大型水轮发电机继电保护配置

摘　要

为了保证发电机组安全、经济、稳定运行，对用户不间断供电和防止其遭受严重破坏，本设计采用发电机—变压器单元接线作为电气主接线。

根据大型发电机和发电机变压器组单元接线的特点及对保护的要求，在设计它们的继电保护总体配置时为满足电力系统稳定方面的要求，为了保证正确快速切除故障，对发电机变压器组设置了双重快速保护。

本设计以《继电保护和自动装置安全规程》为依据，对发电机继电保护装置进行全面的阐述。主要介绍发电机的差动保护，匝间保护，接地保护，失磁保护，过负荷保护，逆功率保护以及相应保护继电器动作情况。最后还详细说明了继电器的动作条件，灵敏度等一系列相关问题。

关 键 词：继电保护；短路计算；发电机保护

1 引言

　1.1研究背景及意义

规模较大的发电机设备其造价成本昂贵，另外其结构也并不简单，如果出现问题或者被破坏，它的检修工作难度会非常大，且检修所需的时间也会比较长，因此其会在经济方面造成很大的损失。比方说：一台规模较大的水轮发电机设备，由于其励磁回路这两点处于接地状态造成大轴以及汽缸发生磁化，其退磁停机需要的时间高达一个多月，先不管其检修所需的费用以及间接造成的经济方面的损失，就光电能这一项的损耗费用就是近千万元，其大机组这一部分于电力系统中是较为关键的，尤其是其单机这一部分的容量占其系统总容量较高的状态下，大机组这一部分的突然切除，将在一定程度上对电力系统形成对应的扰动。并且，规模较大的汽轮发电机设备其起停操作所需时间较长、成本也较高，用停机时间大小为7～8小时范围内的热起动来举例：规模较大的水轮发电机组设备就至少需要7小时的时间。所以，在其不是必要的情形中，最好避免规模较大的发电机组进行多次起动的操作，并且更加不要随意的进行紧急停机的操作，这就使得其对继电保护这一部分有着更为严苛的标准，因此于配置对应的继电保护以及自动装置的相关步骤里，需得比较充分了解其各部分之间的一系列相关因素，来使得其配置的设备可以处于较为准确以及可靠的情况中。

由于电力系统这一部分的不断进步，容量方面比较大的机组也在持续的增长。由于其规模较大的发电机组设备结构方面并不简单，另外其成本也较高，一旦出现问题，所需的检修期时间较长，由此形成的经济方面的损失同样也是非常大的。所以，给它装设较为完善的一系列继电保护设备是比较关键的。

　1.2国内外研究现状

在上世纪60至80年代这一时间段中，其晶体管类型的继电保护相关技术得到了快速的进步，另外其使用也较为广泛。从70年代中期这一时间段起，对集成运算放大器这一部分为基础条件的集成电路保护这一方面进行了较为深入的研究，发展至80年代末这一时间段，其对应的集成电路保护相关技术开始逐步形成了一个较为完整的系列，且开始慢慢替换掉了原来使用的晶体管保护这一相关技术，其中值得注意的是对集成电路保护这一技术的研发、制造以及使用的主导地位一直延续到了90年代初这一时间段中。另外，我国在70年代末这一时间就开始对计算机继电保护这一部分进行了大量的研究，并成功研制处理原理以及型式方面不一致的各类微机保护设备。从主设备这一部分的保护方面来看，其对应的发电机设备失磁保护以及微机线路部分的保护装置等等也成功通过了相关的鉴定。发展至此，其原理以及机型不一致的微机线路相关保护装置在很大程度上给电力系统方面提供了全新的性能方面较为不错、功能较为完善以及运行较为可靠继电保护相关装置。由于对微机保护这一相关装置部分的不断深入研究，其在微机保护的相关软件以及算法等等部分中也得到了大量的理论成果。发展至现在，我国对应的继电保护相关技术开始逐渐步入微机保护这一全新的时代。

1.3本文主要内容

详细介绍本文的研究背景及意义，以及国内外相关技术的研究现状。对于大型水轮发电机组的继电保护系统加以说明。并对该系统进行短路电流计算以及继电保护的整定。

2 设计说明

　2.1继电保护的配置

　　2.1.1保护配置

这一部分的依据主要是――《继电保护和安全自动装置技术规程》

1. 对于规模较大的水轮和汽轮发电相关机组，需要包含有双重的快速保护措施，也就是安装有发电机设备部分的纵联差动相关保护、变压器设备部分的纵差动相关保护以及发电机、变压器这两个设备共同使用的纵联差动相关保护。

