热电厂继电保护设计

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1、摘要本文主要设计某个新建的热电厂继电保护。 热电厂内各种电气设备种类多而 复杂， 电气设备包括一次设备与二次设备， 由于一次设备价格昂贵且容易发生故 障，必须要对其配备继电保护来保证电力系统的稳定运行。首先，根据热电厂原 始资料而设计的系统电气接线图， 对热电厂的继电保护的经济与可靠性考虑， 以 与在满足速动性、选择性、灵敏性的条件下，确定该热电厂发电机、变压器、出 口输电线路、 母线等一次设备的继电保护设计方案。 然后在分别对各个一次设备 的继电保护进行具体的整定， 其中有整定值的计算与灵敏系数计算。 最后基于理 论的整定计算在对热电厂的故障进行 Matlab 仿真分析， 对电力系统的暂态特

2、性 能有直观的考察，同时还验证了 Matlab 对电力系统的重要性。关键词：热电厂；电气设备；继电保护；整定计算； Matlab 仿真；The Relay Protection Design of Thermal Power PlantAbstract ：This thesis is mainly for the relay protection design of thermal power plant. Many kinds of electrical equipment in the power plant are complex, electrical equipment includ

3、ing primary equipment and secondary equipment. because primary equipment is expensive and easy to happen accident, it must be equipped with relay protection to ensure the stable operation of the power system. First of all, according to the original data of thermal power plant to design Electrical wi

4、ring diagram.on the one hand,thermal power plants of relay protection must consider economy and reliability, on the other hand, it also need to meetthe speed and mobility, selectivity, sensitivity of conditions. Determiningthe designof thepowerplant sgenerator, transformer, exporttransmissionlines,b

5、usesandother primaryequipmentof relayprotection.Theneachonerelaydevice needto specificcalculatingseparately,includingcalculatingsettingvalue andsensitivitycoefficient.Finally, based on the theory of setting calculation, using Matlab simulation in thermal power plant failures, it is having a good obs

6、erve in transient characteristics of the power system, and also verifying the importance of Matlab in the power system.Key words ： Power Plant; electrical equipment; relay; setting calculation; Matlab simulation;目录第 1 章 前 言 61.1 热电厂与其电气设备简述 6.1.2 继电保护原理与其要求 8.1.3 热电厂的特点与其原始资料 9.第 2 章 热电厂电气设备的故障、异常运行

7、 112.1 电气设备的典型故障 112.1.1 发电机故障 112.1.2 变压器故障 122.1.3 输电线路、母线故障 132.2 电气设备的异常运行 14第 3 章 发电机的保护与整定 153.1 引言 153.2 定子绕组短路故障的保护 163.2.1 比率制动式差动保护 163.2.2 横差动保护 203.3 定子绕组单相接地的保护 213.4 发电机的失磁保护 223.5 发电机的励磁回路接地保护 243.5.1 绝缘检查装置 243.5.2 直流电桥式一点接地保护 243.6 汽轮机的超速保护 25第 4 章 变压器的保护与整定 274.1 变压器的比率制动式差动保护 274.

8、2 变压器的相间短路的后备保护 304.4 变压器的其他保护 344.4.1 过励磁保护 344.4.2 瓦斯保护 35第 5 章 输电线路、母线的保护与整定 365.1 110KV 出口线路的保护与整定 365.1.1 相间距离保护 365.1.2 零序电流保护 395.2 10.5KV 母线的保护与整定 41第 6 章 Matlab 故障仿真 426.1 Matlab 软件简介 426.2 Matlab 故障仿真 43结 论 错.误. ! 未定义书签致 谢 错 误 !未定义书签参考文献 错.误 !未定义书签第 1章 前 言电能是现代社会必不可少的能量，它被广泛用于国家工业、农业、军事、民

9、用等各个领域。我国是人口大国，对电能的需求很大，在前几十年造成了供电少 于用电的情况，引起了能源大恐慌。电力系统主要是指发电、变电、输电、配电 和用电等环节，当其中某个环节发生故障时，电能就不能满足供电要求。电能质 量由三部分组成，为频率、电压、波形，我国的规定频率为 50HZ ，波形为正弦 波，我国规定了各种电压等级，在输电中还使用了特高压直流输电，交流电压有 220V 、6KV 、10KV 、35KV 、100KV 、220KV 、 500KV 、 1000KV 等，直流电 压等级有100KV 、500KV 、 800KV 等。电力系统的运行有一定的基本要求，可以总结为安全、优质和经济。这

10、三者既有矛盾又有统一，因此处理原则就是在 保证安全和电能质量符合要求的情况下使电力系统的运行能够最经济。 因为电能 无法大量储存，所以电能的生产、输送、分配和消费都在同一时间内完成，发电 必须每时每刻与用电保持平衡。1.1 热电厂与其电气设备简述1. 发电厂的分类随着现代电力科学技术的发展， 产生电能的方式各种各样， 如按发电厂使用 的能源来分类大概可分为火电、 水电、核电、 地热发电、 风电以与太阳能发电等。火电厂又可以分为凝汽式发电厂和热电厂， 主要区别是前者向外只供电， 后 者是既供电又供热，使用的是热电联产方式。火电厂主要是使用原煤、石油、 CNG 、余热、易燃烧的垃圾等来生产电能。火

