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毕业论文（设计） 2017 届 专业 题 目 发电机变压器组的保护设计 姓 名 学号 指导教师 职称 站 别 年 月 日XXXXX学院本科毕业论文（设计）评审表姓名专业论文（设计）题目指导教师评语： 指导教师签名： 年 月 日主答教师评语： 主答教师签名：年 月 日论文（设计）成绩答辩组成员签名答辩成绩注：1.论文及成绩采用五级分制：“优、良、中、及格、不及格 2.论文（设计）成绩仅供评定答辩成绩时参考；答辩成绩记入学生成绩单中的论文及答辩成绩栏目内 3.此表须与论文(设计)一起装订，申请学位者另外复印1份。 内 容 提 要 在电力系统中,由于雷击或鸟兽跨接电气设备、设备制造上的缺陷、设计和安装的错误、检修质量不高或运行维护不当等原因，往往发生各种事故。最常见的同时也是最危险的故障是各种形式的短路。其中以单相接地短路最为常见，而三相短路是比较少见的。此外，输电线路有时可能发生断线故障或几种故障同时发生的复合故障。发生故障可能引起的后果是：1.故障点通过很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障设备烧坏。2.系统中设备，在通过短路电流时所产生的热和电动力使设备缩短使用寿命。3.因电压降低，破坏用户工作的稳定性或影响产品质量。4.破坏系统并列运行的稳定性，产生振荡，甚至使整个系统瓦解。最常见的不正常工作状态是过负荷。所谓过负荷就是电气设备的负荷电流超过了额定电流。此外，发电机有功功率不足所引起的频率降低，水轮发电机突然甩负荷所引起的过电压，系统发生振荡等都属于不正常运行状态。由于过负荷，加速了设备绝缘材料的老化和损坏，甚至引起事故扩大造成严重故障。总之，不正常工作状态往往影响电能的质量、设备的寿命、用户生产产品的质量等。 关 键 词 继电保护；发电机；变压器组；后备保护；纵差保护目 录1 绪论61.1 电力系统继电保护的作用61.1.1电力系统的故障和不正常运行状态及引起的后果61.1.2 继电保护装置及任务61.2 继电保护的基本原理和保护装置的组成71.2.1继电保护的基本原理71.2.2 继电保护装置的组成71.3对继电保护的要求81.3.1选择性81.3.2 速动性81.3.3灵敏性91.3.4可靠性91.4继电保护技术的发展史102 发电机变压器组的后备保护112.1概述112.2相间短路后备保护122.2.1发电机变压器内部和外部相间短路122.2.2对厂用变压器内部及低压侧短路132.2.3外部相间短路后备保护的特点142.2.4相间短路后备保护的整定计算142.2.5相间短路后备保护方向元件的设置152.3单相接地保护152.3.1接地保护的特点152.3.2单相接地保护的整定计算153 发电机变压器组的纵差保护183.1纵差保护的特点183.2 变压器纵差保护与发电机纵差保护的不同183.3纵差动作保护的整定计算204 发电机变压器组保护的改进214.1 目前的机组保护存在的主要问题214.2改进方案215 保护配置及整定计算235.1 题目简介235.2 保护配置235.2.1概述235.2.2保护配置分析245.2.3 几种保护配置问题的探讨255.3整定计算285.3.1 采用高灵敏度接线的发电机纵差保护（BCH-2）285.3.2变压器差动保护(拟采用BCH-1型继电器)295.3.3发电机变压器组大差动保护(BCH-4)315.3.4负序过电流保护385.3.5失磁保护395.3.6低电压起动的过电流保护425.3.7过负荷保护425.3.8匝间短路保护435.3.9发电机定子电压保护435.3.10变压器的接地保护435.3.11发电机及发电机变压器组的接地保护446保护配置图46发电机变压器组的保护设计1 绪论1.1 电力系统继电保护的作用1.1.1电力系统的故障和不正常运行状态及引起的后果 在电力系统中,由于雷击或鸟兽跨接电气设备、设备制造上的缺陷、设计和安装的错误、检修质量不高或运行维护不当等原因，往往发生各种事故。最常见的同时也是最危险的故障是各种形式的短路。其中以单相接地短路最为常见，而三相短路是比较少见的。此外，输电线路有时可能发生断线故障或几种故障同时发生的复合故障。发生故障可能引起的后果是：(1) 故障点通过很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障设备烧坏。(2) 系统中设备，在通过短路电流时所产生的热和电动力使设备缩短使用寿 命。(3) 因电压降低，破坏用户工作的稳定性或影响产品质量。(4) 破坏系统并列运行的稳定性，产生振荡，甚至使整个系统瓦解。最常见的不正常工作状态是过负荷。所谓过负荷就是电气设备的负荷电流超过了额定电流。此外，发电机有功功率不足所引起的频率降低，水轮发电机突然甩负荷所引起的过电压，系统发生振荡等都属于不正常运行状态。由于过负荷，加速了设备绝缘材料的老化和损坏，甚至引起事故扩大造成严重故障。总之，不正常工作状态往往影响电能的质量、设备的寿命、用户生产产品的质量等。1.1.2 继电保护装置及任务 为防止电力系统中发生事故一般采取如下对策:（1）改进设计制造，加强维护检修，提高运行水平和工作质量。