电气主设备继电保护的整定计算讲解

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1、电气主设备继电保护的整定计算参考文献：大型发电机变压器继保护整定计算导则 电力系统继电保护规定汇编(第二版)一 发电机保护的整定计算(一)比率制动式发电机纵联差动保护的整定计算zhZ0由上图可见，当W = W = 1Wzh1zh22 cd时，流入差动线圈的电流为：流入制动线圈的电流为：Iz = 2(I1+12)zh正常运行或发生外部故障，I = (I -1) = I , I = 1(I +1) = I /n2 1 2 d .w lcd 1内部故障时，I = (I -1) = I /n，cd12d l2 bp zhI = 1(I -1)，当发电机独立运行 zh 2 12时，内部故障时，I = I

2、 = I /n，I =cd 1 d l zh112 1保护的动作特性如图所示，横坐标为制动电流，纵坐标为差动电流，当制Z0电流I时，继电器的动作电流为I =Z 0dz比率制动差动保护的动作判据为：动电流小于拐点电流 I 时，继电器的动作电流为 I ，当制动电流大于拐点 dz0+ K (I I )。dz 0XL zhz 0I I( I I )z0I I + K - (I I )( Icddz 0XL zhz 0zh式中：I 为差动电流；cdI 为差动保护最小动作电流；dz0I 为比率制动特性的拐点电流z0K 为比率制动特性的斜率；XL根据以上分析，在正常运行时，由电流互感器存在幅值误差产生的不平

3、衡电 流为：I 二 K K f I . nbpfz.qtx ie. f l在外部短路时，由电流互感器存在幅值误差产生的不平衡电流为：I = K K f I .nbpfz.qtx i wd LH显然，外部短路产生的不平衡电流远大于正常运行产生的不平衡电流。当 外部短路电流为最大时，产生的不平衡电流也最大。其值为：I = K K f I . nbp .maxfz.qtx iwd .max l对于普通的差动保护，为防止外部短路时，由于不平衡电流造成保护误动，所以保护的动作值必须大于外部短路产生的最大不平衡电流。而对于比率制动特性的差动保护，保护的动作电流可按躲过正常运行产生的不平衡电流整定，而当外部

4、短路时，可依靠制动特性保证保护可靠不误动。比率制动差动保护的整定计算主要是确定最小动作电流 I 、制动特性的拐 dz0点电流 I 、最大制动系数 K 三个参数。z 0zh（1 ）最小动作电流：按躲过发电机在最大负荷电流下产生的不平衡整定。I = K K f I / ndz 0K tx i e. f LH当取：K = 2, K = 0.5, f = 0.1 时KtxiI = 0.1 I / nd 0e . fLH即为发电机额定电流的 10%。I = K 2 0.03 I / ndz0Ke. fLH当取 K = 2 时，得：I = 0.121/ nkdz 0e. fl按躲过区外远处短路时，短路电流

5、接近发电机额定电流时产生的不平衡整 定。I= K K K f I / ndz 0K tx fzp ie. fLH取： K =2,K =1.5,K =0.5,f =0.1时KfzptxiI = 0.2 I / nd 0e . f LH一般可取0.10.2 倍发电机的额定电流。（2） 制动特性拐点电流； 为保证远处外部短路（此时短路电流接近发电机的额定电流）时差动保护 不误动，拐点电流应不大于发电机额定电流。可取：I 二（0.8 -1.0）I /nz0e. fLH（3 ）确定最大制动系数：按最大外部短路电流时差动保护不误动。 在机端（区外）发生三相短路时，流过差回路的不平衡电流最大，为保证 此时保

6、护不误动应有：I = K K - K - f -1 .ndz.maxK fzq tx i w.d .max l式中：I 差动保护的最大动作电流；dz. m a xI （3） 为机端三相短路的电流。wd . m a x注意到，在外部短路时，制动电流即为：I = I（3）/ nzh wd . max l所以有：K 二二 K - K - K - fzh IK fzq tx izh取：K = 1.5、K 二 2.0、K 二 0.5、f 二 0.1Kfzqtxi贝V： K二0.15，即最大制动系数为0.15，即可保证外部短路保护不误动。zh考虑到电流互感器饱和及暂态特性畸变，为安全计，可将最大制动系数提

