某水电站继电保护课程设计分解_继电保护设计课程设计

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电力系统继电保护课程设计说明书引 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

电力系统继电保护课程设计说明书发电机继电保护

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。

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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Wres=1/2Wd时，第 10 页

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it1iId，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。

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共 17 页 n1

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：

IdK(IresIres.min)Id.min,IresIres.min

IdId.min,IresIres.min 式中：，—— 一次电流；，—— 二次电流；

na —— 电流互感器变比。Id—— 差动电流或称动作电流 Ires—— 制动电流 Ires.min—— 拐点电流

Id.min——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

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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

I1和I2 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Id.min的整定：

Id.minKrel(Ier1Ier2)

式中Krel——可靠系数，取1.5 ~ 2 Ier1——保护两侧的TA变比误差产生的差流，取0.06Ign(Ign为发电机额定电流)；

Ier2——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0.1Ign。

所以：Id.min(0.24~0.32)Ign，通常取0.3Ign。

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所以： Id.min0.3Ign=0.3*4.23=1.269（A）

2、拐点电流Ires.min的整定：

Ires.min(0.5~1.0)Ign(2.115~4.3)A3、比率制动特性的制动系数Kres和制动斜率K的整定。

发电机纵差动保护比率制动特性的制动斜率K，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Ik.max与差动回路中的最大不平衡电流Iunb.max确定。由此制动系数Kres可以表示为：

KresIunb.max Ik.max而制动线斜率K则可表示为： KIunb.maxId.min

Ik.maxIres.min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：

Id.maxKrel(0.10.1Kf)Ik.max 式中 Krel——可靠系数，取1.3 ~ 1.5；

Kf——暂态特性系数，相同时取0，不同时取0.05~0.1；

Id.max——最大动作电流。

于是可得Id.max(0.26~0.45)Ik.max。令Id.m可得Kres(0.26~0.45)。xa=Iunb.max，Kres可取0.3；Kres因此，对于发电机完全纵差动保护，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KIunb.maxId.min求得。

Ik.maxIres.min第 13 页

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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：

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Iset(0.250.31)IgN

Iunb1 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5IgN

Iunb2 磁场气隙不平衡产生的不平衡电流，一般可取10IgN Iunb3 转自偏心产生的不平衡电流，一般取10IgN Krel 可靠系数，取1.2—1.5 把各系数代入得Iset(0.250.31)IgN (1.05751.3113)A 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KkINf1.05507.94=5.22A Khnl0.85120Kk

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.第 15 页

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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。

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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

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