采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性。（2）一旦发生故障，迅速而有选择地切除故障元件，保证无故障部分正常运行。继电保护装置，就是指反映电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种制动装置。它的基本任务是：（1）发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障元件（设备）从电力系统中切除，使非故障部分继续运行。（2）对不正常运行状态，为保证选择性，一般要求保护经过一定的延时，并根据运行维护条件（如有无经常值班人员），而动作于发出信号（减负荷跳闸），且能与自动重合闸相配合。1.2 继电保护的基本原理和保护装置的组成1.2.1继电保护的基本原理 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。(1) 利用基本电气参数的区别发生短路后，利用电流、电压、线路测量阻抗等的变化，可以构成如下保护：a. 过电流保护； b.低电压保护； c.距离保护(或低阻抗保护)(2)利用内部故障和外部故障时被保护元件两侧电流相位(或功率方向)的差别。(3) 对称量是否出现电气元件在正常运行(或发生对称短路)时,负序分量和零序分量为零；在发生不对称短路时，一般负序和零序都较大。因此，根据这些分量的是否存在可以构成零序保护和负序保护。此种保护装置都具有良好的选择性和灵敏性。(4) 反应非电气量的保护反应变压器油箱内部故障时所产生的气体而构成瓦斯保护；反应于电动机绕组的温度升高而构成过负荷保护等。1.2.2 继电保护装置的组成 继电保护的种类虽然很多，但是在一般情况下，都是由三个部分组成的，即测量部分、逻辑部分和执行部分，其原理结构如图1-1所示。执行部分逻辑部分测量部分故障参数量输出信号图1-1(1) 测量部分测量部分是测量被保护元件工作状态(正常工作、非正常工作或故障状态)的一个或几个物理量，并和以给的整定值进行比较，从而判断保护是否应该起动。(2) 逻辑部分逻辑部分的作用是根据测量部分各输出量的大小、性质、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的逻辑程序工作，最后传到执行部分。(3) 执行部分执行部分的作用是根据逻辑部分送的信号,最后完成保护装置所担负的任务。如发出信号，跳闸或不动作等。1.3对继电保护的要求对电力系统继电保护的基本性能要求是有选择性，速动性，灵敏性，可靠性。这些要求之间，有的相互制约，需要针对不同的使用条件，分别地进行协调。1.3.1选择性 选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。在要求继电保护动作有选择性的同时，还必须考虑继电保护或断路器有拒绝动作的可能性。在复杂的高压电网中，当实现远后备保护有困难时，在每一元件上应装设单独的主保护和后备保护。1.3.2 速动性短路时快速切除故障，可以缩小故障范围，减轻短路引起的破坏程度，减小对用户工作的影响，提高电力系统的稳定性。因此，在发生故障时，应力求保护装置能迅速动作切除故障。由于速动性与选择性在一般情况下是矛盾的，为兼顾两者，一般允许保护带有一定的延时切除故障。故障切除的总时间等于保护装置和断路器动作时间之和。对于不同的电压等级和不同结构的网络，故障切除的最小时间有不同的要求。一般对400500KV以上的网络,约为0.020.04s，对220230KV的网络为0.040.1s；对110KV的网络为0.10.7s。对配电网络，切除短路的最小时间取决于不允许电压长时间降低的用户，一般为0.51.0s。有些故障不仅要满足选择性的要求，同时要求快速切除故障，例如：（1）为保证系统稳定性，必须快速切除高压输电线路上的故障。（2）发电厂或重要用户的母线电压低于允许值（一般0.6倍额定电压）的故障。（3）大容量的发电机，变压器及电动机内部发生故障。（4）110KV线路导线截面过小，不允许延时切除的故障。1.3.3灵敏性 是指对保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。满足要求的保护装置是在规定的保护范围内故障时，无论短路点的位置以及短路的类型如何，都能敏锐感觉，正确反应。保护装置的灵敏性，通常用灵敏度系数来衡量，灵敏度系数越大，则保护的灵敏度就越高，反之就越低。1.3.4可靠性 是指在规定的保护范围内发生了属于它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在其他不属于它应该动作的情况下，则不应该误动作。保证继电保护装置能有足够的可靠性，应注意以下几点：（1）选用质量好，结构简单，工作可靠的继电器和元件。（2）设计接线时，力求简单， 使用继电器和继电器触点最少。（3）正确选定继电保护的整定值。（4）对保护装置要提高安装和调整实验的质量，加强经常的维护管理。以上四个基本要求是分析研究继电保护的基础，也是贯穿论文的一个基本线索。