2. 发电机以及变压器这两个设备组：对其容量处于100MW及以上状态下的发电机相关设备，就需装设对应的保护区是100％状态下的定子接地相关保护措施。

3. 其定子绕组这一部分选择使用的是星形联接的方式，其每相之间都会包含有对应的并联分支，另外其中性点部分会有分支来成功引出端子的相关发电机设备，在此种情况下需要使用的是单继电器这一类型的横差保护措施。

4. 容量处于200MW及以上状态下的发电机设备需要装设对应的负序过电流相关保护以及单元件中使用低电压进行起动作业的过电流相关保护，在其对应的灵敏度无法适应相关标准时，就需要选择使用阻抗保护。

5. 对于其容量处于200MW及以上状态下的汽轮发电机设备最好是装设对应的过电压相关保护措施。

6. 对于由过负荷所造成的发电机设备定子成功的绕组过电流，就需要装设对应的定子绕组来进行过负荷的相关保护。

7. 发电机设备的转子可以承受对应负序电流这一能力，用I2t≤A来当做其判段的依据，其中I通常情况下是表示为用额定电流来当做基础条件的负序电流相关标么值；t可以表示为时间(单位为s)，A表示成常数。对于其并不对称的负荷，其不是非全相运行以及因为其外部之间不对称的短路状态所造成的负序电流，需要装设对应的转子表层来实现过负荷状态下的保护。

8. 容量为100MW及以上状态下A<10的发电机设备，就需要装设用定时以及反时这两种时限来构成的转子表层方面的过负荷相关保护。

9. 对由于其励磁系统出现问题或者其强励磁的具体时间太长而造成的励磁绕组过负荷现象，当其容量处于100MW及以上的状态下，在选择使用的半导体励磁系统这一部分的发电机设备中，就需要装设一个对应的励磁加回路的相关过负荷保护，在规模较大的水轮和发电机设备中，其对应的保护一般情况下是用定时限以及反时限这两个方面构成的。

10. 关于汽轮发电机设备以及容量在100MW及以上状态下的汽轮发电机设备，需应装设对应的励磁回路来进行接地保护，另外其还能够装设对应的两点接地相关保护装置。

2.1.2保护配置

依照对应的保护配置和实际情况，结合其保护动作这一部分的可靠程度、灵敏程度、选择以及快速等等方面，最大程度的让其继电保护这一部分于总体配置中达到完善以及合理的标准，防止出现繁杂的要求，依照短路方面的保护与另外保护之间的相关要求，初步选择确定配置下述保护（详细信息具体见下图表）：

表2-1 短路保护配置依据及元件选型

发变组这一部分中进行短路保护所使用的配置，其通常情况下和一次接线所选择的形式有较大的关联。于规模较大的水轮发变组这一部分的接线中，通常情况下选择使用的是单元接线这一种方式，此次的短路保护就根据这一接线模式来进行配置。

变压器这一设备的纵差保护，能够较为正确的反应其变压器设备外部区域中的短路问题，要想较为正确以及及时的反应出变压器设备内部区域发生的短路问题，其选择使用的瓦斯保护。这一保护通常情况下可以将其分成轻以及重瓦斯这两种不同的保护，它们分别选择使用的是开口杯以及挡板式这两种原理，能够成功的反应其变压器设备内部区域中出现问题的程度，确定其是选择输出信号还是把其变压器设备从系统里进行切除作业。

于超高压状态下的电网里，单相接地这一模式下的短路问题是最多的，于各类短路方面的接地问题里，大概会有80%-90%左右出现的是单相接地类型的问题，要想在特定的情况中，不让电网失去对应的保护，因此就算在其相邻位置的线路中成功的配置了较为完善的近后备方面的保护，通常还是选择于变压器设备的中性点对应的装设零序电流这一类型的保护，这样可以使得其相邻状态下的线路成功构成对应的远后备。

规模较大的发电机设备中对应的变压器组，全部是选择将其接在220KV及以上状态中的母线区域里。通常情况下处于220KV及以上状态下的线路，全部会包含有较为完善的后备保护。另外，因为其母线保护通常只会有一套，另外其有时还会不进行使用，所以在其对应的规划中，就主要考虑装设一套对应的三相全阻抗类型的相关保护装置。

表2-2 发电机接地保护配置依据及元件选型

发电机设备中励磁回路的一点接地方面的问题，它也是使用较为频繁的一种问题形式之一，另外其两点接地的问题也经常出现。励磁回路这一部分的一点接地相关问题，在很大程度上并不会对发电机设备形成危害，但是如果其后面马上发生第二点这一类型的接地问题，那么就会在很大程度上威胁到机组部分的安全，所以，在这一设备中需要装设对应的励磁回路一点以及两点类型的接地保护。

