继电保护毕业论文

毕业设计（论文）

题 目： 甘肃大峡水电站继电保护及

二次回路设计

学 院： 电子信息学院 专业班级： 电气工程及其自动化06级1班 指导教师： 邵文权 职称： 讲师 学生姓名： * * 学 号： ***********

西安工程大学本科毕业设计（论文）

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。

发电厂和变电所母线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;而变压器是电力系统十分重要的供电元件再者,发电机、变压器本身就是十分贵重的电气元件，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。

根据大峡水电站的接线图及相关资料。本设计共包括六章，分别对母线、发

电机、变压器的继电保护进行详细介绍，并给出相关的整定计算,画出部分二次接线图。

本文主要通过分析原始资料中主要设备的参数，首先，需要对电力系统保护

原理进行全面系统的复习、查阅相关资料，加深理解；其次，结合相关参数和各种继电保护原理，确定适用于大峡水电站的保护方案，最后，分别对母线处、发电机和变压器进行整定计算和配置，并且根据系统一次设计图给出部分二次设计及其配置图和一般原理图.

关键词：水电站、继电保护、发电机、变压器、母线、二次回路

西安工程大学本科毕业设计（论文）

Abstract

As a result of large hydroelectric station's bus bar, the generator and transformer's structure is quite complex, possibly will break down various in the movement process and exceptionally the running status, to guarantee that will break down in the extent of protection， can have the selective fast excision breakdown, needs to dispose many kinds of relay protection installments, when the necessity will carry on the multi-densified disposition, thus in the river water power plant the important equipment's harm and the loss will fall to are smallest, will be smallest to electrical power system's influence。

The power plant and the transformer substation bus bar is in an electrical power system’s important building block， generator’s safe operation to guaranteed that electrical power system’s normal work and the electrical energy quality are playing the decisive role； Furthermore but the transformer is the electrical power system very important power supply part， the generator， the transformer itself are the very precious electrical elements, therefore, relay protection installment to large hydroelectric station normal operation very important function.

According to Daxia hydro power station wiring diagram and correlation data。 This design altogether includes six chapters， to the bus bar， the generator， transformer’s relay protection carries on separately introduced in detail, and gives the related installation computation, draws the partial secondary circuit chart。

This article mainly through analysis firsthand information in major installation’s parameter， first, needs to carry on the comprehensive system’s review， the consult correlation data to the electrical power system protection principle， deepens understanding; Next， the union related parameter and each kind of relay protection principle， determined that is suitable in the big canyon hydroelectric power station protection plan， finally， separately to the bus bar place, the generator and the transformer carries on the installation computation and the disposition， and gives the part two designs and the disposition chart and the general schematic diagram according to a system design drawing。

I

西安工程大学本科毕业设计（论文）

Key word： Hydroelectric power station， relay protection， generator， transformer， bus bar， secondary circuit

目 录

第1章 绪论 .................................................... 2

1。1 研究背景................................................. 2 1.2 研究意义 .................................................. 3

1。3 国内外研究现状.......................................... 3 1.4 本文主要内容 ............................................. 6

1。4.1 电气主接线的选择 ..................................... 6 1。4。2 短路电流计算 ........................................ 7

1.4。3 电气设备选择 ........................................ 7

1。4。4 防雷与接地 .......................................... 7

第2章 电气主接线方案的设计 ............................... 8

2。1 概述 .................................................... 9

2。2 电气主接线设计......................................... 8 2。2.1电气主接线设计的原则和基本要求 ...................... 8

2.2。2 电气主接线方案 ....................................... 9

第3章 短路计算 .............................................. 9

3。1 计算说明 .............................................. 13

3.2 短路电流计算的目的 ................................... 21

3.3 短路电流计算的步骤 ................................... 22

3。4 短路计算.............................................. 23

3.4.1 集电变压器的选择 ..................................... 13 3.4。2 主变压器的选择 ...................................... 14 3.4.3 升压变压器的选择 ..................................... 15

II

西安工程大学本科毕业设计（论文）

3.4.4 厂用变压器的选择 ..................................... 15

3。5 各点短路电流计算 ................................... 18

第4章 设备选择及选型...................................... 22

4.1 电气设备选择的依据 ................................... 22

4。1.1 电气设备选择的一般条件 .............................. 22 4.1.2 电气设备选择的技术条件 ............................... 23

