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1、中北大学电力系统继电保护课程设计1 引言 水轮发电机的安全运行对保障电力系统的正常工作和电能质量起决定性的 作用。水轮发电机发生故障后，如果继续运行，不仅使发电机遭到严重破坏，而 且可能破坏系统的稳定性，扩大事故范围。为了使发电机的故障能够迅速切除， 可靠地从系统中退出运行， 而在异常情况下， 能根据其对系统和机组本身安全所 造成威胁的程度， 将发电机切除或及时发出警告信号， 必须针对各种不同的故障 和异常情况，设置专门的、性能好的继电保护装置。1.1 发电机故障类型（1）发电机定子绕组相间短路 定子绕组相间短路会产生很大的短路电流， 严重损坏发电机， 甚至引起火灾。（2）发电机定子一相绕组匝
2、间短路定子绕组匝间短路会产生很大的环流， 引起故障处温度升高， 使绝缘老化， 甚 至击穿绝缘发展为单相接地或相间短路，扩大发电机损坏范围。（3）发电机定子绕组单相接地 定子绕组单相接地是发电机易发生的一种故障。 单相接地后， 其电容电流流过 故障点的定子铁芯，当此电流较大或持续时间较长时，会使铁芯局部熔化。（4）发电机转子绕组一点接地和两点接地转子绕组一点接地， 对发电机没有直接危害。 两点接地则转子绕组一部分被短 接，不但会烧毁转子绕组， 而且由于部分绕组短接会破坏磁路的对称性， 造成磁 势不平衡而引起机组剧烈振动， 产生严重后果。 水轮发电机组是凸极结构， 机组 剧烈振动后会破坏各轴承与轴
3、瓦之间的间隙，造成“拉瓦”，排除故障需要相当 长的停机时间，故绝不允许转子绕组两点接地现象出现。（5）发电机转子励磁回路电流消失 由于转子绕组断线、励磁回路故障或灭磁开关误动等原因，将造成转子失磁， 失磁故障不仅对发电机造成危害， 而且对电力系统安全也会造成严重影响。 发电 机失去励磁后，运行状态将变为电动机运行。故不允许发电机失磁后继续运行。1.2 发电机的不正常工作状态1）由于外部短路、非周期合闸以及系统振荡等原因引起的过电流。第 1 页 共 13 页中北大学电力系统继电保护课程设计（2）由于负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过电流。（3）由于外部不对称短路或不对称负荷（如单相负荷，非
4、全相运行等）而引起 的发电机负序过电流（4）过电压。特别是水轮发电机，因其调速系统惯性大，在突然甩负荷时，将 引起过电压。（5）逆功率。当汽轮发电机主汽门突然关闭而发电机断路器未断开时，发电机 将过渡到同步电动机运行状态， 引起发电机逆功率， 对汽轮发电机叶片特别是尾 叶，可能过热而损坏。1.3 发电机的保护配置（ 1）纵差动保护 反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路故障，动作于瞬时跳开发电机开关、 停机并灭磁。（2）横联差动保护 当发电机定子绕组有 2 个以上的分支且连接成双星形，每个分支都有引出线时， 应装设横联差动保护反应定子绕组匝间短路， 动作结构同纵差动保护。 当不满足 该条件时，
5、取消该保护，待故障发展为相间短时，用纵差动保护反应。（3）零序保护当发电机电压回路回路的接地电容电流 （未经消弧线圈补偿） 大于或等于 5A 时， 保护动作于跳闸、停机、灭磁。；当接地电容电流小于 5A时，保护应动作信号。 对单机容量为 100MW及以上的发电机，应尽量装设保护范围为100%的接地保护。（4）过电流保护 一般应配置低电压过流或复合电压过流保护反应外部短路引起的定子绕组过电 流状态，并作为发电机的后备保护。对单机容量为 50MW及以上的发电机，一般 装设负序过流及单相低电压起动的过流保护。（5）过负荷保护 由于发电机对称过负荷引起的定子绕组过流，应装设反应一相电流的过负荷保 护，
6、延时动作于信号。（6）过电压保护第 2页 共 13 页中北大学电力系统继电保护课程设计反应发电机突然甩负荷引起的定子绕组过电压现象，延时动作于跳开关、停机、 灭磁。（7）转子绕组一点接地保护 水轮发电机组一般装设一点接地保护并动作于信号。 汽轮机发电机采用定期检测 装置，大容量机组才设一点接地保护和二点接地保护。 一点接地保护动作于信号， 二点接地保护动作于停机。（ 8）失磁保护当不允许失磁运行时， 应在自动灭磁开关断开时， 连跳发电机断路器。 对单机容 量 100MW及以上或采用可控硅励磁方式时，应设专门的失磁保护。一般成套的可控硅励磁装置自身都设有失磁保护和转子回路过负荷保护， 所以发 电
7、机上不再单独配置该保护。1.4 水轮发电机保护动作结果 水轮发电机的继电保护应根据故障和异常运行方式的性质， 分别动作于以下的结果：1）停机：断开发电机的断路器、灭磁，关闭导水叶至机组停机状态；2）解列灭磁：断开发电机断路器、灭磁、关闭导水叶至机组空转；3）解列：断开发电机断路器，关闭导水叶至空载；4）减出力：将水轮发电机出力减到给定值；5）缩小故障影响范围；6）信号：发出光声信号。2 发电机的短路电流2.1 各元件阻抗参数的计算第 3页 共 13 页中北大学电力系统继电保护课程设计基准值的选取： SB 100MVA,UB为各级平均额定电压， 分别为 37V和 6.3VS 1001 )发电机：