表2-3 异常运行保护配置依据及元件选型

关于发电机这一设备的出现的异常运行问题，假设无法在第一时间发现以及采取相关的措施，那么就会让发电机设备的可使用期限得到缩短，或者出现隐患，更严重的能够对整个机组之间形成破坏。所以，对于机组于具体的使用里发生过的可能危及机组安全方面的各类异常运行问题，全部须得对其采取较为有效的保护相关措施。

在规模较大的水轮发电机设备中，其定子以及转子这两者的材料利用率是比较高的，它的热容量以及铜损两者之间的比值并不大，所以其对应的热时间常数也不会很大。另外，位于发电机设备中定子绕组区域里的热偶元件无法在第一时间展现出发电机设备的实际负荷转变，为了避免其出现过负荷这一类型的损害，其选择装设能够成功反应其定子绕组大致发热情况的一种过负荷相关保护措施。但是发电机设备的励磁绕组里并没有配置对应的热偶元件，因此其须得有对应的励磁回路来实现其过负荷保护，以此来达到保护发电机设备中转子绕组的目的。

发电机设备在突然出现甩负荷的现象时，比较容易形成不被允许的相关过电压。尤其是在大机组区域中发生危及其绝缘部分安全的过电压中较为常见，因此其需要装设有对应的过电压相关保护。

在规模较大的发电机组中，因为其励磁系统这一部分的步骤较为复杂，所以其发电机设备的低励或者失磁开始逐渐发展成了较为常见的问题模式。在其发电机设备出现低励或者失磁的现象之后，其会成功的过渡到对应的异步运行状态中，转子开始慢慢发生转差，对应的定子电流加强，定子电压开始逐渐减少，有功功率逐渐减少，无功功率这一部分处于反向状态且增强；其于转子的回路里会发生一系列的差频电流；电力系统这一部分中会发生电压降低和部分电源支路出现过电流现象，此类变化，于固定的条件中，会在一定程度上破坏其电力系统这一部分的平稳运转，从而成功的威胁其发电机设备自身的安全状态。要想使得其电力系统以及发电机设备之间处于安全的状态，其就需要装设对应的失磁保护，以便可以在第一时间发现低励以及失磁的问题且及时进行处理。

表2-4 其他保护配置依据及元件选型

规模较大的水轮发电机设备通常情况下是选择使用水冷这一方式。要想避免发电机设备中冷水中断的问题，从而使得发电机设备中的定子线圈出现过热，严重是甚至会烧毁定子绕组，因此其必须要装设对应的冷水中断的相关保护措施。

主变压器设备因为其容量比较大，因此其通常选择使用的是强油风冷这一种类型的冷却模式。在实际的运行过程里因为某些原因而使得其冷却器设备出现全停现象时，会造成变压器设备的油温在较短的时间内快速增长，甚至可能影响到变压器设备的绝缘以及使用期限。因此，其需要装设对应的主变冷却器设备的全停保护，其主要是用来监视其变压器设备中上层的油温情况，来保证其变压器设备能够处于安全运行的情况中。

2.2 自动装置这一部分的具体配置

此部分选择使用的配置依据――《继电保护和安全自动装置技术规程》

1 其通常情况下是励磁作用的一个后备措施，另外其还可以看做部分无法适应强行励磁标准的相关装置里的一系列补充措施，在对应的汽轮发电机设备以及调相机中，全部应该装设有继电器设备的强行励磁相关装置。