11、电厂中能量转变过程 化学能 热能 机械能 电能 。我国的发电厂主要以火电厂为主， 其次是水电厂， 如今正大力发展核电， 因为核电发电效率高又是清洁能源。 国内比较出名的火电 厂是国电浙江北仑发电厂、大唐国际托克托发电厂等。水电厂可以分为常规水电厂、 抽水蓄能水电厂和潮汐水电厂， 它是使用水能 来生产电能， 水能包括水的动能与势能， 水能的大小取决于水流的快慢与水头的 高低。水电厂能量转变过程是 水能（动能和势能） 机械能 电能 。我国已建造了 很多大型水电站，如三峡水电站、向家坝水电站、龙滩水电站、锦屏一、二级水 电站、瀑布沟水电站等。核电厂又可分为压水堆核电厂、 重水堆核电厂和快堆核电厂，

12、使用的燃料是 铀，让原子核裂变释放的核能来生产电能。 核电厂能量转变过程是原子核裂变的 核能T热能T机械能T电能。目前我国的核电厂装机容量在全国装机规模的比重 还达不到世界平均水平， 法国核电装机比重世界最大。 我国也已经造了一批核电 厂，如中核秦山核电、田湾核电、中广核大亚湾核电等 3 。2. 发电厂的电气设备 在电力系统发电、输电、配电和用电过程中，为了满足电力工业技术要求， 电力系统中安装了许多各式各样的电气设备，在电力系统中起 Start 、转换、监 测、检测、调整、 Protect 、切换和 Stop 等作用。按所起的作用不同，可以分为 一次设备和二次设备。一次设备是直接用于生产和使

13、用电能的设备， 它比控制回路中的所有二次设 备电压高的电气设备。一次设备有各种类型的发电机（电动机） 、各种电压等级 的变压器、断路器、隔离开关、自动开关、接触器、刀开关、母线、输电线路、 电力电缆、串联并联的电容器、静止补偿器等等。一次回路（一次接线系统）是 由互相连接的一次设备，来组成发电、输电、配电和用电的电气主接线图。二次设备的作用是对电力系统内的一次设备进行监测，检测，控制，保护， 调节，二次设备也是不直接和电能发生关联的设备。二次设备有熔断器、控制开 关、各种继电器、控制电缆、自动化仪器仪表、信号装置、自动装置等 7 。1.2 继电保护原理与其要求1. 继电保护基本原理随着电力自动

14、化科学技术的发展， 当电力系统发生故障或不正常运行后， 电 力系统应能快速的甄别出哪个电气设备发生故障或出现异常， 此时就要靠继电保 护装置起作用。继电保护装置是保证电力系统能够安全、可靠、稳定运行,它的特点是断续控制，动作速度快，有很强的选择性。它的首要职责是当系统内发生 故障或异常运行时 ,向现场工作人员与控制电气主设备的断路器发出信号于报警 或跳闸，让维修人员进行故障处理，来达到无故障部分继续生产,并有效阻止异常运行状态给系统造成更严重的故障与事故。继电保护装置一定要有准确判断被保护元件是处于正常工作状态还是发生 了故障或异常运行， 是电力系统不可缺少的重要装置。 但是继电保护设备若要准

15、 确拥有这一重大功能， 其重要基本思路是需要清楚知道当电力系统发生故障后与 故障前的电气量与非电气量的变化特征。其中当电力系统发生故障后， 工频电气量变化的主要特征电流增大、 电压降 低、电流与电压之间的相位角改变和测量阻抗发生变化等。正常运行和发生三相短路时， 系统只有正序分量。 但是当有不对称短路发生 时，系统就会出现三序分量即正序、负序和零序。若发生两相接地短路与单相接 地短路时，会出现负序与零序分量；若发生两相相间短路后，则只会有负序电压 和负序电流。利用短路故障时电气量的变化， 便可构成各种原理的继电保护。 如反应发生 短路时电流急剧增大的过电流保护、 反应短路时母线电压降低的低电压

16、保护、 反 应发生不对称短路时出现零序、 负序分量的零序电流保护、 负序电流保护和距离 保护（低阻抗保护） 、反应被保护元件两端电气量的变化特征并用以比较的纵联 保护等等。另外，上面所述都是使用工频电气量作为依据的保护， 由于某些电力系统设 备的构造等特点可以用某些非电气量作为保护的依据。例如变压器的瓦斯保护； 反应电机绕组温度升高的过热保护等等 2 。2.继电保护的基本要求 随着继电保护技术的发展，在实际使用中要满足四个基本要素,即可靠性、选择性、灵敏性和速动性。这四者既有矛盾性又有统一性，因此在使用中并不能 做到十全十美， 但只要能做到符合电力系统要求就行。 可靠性即安全性与信赖性， 安全

17、性指不该动作就不动作， 信赖性指该动作就动作， 这是电力系统继电保护的 最根本要求； 选择性是指当发生故障时由保护本身确定发生故障的元件并动作于 跳闸或信号， 让无故障元件继续安全可靠运行。 选择性能否达到目的主要是由保 护的动作时限与灵敏度来完成； 灵敏性是对故障与不正常运行的反应能力， 任何 原因引起的都应可靠反应， 一旦不能反应系统就会出现事故。 因此继电保护装置 中就要有满足实际要求的灵敏系数， 它与继电保护中的整定值有关； 速动性是指 当发生故障或异常运行时，保护装置要快速的反应于跳闸或发信号,以减轻受损后果。一般主保护都应要快速动作，后备保护才要带有一定的时限才能动作4 。1.3

18、热电厂的特点与其原始资料热电厂与其他类型电厂的区别就是使用了热电联产方式， 顾名思义， 热电联 9 / 50产就是给用户既供电又供热。在化学能转换成热能过程中，会抽出一部分可调节的热能用于取暖用热，剩余的由汽轮机带动发电机发电，两者之间可调节，既可 供电多供热少，也可供电少供热多 o该新建热电厂装机三台，凝气式机组2 X 10+1 X 4MW,总曲4MW，三台机组额定电压均为10.5KV，10.5KV母线为单母线接线方式，三台机组均通过 10.5KV母线与121KV /10.5KV 的升压变压器相连，升压之后直接把电能输送到 110KV变电站。厂用电系统可由上述10.5KV母线通过10.5/0