7、高到0.3。必须指出，当制动特性不通过坐标原点时，制动系数不是一个常数，而是 变化的。而制动特性的斜率是常数。两者是不一样的。不可把制动特性的斜率与 制动系数两者相混淆。（4 ）制动特性的斜率按以上的分析：I 二 0.1I / n ，I二 0.151（3）/ nd 0e. fLHdz . maxwd .max LH对大型发电机，一般有：x”二0.16 0.2，因此，机端三相短路电流为发电d机额定电流的56 倍。所以，比率制动特性的斜率可推算如下：I - IK dz .m d0 XLI （3）/n -Iwd . m a x LHZ 0按I-5I考虑，贝V：wd. maxe. fK = 0.75

8、0.1 = 0.1625XL 5 一 1即制动特性曲线的斜率取 0.1625，刚好满足上述要求。一般地，对发电机差动保护，取制动特性曲线的斜率为 0.2 可满足要求。当取 I 二 0.21/n ,KXLd00.9 - 0.26 -1e. fl=0.14=61 /n 时:d.nmaxe. f l二）标积制动式纵差动保护设发电机中性点与机端的二次电流分别为I和I,它们的相位差为0 ,令标积 nsI/COS 0为制动量，丨I -1 |2为动作量。构成的标积制动式纵差动保护，其动 n sS n作判据为:11 -1 |2 K I I c o SS nzh n s其制动系数一般取0.8-1.2。（三）故障

9、分量比率制动式纵差动保护 该保护只取发生短路后产生的故障分量，与短路前的穿越负荷电流的大小无关。动作判据为:I AI -AI 11snaI +aI sn2故障分量比率制动式纵差动保护的动作特性如上图所示。其中，直线1 为正常运 行与外部短路的制动特性；直线2为内部短路的动作特性，其斜率S 2.0 ；直 线 3 为故障分量纵差保护的整定特性。直线3的斜率即制动系数，一般取1.0。AI 一最小动作电流；AI = 0.1I /nd 0 d 0e . f l或按躲过正常运行负荷状态下产生的不平衡电流。（四）单元件横差动保护的整定计算 选择单元件横差保护用电流互感器的变比。传统方法: n = 0.25I

10、 /I ae . f 2 e保护定值： I = (0.2 - 0.3)1/ ndze. fa对微机保护由于采用了滤过比较高的数字式三次谐波滤过器，可使保护灵敏度 提高。电流互感器的变比按发电机满载运行时中性点连线上的最大不平衡电流选择。 可选择为： 600/I 、400/ I 、200/I 、100/I 。2.e2.e2.e2.e保护的动作电流取为： 0.05I / n 。e. fa要求三次谐波滤过器的滤过比大于 80倍。1 实测中性点连线上的基波和三次谐波分量。2 线性外推出机端三相短路产生的不平衡电流。3 计算动作电流：I = K K1；72 + (I_/k )2dzK fzq bp1bp

11、 33式中：K 可靠系数，取 1.3-1.5 ；KK 非周期分量系数，取 .15-2.0 ；fzqI 基波分量不平衡电流；bp1I 三次谐波分量不平衡电流；bp3k 三次谐波滤过比，取 80 ；3(五) 水轮发电机裂相横差保护的整定 保护采用比率制动特性。I 按躲过正常运行产生的不平衡电流，由两部分组成。一是在正常负 dz0荷情况下由电流互感器比误差产生的不平衡电流，二是由于转子气隙不对称产生 的不平衡电流。I 二(0.15 - 0.3)I / ndz 0e. faI 二(0.8 -1.0)I / nz0e. faK 二 0.5 0.6xl(六) 纵向零序电压的匝间短路保护零序电压元件的动作电