根据被保护元件在电力系统中的地位和作用来确定具体的保护方式，以满足其相应的要求。1.4继电保护技术的发展史继电保护的发展是随着电力系统和自动化技术的发展而发展的。几十年来，随着我国电力系统想高电压、大机组、现代化大电网发展，继电保护技术及其装置应用水平获得很大提高。在20世纪50年代以前，查不独都是用电磁型的机械元件构成。随着半导体器件的发展，陆续推广了利用整流二极管构成的整流型元件和由半导体分立元件组成的装置。70年代以后，利用集成电路构成的装置在电力系统继电保护中得到广泛运用。到80年代，微型机在安全自动装置和继电保护装置中逐渐应用。随着新技术、新工艺的采用，继电保护硬件设备的可靠性、运行维护方便性也不断得到提高。继电保护技术将达到更高的水平。2 发电机变压器组的后备保护2.1概述按照继电保护的配置原则，中、小型发电机、变压器只装设一套主保护，当主保护或有关断路器拒动时，应装设近后备和/或远后备保护，为被保护设备或相邻元件提供后备保护作用。对于200300MW及以上的发电机或发变组，现在一般采用微机保护，其主保护将包含完全或不完全纵差、完全或不完全裂相横差，一组或二组零序电流型横差，对于任一内部鼓掌具有两套或以上的主保护灵敏动作，即双重化主保护配置，因此 从近后备保护来说，大型发电机或发电机变压器组已经没有必要再装设。特别是比较复杂的、容易误动的后备阻抗保护，更是弊多利少，因为发变组内部任一点发生短路，已有多重高速、灵敏、选择性好的差动保护，后备保护实在用不上；相反，在发变组外部短路时，由于后备保护在选择性上不及纵差保护，易于造成误动，其结果是发变组上装设的后备保护（特别是后备阻抗保护），误动作率极高，对机组的安全运行不利。再者，通常装设的后备保护，其保护区比主保护大、灵敏度比主保护高，动作速度较慢，但是结合发电机和变压器的保护，其主保护为各种差动保护，后备保护（包括后备阻抗保护）在灵敏度和选择性上远不及主保护，可以说现有的各种后备保护在技术性能上“没有资格”充当后备作用。根本原因是发电机和变压器内部短路时，端口三相电流可能不大，三相电压可能不低，相应的测量阻抗就可能较大，这明显表现出主设备保护和线路保护的不同。作为大容量发变组的高压输电线路，电压在220KV及以上，均装有双重高频主保护，多段相间距离和接地距离保护，还有多段零序电流保护和断路器失灵保护，因此超高压输电线路没有要求发变组提供远后备保护。220KV及以上的母线不一定总有两套母线保护，因此发变组有必要为这种超高压母线提供后备保护，这使大型发变组装设后备保护的唯一必要，为此装设的后备阻抗保护应该使最简单的一段距离元件，动作圆很小，无需振荡闭锁环节。2.2相间短路后备保护2.2.1发电机变压器内部和外部相间短路 (1) 对发电机、变压器内部相间短路的后备保护：（a）发电机、变压器各自单设差动保护，再加后备总差动保护，使差动保护完全双重化，这样可以保证快速切除故障并防止相邻元件保护无选择性动作，保护装置较复杂。（b）用反时限负序过电流保护和定子过负荷保护作为发电机和变压器的后备保护。并利用这两种反时限保护装置兼作相间短路的后备保护，因充分发挥了反时限电流保护的作用，从而简化了保护装置。存在不足之处，即在靠近发电机变压器的相邻区域中发生短路故障时，延长了切除故障的时间而三相短路的动作时限较两相短路动作时限长的多。为此可增加一套负序电流及相电流速断保护，按躲过高压母线相间短路来整定，以便在发电机变压器组及厂用变压器引出线和主变压器低压侧短路时，快速切除故障。这一保护可与已有反时限负序电流和相电流保护结合起来，实现比较简单。（c）装设有电流、电压元件构成反应三相短路的后备保护装置，对不对称短路故障，仍有反时限负序过电流保护装置作为后备保护。反应对称故障的电流，电压保护分为两段，段反应高压母线以内的故障，按躲过高压母线三相短路的条件整定，延时取0.5s，段反应相邻元件上的三相短路，电压元件按躲过最低工作电压整定，取，动作电流按躲过最大负荷电流整定，取，其延时与相邻元件后备保护相配合。如后备保护的动作时间超过允许值时，可采用后备接线，在相邻元件断路器拒动时，以较短延时断开发电机，变压器。 (2) 对于220千伏母线及相邻线路的相间短路故障时,如采用反时限负序过电流保护及相电流保护作为后备保护,当延时过长时,为加速切除故障可采用如下方案:(a) 采用低阻抗保护设置，作为相邻元件的后备。(b) 采用带时贤的电流速段保护装置，作为相邻元件的后备。(c) 当主变为220/110千伏的二绕组变压器或自藕变压器时，220千伏侧可采用低阻抗保护或带时限的电流速断保护，但保护范围不宜延伸到110千伏母线，否则要加装方向元件，而110千伏侧可采用复合电压起动的过电流保护，并与相邻线路的后备段相配合。2.2.2对厂用变压器内部及低压侧短路 厂用变压器后备保护决定于发电机、变压器组保护的配置，特别与总后备的差动保护范围有关。总后备差动保护有如下两种方案：（1）当总差动保护范围不包括厂用变压器时，即总差动保护接于厂用变压器低压侧的电流互感器上，此时厂用变压器有双重差动保护。（2）当总差动保护范围不包括厂用变压器时，总差动保护接于厂用变压器高压侧的电流互感器上，此时厂用变压器高压侧应装设过电流保护，作为厂用变压器内部及其低压侧短路的后备保护。