4.1.3 电气设备选择的环境因素 ............................... 24 4.1。4 环境保护 ............................................ 25

4.2 断路器的选择 .......................................... 26

4.3 隔离开关的选择 ................................. 29 4。4 电压互感器的选择 .................................... 30 4.5 电流互感器的选择 ..................................... 32

第5章 防雷和接地 ........................................... 35

5。1 直击雷保护 ............................................. 35 5。2 雷电入侵波保护 ....................................... 336 5.3 接地电阻设计标准 ...................................... 406

5.3.1 电力设备的接地电阻的允许值 ........................... 36 5.3。2 架空电力线路杆塔的接地电阻允许值 .................... 36

5.4 防雷与接地设计 .......................................... 37

第6章 继电保护设计 ........................................ 38

6.1 继电保护的作用 .......................................... 38 6.2 继电保护的基本要求、原理、构成与分类 ................ 39

6。2.1 基本要求 ............................................ 39 6。2.2 基本原理 ............................................ 39 6。2.3 构成 ................................................ 40

6.2。4 分类 ............................................... 41

结论 ............................................................ 43

III

西安工程大学本科毕业设计（论文）

致谢 ............................................................ 44 参考文献....................................................... 35 附录A .......................................................... 46 附录B .......................................................... 47

参 考 文 献 ......................................................................................................... 64 致 谢 ......................................................................................................................... 65

IV

西安工程大学本科毕业设计（论文）

前 言

本次毕业设计的主要内容是针对电力系统中可能出现的各种不正常状态和故障状态，对甘肃大峡水电站水电站的发电机、主变压器和母线的保护配置及二次回路设计，参照《电力系统继电保护》及《电力工程电气设备手册·电气二次部分》，并依据继电保护配置原理，对所选择的保护进行整定和灵敏性校验从而来确定方案中的保护是否适用来编写的。

设计首先是对保护的原理进行分析，保护的整定计算及灵敏性校验。其次是

各种设备的保护配置图和二次回路图。文章内容包括原理分析、保护整定计算和灵敏性校验。其中发电机采取纵联差动保护、横联差动保护和定子绕组接地保护等；变压器主保护采用的是纵联差动保护和瓦斯保护,两者结合做到优势互补，后备保护是复合电压启动过电流保护；母线保护采取的是母联比相式差动保护,简单可靠.

大峡水电站位于甘肃省白银市和愉中县交界的黄河干流上,为河床式径流式电站。

电站装机五台，总装机容量为324.5WM。其中四台机组单台额定功率为75WM，最大功率为86 WM；一台自筹机组单机功率为24。5 WM.电站保证出力154.1WM,多年平均发电量为15.85亿kW·h，年利用小时数为4880，水库调节性能为日调节。电站建成后连入甘肃电力系统,以发电为主，承担甘肃电力系统的基荷和调峰、调频任务,是甘肃电网的骨干电厂之一。电厂以220kV以及电压接入甘肃电网。发电机—变压器组合方式采用单元接线。220kV高压侧采用双母线。220kV设备采用户外开敞式，220kV断路器采用SF柱式断路器。 设计参数如下：

水轮发电机G1—G4型号：SF75—68/11350 ；额定电压：13.8kV；

额定功率：75MW； 功率因数cos=0.85；

主变压器T1-T4型号:SFP8-90000/220; 接线方式:YN，d11 两侧电压：24222。5％/13。8KV

0

西安工程大学本科毕业设计（论文）

水轮发电机G0型号：SF-J26—40/6400 ；额定电压：10。5kV;

额定功率：24。5MW； 功率因数cos=0。85；

主变压器T0型号：SF8—31500/220 接线方式：YN,d11 两侧电压:24222.5%/13.8KV 该水电站的一次接线图如下：

1

西安工程大学本科毕业设计（论文） 第1章 电力系统继电保护简论

1。1 继电保护的作用

电力系统运行要求安全可靠。但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异,运行情况复杂,覆盖的地域辽阔.因此，受自然条件、设备及人为因素的影响（如雷击、倒塔、内部过电压或运行人员误操作等）,电力系统会发生各种故障和不正常运行状态。最常见、危害最大的故障是各种形式的短路。 ①故障造成的很大的短路电流产生的电弧使设备损坏。

②从电源到短路点间流过的短路电流引起的发热和电动力将造成在该路径中非故障元件的损坏.