19、.4KV 降压变压器进行降压通过0.4KV母线供给厂用电或者外接 10KV母线通过10.5/0.4KV 降压 变压器供给厂用电。该新建热电厂的一次电气主接线图如图1-1所示：1113 询O.*hY 出图1-1该新建热电厂的电气一次主接线图第2章 热电厂电气设备的故障、异常运行2.1电气设备的典型故障 发电机故障发电机为汽轮发电机双水内冷式，型号分别为QFSN-10-2与QFSN-4-2 , 发电机极数均为2极，Ue均为10.5KV , COS=0.8 （滞质10MW 的额定电流为687.3A , 4MW 的额定电流为274.9A，发电机内部结构如图 2-1所示电压调节器输岀接旅转整臓转子轴定衿

20、组线端子机座励磁机励磁绕组励磁机电枢图2-1发电机简易结构图发电机的主要故障为： 定子绕组的相间短路。 发电机的定子绕组设计为全绝缘结构，但可能由于在短路的地方产生烧断现使用时间过长或者保养不够周全而发生绝缘老化、过电压冲击等，从而在A、B、C三相中的某一相定子绕组绝缘受损而导致对地击穿，象，把多匝导线熔断，短路电流急速增大，对定子绕组等有极大的冲击和损伤。 定子一相绕组内的匝间短路。发电机的A、B、C三相中的每一相由多个分支构成，分支又由很多匝的线圈捆在一起，当某一相中的分支与另一分支或者同一分支不同匝之间发生绝缘损坏就会造成匝间短路，产生很大的短路电流，导致发电机震动加剧、发电机无功功率下

21、降。 定子绕组发生单相接地短路。发电机由定子、转子、铁芯等构成，当定子线圈与铁芯之间的绝缘发生穿孔现象而产生漏电现象，产生一定数值的电流，当此电流持续时间过长会对发电机产生更严重的故障。 转子绕组的故障。包括接地、匝间短路和断线故障。接地和匝间短路障碍主要是由于绝缘降低和损坏引起的，接头幵焊和热变形会引起断线9 0变压器故障升压变压器三相油浸风冷式，型号为SF9-31500/110 ，额定容量为31500KVA，额定电压为110KV，变比为(121+2 X 2.5%0)KV，短路电压百分数Uk=10.5%，连接形式为YN , d11。变压器的结构如图2-2所示,低压套鞋1分接幵关呼吸器-绕组-

22、二J铁芯一r一J安全气道油位计油枕散热器油箱鬲压套管-净汕器变压器油图 2-2 变压器内部简易结构图变压器的主要故障有： 套管和引出线上发生相间短路。 变压器的套管和引出线不是密封的而是裸 露在外面， 套管和引出线周围非常容易有污垢存在， 在大雾或小雨的天气条件下 会在其的绝缘表面上留有导电通道， 使它的绝缘效果降低， 从而在高电压的条件 下发生强烈的放电现象，因此会发生相间短路。 套管和引出线上发生接地短路。 变压器的套管和引出线不是密封的而是裸 露在外面， 套管和引出线周围非常容易有污垢存在， 在大雾或小雨的天气条件下 会在其的绝缘表面上留有导电通道， 使它的绝缘效果降低， 从而在高电压的

23、条件 下发生强烈的放电现象，因此会发生接地短路。 绕组的相间短路。 当变压器的主绝缘老化或者降低时， 变压器油的击穿电 压降低，更严重情况下会发生相间短路。 某相中绕组的匝间短路。 当变压器由于长时间的过载运行而导致主绝缘老 化或者降低时，某相绕组的匝与匝之间就会发生短路，使变压器油温升高，油中 有时候会有“吱吱”声。 某相绕组的接地短路。 由于雷电大气过电压与操作过电压的作用使绕组受 到短路电流的冲击发生变形，主绝缘损坏、折断而发生接地短路。接地短路后有 变压器油受潮后绝缘强度降低、油质变坏等严重后果9 。2.1.3 输电线路、母线故障输电线路起传输电能的作用，该新建热电厂的出口线路电压等级

24、为 110KV ， 输电线路为三相线路分别为 A 、B、C 相。其中输电线路的主要故障为： 某一相发生接地短路。 主要原因有导线由于质量原因发生断线、 在恶劣条件下绝缘子发生击穿、被树木鸟类短接而发生瞬时性故障等而发生单相接地短路，单相接地短路是占输电线路故障的 80% 以上。 某两相之间发生接地短路和两相短路。 A 、B、C 三相中的某两个相之间 的绝缘在恶劣条件下或质量原因而遭到击穿或闪络放电现象，发生两相短路。 三相短路。 A 、B、C 三相中的相之间的绝缘在恶劣条件下或质量原因而 遭到击穿或闪络放电现象，发生三相短路。 某一相断线。当发生单相断线或两相断线，系统就处于非全相运行。 某两

25、相断线。母线起传输、分配电能的作用，该新建热电厂的母线为 10.5KV ，其中母线 的主要故障为： 各种类型的接地短路。包括单相接地和两相接地短路。 各种类型的相间短路。包括两相短路和三相短路。2.2 电气设备的异常运行1、发电机的不正常运行有： 由于外部发生各种类型的短路而引起的定子绕组过电流现象。 由于负荷长期超过发电机额定容量而引起的对称过负荷现象。 由于外部不对称短路或不对称负荷引起的发电机负序过电流现象。 突然甩负荷引起的定子绕组过电压现象。 励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷。 汽轮机主汽门突然失闭引起的发电机逆功率等。2、变压器的不正常运行有：由于变压器外部短路引起