12、压可选择为：U二(2 3)V0.dz保护可由负序功率方向元件作为开放纵向零序电压保护的条件。应有电 压互感器二次断线闭锁措施。(七) 发电机定子绕组单相接地保护1 基波零序电压保护 按躲过正常运行时开口三角绕组两端出现的不平衡电压整定。U 二 K U0.dzKbp. maxK 可靠系数，取 1.3-1.5 ；KU 不平衡电压的最大值，包括两部分。一是基波分量产生的不平衡 bp.max电压；二是三次谐波分量产生的不平衡电压。 要求三次谐波率过器的滤过比大于 80。一般可取二次的动作电压为 5V。2 反映三次谐波的定子绕组单相接地保护机端电压互感器的变比：Z 100/100&3 / J33中性点电

13、压互感器变比：* .100(1)动作判据：I U 1/1 U l KaS3N 30U 机端的三次谐波电压；S3U 中性点的三次谐波电压；N3a 实测正常运行最大负荷时，机端三次谐波电压与中性点三次谐波电压 0的比值。K 系数，取 1.05-1.15 ；(2)动作判据：丨U - K U丨/0 I U I 1S 3 p N 3N 3式中：IU - K U I为动作量，根据实测U和U的值，计算系数K，使正 S3p N 3S 3n3P常运行时动作量最小。I 0 IU I为制动量，0 般取0.2-0.3，使制动量大于动作量。N3(八)发电机的低励失磁保护的整定1 系统低电压判据U 二(0.85 - 0.

14、9)Udzg . min式中：U 高压侧最低运行电压；g.min2 异不边界阻抗圆整定nlnyU2= 0.5X efd Se.fn-lnyU2X = X ef B d Se.f式中：X和X 分别为发电机的同步电抗和暂态电抗; ddU 和 S 分别为发电机的额定电压和视在功率; e. fe. fn 和 n 分别为电流互感器和电压互感器的变比; ly3 静稳定边界阻抗圆整定U2SSe. fnlnynlnyU2X = X ef B d Se.f式中：X 为发电机与系统间的联系电抗，包括升压变压器电抗和系统电抗;S在微机保护装置中，采用圆心和半径两个定值，可将上面的计算结果进行转换。静稳边界圆异步边界

15、圆转换公式为：X = 1( X + X )0 2 A BR = ；(X X )2 A B注意，在微机保护的定值中，只须输入绝对值即可。对于以上两种特性，圆心 的坐标仅有X，而R =0，若取R丰0，则动作特性变为频果圆特性。0 0 04 励磁低电压判据1）定励磁电压判据U 二(0.2 - 0.8)Ufd.dzfd 0式中:U 发电机的空载励磁电压； fd02）变励磁电压判据A ）汽轮发电机当x丰x时，发电机输出的有功功率为: dqEUP =_4 sm 8XdL当处于静稳定极限时，8 = 900，则:EUP 二一0_SX以发电机的空载额定励磁电压为基准值时，标么值关系有：E =U ，0.*fd .

16、*所以对于标么值可表示为：U 二PX /U二PX （因为U的标么值为1）fd .* dL S* dLS*用有名值表示：U二PX Ufd * dL fd 0式中：P 、 X 均为标么值。*d L如果 P 为有名值，则有：PU 二 X U 二 KP fd SdL fd 0式中：Kf= X U /S dL fd 0 e . f 保护的动作判据为：U KP fdB）水轮发电机（或大型汽轮发电机，x丰x）dq对于水轮发电机或大型的汽轮发电机来说，由于x工x，发电机输出的有dq功功率为:E UU211P =_亠 sin 8 + s （ 一）sin 28X2 X XdLqLdL上式中后一项即为凸极反应功率。

17、它的最大值为U 211P =（ 一 ）t 2 X XqLdL将上式对8 求偏微分，并设 E 为某一定值，则得 01E aUX ( 2cos0 )0 S dL cos osbsb该式表示凸极发电机处于静稳极限时电势与功角得关系。式中：o 为静稳极限角； sb11a XXqLdL以标么值表示，且无穷大母线电压U = 1，则有: SX X 1U E dLq (一 cos o )fd 0 Xcos osbqLsbX - XP =血込 tgo sin 2 oXX sb sbdL qL以上两式表示一台水轮发电机经 X 与无穷大母线并联时，处于静稳边界的SP - Ufd关系。见下图。对于凸极发电机，研究失磁