③靠近故障点的部分地区电压大幅度下降，使用户的正常工作遭到破坏或影响产品质量。

④破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡,甚至使该系统瓦解和崩溃。 所谓不正常运行状态是指系统的正常工作受到干扰，使运行参数偏离正常值，如一些设备过负荷、系统频率或某些地区电压异常、系统振荡等。

故障和不正常运行情况常常是难以避免的，但事故却可以防止。电力系统继电保护装置就是装设在每一个电气设备上,用来反映它们发生的故障和不正常运行情况，从而动作于断路器跳闸或发出信号的一种有效的反事故的自动装置。它的基本任务是：自动、有选择性、快速地将故障元件从电力系统中切除,使故障元件损坏程度尽可能降低，并保证该系统中非故障部分迅速恢复正常运行。

反映电气元件的不正常运行状态，并依据运行维护的具体条件和设备的承受能力,发出信号、减负荷或延时跳闸。

应该指出，要确保电力系统的安全运行，除了继电保护装置外,还应该设置电力系统安全自动装置。后者是着眼于事故后和系统不正常运行情况的紧急处理,以防止电力系统大面积停电和保证对重要负荷连续供电及恢复电力系统的正常运行。例如自动重合闸、备用电源自动投入、自动切负荷、快关汽门、电气制动、远方切机、在按选定的开关上实现系统解列、过负荷控制等。

2

西安工程大学本科毕业设计（论文）

随着电力系统的扩大，对安全运行的要求也越来越高。为此，还应设置以各级计算机为中心,用分层控制方式实施的安全监控系统，它能对包括正常运行在内的各种运行状态实施控制，这样才能更进一步地确保电力系统的安全运行。

1.2 继电保护的基本要求、原理、构成与分类

1.2.1基本要求

对作于跳闸的继电保护，在技术上应满足四个基本要求,及可靠性、选择性、性和灵敏性 1.2。2基本原理

要完成继电保护的基本任务，首先要提取和利用电力元件在三种运行状态下的“差异\然后“区分”出三种运行状态（正常、不正常和故障状态)，最后是“甄别”出发生故障和出现异常的元件.

目前已经发现不同运行状态下具有明显差异的电气量有：流过电力元件的相电流、序电流、功率及其方向；元件的运行相电压幅值、序电压幅值;元件的电压与电流的比值即“测量阻抗”等.

（a）正常运行情况

（b）三相短路情况

图1—1 我国常用的110kV及以下单侧电源的供电网络

3

西安工程大学本科毕业设计（论文）

发现并正确利用能可靠区分三种运行状态的可测参量或参量的新差异，就可以形成新的继电保护原理。

在此以图1—1为例分析一下利用不同电气量特征分别能构成哪种保护: 1。线路电流幅值

正常时：负荷电流Il差异构成短路时电流幅值增大过电流保护 •短路时：短路电流Id•

2。母线的相间或对地电压幅值

正常时：在额定电压附近变化5%～10%差异短路时电压幅值降低 短路时：短路点的相间或对地电压降低到零构成低电压保护

3。线路始端电压与电流之比（即测量阻抗)

图1—2 220kV及以上多侧电源的输电网路

4

西安工程大学本科毕业设计（论文）

正常时：反映该线路与供电负荷的等值阻抗 及负荷阻抗角（功率因数角）差异短路时测量阻抗幅值降低，阻抗角增大短路时：反映该测量点到短路点之间 线路段的阻抗构成距离保护（低阻抗保护） 如图1-2所示,其中:

正常运行—-如图1—2（a）所示,如果规定电流的正方向是从母线流向线路，

那么，A-B两侧电流的大小相等，相位相差180,两侧电流的矢量和为零.

外部短路——如图1-2(b）所示,如果规定电流的正方向是从母线流向线路，那么，A—B两侧电流的大小相等，相位相差180,两侧电流的矢量和为零。

内部短路——如图1—2（c)所示，两侧电源分别向短路点供给短路电流Id2和

Id2，都是由母线流向线路,此时两个电流一般不相等，在理想条件下(两侧电势

••同相位且全系统的阻抗角相等），两个电流同相位,两个电流的矢量和等于短路点的总电流,其值较大。 其他类型的保护有：

1。纵联保护——利用某种通信通道同时比较被保护元件两侧正常运行与故障时电气量差异的保护。

①电流差动保护——利用内部与外部短路时两侧电流矢量的差别构成。 ②电流相位差动保护—-利用内部与外部短路时两侧电流相位的差别构成。

图1—3 过电流保护单相原理图

5

西安工程大学本科毕业设计（论文）

③方向比较式纵联保护——利用内部与外部短路时两侧功率方向的差别构成。 以上保护常被用做220kV及以上输电网络和较大容量发电机、变压器、电动机等电力元件的主保护。 2.反映非电量特征的保护