26、的过电流现象。由于负荷长时间超过额定容量引起的过负荷现象。 由于风扇故障或漏油引起冷却能力的下降等 12第 3 章 发电机的保护与整定3.1 引言发电机的保护有： 反映相间短路的发电机差动保护 （ 比率制动式纵差保护 ） ；反映定子绕组匝间短路的发电机横差动保护； 反映定子绕组单相接地短路的定子接地保护；反映发电机外部相间短路时的后备保护；反映励磁回路接地 的转子一点接地保护与转子两点接地保护；反映低励磁和失磁的失磁保护 反应汽轮机超速的超速保护。3.2定子绕组短路故障的保护定子绕组内部故障包括相间短路、同相不同分支间短路、同相同分支匝间短路和定子绕组的分支幵焊故障。现针对以上故障分别配置了比

27、率制动式差动保护 与横差动保护。KD接于其差回比率制动式差动保护路中，规定一次电流以流入发电机为正方向。当正常运行或外部K1故障时，Ii与纵联差动保护原理如下：如图3-1所示，将发电机两侧变比和型号相同的电流互感器TA二次侧如下图示极性端纵向连接起来，差动继电器I2反向流入KD，KD的电流为|1nTA1止120n TA2(3-1)因此KD不会动作。当发电机内部K2故障时，Ii与I2同向流入KD，KD的电流(3-2)Ii |2nTA1nTA2IK2nTA当|K2/ nTA大于KD的整定值，KD就动作上述情况实在理想情况下讨论的，但实际上由于两侧TA的励磁特性、饱和特性并不是完全一样，所以正常运行

28、或外部K1故障时总有一定量值的不平衡电流流入KD，故内部K2故障时IK2/nTA必须大于这一不平衡电流才能正确动作。图3-1变压器纵差保护接线图实际运用中，上述保护的灵敏系数较低而且不满足灵敏度的要求，所以为了提高保护的灵敏系数，专门采用了比率制动式差动保护来代替上述的纵联差动保 护。比率制动式原理如图3.2 :图3-2比率制动差动接线图差动电流可表示为:(3-3)Id (|n1 |t1)/ na制动电流可表示为:(3-4 )Ires 0.5( IniItl) / na比率制动式差动保护的动作方程为:Id K(I res I res.0 )Iop.0, I res I res.0,I d Io

29、p.0? Ires I res.0（3-5）其中I res.min为拐点电流，I d. min为最小启动电流，K为制动线斜率（图3.3所示BC的斜率）。图3-3当发电机正常运行或发生外部短路时，差动电流接近为零，差动保护不会误动，而在发电机内部发生短路故障时，差动电流明显增大，而“与I2相位接近相反，减小了制动量，从而灵敏动作。当发电机内部轻微故障时，虽然有负荷电流 制动，但制动量比较小，保护一般也能可靠动作。Iop.0、I res.0、K为具有比率制动特性差动保护的三要素。比率制动特性纵差保 护整定如下：（1 ）.确定最小启动电流I*0 :最小启动电流计算公式为(3-6)参数代表含义如下表3

30、-1 :表3-1参数Ign发电机的额定电流，1#、2#发电机为687.3A，3#发电机为274.9A。nTA发电机的电流互感器的变比，变比为1000/5 。在计算公式中取0.2倍，则将具体值代入式(3-6 )得1#、2#机组的最小启动电流 I687.3 X 0.2 - 1000/5=0.6873A,3# 机组的Iop 274.9 X 0.2 - 400/5=0.6873A。(2 ).确定拐点电流I res.0 :拐点电流|res.0的大小，决定保护幵始产生制动作用的电流的大小，当最小动作电流Iop.0与动作特性曲线的斜率K相同的情况下，最小启动电流越小，差动保护的动作区越小，而制动区增大；反之

31、亦反。因此，拐 点电流的大小，直接影响差动保护的动作灵敏度。基于以上原因，适当地减小拐 点电流，现整定计算公式为(3-7 )将具体值代入(3-7 )得 1#、2# 机组 I res.0 0.8 X 687.3- 1000/5=2.7492A 3#机组 I res.0 0.8 X 274.9- 400/5=2.749A。(3).确定斜率K:斜率可整定为(3-8 )其中I k. max为最大短路电流，在实际整定中一般取K=0.3。综上所得，比率式制动差动保护的动作方程如下：Id 0.3(Ires 2.749)0.6873, Ires 2.749AId 0.6873A, Ires 2.749A横差动

32、保护发电机定子绕组每一相都由多个并联的支路组成，每个支路都由多匝线圈组成，在同一支路或同相不同的支路绕组间容易发生匝间短路。传统的差动保护不能反应，所以要配置横差动保护来反应匝间短路。当发生匝间短路时，由于正常 运行时的各绕组的分支等电动势的情况发生改变而形成电势差从而在绕组的分 支间产生环流，利用这个环流来构成横差动保护。如图3-4是同分支匝间短路时 构成的裂相横差动保护，此时在差动回路中将会有ld.r=2ld/nTA ,当|d.r大于启动电流 时保护动作。但是当短路匝数a较小时，环流也较小，如果此时的Id.r小于启动电流，保护就不会动作，所以横差动保护有死区。 如图3-5是同相不同的分支发