2 母线出现问题是能够选择使用母线中包含的自动重合闸。

3 500KV状态下的线路，通常需要装设对应的综合类型自动重合闸。

4 当其单机的实际容量处于60MW以上状态下的发电厂中，需要装设对应的自动准同步类型的设备以及相位闭锁状态下手动类型的准同步相关装置。

5 处于大中型状态下的汽轮发电机设备，其励磁机励这一部分中包含的磁回路，能够选择是使用对电阻进行放电来进行逆变灭磁等等相关的方式。

6 规模较大的水轮发电机设备以及容量为330KV以上的相关变电所，都需要包含有发生问题时的相关事件顺序方面的相关记录。

自动装置这一部分的配置

此电厂这一部分的自动装置相关配置详细信息具体见下表。

表2-5 自动装置的配置

2.3 短路电流数据

　　2.3.1短路点示意图

　　图2-1 短 路 点 示 意 图

　2.3.2短路计算结果

表2-6 短路点短路电流计算结果

2.4保护配置型号及整定计算数据

表2-7 发电机－变压器组保护的配置及整定计算结果

　2.5本章小结

本章重点介绍了机电保护的原理和作用，详细说明了继电保护，自动装置以及短路电流的计算和配置。

3 设计计算说明

3.1 短路电流计算

　　3.1.1等值图

等值图如下图所示(注：未考虑厂用电部分的影响)：取Sj=1000MVA，Uj=UP

　　图3-1 等 值 图

　3.1.2参数计算：

(1)、发电机(1F、2F)：

Xd*”=Xd”(Sj/SGN)=(16.5/100)×(1000/35.3)=0.4674

Xd2*=X2(Sj/SGN)=(20.14/100)×(1000/35.3)=0.5705

(2)、主变压器(1B、2B)：

X*=Ud%(Sj/SBN)=(16.8/100)×(1000/360)=0.4667

(3)、系统主要参数：

最大运行方式下：X*1=0.3，X*0=0.32

最小运行方式下：X*1=1.05，X*0=1.7

　　3.1.3短路计算

(1)、在d1点短路：

a、正序电流：

Idmax*=1/[(0.4674+0.4667)/2]+1/0.3=5.4744

Idmax=5.4744×1000/(√3×525)=6.02KA

Idmin*=1/0.9341+1/1.05=2.023

Idmin=2.023×1000/(√3×525)=2.22KA

b、负序电流：

Idzmax*=2/1.0572+1/0.3=5.2616

Idzmax=5.2616×1000/ (√3×525)=5.7862KA

Idzmin*=1/(0.4667+0.5705)+1/1.05=1.917

Idzmin=1.917×1000/(√3×525)=2.11KA

c、零序电流

Idzmax*=(2/0.4667)+(1/0.32)=7.41

Idzmax=7.41×1000/(√3×525)=8.15KA

Idzmin*=(1/0.4667)+(1/1.7)2.73

Idzmin=2.73×1000/(√3×525)=3KA

(2)、在d2点短路时，因为是发电机出口短路，系统运行方式对短路电流的影响不大，所以可以不考虑系统对他的影响。

a、正序电流

Id1max*= Id1min*=1/0.4674=2.14

Id1max= Id1min=2.14×1000/(√3×525)2.35KA

b、负序电流

Id2max*= Id2min*=1/0.5705=1.7528

Id2max= Id2min=1.7528×1000(√3×525)=1.93KA

　3.2 继电保护的整定过程

　　3.2.1 发电机的纵差保护(比率制动式)

1、最小动作电流：由于保护装置采用比率制动特性，其保护动作电流不必按躲过外部故障时的不平衡电流，其整定值只需躲过最大负荷条件下的差动回路不平衡电流。继电器的最小动作电流为：

Idz·jmin=Kk·Kfzq·KtX·fi·Ie2f=1.5×1×0.5×0.1×11.32=0.849KA

电流互感器变比为12000/5=2400

则：Idz=Idzjmin/n=849/2400=0.35A

LCD-7继电器的动作电流档有1A、2A。取：Idz=1A>0.35A

2、比率制动系数的选择：

以最大外部短路电流下流过继电器的动作电流Idz=Kk·Kzq·KtX·fi·IdmaX计算，此时，制动电流：Izd=IdmaX

又因为：

Kzd=Idz/Izd （3-1）

所以

Kzd= Kk·Kfzq·KtX·fi=1.3×1×0.5×0.1=0.065

LCD-7制动系数有0.2、0.3、0.4 选Kzq=0.2>0.065

3、灵敏系数校验：Klm=Idjmin/Idzj=2.037/0.849＝2.4>2

灵敏度满足要求。

　3.2.2 发电机横差保护(LCD-6)

1、继电器的动作电流：保护动作电流按躲过外部短路故障时最大不平衡电流及装置对高次谐波滤过比的大小整定。在本设计中根据经验公式整定计算。

Idzj=0.2Ief/nl （3-2）

nl一般取用于发电机横差保护的电流互感器的变比，取0.25Ief/5。 则：Idzj=0.2×5/0.25=4

继电器的动作电流档有1A、2A、4A、8A 取Idz=4A

2、灵敏系数校验：α=3I0·4Xf0=0.25×4×8.81%=8.81%

其中

3I0＝Idzj， （3-3）

取0.25。

另外，因为保护死区随着整定值的增大而增大，所以为了减小保护死区，应经过3次谐波滤过器，尽量减小3次谐波不平衡电流。

　3.2.3 主变压器纵差保护

1、保护整定这一相关的原则：其通常情况下会包含有谐波制动状态下的变压器设备纵差保护方面的一系列整定计算，它的作用主要是避免外部出现短路现象时其误动作之间的比率制动相关特性，也就是最小状态下的动作电流Idzjmin对应的制动曲线之间的转折点Idz0以及相关的制动具体系数Kzd。