18、故障所关心的静稳极限角的范围是450 900。U2 X X当 o 45 o 时，U 0， P s dL込 tgOsbfd2 XXsbdL qL所以保护的动作判据为:U K (P P )fd.dzt 0式中:P 水轮发电机的凸极功率。t0K tg a如果功率和励磁电压均用有名值表示，则:2cos2XUtga =sbX d X fd0cos -2 sin3 8USsbsbS .*e. f式中：8 一般取700 -800 。sbU = 1为系统电压标么值。S.*U 发电机的空载励磁电压，单位为 V fd0S发电机的视在功率，单位为 MVA ； e. f5 负序电流元件I 二(1.2 -1.4)I/

19、n2.dz28l6 负序电压元件U 二(0.05 - 0.06)U / n2.dze. fy(九)发电机失步保护的整定计算 失步保护的动作特性有三种。1 双阻抗元件的失步保护；2 遮挡器原理的失步保护；3 三元件失步保护； 各种原理的失步保护应满足：正确区分系统短路与振荡；正确区分稳定振荡 与非稳定(失步)振荡。这里仅介绍三元件失步保护的整定计算方法。三元件失步保护的动作特性如下图所示十)发电机的后备保护1 定时限复合电压过电流保护负序电压元件：U 二(0.06 - 0.08)U / n2.dzje. fy相间低电压元件：汽轮发电机：U 二0.6U / ndzje. fy水轮发电机：U二0.7

20、U / ndzje. fy电流元件：I二K丄亠dzj k K nhl2 定时限复合过电流保护负序电流元件：I = 0.5 0.612.dzj ne. fl或采用：2.dzj:亠 120 e. f/nl二 变压器保护的整定计算一）变压器的纵差动保护1 变压器基本参数计算表高压侧（H）中压侧（M）低压侧（L）额定电压U（kV）N额定电流I （A）NUNHSNH 65o9 4变压器高压侧出口三相短路时，差动保护动作电流为I * = 0.3 + (0.1 + 0.5 - 0.1 x 3.33) x 3.33 = 1.18op2 x 4制动电流为：3.334 因此，重新选择最小和最大制动系数的斜率。K

21、二 0.3res1K 二 0.5res2此时，变压器高压侧出口三相短路的动作电流为I * = 0.3 + (0.3 + 0.5 - 0.3 x 3.33) x 3.33 = 1.58 op2 x 4区内短路时差动保护动作电流为：I*op=0.3 + (0.3 +0.5 - 0.3 5.4、 5.4x ) x -2 x 422=1.29灵敏系数为： K =5.4/1.29 = 4.19sen二) DGT-801，WFB-800 型主变压器差动保护1 变压器各侧二次电流与平衡系数计算变压器容量：S = 370MVA，变压器变比：236kV /20kVT.N220kV 侧：I -370000- 90

22、5/250 - 3.62(A)“：3 -236-250接线组：Y/A-11, CT 变比：Y 侧:1250/5, A 侧:15000/5各侧额定二次电流：20kV 侧：I 37000010681/3000 3.56( A)1 n 、3 - 20 - 3000低压侧为基准侧计算平衡系数：低压侧为：1。高压侧为：UnH TA hKbal,h236-250= 0.5 6 7 8Un 3 订 3 - 20 - 3 000L TA.I或者：K = s = 0.5678如h I /3.62J3h.n2 最小动作电流计算(1) 按躲过正常运行最大不平衡电流计算得：(低压侧为基本侧)I = K (K +AU