33、 生匝间短路的单元件横差动保护，只要发生匝间短路的两分支间存在电势差也会有环流存在，当差动回路中的1几21 d/ nTA大于启动电流保护就会动作，但是当 a 1= a时，两分支不会存在电势差就不会有环流存在，因此保护不能动作，此 时保护存在死区1。图3-4同分支匝间短路的裂相横差动保护图3-5同相不同的分支匝间短路横差动保护横差动保护的启动电流整定如下：由于发电机不同中性点之间有不平衡电流存在，保护的启动电流必须要克服不平衡电流，通过实际经验可以整定得到启动电流为（3-9）其中Ig.n为发电机的额定电流，电流互感器nTA为1000/5，取0.3倍，则将数据代入（3-9 ）得 1#、2# 机组的

34、 Iset 0.3 X 687.3- 1000/5=1.0310A。3#机组的 Iset 0.3 X 274.9- 1000/5=0.4123A。3.3定子绕组单相接地的保护由于该新建三台发电机组直接与10.5KV母线相连接，当发电机定子绕组发生单相接地时，此时不需考虑消弧线圈的补偿作用， 当单相接地故障电流即接地 电容电流小于4A时，不需要装设保护，但是接地电容电流大于 4A时，就必须 装设有选择性的接地保护装置10 o假设A相定子绕组中发生金属性接地故障，故障点距离中性点 a，由电力系统分析知识可以得到故障零序电压为1-.r.3Uo (Ua Ub Uc)Ea3(3-10 )当故障点离发电机

35、中性点越远时，零序电压越高。如图3-6反应的是零序电压与图3-6零序电压与a的关系与a的变化关系图。Uop根据实际经验可以整定为 10V o3.4发电机的失磁保护发电机的失磁是指励磁突然消失或部分消失（低励），此时的励磁电流下降到零或下降到静态稳定极限所对应杀我励磁电流以下。失磁后，发电机的感应电动势随着励磁电流的下降而下降，发电机的电磁转矩（制动转矩）小于机械转矩（加速转矩），发电机将加速运转，使发电机的功角 3增大，当3增大到超过静 态稳定极限角时，发电机与其所连接的系统就会失去同步。 该新建的热电厂发电 机组采用汽轮机，汽轮发电机在很小的转差下可以异步运行一段时间。该新建发电机组的失磁保

36、护由机端测量阻抗元件和转子低电压保护构成。阻抗元件在阻抗复平面上的动作特性为异步边界阻抗圆，当测量阻抗位于圆内且转子励磁绕组电压Uf小于启动电压时，失磁保护动作。当发电机发生失磁后，发电机端测量阻抗的变化如图 3-7所示，由电机学知识可得以下公式EUSCosXUs2X(3-11 )其中Ed为发电机的同步电动势，Us为无穷大系统的相电压，3 为功角，X 为系统电抗之和。当发电机从失磁到是不前，发电机端的测量阻抗为ZgUgT(UPjXs)竺ej22P(3-12 )由于Xs、Us、P、Q、为常数，因此它是个等有功阻抗圆，如图3.7中的等有功圆；当发电机在临界失步点时，发电机端测量阻抗为UgZg Tj

37、 宁 jjj22 2(3-13 )此时测量阻抗在圆周上，如图3.7中的b点；当静态稳定破坏后处于异步运行时,发电机端测量阻抗为j(X1X2XadX2Xad)jXd(3-14 )此时测量阻抗如图图3-7机端测量阻抗在失磁后的变化轨迹当发电机失磁后，发电机的转子励磁电压Uf会出现一定程度的减低，当降低到且小于某一启动电压时，保护就会动作。现整定该启动电压公式如下：Ufset 0.8U fo（ 3-15 ）其中 Uf 0为发电机的空载励磁电压。3.5 发电机的励磁回路接地保护发电机转子在生产、运输、安装过程中可能由于某些人为、质量原因而造成绝缘破坏会引起励磁回路一点接地故障， 如未与时切除则会造成更

38、严重的两点接 地故障，将会严重降低发电机的寿命。因此则要装设一点接地保护。3.5.1 绝缘检查装置当发电机正常运行时， 两电压表的读数相等， 但是当励磁回路对地绝缘水平下降时，两电压表读数不相等。但缺点是：在励磁绕组中点接地时，两电压表读 数也相等，即存在动作死区。3.5.2 直流电桥式一点接地保护通过合理选择、调整各臂电阻值。可做到励磁绕组正常运行时，电桥处于平 衡状态。当励磁绕组发生一点接地时，电桥失去平衡，流过继电器的电流大于其 动作电流，保护动作。当励磁绕组上的某一点 d 经过渡电阻 Rg 接地后，电桥失去平衡，流过电流 继电器的电流大于继电器的动作电流时保护就会动作。 但缺点是： 接

39、地点靠近中 点M时，保护无法动作，即保护有死区5 o图3-8直流电桥励磁回路一点接地保护消除死区措施：在电阻R1的桥臂中串接了非线性元件稳压管，其阻值随外加励磁电压的大小而变化，因此，保护装置的死区随励磁电压改变而移动位 置。这样在某一电压下的死区，在另一电压下则变为动作区，从而减小了保护拒 动的机率。 转子偏心和磁路不对称等原因产生的转子绕组的交流电压，使转 子绕组中点对地电压不保持为零，而是在一定范围内波动。 利用这个波动的电压来消除保护死区。3.6汽轮机的超速保护汽轮机超速是指汽轮机转速超过本身额定转速的112% o在火电厂与热电厂中，当有汽轮机超速事故发生时，此时是汽轮机最为危险的事故