2、最小状态下的动作电流：当其处于最大状态下的负荷中，其对应的差动保护不应该有误动作的出现，也就是继电器设备中的最小动作电流状态Idzjmin须得高于最大状态下的负荷差动回路中出现的不平衡类型的电流Ibp·fh，也就是Idzjmin>Ibp·fh

最大状态的负荷条件中其对应的差动回路之间的不平衡类型电流Ibpfh通常取0.2Ie那么

Idzjmin=0.2Ie=0.2×395.9=79.18A

3、制动系数的选择：

外部故障时的制动电流

Izd=2Idmax （3-4）

外部故障时,变压器差动回路中的不平衡电流即为继电器的动作电流

Ibp=Idz=(Ktx·fi+△U+△fph)Idmax （3-5）

考虑一定的裕度，则

Kzd=Kk(Ktx·fi+△U+△fph) /2=1.3×(1×0.1+0.05+0.05)/2=0.13

继电器的制动系数有0.4、0.5、0.6

取Kzd=0.4

4、灵敏度校验：

Klm=Id(2)min/Id2 （3-6）

5、制动线圈的接法：用和差变流器的一个线圈接于负荷侧，外部故障时有制动的作用，内部故障时无制动作用，使保护具有较高的灵敏度。

6、保护参数的计算结果如下表所示：

表3-1保护参数的计算结果

　3.2.4 变压器的瓦斯保护：

1、轻瓦斯类型继电器设备依照其气体来实现其容积整定以及动作于发这一相关的信号。通常会把轻瓦斯这一部分的动作值成功的整定成：Vdz=250cm3

2、重瓦斯类型的继电器设备依照导油管中包含的油具体流速整定，其主要是动作在跳闸。要想消除变压器设备外部区域问题可能造成的电流影响，通常情况下选择把重瓦斯这一部分的动作值成功的整定成：Vdz=1.1m/s

3.2.5 变压器高压侧零序保护

零序电流互感器接于变压器中性点上，零序电流保护的整定值为：

Idz=IeB/3=359.5/3=119.8A

能满足100%误差要求。

互感器取变比为200/5

Idz=119.8/(200/5)=3A

灵敏度校验合格

3.3本章小结

本章重点进行了本系统的短路计算以及继电保护的整定，详细说明了继电保护的恒定过程，包括发电机的纵差保护，横差保护，变压器的纵差保护，横差保护，瓦斯保护等等。

结论

此次的设计主要内容是规模较大的水轮发电机－变压器组之间的继电保护相关配置与它整定计算这一部分的初步方案。其发电机设备以及整定计算等等方面依照20年时间的发展来进行考虑，另外其依照国标规定来开展对应的校验，最大程度的实现准确以及可靠。于设计的环节里较为细致，最大程度的实现概念方面清晰、层次方面分明、简洁明了，以便于阅读理解。在整个配置的过程中，我复习了以前所学过的所有专业知识，从而能够灵活运用所学的知识，把它运用到我的设计当中。最后完成了毕业设计的论文书写。

通过此次设计，使我对继电保护又有了更深一层的学习，使自己的专业知识更扎实。在整个设计的相关步骤里，其一方面再次巩固了继电保护这一方面的知识，另一方面也会其电力工程以及系统方面的问题分析等等一系列的课程开展了较为详细学习。其实设计的整个过程也就是对大学所学习到的内容进行归纳以及总结，它让我对专业知识的掌握度得到了进一步的加强，也给后续的工作奠定了坚实的理论方面的基础。

致 谢

从论文选题到收集资料，再到写提纲，其中经历了聒噪、痛苦和彷徨，在写论文的过程中心情是五味杂陈的。开始选题时很迷茫，不知该怎么选好，幸而在同学和任课老师的帮助下，才得以确定。然后就是最难的找资料，由于首次写论文，不懂该怎么着手去收集、归纳资料，因而花费了好多时间在这上面，但收集到的资料真正能用上的却没多少。这时得感谢我的指导老师，他始终给予我细心的指导和不懈的支持。从论文框架到细节修改，都给予了细致的指导，提出了很多宝贵的意见与建议。老师以其严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风和大胆创新的进取精神深深地感染和激励着我。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪，这篇论文是在老师的精心指导和大力支持下才完成的。在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

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大型水轮发电机继电保护配置

价格 ¥9.90 发布时间 2023年9月3日

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