①气体保护-—当变压器油箱内部的绕组短路时，反应于变压器油受热分解所产生的气体保护。

②过热保护——当变压器油箱内部的绕组短路时，反应于电动机绕组温度的升高而构成的保护. 1.2。3 构成

以过电流保护为例：（如图1—3所示）

正常运行：IIfhnLH LJ不动

故障时：IIdnLHIdzj LJ动 SJ动（延时） XJ动 信号 TQ动 跳闸 保护装置由测量元件、逻辑元件和执行元件三部分组成.（如图1—4所示）

图1-4 继电保护装置组成方框图

（1) 测量元件

测量从被保护对象输入的有关物理量（如电流、电压、阻抗、功率方向等）,并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果给出“是”、“非\"、“大于”、“不大于”等具有“0\"或“1\"性质的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启动. （2)逻辑元件

根据测量部分输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的布尔逻辑及时序逻辑工作,最后确定是否应跳闸或发信号，并将有关命令传给执行元件。

逻辑回路有：或、与、非、延时启动、延时返回、记忆等。

6

西安工程大学本科毕业设计（论文）

（3)执行元件:

根据逻辑元件传送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。如：故障时→跳闸；不正常运行时→发信号;正常运行时→不动作。 1.2。4分类 通常分为以下几类：

（1）按被保护的对象分类：输电线路保护、发电机保护、变压器保护、电动机保护、母线保护等；

（2）按保护原理分类：电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、零序保护等；（3)按保护所反应故障类型分类：相间短路保护、接地故障保护、匝间短路保护、断线保护、失步保护、失磁保护及过励磁保护等;

（4) 按构成继电保护装置的继电器原理分类：机电型保护（如电磁型保护和感应型保护）、整流型保护、晶体管型保护、集成电路型保护及微机型保护等； （5) 按保护所起的作用分类:主保护、后备保护、辅助保护等；

主保护——满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护。

后备保护——主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护.又分为远后备保护和近后备保护两种。

①远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现的后备保护。

②近后备保护：当主保护拒动时，由本设备或线路的另一套保护来实现后备的保护；当断路器拒动时,由断路器失灵保护来实现近后备保护。辅助保护：为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护。

7

西安工程大学本科毕业设计（论文）

第2章 主变压器保护设计

2。1。变压器保护重要性

变压器是电力系统中大量使用的重要电 气设备,它的安全运行是电力系统可靠工作的必要条件。电力变压器有别于发电机，它无旋转部件，是一种静止的电气设备,结构比较简单，运行可靠性较高,发生故障的机会相对较少。但是，变压器是连续运行的，停电机会很少，而且绝大部分安装在室外，受自然环境影响较大。另外，变压器时刻受到外接负荷的影响，特别是受电力系统短路故障的威胁较大.因此，电力变压器在运行中，仍然有可能发生各种类型的故障或出现不正常工作状态。它的故障对电力系统的安全连续运行会带来严重的影响。特别是大容量变压器的损坏，对系统的影响更为严重。因此，考虑到变压器在电力系统中的重要地位及故障和不正常工作状态可能造成的严重后果,必须根据电力变压器容量和重要程度装设相应的继电保护装置。

2。2.变压器的故障类型和不正常运行状态

（1）变压器故障类型

变压器的故障可分为油箱外和油箱内两种故障。油箱外的故障主要是套管和引出线上发生相间短路及接地短路。油箱内的故障包括绕组间相间短路、接地短路、匝间短路及铁芯的烧损等。油箱内故障时产生的电弧，不仅会损坏铁芯的绝缘、烧毁贴心,而且由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生大量的气体，有可能引起变压器油箱爆炸。对于变压器发生的各种故障,保护装置应尽快的将变压器切除。实践表明，变压器套管和引出线上的相间短路、接地短路、绕组的匝间短路是比较常见的故障形式；而油箱内发生短路的情况比较少。 （2)变压器不正常工作状态

变压器的不正常工作状态主要有：油箱外部短路引起的过电流，负荷长时间超过额定容量引起的过负荷，风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降等.