40、之一。因为当汽 轮机发生严重超速，轻则由于离心力过大造成转动部件的损坏，严重时造成大轴断裂、推力支承轴承碎裂，叶片断裂，汽轮机动静部分严重摩擦，有时还会因为 油压的升高，造成机组油系统着火，引发机组报废性事故。因此在热电厂的安规 中要多方面地杜绝发生汽轮机严重超速事故，并且要专门制定汽轮机严重超速时的安全操作制度。汽轮机超速发生在汽轮发电机组空载的时候，当汽轮机的蒸汽量大于其本身空载所需维持的蒸汽量时就会发生超速事故。这种一般会发生在汽轮机瞬间甩掉电负荷或汽负荷而对应地切掉汽轮机进汽措施失效的情况下。其具体原因如下表3-2 :表3-2超速原因表（1）调速系统 故障或有缺陷。具体有调速汽门不能关

41、闭或者漏气量大；抽汽逆 止门不严或拒绝动作；运行方式不合理或调整不当等。（2） 汽轮机超速保护系统故障。具体有危急保安器不动作或动作转速过高；危急 保安器滑阀卡涩无法动作；自动主汽门和调速汽门卡涩等。（3）运行中操作调整不当。具体有油质管理不善；检修质量不良；运行中蒸汽 品质不良等。汽轮机的超速保护有 OPC保护、DEH超速保护和TSI超速保护。其中OPC 保护是指当汽轮机转速升高至额定转速的103%（3090rpm ）时，OPC保护动作，调节系统发出动作指令并动作于迅速关闭所有调速汽门和抽汽逆止阀让汽轮机 转速降低。DEH和TSI超速保护是指汽轮机转速升高至额定转速的110%（3300rpm

42、 ）时，电超速保护动作，让 DEH、TSI超速保护发出打闸指令动作 于迅速关闭主汽门、调速汽门和抽泣逆止阀，以此来完成停机过程。第4章变压器的保护与整定变压器保护有：反映变压器绕组和引出线的多相短路与绕组匝间短路的纵 联差动保护或电流速断保护； 反映变压器外部相间短路和绕组内部短路的后备 保护的过电流保护；反映变压器中性点直接接地系统中外部接地短路的变压器 零序电流保护；反映内部短路和液面降低的非电量保护，即瓦斯保护；反映 变压器长时间过负荷运行的过负荷保护和变压器的过励磁保护。4.1变压器的比率制动式差动保护变压器和发电机相同，均采用电流纵差动保护作为主保护，两者保护的原理一样，实际情况下现

43、场均采用比率制动式差动保护以达到外部短路不会误动和内 部短路提高灵敏度的目的。 但是变压器纵差保护和发电机纵差保护在实际使用中 还是有多个方面不同，具体如下表：表4-1变压器纵差保护和发电机纵差保护的区别（1）主变压器采用 Y N,d11的连接方式，造成了变压器一次、二次侧的额定电流、额定电压均不相等，在变压器一次、二次侧的电流互感器TA的要采取不同的接线方式，即一次侧TA采用d11（三角型）接线，二次侧TA采用Y （星 型）接线，这样才会消除两侧电流不对应产生的暂态不平衡电流。（2） 由于变压器一、二次侧对应的电流互感器 TA的变比关系为ntai V3k nTA2 （K为变压器的变比），但是

44、实际使用的电流互感器 TA的规格种类是有限的不一定就会满足上述关系的变比，因此就会产生一定的不平衡电流。纵差保护整 定计算必须要考虑。(3) 变压器变比为(1212 X 2.5% )0.5KV，般变压器高压绕组有调压分接头，当不是使用主分接头时，这样也会破坏之前已经调整为平衡的变压器两测电流，因此就会产生一定的不平衡电流。纵差保护整定计算必须要考虑。(4) 纵差保护不能反映发电机定子绕组内的匝间短路，但却能保护变压器各 侧绕组的匝间短路，这是因为变压器铁芯磁路的耦合作用，两侧电流的大小与 相位均发生了变化，变压器发生匝间短路相当于在变压器的一个新绕组发生首 端短路。(5) 由于变压器铁芯有剩磁

45、的存在和变压器铁芯在空载合闸情况易饱和的 情况，空载合闸就是变压器二次侧不带负载情况下将一次侧合闸接入额定电 压，这样就会产生很大的暂态励磁电流，这也是属于不平衡电流，而且最大值 可以达到48倍的额定电流。在纵差保护必须考虑这个励磁涌流的存在。变压器比率制动差动保护与发电机比率制动差动保护原理一样，如上述五条差别所述，变压器的在具体的三要素整定计算中与发电机的不一致，具体整定计算如下：(1) .确定最小启动电流W.min :由于励磁涌流是额定电流48倍，所以在Id.min的整定计算不考虑励磁涌流的影响，在之后的二次谐波制动保护来考虑励磁涌 流。因此Id.min应躲过变压器最大负荷运行时的最大不

46、平衡电流，即| d. min Krel(2 KTA.nUm) I 2n(4-1)参数具体含义如下表4-2所示：表4-2比率制动参数表1Krel可靠系数，取值为1.4。U变压器分接头引起的相对额定电压误差。m电流互感器计算变比与实际变比不 致引起的误差。I 2n额定电流的二次值。计算公式为12n 31500- 110- 1.732 X 121/10.5 - 2500/5=9.5A现根据实际经验取最小启动电流为Id.min 0.4 X|2n=0.4 X 31500- 110- 1.732 X 121/10.5 -2500/5=3.8A。.确定拐点电流Ires.g取拐点电流为I res.g | 2n

47、(4-2 )目卩 |res.g 9.5A。(3).确定斜率K:对两绕组变压器，外部短路时的最大不平衡电流为I unb. max(Kaperm)Ik .max(4-3 )斜率为(4-4 )参数含义如下表4-3 :表4-3比率制动参数表2Kta电流互感器的比值误差，般取 0.1。Kaper电流互感器的非周期系数， 对于TP型取1 ;对于5P/10P型取1.52 oU变压器由于调压引起的相对误差。m由于电流互感器的计算变比与实际变比不 致而引起的误差。| k. max外部短路的最大电流值。按照实际经验取K=0.45。最后代入动作方程，最后得变压器比率制动特性 差动保护动作方程：Id 0.45(1 r

