起的定子繞組過電壓：調(diào)速系統(tǒng)慣性較大發(fā)電機，在突然甩負荷時，可能出現(xiàn)過電壓，造成發(fā)電機繞組絕緣擊穿。                         

22、0;            （5）勵磁回路故障或強勵時間過長而引起的轉(zhuǎn)子繞組過負荷；                       （6）汽輪機主氣門突然關(guān)閉而引起的發(fā)電機逆功率：發(fā)電機不發(fā)出有功功率而從系統(tǒng)中吸收有功功率，造成發(fā)電機轉(zhuǎn)為電動機運行，原

23、因調(diào)速控制回路故障、機爐保護動作或某些認為因素。4.1.3保護類型 1發(fā)電機縱差動保護：定子繞組及其引出線的相間短路保護；                    2橫差動保護：定子繞組一相匝間短路的保護；                 &

24、#160;              3單相接地保護：對發(fā)電機定子繞組單相接地短路的保護；                      4發(fā)電機的失磁保護：針對轉(zhuǎn)子勵磁回路勵磁電流急劇下降或消失設(shè)置的保護；   5 過電流保護：反應(yīng)

25、外部短路引起的過電流，同時作為縱差動保護的后備保護；   6 負序電流保護：反應(yīng)不對稱短路或三相負荷不對稱時，發(fā)電機定子繞組中出現(xiàn)的負序電流；                                   

26、0;                               7 過負荷保護：發(fā)電機長時間超負荷運行時，作用于信號的保護；             

27、0; 8 過電壓保護：反應(yīng)突然甩負荷而出現(xiàn)的過電壓；                             9 轉(zhuǎn)子一點接地保護和兩點接地保護：勵磁回路的接地故障保護；           

28、;    10 轉(zhuǎn)子過負荷保護；                                            

29、            11 逆功率保護：汽輪機主汽門誤關(guān)閉同時發(fā)電機出口斷路器未跳閘，發(fā)電機失去原動力，從發(fā)電機運行轉(zhuǎn)為電動機運行，從電力系統(tǒng)中吸收有功功率。危害：汽輪機尾部葉片有可能過熱而造成事故。                       &

30、#160;                           本發(fā)電廠發(fā)電機保護裝置的設(shè)置可依據(jù)以上原則并結(jié)合小型水電站情況進行，對發(fā)電機發(fā)電機比率制動式縱差保護和定子匝間短路保護進行整定計算。4.2 發(fā)電機比率制動式縱差保護（主保護）原理及其整定計算4.2.1 比率制動式差動保護原理比率制動式縱差保護僅反應(yīng)相間短路故障。具有比率制動特

31、性的差動保護的二次接線如圖1.2所示。圖中，KVI串接于三相電流互感器的中性線上，反應(yīng)中性線上的電流大小，作為差動保護TA斷線監(jiān)視用，延時發(fā)信號。當差動線圈匝數(shù)Wd與制動線圈匝數(shù)Wres的關(guān)系為=1/2時，圖1.2具有比率制動特性的差動保護的二次接線差動電流：制動電流：比率制動式差動保護的動作方程為： 式中： ， 一次電流； ， 二次電流； na 電流互感器變比。 差動電流或稱動作電流 制動電流 拐點電流啟動電流 K 制動斜率差動保護的制動特性如圖1.2.1中的折線ABC所示。圖中，縱坐標為差動電流Id，橫坐標為制動電流Ires。 為了正確進行整定計算，首先應(yīng)了解縱差保護的不平衡電流與負荷電流

32、和外部短路電流間的關(guān)系。 發(fā)電機縱差保護用的10P級電流互感器，在額定一次電流和額定二次負荷條件下的比誤差為±3%。因此，縱差保護在正常負荷狀態(tài)下的最大不平衡電流不大于6%。但隨著外部短路電流的增大和非周期暫態(tài)電流的影響，電流互感器飽和，不平衡電流將急劇增大，實際的不平衡電流與短路電流的關(guān)系曲線如圖1.2.1中的曲線OED所示。根據(jù)比率式制動特性曲線分析。當發(fā)電機正常運行時，或區(qū)外較遠的地方發(fā)生短路時，差動電流接近為零，差動保護不會誤動。發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生短路故障時，差動電流明顯增大，圖1.4 比率制動式差動保護的制動特性和 相位接近相同，減小了制動量，從而可靈敏動作。當發(fā)生發(fā)電機內(nèi)部輕