8

西安工程大学本科毕业设计（论文）

这些不正常运行状态会使绕组和铁芯过热。此外,对于中性点不接地运行的星形接线变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性点过电压，威胁变压器的绝缘;大容量变压器在过电压或低频率等异常运行工况下会使变压器过励磁，引起铁芯和其它金属构件的过热。变压器处于不正常运行状态时，继电保护应根据其严重程度，发出报警信号，使运行人员及时发现并采取相应的措施，以确保变压器的安全.

变压器油箱内故障时，除了变压器各侧电流、电压变化外,油箱内的油、气、温度等非电量也会发生变化。因此，变压器保护分电量保护和非电量保护两种。非电量保护装设在变压器内部。线路保护中采用的许多保护如过电流保护、纵差动保护等在变压器的电量保护中都有应用，但在配置上有区别.

2.3 变压器保护配置原则

1.反应变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护

容量为800kVA及以上的油浸式变压器，均应装设瓦斯保护.当油箱内部故障产生轻微瓦斯或油面下降时，保护装置应瞬时动作于信号;当产生大量瓦斯时，瓦斯保护宜动作于断开变压器各电源侧断路器。对于高压侧未装设断路器的线路—变压器组，在采取瓦斯保护切除变压器内部故障时，瓦斯保护可仅动作于信号。 对于容量为400kVA及以上的车间内油浸式变压器，也应装设瓦斯保护。 2。相间短路保护

反应变压器绕组和引出线的相间短路的纵联差动保护或电流速断保护，对其中性点直接接地侧绕组和引出线的接地短路以及绕组匝间短路也能起保护作用。 容量为6300kVA以下并列运行的变压器以及10000kVA以下单独运行的变压器，当后备保护时限大于0.5s时,应装设电流速断保护。

容量为6300kVA及以上、厂用工作变压器和并列运行的变压器、10000kVA及以上厂用备用变压器和单独运行的变压器、以及2000kVA及以上用电流速断保护灵敏性不符合要求的变压器，应装设纵联差动保护.

对高压侧电压为330kV及以上的变压器,可装设双重差动保护.

对于发电机变压器组,当发电机与变压器之间有断路器时，变压器应装设单独的纵联差动保护。当发电机与断路器之间没有断路器时，100MW及以下的发电机，

9

西安工程大学本科毕业设计（论文）

可只装设发电机变压器组共用的纵联差动保护。100MW以上的发电机，除发电机变压器组共用纵联差动保护外，发电机还应装设单独的纵联差动保护。对于200MW及以上的汽轮发电机，为提高快速性，在机端还宜增设复合电流速断保护，或在变压器上增设单独的纵联差动保护，即采用双重快速保护方式. 如果变压器的纵联差动保护对单相接地保护灵敏性不符合要求，可增设零序差动保护. 3。后备保护

对于由外部相间短路引起的变压器过电流,可采用下列保护作为后备保护. (1)过电流保护。宜用于降压变压器，保护装置的整定值应考虑事故时可能出现的过负荷。

(2）复合电压(包括负序电压及线电压）起动的过电流保护。宜用于升压变压器和系统联络变压器及过电流保护不符合灵敏性要求的降压变压器。

（3） 负序电流保护和单相式低电压启动的过电流保护。可用于63000kVA及以上的升压变压器。

(4）对于升压变压器和系统联络变压器，当采用上述⑵、⑶保护不能满足灵敏性和选择性要求时,可采用阻抗保护。 上述各项保护动作后,应带时限动作于跳闸。

4.中性点直接接地电网中的变压器外部接地短路时的零序电流保护

110kV及以上中性点直接接地电网中,如果变压器中性点可能接地运行,对于两侧或三侧电源的升压变压器或降压变压器上应装设零序电流保护。作为变压器主保护的后备保护，并作为相邻元件的后备保护。 5。过负荷保护

对于400kVA及以上的变压器，当数台并列运行或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况装设过负荷保护。对自耦变压器和多绕组变压器,保护装置应能反应公共绕组及各侧过负荷的情况。过负荷保护应接于一相电流上,带时限动作于信号。在无经常值班人员的变电所，必要时过负荷保护可动作于跳闸或断开部分负荷. 6.过激磁保护