23、+ Am)I/nop 0. minrel erT .NTA=1.5(0.06+0+0)3.56=0.32(A)(2) 按躲过区外远处短路,短路电流接近发电机额定电流时的最大不 平衡电流计算得：I=1.5x1.5x1x0.06x3.56 = 0.48(A)op0.min(3)由经验公式得：I 二(0.5 0.6)x3.56 二 1.78 2.14(A)op0.min实际取值为：I二2(A)(相当于0.56倍二次额定电流)op0.min3 最小制动电流I 二 0.8 x 3.56 二 2.9(A)res . min4 制动特性的斜率计算( 1)最大动作电流计算区外短路的最大短路电流计算：10189

24、I (3)= GN = 11.53k.max(x- + x )n (0.16 + 0.14 x 353/370)3000d T TA(2) I 二 1.5(2x 1 x0.1 + 0 + 0)x 11.53 二 3.5op. max5 斜率计算：3.5 2K = 0.174res 11.53 2.9由经验公式取：K二0.56 灵敏系数计算发电机未并入系统时，主变压器高压侧出口两相短路电流为： 11.53A因为变压器为十一点接线，在变压器高压侧两相短路，低压侧有一相电流为其他两相的二倍，刚好与三相短路电流一样)制动电流为11.53区内短路时，差动保护的实际动作电流为：+ K (I opop0.

25、minres)二 2 + 0.5(11.53 2.9)二 6.32res. min灵敏系数为：K =sen/八11.53 182K .mm = = 1.82I6.32op4 差动速断保护动作电流计算I 二 4 x 3.56 二 14.24(A)op.qu发电机并入系统后出口两相短路的电流为I(2)=遇旦空丄二47(A)k.min2 0.0182 20 300047灵敏系数：Ksen =巨24 = 3.3三) 发电机匝间短路保护1 单元件横差保护横差保护的 CT 变比选择：0.251/5 二 0.25 x 10681/5 二 2670/5G.N选择为： 3000/5要求三次谐波的滤过比大于 80

26、，因此区外短路时三次谐波的不平衡电流 影响可忽略不计。实侧在额定电流时由基波分量引起的不平衡电流为0.28 (A)。 按线性外推法计算动作电流。I 二 2 x 3.5 x 0.28 二 1.96(A)d .op .set2 纵向零序电压匝间短路保护实侧正常运行各种不同负荷情况下的基波不平衡电压为：0.7-0.95V；最大 负荷时机端三次谐波电压为2V。纵向零序电压定值为：3U二2x 0.95二1.9V0.set(四) 发电机定子绕组接地保护计算1 基波零序电压保护的定值U 100 100机端PT变比：YN /-J3 J333U二(0.05 - 0.1)100 二(5 -10)V取 10V。01

27、.set中性点 PT 变比：UGN/110 二 20000/1903U二(0.05 - 0.1)110 二(5.5 -11)V01.set2 三次谐波电压定子接地保护计算三次谐波电压比值的保护在无实测数据时取：K 二1.2。在发电机运行后op.set 根据实测数据修正。动作时间为 3 秒发信号。(五) 发电机失磁保护计算1 高压母线三相低压元件定值 按躲过最低运行电压整定。UU = (0.8 0.85)- H .minop . setnTV=(0.8 0.85) 207 X103 = 80 82V22002 异步边界阻抗圆计算发电机的基准阻抗：zg.=刍 nA=m 需=17(Q)G.N TVT

28、A异步阻抗圆的 A 点取为：X = 0.5x =0.5X0.229X17 =1.95Ad异步阻抗圆的 B 点取为：X 二一x =2.2 X17 = 37.4Bd由 A、B 两点的阻抗求出圆的圆心和半径。圆心阻抗：Z = !(X + X )=丄(37.4 +1.95) = 19.67O 2AB2半径：Z =1丄(X X )|=|!(1.95 + 37.4) 1= 17.73R 2A B23 静稳边界阻抗圆 静稳阻抗圆的 A 点取为发电机与系统之间的联系阻抗。为系统的等值阻抗和 变压器的阻抗之和。系统阻抗为：临22 ；变压器阻抗为：0.14霧=0.0378353所以：XA = (O.。122 +