48、es 9.5)3.8 ,Ires 9.5Id 5.5, lres 9.5由于变压器励磁涌流的作用，现采用二次谐波制动保护来消除励磁涌流的影响。这是因为变压器励磁涌流中有大量的高次谐波分量，以二次谐波分量为主，在三相变压器中至少有一相绕组的二次谐波分量含量比较大。所以二次谐波制动保护判据就是|2 K I 1(4-5)参数含义见下表4-4 :表4-4二次谐波制动参数表12变压器二次谐波电流分量。I1变压器基波电流分量。按实际经验整定可取 K=20%，即当12 0.2I1差动保护闭锁，反之保护跳闸。 4.2变压器的相间短路的后备保护变压器作为电力系统重要且昂贵的一次设备，都会配置主保护和后备保护，变

49、压器后备保护有相间短路和接地短路的后备保护，变压器相间短路的后备保护主要作用是防止当变压器外部短路时引起绕组过电流，和作为相邻线路或者母线保护或变压器主保护的后备。 后备保护一般都会带有一定的动作时限，当主保护不可靠动作时，时间继电器 KT计时当时限条件满足时后备保护就会可靠动作于 跳闸，给电力系统带来更小的故障威胁。低电压启动的过电流保护保护比前者的灵敏度高，因此该新建热电厂的主变压器采用低电压启动的过电流保护，此保护完全可以满足灵敏度的要求。低电压启动的过电流保护逻辑接线图如图 4.1所示，当保护安装处所流过的 电流大于保护整定的启动电流时， 过电流保护元件就会启动； 当保护安装处所检 测

50、的电压小于保护整定的启动电压时， 低电压保护元件就会启动。 只有当保护的 电流元件与电压元件能同时动作，整套保护才能启动经延时后才能跳闸。图4-1低电压启动的过电流保护的逻辑接线图启动电流Iset、启动电压Uset和动作时限t的整定具体如下：(1) ISet的整定：由于采用低电压继电器后，Iset的整定可以不用考虑电动机自启动时的最大负荷电流，而是按大于变压器的额定电流进行整定，即(4-6)31 / 50表4-5后备保护参数表Kre电流继电器的返回系数，取0.9 oKrel可靠系数，取1.2 oI 2n变压器额定电流的二次值，计算公式见后整定计算。把 数 据 代 入 （4-7） 可 得Iset

51、 1.2 X 31500/（1.732 X 110X 121 - 10.5 - 2500/5） - 0.9=5.0A。（2）Uset的整定：对于热电厂的升压变压器，负荷是在高压侧端，电动机自启动时低压侧母压实际上更高，由实际经验可取Uset 0.7Un 70V。（3）t的整定：一般主保护都会瞬时动作，基本上可以认为不带时限动作，因此后备保护动作时限t为t，t的数值一般在0.3到0.5之间，一般取t=0.5S o4.3变压器的接地短路的后备保护变压器的连接形式为 YN , d11,是属于中性点直接接地系统，在直接接地系统（大电流接地系统）中，接地短路时非常常见的故障，一般都要求装设相应的 接地（

52、零序电流）保护来反映变压器接地短路、变压器主保护与相邻元件（母线 或线路）的后备保护，并带有一定动作时限，当时限条件满足时后备就可靠动作 并跳闸。在大电流接地系统中，当发生接地短路时，中性点上就会出现零序电流， 其零序电流的大小取决于中性点接地的数目和位置。变压器零序过电流保护逻辑接线图如图4.2所示，该新建热电厂的变压器零序过电流保护采用两段式过电流保护，当流经变压器中性点的零序电流大于电流继电器KA的动作电流时，电流元件启动一段动作时限后后备保护动作。其中保 护I段作为变压器主保护的后备保护，保护U段作为相邻元件接地故障的后备保护。两段式过电流保护各带了两个时限，以较短的动作时限动作于本侧

53、断路器即QF，目的是为了缩小故障影响范围；以较长的动作时限动作变压器两侧的断路器QF1与QF2。因为零序电流出现在中性点上，所以零序电流保护的电流互感器TA应接到变压器中性点的引出线上。图4-2变压器零序电流保护逻辑零序电流保护的I段动作电流lo.op、U段动作电流Io.op和动作时限t1、t2、t3、t4的整定如下：(1 )1段动作电流lo.op : Io.op应与相邻元件的零序过电流I段相配合，即1 0.opKrel Kb 丨 xl.op(4-7 )参数含义见下表4-6 :表4-6零序电流保护参数表1Krel电流继电器的返回系数，取1.2Kb分支系数，取1 oI xl.op相邻元件线路的零

54、序过电流I段的动作电流，零序电流保护参数表1值为84A o将参数值代入（4-8 ）得 l0.op=1.2 X 1 X 84 - 60 - 5=8.4A 。（2 ）U段动作电流lo.op: lo.op应与相邻元件零序过电流保护的后备保护（U或川段）相配合，即10.opKrel Kb I xl .op（4-8）参数含义见下表4-7 :表4-7零序电流保护参数表2I /1 xl .op相邻元件线路的零序过电流保护的后备保护流，值为68/52A 。（U或川段）的动作电Krel , Kb与I段取值相同。将参数值代入（4-9 ）得 lo.op=1.2 X 1 X 68/52- 60 - 5=6.8/5.2