为降低材料消耗，现代大型变压器铁芯一般都用新型电工硅钢片制成，其额

10

西安工程大学本科毕业设计（论文）

定磁密近于饱和磁密,过电压或低频率时容易引起过激磁，因此500kVA及以上的大容量变压器宜装设过激磁保护。

2。4 变压器纵联差动保护

变压器纵联差动保护在正常运行和外部故障时，理想情况下，流入差动继电器的电流等于零。但实际上由于变压器的励磁电流、接线方式和电流互感器误差等因素的影响，继电器中有不平衡电流流过。由于这些特殊因素的影响，变压器差动保护的不平衡电流远比发电机差动保护的大.因此，变压器差动保护需要解决的主要问题之一是采取各种措施避越不平衡电流的影响。在满足选择性的条件下，还要保证在内部故障时有足够的灵敏系数和速动性.

按照励磁涌流方法的不同，变压器差动继电器可按不同的工作原理来实现。目前，国内广泛应用有以下几种类型继电器构成差动保护: ⑴ 带短路线匝的BCH—2型差动继电器; ⑵ 带磁制动特性的BCH—1型差动继电器； ⑶ 多侧磁制动特性的BCH-4型差动继电器； ⑷ 鉴别涌流间断角的差动继电器； ⑸ 二次谐波制动的差动继电器。

此外,有些单位还研制了高次谐波制动的差动继电器。 2。4。1 构成变压器纵差动保护的基本原则

11

西安工程大学本科毕业设计（论文）

图2-1 双绕组单相变压器纵差动保护的原理接线图

如图2—1所示，其中：

I1、I2——分别为变压器高压侧和低压侧的一次电流，参考方向为母线指向

••变压器；

——为相应的电流互感器二次电流； I1、I2••II -—差动继电器。 流入差动继电器的差动电流为

 (2—1） IrI1I2•••纵差保护的动作判据为

IrIset (2-2）

为差动电流的有效值。 式中，Iset为纵差动保护的动作电流；IrI1I2

••设变压器的变比为nTU1，式(2—1）可进一步表示为 U2Ir•I2I1 nTA2nTA1••变形为

Ir•nTI1I2nTA1nT1nTA2nTA2••I1 (2—3） nTA112

•西安工程大学本科毕业设计（论文）

式中，nTA1、nTA2分别为两侧电流互感器的变比. 若选择电流互感器的变比，使之满足

nTA2nT (2-4） nTA1

这样式(2—3）变为

Ir•nTI1I2 （2-5） nTA2••••忽略变压器的损耗，正常运行和区外故障时一次电流的关系为I2nTI10。根据式(2—5），正常运行和变压器外部故障时,差动电流为零,保护不会动作;变压器内部(包括变压器与电流互感器之间的引线）任何一点故障时，相当于变压器内部多了一个故障支路,流入差动继电器的差动电流等于故障点电流（变换到电流互感器二次侧），只要故障电流大于差动继电器的动作电流，差动保护就能迅速动作。因此，式（2-4）成为变压器纵差动保护中电流互感器变比选择的依据。

实际电力系统都是三相变压器（或三相变压器组），并且通常采用Y，d11接线方式,如图2-2(a)所示(假定一次电流从同名端流入，二次电流从同名端流出）。这样的接线方式造成了变压器一、二次电流的不对应，以A相为例,正常运行时,由于IdAIdaIdb，IdA超前Ida30，如图2-2（b)所示。

若仍用上述针对单相变压器的差动继电器的接线方式，将一、二次电流直接引入差动保护，则会在继电器中产生很大的差动电流。可以通过改变纵差动保护的接线方式消除这个电流，就是将引入差动继电器的Y侧的电流也采用两相电 流差，即

IArIBrICr••••••IYAIYBIdA•••IYBIYCIdB （2-6） •••IYCIYAIdC•••••13

西安工程大学本科毕业设计（论文）

式中,IAr、IBr、ICr分别为流入三个差动继电器的差动电

•••（a)接线图； （b)对称工况下的向量关系

图2—2 双绕组三相变压器纵差动保护原理接线图

这样就可以消除两侧电流不对应。由于Y侧采用了两相电流差，该侧流入差动继电器的电流增加了3倍。为了保证正常运行及外部故障情况下差动回路没有电流，该侧电流互感器的变比也要相应地增大3倍，即两侧电流互感器变比的选择应该满足

nTA2nT (2-7） nTA13为了满足式（2-6），变压器两侧电流互感器采用不同的接线方式,如图2—2（a）所示.d侧采用Y，d12的接线方式，将各相电流直接接入差动继电器内;Y侧采用Y，d11的接线方式，将两相电流差接入差动继电器内.模拟式的差动保护都是采用图2-2（a）所示的接线方式;对于数字式差动保护，一般将Y侧的三相电流直接接入保护装置内,由计算机的软件实现式(2-6）的功能，以简化接线。