29、0.。378)而17 = 3静稳阻抗圆的B点取为：X = x =2.2x 17 = 37.4Bd由 A、B 两点的阻抗求出圆的圆心和半径。圆心阻抗：Z = -(X + X ) = -(37.4 + 3) = 17.2O2A B2半径：Z =1丄(X X ) 1=11 (3 + 37.4) 1= 20.2R 2AB24 负序电压电流元件U= 5 6V ； I= 0.8 A2op .set2 op .set5 变励磁电压判椐的计算 变励磁电压的判椐公式：当U U 时，按变励磁电压判据。 fdfd .op. minXUUfd K dfd0 (P - P)二 K (P - P)t S t set tG

30、.N式中：P 为凸极反应功率，对隐极机为零，凸极机不为零。 tU 211=s (-) S(W)2 X + XX + X g.nq S dsK 为比例系数的修正系数。K =2cos2jxcos 6 一 2sin3 8jxjx8 jx 为静稳极限角，对隐极机取90度，对凸极机取70-80度。已知条件为：U = 20 kVG.NS = 353MVA，G.Nx = 1.8dx二 0.229dx二 0.174 U 二 113Vdfd 0U 二 302Vfd.N二2510A，主变压器的变fd.N比：236/20, PT 变比：20000/100； CT 变比：15000/5S 二 370MVA U = 0

31、.14 X 二 0.0122 (归算到 100MVA)TkS计算联系电抗的相对值。353353X = X + X = (0.0122 + 0.14)=0.176 con S T100370发电机二次的额定视在功率计算：Sg.nSGNnnTV TA353 x 106200 x 3000二 588.3VA计算励磁电压与功率的比例系数：对汽轮发电机，K二1 t(X + X)UK = dcon fd 0setSg.n(1.8 + 0.176) 113588.30.38转子励磁电压的最小动作电压：U 二(0.6 - 0.8)U二(68 - 90)V取 90V。fd .op. minfd 0凸极功率：P二

32、0t所以变励磁电压的判据为：U 二0.38Pfd .op六) 发电机失步保护计算双遮挡器式失步保护1 电抗元件的动作值计算353X = K X = 0.9 X 0.14 X17 = 2.04 op rel T3702 阻抗区边界及最小负荷电阻的计算。3 上边界：X 二 j(X + X )二 j(0.14353 + 0.0122353)A*T S370100二 j(0.134 + 0.043)二 j0.177二 j0.177 x 17 二 j3.04 电阻边界正常运行时，机端测量阻抗的电阻分量应远离失步边界。R 二 0.5R 二 0.5 x 0.85 x 17 二 7.22(1L. min5 下

33、边界X二jX二j0.229 x 17 二j3.893(0)B . setd6右边界角61X X3 ( 3.89)6 = 2arctg ab = 2arctg- 51012 R2 x 7.221由于6 900取：6二900左边界角6二27001147 电阻边界 R2R = R 按6 = 900重新计算r2 2 1 11 6 1R =-(X X )ctg-1 = (3 + 3.89)ctg45。= 3.4451 2 A B 22所以：R = 1R = 0.5x3.445 = 1.72(0)2 2 18 计算出62X X3 (3.89)6 = 2arctg ab = 2arctg= 126.902

34、2 R2 x 1.7229 在一区的时间计算 按最小振荡周期为 0.5 秒计算。1 8 -8t 二 T 211.setK min 360rel1 05126.90 - 90013 *360_二 0.0394(s)由于DGT-801装置的失步保护最小整定时间为0.05秒，故整定为0.05秒。由此推算出相当于最小振荡周期为：0.635 秒。10 在二区的时间计算t1.set1Krel2Tmin1800 -823602 x 0.6351800 -126.9。360二 0.144( s)三区的时间与一区一样。11 四区的时间计算t4.setT _(t+t +t )=K min1.set2. set3. setrel0.635 - (0.05 + 0.144 + 0.05) = 0.244( s)12 跳闸允许电流定值为 15A13 滑极次数 N=2I 为制动电流；zh