为了有选择性地切除低压侧各分支的故障，每个分支还应单独装设过电流保护。对以上保护方案，要求保护装置简单、可靠，尽量缩短后备动作时限。由差动保护装置和阻抗保护装置构成的后备保护方案比较完善，但后备差动保护方案较复杂。为了简化保护起见，可在反时限电流保护的基础上，增设负序电流速段和相电流速段保护作为内部故障后备；低阻抗保护或带时限的电流速段保护作为相邻元件故障的后备保护。2.2.3外部相间短路后备保护的特点 发电机变压器组有厂用分支时，在厂用分支上应装设单独的后备保护，在低压侧下不另设保护，而是利用发电机的外部短路保护作为后备保护。该保护应带两段时限，以便在外部短路时，仍能保证常用负荷的供电。对于200MW及以上的发电机变压器组，当装有双重快速保护，且在发电机侧没有带时限的后备保护时，应在变压器高压侧装设后备保护，作为相邻元件保护的后备。2.2.4相间短路后备保护的整定计算 发电机变压器组的后备保护，也作为相邻元件的后备保护，但在不同情况下，后备保护的整定方法是不同的。（1）发电机对于发电机双绕组变压器组，可利用发电机的后备保护作为整组的后备保护，在变压器低压侧不再装设后备保护。如果发电机电压母线上有厂用分支时，厂用分支线上应装设单独的后备保护，而发电机的后备保护则应有两个不同的时限，以较小的时限跳开变压器高压侧的断路器，以较大的时限跳开所有的断路器和发电机的灭磁开关。动作参数的整定计算按有关保护的整定公式计算。动作时间的整定应与所有出线的保护中动作时限最大者相配合，即比出线保护的最大时限还大一个。（2）发电机三绕组变压器组后备保护的配置原则及整定计算方法，与三绕组变压器的后备保护相同。（3）对于大型发电机变压器组，为了防止发电机出口发生不对称短路时，出现较大的负序电流而使转子表面过热，多数都采用反时限特性的负序过电流保护，动作特性应满足A的条件。但当发电机电压侧有厂用分支时，在厂用变压器内部发生故障的情况下，除了发电机和变压器都分别装设差动保护外，还要装一套发电机变压器组的公用差动保护，作为后备保护。这种公用差动保护的整定计算方法与一般的差动保护相同。2.2.5相间短路后备保护方向元件的设置(1) 三侧有电源的三绕组升压变压器，相间故障后备保护为了满足选择性要求，在高压侧或中压侧要加功率方向元件，其方向可指向该侧母线。方向元件的设置，有利于加速跳开小电源侧的断路器，避免小系统影响大系统。（2）高压及中压侧有电源或三侧均有电源的三绕组降压变压器和联络变压器，相间故障后备保护为了满足选择性要求，在高压或中压侧要加功率方向元件，其方向宜指向变压器。（3）反应相间故障的功率方向继电器，通常由两只功率方向继电器构成，接入功率方向继电器的电流和电压应按90接线的要求。为了消除三相短路时功率方向继电器的死区，功率方向继电器的电压回路可由另一侧电压互感器供电。2.3单相接地保护2.3.1接地保护的特点 对100MW以下的发电机变压器组中的发电机，应装设保护区不小于90%的定子接地保护，对100MW及以上者，发电机应装设保护区为100%的定子接地保护，发电机变压器组通常采用零序电压保护，动作于信号。当发电机与变压器之间没有断路器时，零序电压取自发电机侧电压互感器二次绕组的开口三角形，当发电机与变压器之间有断路器时，零序电压取自变压器低压侧的电压互感器，以便当发电机回路的断路器断开且变压器低压侧发生接地短路时，保护装置仍能发出信号（图2-1）。2.3.2单相接地保护的整定计算 (1)电机变压器组的零序电压保护的整定计算动作电压的整定计算发电机变压器组的高压侧为中性点非直接接地系统而发电机电压网络的中图21发电机变压器组接线保护原理图性点不接地或经消弧线圈接地时，一般在发电机电压侧装设零序电压保护并作用于信号，其动作值应满足 Udz.jUbp不平衡电压Ubp是由电压互感器的误差和三次谐波电压而引起的,通常Ubp可达1015V，所以取零序电压保护的动作电压Udz.j=15V。当发电机变压器组高压侧为中性点直接接地系统，而高压侧的零序保护动作于信号时，发电机电压侧的零序电压保护动作电压Udz.j也取15V。这种保护有15%的死区，它对大容量发电机是不完善的。规程规定，对于100MW及以上的发电机应采用保护区不小于95%的接地保护。(2) 保护区不小于95%的接地保护 这种保护装置是在零序电压保护的基础上加装三次谐波过滤器，以便减少三次谐波电压的影响，使继电器的动作值只考虑基波零序不平衡电压。接线如图2-2所示。动作值只按躲过正常运行时电压互感器开口侧的基波不平衡电压整定，即 Udz.jUbp这里的Ubp 为基波不平衡电压，其值较小。通常取56V。对于没有专用匝间短路保护的大容量发电机，要求及时将接地的发电机切除，可以另外加一个继电器2V，经延时动作于跳闸。图22电机变压器组带三次谐波滤过器的接地保护接线图3 发电机变压器组的纵差保护3.1纵差保护的特点在发电机和变压器上可能发生的故障和异常运行情况，在发电机变压器组上都可能出现。因此，发电机变压器组的保护应能反应发电机和变压器的故障和异常运行情况。即发电机变压器组装设的保护应与发电机和变压器分别装设由保护相似，但有下面所述的特点。