电力系统中常常采用三绕组变压器。三绕组变压器的纵差动保护原理与双绕组变压器是一样的。图2—3所示的是Y，y，d11接线方式三绕组变压器纵差动保护单相示意图，接入纵

差动继电器的差电流为：

14

西安工程大学本科毕业设计（论文）

I3 （2—8） IrI1I2••••图2—3 三绕组变压器纵差动保护接线单相示意图

三相变压器各侧电流互感器的接线方式和变比的选择也要参照Y，d11双绕组变压器的方式进行调整,即d侧电流互感器用Y接线方式；两个Y侧电流互感器则采用d接线方式。设变压器的高—低侧(1-3）和中-低侧（2—3）的变比为nT13和

nT23,考虑到正常运行和区外故障时变压器各侧电流满足nT13I1nT23I2I30,电

•••流互感器变比的选择应该满足

nTA3nT13nTA13  （2—9)

nTA3nT23nTA232.4.2 变压器差动保护的不平衡电流

1.由变压器带负荷调节分接头产生的不平衡电流1.计算变比与实际变比不一致产生的不平衡电流

变压器两侧的电流互感器都是根据产品目录选取的标准变比，其规格种类是有限的。变压器的变比也是有标准的，三者的关系很难完全满足式（2-4），令变比差系数为

fza1根据式（2—3）可得

IunbnTA1nT (2—10） nTA2nTI1I2fzaI1 （2-11) nTA2nTA115

•••西安工程大学本科毕业设计（论文）

穿越电流——如果将变压器两侧的电流都折算到电流互感器的二次侧，并忽略fza不为零的影响，则区外故障时变压器两侧电流大小相等，即II2nTI1，但方向相反,I为区外故障时变压器的穿越电流。

由式（2-11)知，电流互感器和变压器变比不一致产生的最大不平衡电流为

IunbmaxfzaIkmax （2—12）

Ikmax—区外故障时最大的穿越电流。

改变分接头的位置，实际上就是改变变压器的变比，电流互感器的变比选定后不可能根据运行方式进行调整，只能根据变压器分接头未调整时的变比进行选择。因此，由于改变分接头的位置产生的最大不平衡电流为

IunbmaxUIkmax (2—13)

U——变压器分接头改变引起的相对误差,考虑到电压可以正负两个方向进行调整，一般可取调整范围的一半。

图2-4 电流互感器等效电路

L1—励磁回路等效电感； ZL—二次负载的等效阻抗； 电流互感器传遍误差产生的不平衡电流

I1——励磁电流，也就是电流互感器的传变误差；

Z1——包括了电流互感器的漏抗和二次负载阻抗，一般电阻分量占主导，

•在定性分析时可以当作纯电阻处理。

电流互感器的二次电流为

I1I1I1 （2—14)

•••16

西安工程大学本科毕业设计（论文）

励磁电流为

••Z11I1I1 （2— I1L1jL1Z1jZ1Z1•15)

区外故障时变压器两侧的一次电流为I2I1（折算到二次侧），故由电流互感器传变误差引起的不平衡电流为

I2I1 （2—16） IunbI1I2

••••••

（a）励磁电流中无直流偏移； （b)励磁电流中有直流偏移

2-5 电流互感器铁芯的磁滞回路

引入同型系数Kst表示互感器型号对不平衡电流的影响

IunbKstI1 (2-17）当两个电流互感器型号相同时,取Kst=0。5；否则取1 如图2—5所示，其中：

曲线1—铁芯的基本磁化曲线（通常简称为磁化曲线); 曲线2—励磁电流随时间的变化曲线;

曲线3—励磁电流按照曲线2变化时的磁滞回线； S点 -饱和点.