8、 X*G1 X*G2 XG1 (USBB2)2 0.25 61.0302 0.63第 4 页 共 13 页中北大学电力系统继电保护课程设计X T12 ）主变压器：U K1% (U N1)2 7.5 36.752100SN1100 7.5X *T1SBT1(U B1)13.510036.75SB Uk% SB4.51003 ）所用变压器：X*T2 xNT SSBN U10k0% SSBN 140.50100.10 45X*L xl LSB 2 5 0.4 1002 5*L l(U B2)26.32厂用架空线；2.2 各短路点的短路电流2.2.1 系统供给个短路点的电流（ 1）最大运行方式：K1处
9、的短路电流：线路的平均电压 UB1 36.75KV ，则短路电流I k1 maxSk max3UB12.325KA3 36.75K2处的短路电流：线路的平均电压 UB2 6.3KV ，则短路电流k2 maxSk max3UB21483 6.313.56KAK3处的短路电流：线路的平均电压 UB3 0.4KV ，则短路电流k3 maxk max1483 0.4213.62KA2）最小运行方式：Ik1 min 2.01KAk2 min11.73KAIk3 min 184.75KA第 5 页 共 13 页中北大学电力系统继电保护课程设计表 2-1 各短路点的短路电流短路容量 /MVA短路电流 /KA
10、K1K2K3最大运行方式1482.32513.56213.62最小运行方式1282.0111.73184.752.2.2 发电机供给各短路点的短路电流发电机 G1和 G2对 K1点的转移阻抗是 1.32 ，查水轮发电机运算曲线数字表，t 0s ，电流的标幺值是 0.805 ，所以，短路电流 I K10.8053.23 6.3 0.80.3kA发电机 G1和 G2对 K2点的转移阻抗是 0.32 ，查水轮发电机运算曲线数字表， t 0s电流的标幺值是 3.494 ，所以短路电流 IK23.4943.23 6.3 0.81.28kA发电机 G1和 G2对 K3点的转移阻抗是 50.32 ，查水轮发
11、电机运算曲线数字 表， t 0s电流的标幺值是 3.494 ，所以第 6 页 共 13 页中北大学电力系统继电保护课程设计短路电流 IK 23.494 1.28kA3 6.3 0.8400 805选择电流互感器的变比：I 366.6 4.6A802.3 电流互感器的变比发电机的额定电流：I NPN3200366.6A3 U N cos 3 6.3 0.8nTA3 设置发电机保护并整定计算3.1 发电机保护的设置针对故障类型以及不平衡运行状态， 发电机自身参数等等， 应装设一下继电 保护装置：1） 由于发电机的功率为 3.2MW，所以应装设纵差动保护。其原理是在发电机 两侧（中性点侧与出口开关侧
12、） 装有两组变比相同的电流互感器， 按环流法连接 将该相的差流回路接入电流继电器， 在正常或保护范围外发生短路故障时， 中性 点与出口侧的电流数值和相位都相同， 差流回路没有电流或极小， 继电器不会动 作；而当保护范围内发生故障时， 将产生一个回路差流， 当其超过电流继电器整 定值时即启动发电机纵差保护动作。2） 容量小于 50MW的发电机定子绕组单相接地故障电流允许值为 4A，装设接 地保护装置。3）对于发电机定子绕组的匝间短路， 当定子绕组星形接线时， 每相由并联分 支，且中性点侧有分支引出端，应装设横差保护。4）装设复合电压（包括负序电压以及线电压）启动的过电流保护。5）对于水轮发电机的
13、定子绕组过电压，应装设带延时的过电压保护。6）励磁回路一点接地保护。3.2 发电机保护的整定计算第 7 页 共 13 页中北大学电力系统继电保护课程设计3.2.1 纵差动保护的整定差动保护采用 DCD-2型继电器。动作电流计算值：a. 躲过区外短路故障时的最大不平衡电流：I op.rKrelI unb.maxKrel KunpKst ferIk.max 1.3 1 0.5 0.1 1280 1.04A nTA80b. 躲开电流互感器 TA二次侧断线影响，流过差动保护的电流：I op.rKrel I 1.3 4.6 5.98A故差动保护的继电器的动作电流暂定为 5.98Ac. 差动继电器的工作线
14、圈匝数：60Wwc10.035.98取差动线圈 10 匝。d. 差动线圈的实际动作电流 6A。e. 灵敏度校验I k( .2m) in k.min senI op.rIrIop.rf . 差动回路断线监视继电器的动作电流：I op 0.2 4.6 0.92A3.2.2 过电流保护的整定第 8 页 共 13 页中北大学电力系统继电保护课程设计1）过电流继电器的动作电流及灵敏系数：I op.rKrel IN 1.2 366.6 6.47AK renTA0.85 80KsenI K.minnTAI op.r2 ）负序电压继电器的动作电压：0.06 6300Uop.r6.3Vop.r 603.2.3 过电压保护防止定子绕组的绝缘遭受破坏，动作于发电机断路器，灭磁开关以及停机。图 3-2 发电机过电压保护原理接线图3.2.4转子绕组一点接地图 3-3 转子绕组一点接地原理接线图第 9 页 共 13 页中北大学电力系统继电保护课程设计4 发电机继电保护展开图第 10 页 共 13中北大学电力系统继电保护课程设计3-4 发电机继电保护展开图5 发电机保护屏屏面布置图