(1)当发电机与变压器之间没有断路器时，对100MW及以下的发电机变压器组，为了简化保护，可只装设整组共用的纵差动保护；对100MW以上的发电机变压器组，除装设整组共用助纵差动保护外，发电机还应装设单独的差动保护；对200MW及以上的汽轮发电机变压器组，在变压器上也宜装设单独的纵差动保护，即实现双重快速保护方式。(2)当发电机与变压器之间有断路器时，不管机组容量大小，发电机和变压器均应装设单独的纵差动保护，发电机的纵差动保护动作于发电机与变压器之间的断路器跳闸，使变压器继续运行，供给厂用电（图3-1（a）。当厂用分支接在发电机与断路器之间时。变压器的纵差动保护动作于变压器高、低压侧断路器跳闸，使发电机继续运行，供给厂用电（图3-1（b）。3.2 变压器纵差保护与发电机纵差保护的不同 变压器纵差保护与发电机纵差保护一样，也可采用比率制动方式或标积制动方式达到外部短路不误动和内部短路灵敏动作的目的。但是变压器纵差保护在以下方面显著不同于发电机纵差保护：（1） 变压器各侧额定电压和额定电流各不相等，因此各侧电流互感器的型号一定不同，而且各侧三相接线方式不尽相同，所以各侧相电流的相位也可能不一致，这将使外部短路使不平衡电流增大，所以变压器纵差保护的最大制动系数比发电机大，灵敏度相对较低。（2） 变压器高压绕组常有调压分接头，有的还要求带负荷调节，使变压器纵差（a）厂用分支接在变压器侧 （b）厂用分支接在发电机侧图3-1发电机变压器组接线图保护已调整平衡的二次电流又被破坏，不平衡电流增大，这将使变压器纵差保护的最小动作电流和制动系数都要相应加大。（3） 对于定子绕组的匝间短路，发电机纵差保护完全没有作用。变压器各侧绕组的匝间短路，通过变压器铁心磁路的耦合，改变了各侧电流的大小和相位，使变压器纵差保护对匝间短路有作用（匝间短路可视为变压器的一个新绕组发生单相短路）。（4）无论变压器绕组还是发电机定子绕组的开焊故障，它们的完全纵差保护均不能动作，但变压器还可依靠瓦斯保护或压力保护。3.3纵差动作保护的整定计算当发电机变压器组的纵差动保护的整定计算与发电机和变压器同类型保护的整定计算相同。当发电机装设有独立的纵差保护并采用灵敏接线时，只要能满足选择性的要求，保护的动作电流应尽可能地压低。变压器的纵差动保护和发电机变压器组公用的差动保护的动作电流，除了按一般差动保护的整定原则进行整定外，当有未接入差动回路地厂用电分支时，差动保护的动作电流还应按躲过厂用变压器或电抗器后面发生短路时，流过保护的最大短路电流的条件整定，即 Idz= KkId.max。式中Kk可靠系数，取1.3； Id.max厂用变压器或电抗器发生短路时，流过保护的最大短路电流。当采用带只动特性的BCH-1型继电器时，制动线圈的接入方式要分别不同情况加以考虑，其目的是保护内部短路时，保护具有较大的灵敏度，外部短路时保护具有较大的制动作用。当发电机变压器组的高压侧有电源，而发电机侧没有断路器但有厂用分支线路时，通常为保证外部短路是制动作用最大，内部短路时又无制动作用，对发电机双绕组变压器组其制动线圈应接在厂用分支回路的电流互感器上。对于发电机三绕组变压器组，为了保证高压侧或中压侧外部短路时都有制动作用，有时可将制动线圈接在发电机和厂用分支回路的电流互感器的并联回路上。当电机回路装有断路器时，制动线圈应接线发电机引出线和厂用分支回路的电流互感器的并联回路上。当采用BCH-1型差动继电器时，制动线圈匝数的选择必须保证在厂用分支回路上发生短路时，保护可靠不许动作，匝数按下确定，即 式中：Icd.j在厂用分支线上发生短路时，流入差动线圈的最大短路电流值（归算到基本侧）；Iz流过制动线圈的电流；Wcd基本侧的差动线圈匝数；Kk可靠系数，取1.5；tg最小制动特性曲线的切线斜率，tg=0.9。4 发电机变压器组保护的改进4.1 目前的机组保护存在的主要问题目前机组主要存在下面几个主要问题：(1)机组内部轻微故障保护灵敏度低；(2)匝间保护误动率高；(3)差动保护TA 特性不一致及饱和问题未能解决；(4)大机组内部故障保护方案不尽完善。4.2改进方案针对发变组保护的实际运行情况及出现的问题，一方面应采取有效的措施，对保护不断的改进和完善，克服继电器本身存在的不足及保护交流回路的不合理状况，使保护能真实的反映一次设备的运行情况，实现二次为一次服务的目的。另一方面，随着微机保护的推广应用，在成本核算许可的条件下，尽量将原备品成本高、机械故障概率高、电磁特性差的电磁型继电器保护更换成微机保护。在微机保护中，可采用标积制动或三段折线式比率制动特性的基波向量算法或故障分量算法来实现变压器的差动保护，当差动电流大于可能出现的励磁涌流时，通过差动速断或低电压加速判据使得差动保护立即动作于跳闸。微机保护中电压平衡保护的灵敏度根据保护要求可以设定的很高，而且由于TV二次电压回路三相负载平衡，当发生TV二次断线时断线相电压为额定电压的0.5倍，电压平衡保护可靠动作，闭锁与TV断线有关的保护，同时对于TV二次断线造成回路过电压的现象也可迎刃而解。另外，利用危急保护装置计算功能，直接算出发电机3U0和三次谐波电压大小，无须再接星型开口三角形辅助TV，避免了接地后备继电器和三次谐波继电器负载对电压回路的影响。微机保护有许多传统保护无法比拟的优点，但在抗干扰方面存在许多问题。