33、微故障時，雖然有負荷電流制動，但制動電流比較小，保護一般也能可靠動作。4.2.2 比率制動式差動保護的整定計算1、啟動電流的整定： 式中可靠系數(shù)，取1.5 2 保護兩側(cè)的TA變比誤差產(chǎn)生的差流，取0.06(為發(fā)電機額定電流)； 保護兩側(cè)的二次電流誤差（包括二次回路引線差異以及縱差動保護輸入通道變換系數(shù)調(diào)整不一致）產(chǎn)生的差流，取0.1。所以：，通常取0.3。所以： =0.3*4.23=1.269（A）2、拐點電流的整定：3、比率制動特性的制動系數(shù)和制動斜率的整定。發(fā)電機縱差動保護比率制動特性的制動斜率，決定于夾角?？梢钥闯觯敼拯c電流確定后，夾角決定于C點。而特性曲線上的C點又可近似由發(fā)電機外部

34、故障時最大短路電流與差動回路中的最大不平衡電流確定。由此制動系數(shù)可以表示為： 而制動線斜率則可表示為： 差動回路中的最大不平衡電流，除與縱差動保護用兩側(cè)TA的10%誤差、二次回路參數(shù)差異及差動保護測量誤差有關(guān)外，尚與縱差動保護兩側(cè)TA暫態(tài)特性有關(guān)。因此故障時，為躲開最大不平衡電流，C點電流應(yīng)取為： 式中 可靠系數(shù)，取1.3 1.5； 暫態(tài)特性系數(shù)，相同時取0，不同時取0.050.1； 最大動作電流。于是可得。令=，可得。因此，對于發(fā)電機完全縱差動保護，可取0.3；而對不完全縱差動保護，可取0.30.4。而對制動斜率K可以根據(jù)公式求得。4.3 發(fā)電機定子匝間短路保護（橫差保護）原理及整定計算發(fā)電

35、機定子匝間短路保護原理，主要有發(fā)電機縱向零序過電壓及故障分量負序方向型匝間保護，不僅作為發(fā)電機內(nèi)部匝間短路的主保護，還可作為發(fā)電機內(nèi)部相間短路及定子繞組開焊的保護；故障分量負序方向(P2)保護應(yīng)裝在發(fā)電機端，不僅可作為發(fā)電機內(nèi)部匝間短路的主保護，還可作為發(fā)電機內(nèi)部相間短路及定子繞組開焊的保護；高靈敏零序電流型橫差保護，作為發(fā)電機內(nèi)部匝間、相間短路及定子繞組開焊的主保護。發(fā)電機橫差保護，是發(fā)電機定子繞組匝間短路（同分支匝間短路及同相不同分支之間的匝間短路）、線棒開焊的主保護，也能保護定子繞組相間短路。單元件橫差保護，適用于每相定子繞組為多分支，且有兩個或兩個以上中性點引出的發(fā)電機。發(fā)電機單元件橫差保護的輸入電流，為發(fā)電機兩個中性點連線上的TA 二次電流。以定子繞組每相兩分支的發(fā)電機為例，其交流輸入回路示意圖如下所示： 理想發(fā)電機正常時中性點連線上不會有電流產(chǎn)生，實際上發(fā)電機不同中性點之間從在不平衡電流，原因如下:（1）定子同向而不同分支的繞組參數(shù)不完全相同，致使兩端的電動勢及支路電流有差異。（2）發(fā)電機定子氣息磁場不完全均勻，在不同定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢不同。（3）轉(zhuǎn)自偏心，在不同的定子繞組中產(chǎn)生不同電動勢。（4）存在三次諧波。因此單原件縱差保護