55、A。（3）动作时限t1、t2、t3、t4 : I段短时限取t1=0.5s ,长时限 t2=t1+ t =0.5+0.5=1s。 U 段短 时限取 t3=1.2s, 长时限t4=t3+ t=1.2+0.5=1.7s。4.4变压器的其他保护过励磁保护变压器的过励磁保护又被称为压频保护，其中变压器的过励磁倍数K是指变压器铁芯中实际运行工作的磁感应强度B与额定运行的磁感应强度Bn之比，当过励磁倍数超过正常运行所规定的最大过励磁倍数时，过励磁保护就会动作于发信号或跳闸。变压器产生过励磁的原因是由公式B=K X U/f （其中K为常数）可 得，当电压 U 的升高或频率 f 的降低均会引起磁感应强度 B 的

56、升高，就会让铁 芯饱和，励磁电流急剧增大(即励磁涌流) ，这样就会造成过励磁作用。当长时 间的过励磁会使变压器上的金属构件的损耗增加使这些金属构件绝缘老化， 严重 时甚至会变形， 极大影响变压器的使用寿命， 因此要配置过励磁保护保护变压器。变压器的过励磁保护采用两段式定时限保护，具体整定如下 :取第I段的K=1.2，动作时限t=5s，动作于发信号与时采取相应措施防 止励磁电流继续增大(2) 第U段的K=1.4，动作时限t=120s，动作于跳闸。4.4.2 瓦斯保护上述变压器保护均是反应电气量的特征， 但是对于变压器内部的某些轻微故 障，有些却不能满足灵敏度的要求，因此就可以配置反应非电气量特征

57、的保护， 例如瓦斯保护、温度与压力保护。瓦斯保护是油浸式变压器的主保护之一， 而该新建电厂主变采用油浸式变压 器，因此可配置瓦斯保护来作为主保护，用来反应绕组发生轻微的匝间短路、铁 芯烧损等轻微故障。这些轻微故障发生时，在故障电流与电弧的作用下，变压器 油和一些绝缘材料会因为受热分解产生气体，该气体被称为瓦斯气体。瓦斯保护的主要启动元件是瓦斯继电器， 它安装在油箱与油枕之间的连接官 道上，如图 4.3 所示，其中标号 1 为瓦斯继电器。 当油箱产生少量的瓦斯气体时， 使瓦斯继电器内的液面下降，当下降到启动门槛时，轻瓦斯保护动作，发出警告 信号提醒现场运行人员进行相应有效的处理； 当油箱产生大量

58、的瓦斯气体时， 内 部压力急剧增大， 当瓦斯继电器所感受到的油速超过启动门槛时， 重瓦斯保护动 作，瞬时动作于跳闸，从系统中切除变压器，防止更严重的故障与事故发生。区断维电器图4-3瓦斯继电器的安装位置第5章输电线路、母线的保护与整定5.1 110KV出口线路的保护与整定该新建热电厂出口线路为 110KV，110KV输电线路的主保护一般采用相间 距离保护和零序电流保护（或接地距离保护）。其中相间距离保护主要是反应相间短路，零序电流保护则反应大电流接地系统中的接地短路，因为110KV是中性点直接接地，中性点直接接地属于大接地电流系统。相间距离保护距离保护原理如下：利用在线路首端安装的阻抗继电器，

59、测量电流互感器、电压互感器上的电压 Um与电流Im，得到测量阻抗Zm=Um/Im 。因为线路的 阻抗是固定不变的，所以测量阻抗与首端保护安装处到故障点的距离Lm有关，当LmvLset，贝V故障在距离保护范围内，保护进行跳闸切断线路；当LmLset，则故障不在距离保护内，保护不动作。该新建电厂的110KV出口线路是单侧电源系统，不需要考虑振荡闭锁，相00间距离保护的接线方式是0接线，即发生相间短路时 Um取发生相间短路的那 两相的电压向量差，Im取发生相间短路的那两相的电流向量差（例如当发生AB两相短路时取Um=Ua-Ub , lm=la-lb )。110KV线路的相间距离保护与过电流 保护一样

60、也分为三段式，即距离 I段，距离II段，距离Ill段，其中I、II段是本段线路的相间距离主保护，I、II段均采用方向圆特性阻抗继电器I段为无时限动作的速断保护但保护范围不能延伸到下一段线路，II段是有一定时限的后备保护,采用偏移圆特性，Ill段是有时限的后备保护，作为本段线路主保护的后备和相邻下一段线路的后备。三段式距离保护的动作区域如图5.1所示。图5-1三段式距离保护的动作区域图三段式距离保护的整定计算如下：(1) 距离保护I段：距离I段的保护区与电流速断保护一样都不能延伸到下一 段线路去，否则会造成误动，也需要可靠系数，因此I段并不能保护线路的全长, 一般能保护80%的线路全长。I段整定

61、阻抗为：Zset KreiZl(5-1)参数含义见下表5-1 :表5-1距离保护I段参数表K rel距离1段的可靠系数，取0.8 0Zi110KV出口线路的总阻抗，线路全长10KM，每KM线路阻抗为0.4 Q共4 Q。把参数代入(5-1 )得 Zset 0.8 X 0.4 X 10=3.2 Qo(2) 距离保护II段：当相邻下一级线路发生相间短路时，本级线路II段保护不能误动而跳闸，因此本级II段保护应于下一级线路的I段保护相配合，并要带 有一定的动作时限。在II段保护整定中还有一个重要因素是分支系数Kb，但是在本级线路中无外汲、助增电流的作用，因此Kb取1 o II段整定阻抗为Zset.1Krel (Z1 KbZ set.2)(5-2)表5-2距离保护II段参数表Krel距离II段可靠系数，取0.8 oZset.1下一级线路的距离1段保护整定阻抗，值为19.2 Qo将参数代入上述(