干扰对微机保护的影响主要表现在运算或逻辑出错、运行程序出轨和损坏微机芯片，直接后果是导致危机系统出现故障或功能障碍及保护误动。尽管微机保护的研究和使用是发展方向，具体选用时应充分考虑生产厂家的产品质量和设备运行环境，尽可能提高设备运行的可靠性，避免干扰对装置产生的不良影响。5 保护配置及整定计算5.1 题目简介某发电厂要扩建一个新厂，安装两台发电机变压器组，主接线如图5-1（a）所示。已知参数如下：发电机Pe=200MW，cos=0.85，Ue=15.75，=195%，=24%， =14.5%；变压器=240MVA，=0.105接线Y/-11，分接头12122.5%/15.75KV，分级绝缘。相间短路后备保护范围末端两相短路时，流经发电机的最小短路电流为14900A。110KV母线上出线后备保护动作时间为6S。出线的零序后备保护最大动作电流为3250A，最大动作时间为5S。在最大运行方式下，出线的零序后备保护范围末端接地短路时流经变压器的零序电流为620A，故障线路上的零序电流为903A。在最小运行方式下，出线末端金属接地短路时，流经变压器的最小零序电流为1100A。保护设计所需的最大三相短路电流的计算结果如图5-1（b）（c）所示。它们是归算到115KV的安数（括号内为最小三相短路电流值）。试选择发电机变压器组的保护方式，并计算各种保护的整定值。5.2 保护配置5.2.1概述 根据规程规定，该发电机变压器组应装设下列几种保护：发电机差动保护，变压器差动保护，发电机变压器组公用差动保护（大差动保护）；发电机还装设定时限负序过电流保护和反时限负序过电流保护，负序过负荷保护，失磁保护，低电压起动的过电流保护，过电压保护，过负荷保护，定子接地保护，匝间短路保护；变压器还装设有瓦斯保护，零序过电流保护。5.2.2保护配置分析 (1) 保护配置满足国家现行规范,并在很多地方超过了标准的要求,如定子单相接地保护已达到100%定子单相接地保护。(2) 发电机保护除了本身一套纵联差动主保护外,还装设有发电机- 变压器组(a) (b) (c)图5-1发电机变压器组保护设计图（a）主接线图；（b）110KV母线短路时，短路电流分布图；（c）15.75KV母线短路时，短路电流分布图大差保护,构成双重主保护,装设带电流记忆的低电压过电流保护作为发电机- 变压器组的后备保护,保护带两段时限,以较小的时限断开变压器高压侧断路器,以较大时限停机,能保证变压器故障时,确保厂用供电。(3) 变压器保护由瓦斯、压力和变压器大差动构成主保护,由发电机后备保护作为变压器的后备保护,变压器复合电压过电流保护配置在高压侧作为母线保护的后备保护,使整体保护相互配置,完整可靠。(4) 将主保护和后备保护分开配置于两个模块,并在两个模块中都配置发电机过电压保护,这样能在单个模块故障的情况下,发电机不至失去应有的保护。5.2.3 几种保护配置问题的探讨 （1）发电机失磁保护 发电机失磁是常见的故障形式。特别是大型机组励磁系统的环节多，增加了发生低励磁或失磁的机会。发电机低励或失磁后，将过度到异步运行，转子出现转差，定子电流增大，定子电压下降，有功功率下降，无功功率反向（原为过励磁运行时）增大；在转子回路中出现差频电流，电力系统的电压下降及某些电源支路过电流。所有这些电气量的变化，都伴有一定程度的摆动，在一定条件下，将破坏电力系统的稳定运行，威胁发电机本身安全。从故障特性分析，构成失磁保护的主判据：系统侧主判据为高压母线三相同时低电压，以防止机组失磁时引发无功储备不足的系统电压崩溃；发电机侧主判据为异步边界阻抗（静稳极限阻抗）。辅助判据：负序电压（电流）元件，当机组发生失磁时，不存在负序电压（电流），只有发生不对称故障时，负序电压（电流）元件动作，闭锁失磁保护；无功功率方向，当机组失磁时，无功反向，朝向机组，目前作为无功调节手段要求机组能无功进相运行，因此该判据已不适用。转子低电压元件（包括定励磁低电压判据和变励磁电压判据），该元件是比较好的判据，除自保护装设点到发电机励磁绕组这一区域开路引起的失磁外，该元件都能够正确动作。随着系统容量的不断增大及网架结构的增强，系统的无功储备也增强了很多，而且快速微机励磁调节器也在系统中大量使用。这样，对于几个并联连接的发电机，当某台发电机失磁期间，系统电压变化较小，系统侧三相低电压可能拒动；但是一机失磁故障可能使故障机组的机端电压过低，危及厂用辅机的正常工作，为此失磁保护的三相现时低电压可以接在机端。（2） 发电机定子匝间短路 条件允许的情况下优先采用横差保护，一般采用纵向零序电压继电器（三次谐波电压滤过比大于80）+负序方向继电器+PT断线闭锁。保护宜延时50100ms动作于全停。纵向零序电压型匝间保护的主判据是纵向零序电压取自专用电压互感器的三角开口电压回路，电压互感器一次侧的中性点与发电机中性点直接连接（通过高压电缆）而不能直接接地。当发电机内部或外部发生单相接地故障时，即使发电机的中性点电位升高，三相对中性点的电压仍然完全对称，开口三角输出电压仍等于0。只有当发电机内部发生匝间短路或者发生对中性点不对称的各种相间短路时，电压互感器三相对中性点的电压不再平衡，开口三角才有电压输出。对于单元接线的发变组，主变的接线多为Y/型，即发电机侧为小电流系统。用对称分量法分析，在变压器高压侧发生各种故障时均不会出现纵向零序电压。实际上当主变高压侧发生单相接地故障时，发电机只有两相中流过故障电流。但是发电机三相参数不可能完全对称，在短路时的暂态过程中，电枢反应及漏磁通的影响，使得三相电压对中性点的不对称增大，产生较大的纵向零序电压。为提高零序电压型匝间保护的动作可靠性，应有负序功率方向元件，且适当提高零序电压动作值。负序功率方向元件P2的动作方向有两种方式。当P2动作方向指向发电机时，即P2常开接点与纵向零序电压元件的常开接点组成“与门”出口。发电机正常运行时，由于外部系统的不对称，存在流向发电机的负序功率，使发电机内部轻微故障时负序功率方向保护拒动，因此这种保护方案的灵敏度不高。当P2动作方向指向系统时，即P2常闭接点与纵向零序电压元件的常开接点组成“与门”出口。这种方式能在发电机内部故障时，匝间保护可靠动作。而在外部故障时，P2元件常闭接点立刻断开，断开的速度应比零序电压元件接点闭合快，同时P2返回应慢于零序电压元件。外部三相对称短路时，出现的纵向不平衡电压可能使零序电压元件动作，一旦采用P2元件采用常闭常闭接点时它将保持闭合，保护误动作。因此整流型、集成电路型保护采用的时第一种方案。采用微机保护后，它可以将三相短路开始瞬间不对称负序分量记忆住，保证P2正确断开常闭接点，因此采用上述的第二种方案。（3）变压器零序保护 a.分级绝缘且中性点装放电间隙的升压双圈变压器 中性点装放点间隙的分级绝缘变压器,装设两段式零序电流保护和反映零序电压、间隙放电电流的零序电流电压保护。零序电流接到中性点引出线的电流互感器上。放电间隙零序电流接到放电间隙的电流互感器上。零序电流、段：以较短时限动作于断开220KV母联断路器，以较长时限解列灭磁。零序电流（在中性点接地闸刀断开时投入）电压保护：经0.30.5s时贤解列灭磁。对于大型发变组单元接线，为防止机组过电压，发电机制造商会要求主变中性点接地运行。b.升压三圈变压器 全绝缘变压器，装设两段零序电流保护和零序电压保护。系统接地故障，先切除中性点接地的变压器，后切除中性点不接地的变压器。零序电流接到中性点引出线的电流互感器上。中性点装放电间隙的分级绝缘变压器，装设两段式零序电流保护和反映零序电压和间隙放电电流的零序电流电压保护。零序电流接到中性点引出线的电流互感器上，放电间隙零序电流接到放电间隙的电流互感器上。零序电流段：以较短时限动作断开220KV母联断路器，以较长时限动作断开本侧断路器；零序电流段：以较短时限动作断开本侧断路器，以较长时限动作断开变压器各侧断路器并灭磁。零序电压保护经0.30.5s时限动作断开变压器各侧断路器并灭磁；零序电流（在中性点接地闸刀断开时投入）电压保护经0.30.5s时限动作断开变压器各侧断路器并灭磁。5.3整定计算5.3.1 采用高灵敏度接线的发电机纵差保护（BCH-2）(1)确定电流互感器和电压互感器的变比 8625A=10000/5=2000=15.75/0.1=157.5(2)计算发电机的二次额定电流(3) WP平衡线圈匝数WP匝可靠系数AWO继电器的动作安匝，一般取60匝WP取12匝(4)求差动线圈匝数12.66+12=24.66匝取20匝(因BCH-2型继电器差动线圈的最大匝数为20匝)(5)保护的动作电流(6)灵敏度校验考虑110KV侧断路器断开时，灵敏度最小。2,满足要求。(7)接于中性线上的CJJ的动作电流5.3.2变压器差动保护(拟采用BCH-1型继电器)(1) 各侧电流互感器变比及额定电流计算名 称各 侧 数 值额定电压(KV)12115.75额定电流(A)电流互感器的接线方式电流互感器的计算变比选用电流互感器变比循环臂电流(A)选121KV侧为基本侧(2)制动线圈的接入方式根据已知的短路电流分布情况,制动线圈应接在110KV侧,以使内部短路时制动作用小些。(3)确定保护装置的一次动作电流（a）躲过变压器的励磁涌流（b）躲过15.75KV侧外部短路时的最大不平衡电流 =4.47A（c）躲过二次回路断线时的最大负不平衡电流 取基本侧的动作电流(4)确定基本侧差动线圈的匝数匝 取差动线圈的整定匝数匝。(5)确定非基本侧(15.75KV侧)的工作线圈匝数Wq和平衡线圈匝数Wp 匝选取匝。实际工作线圈匝数匝。 (6)计算实际误差小于0.05,不必重算。(7)确定制动系数和制动线圈匝数制动系数按躲过15.75KV侧外部短路时的最大短路时的最大不平衡电流选择。制动线圈的匝数匝选取匝。(8)计算最小灵敏系数在110KV侧两相短路时，保护装置的灵敏度最低，在这种情况下，工作安匝计算如下:110KV侧的工作安匝为：安匝15.75侧的工作安匝为:安匝总工作安匝安匝制动安匝计算如下:短路电流产生的制动安匝安匝负荷电流产生的制动安匝安匝总的制动安匝安匝利用BCH-1型继电器的制动特性曲线(图5-2),可求得动作安匝安匝 灵敏度25.3.3发电机变压器组大差动保护(BCH-4)接线如图5-3所示。(1)确定各侧电流互感器的变比及二次额定电流值，选择基本侧的起动电流计算方法与（二）相同。(2)求制动线圈与差动线圈之比m其中tg是产品说明书中给出的标准特性曲线（如图5-3(b)所示）的原点至最小制动特性曲线1的最高点所作切线的斜率。tg=。110KV侧母线短路时110.14.763 =0.476KAKA图5-2 BCH-1型差动继电器制动特性曲线1最小制动特性曲线； 2最大制动特性曲线图5-3 BCH-4型差动继电器(a)主接线图图5-3 BCH-4型差动继电器 (b)BCH-4型差动继电器1-最低制动特性曲线； 2-最高制动特性曲线KA15.75KV侧厂用分支外部短路时KAKAKA从上面的计算可知,110KV侧故障时,m有最大值0.814。(3)计算基本侧差动线圈匝数Wcd.jb匝选取匝。(4)计算基本侧的制动线圈的匝数Wz.jb选取匝。(5)校核动作电流及可靠系数A(6)求15.75KV侧差动线圈匝数匝选取匝。(7)求15.75KV侧的制动线圈匝数选取匝。(8)计算各侧的工作线圈匝数(a)基本侧计算工作匝数和整定工作匝数匝匝(b)15.75KV侧的和匝(9)校核、tg和m（a）校核（b）校核tg110KV侧（基本侧）故障 15.75KV侧故障(c)校核m 基本侧从以上计算可知：和m的实际值都小于初步计算中所采用的值。tg的实际值小于初步计算中所采用的值。所以各种计算结果要重算。(10)校验灵敏度按最小运行方式下两相短路电流计算(a)110KV侧内部故障时的灵敏度 匝根据和在BCH-4型继电器的最高制动特性曲线(图5-3（b）中曲线2)上找到MN=140安匝和安匝。（b）15.75KV侧内部故障时 同理，根据和找到MN=170MN和=120安匝。 5.3.4负序过电流保护 反时限负序过电流保护采用BL-41型继电器，最大动作时间为5S。 按规程规定，保护的动作值按发电机转子发热条件整定。发电机容量为200MW，允许过热时间常数A=8，允许流经发电机的负序电流与时间的关系，按计算（其中为负序电流标么值），其曲线如图5-4中的曲线1。图5-4 负序过电流保护的动作特性与发电机允许负序电流曲线配合图1-发电机允许负序电流曲线； 2-负序过电流的动作特性反时限负序电流保护的动作特性，从保护发电机不出现转子局部过热的观点出发，应满足的条件，其中a为裕度系数，一般取0.0020.004。继电器的动作特性曲线如图5-4中曲线2。但因最大动作时间是5S，比相邻线路的后备保护动作时间小，所以还要另加一套定时限负序过电流保护，作为相零线路的后备保护及失磁保护闭锁之用。定时限负序过电流保护的整定方法如下：(1)动作电流的计算按发电机的转子发热条件计算(2)灵敏度校验(3)动作时间整定另外，还要装设动作于信号的负序电流保护，其整定值按躲过发电机长期允许的负序电流值和最大负荷时负序电流过滤器的不平衡电流整定，取5.3.5失磁保护失磁保护采用LZ-2型失磁继电器,它的方框图及动作特性如图5-5所示。系统各元件的电抗归算到15.75KV侧的二次电抗值分别为发电机: 系 统:变压器:系统阻抗如图5-6所示。失磁保护的整定计算如下。 （a）方框图 （b）动作特性图图5-5 LZ-2型失磁继电器构成的失磁保护（a）方框图； （b） 动作特性图图5-6计算失磁保护的动作特性图(1)按等电压（临界电压）阻抗圆整定1SCJ取变压器高压侧母线电压等于,即K=0.8,则等电压阻抗圆圆心的坐标为 r0=0等电压阻抗圆的半径为 从而 (2)按临界失步阻抗圆整定2SCJ 从而阻抗圆的圆心为r0=0半径为 (3)闭锁元件的整定(1) 负序电流闭锁元件的动作值采用定时限负序过流保护的动作值,即(2) 低电压闭锁元件的动作值按临界电压整定，即。(3) 电压回路断线闭锁元件的整定值取(4)时间元件的整定5SJ：从考虑躲振荡出发，取0.5S。6SJ：汽轮发电机失步后可以运行一段时间，以便运行人员采取措施，使之恢复同步运行，取120S。7SJ：发信号的延时，它大于后备保护的动作时间，取9S。5.3.6低电压起动的过电流保护电流继电器的动作电流按躲额定电流计算，即电压继电器的动作电压按躲最低允许运行电压整定，即灵敏度按变压器高压侧母线短路，保护安装处的最大剩余电压为电压元件的灵敏度为保护的动作时间应比高压母线引出线的后备保护的动作时间大一个，即5.3.7过负荷保护 过负荷保护的整定值为5.3.8匝间短路保护匝间短路保护采用负序功率闭锁定子零序电压的保护方式。零序电压元件按躲过正常运行的不平衡电压整定，取。负序功率元件采用常闭接点，当系统发生单相接地时，负序功率方向动作将零序电压元件闭锁，以防匝间短路保护误动作。5.3.9发电机定子电压保护5.3.10变压器的接地保护 因变压器中性点可能接地运行也可能不接地运行，所以要装两套零序保护。中性点接地运行时投入零序电流保护，中性点不接地运行时投入零序电压保护。(1) 动作值整定(a)零序电压保护的动作电压，通常取其二次值为5V。电压互感器的变化为,故零序电压保护的一次动作电压为(b)零序电流保护的动作值按下面两个条件整定： 与被保护侧母线出线的零序电流保护的后备段在灵敏度上相配合，一次动作电流为式中 配合系数，取1.2； 零序电流分支系数，其值等于出线零序电流保护范围末端发生接地短路时，流经本保护的零序电流与流过出线保护的零序电流之比，选用最大的运行方式为计算运行方式，算得； 出线零序电流保护后备段的动作电流，其值为3250A。于是 与中性点不接地运行的变压器的零序电压保护在灵敏度上相配合,即 式中选用动作电流(2)灵敏度校验(3)动作时间的整定 零序电压保护的