17

西安工程大学本科毕业设计（论文）

由于电压u与铁芯磁通之间关系为uWd(W是线圈的匝数，定性分析dt时可假设W=1)，故磁化曲线的斜率(严格讲是各点切线的斜率）就是磁滞回路的电感L1。

铁芯未饱和时—L1很大且接近常数；

铁芯饱和后—L1大为减小。

如图2—5（b）所示，由于非周期分量引起I1偏离时间轴的一侧,磁通也偏离磁化曲线并按照曲线3的局部磁滞回环变化。显然，偏离时间轴后L1会减小。非周期分量的存在将会显著地减小L1.

剩磁——电流互感器一次侧电流消失后,励磁电流也相应地变为零。由于磁滞回线的‘磁滞’现象,铁芯中将长期存在残留磁通，称为剩磁。

10％误差曲线-电流互感器误差达到10%时,一次电流与二次负载电阻之间的关系曲线。

通常根据电流互感器的10％误差曲线来选择电流互感器的型号：

测得区外故障最大短路电流Ikmax在10%误差曲线中找出相应的二次负载电阻的数值实际负载电阻小于此数值二次电流误差一定小于10%实际负载电阻大于此数值电流互感器最大误差为10%选择容量更大的电流互感器unbst1 Iunbmax0.1KstIkmax (2—19） I1max0.1Ikmax （2-18）

IKI引入非周期分量系数Knp：

Iunbmax0.1KnpKstIkmax （2—20)

式（2—19）的Iunbmax只是稳态不平衡电流，在变压器外部故障时，一次电流（a）

18

西安工程大学本科毕业设计（论文）

外部短路电流； （b）纵差动保护不平衡电流

图2-6 纵差动保护的暂态不平衡电流

中除稳态分量外还有非周期分量等暂态分量.导致不平衡电流的瞬时值较稳态量大，非周期分量系数就是考虑这个因素而引入的。

电流互感器的暂态误差—-非周期分量的存在大大增加了电流互感器的饱和

程度,由此产生的误差称为电流互感器的暂态误差。差动保护是瞬时动作的，必须考虑非周期分量引起的暂态不平衡电流.

图2—6为变压器外部故障时的暂态电流和纵差动保护暂态不平衡电流的滤波图。

故障初始：电流互感器不饱和，不平衡电流不大；几个周波后：电流互感器开始饱和，不平衡电流逐渐达到最大值;随着一次电流非周期分量的衰减：不平衡电流又逐渐下降并趋于稳态不平衡电流.

结论：暂态不平衡电流含有很大的非周期分量，其特性完全偏于时间轴的一侧.

4。变压器励磁电流产生的不平衡电流

2—7 双绕组单相变压器等效电路

将变压器参数折算到二次侧后，单相变压器等效电路如图2—7所示。显然，励磁回路相当于变压器内部故障的故障支路。励磁电流全部流入差动继电

19

西安工程大学本科毕业设计（论文）

图2—8 Imax与变压器容量ST的关系曲线

器中，形成不平衡电流，即

IunbI （2—21）

正常运行和外部故障时：变压器不会饱和，励磁电流一般不会超过额定电流的2％～5％，对纵差动保护的影响常常略去不计;

变压器空载投入或外部故障切除电压恢复时：变压器电压从零或很小的数值突然上升到运行电压.在这个电压上升的暂态过程中,变压器可能会严重饱和，产生很大的暂态励磁电流.这个暂态励磁电流称为励磁涌流。

2。5变压器后备保护

2。5。1 低电压启动的过电流保护

只有在电流元件和电压元件同时动作后,才能启动时间继电器，经过预定的

延时后动作于跳闸。由于电压互感器回路发生断线时，低电压互感器将误动作,因此在实际装置中还需配置电压回路断线闭锁功能，具体逻辑此处从略。

采用低电压继电器后，电流继电器的整定值就可以不再考虑并联运行变压器

切除或电动机自启动时可能出现的最大负荷，而是按大于变压器的额定电流整定。

过电流保护按躲开可能出现的最大负荷电流小整定，启动电流比较大，只有在电流元件和电压元件同时动作后，才能启动时间继电器,经过预定的延时后动作于跳闸。由于电压互感器回路发生断线时，低电压互感器将误动作，因此在实际装置中还需配置电压回路断线闭锁功能，具体逻辑此处从略。

采用低电压继电器后，电流继电器的整定值就可以不再考虑并联运行变压器

切除或电动机自启动时可能出现的最大负荷，而是按大于变压器的额定电流整定.

对于降压变压器，负荷在低压侧电动机自启动时高压侧电压比低压侧高了一个变压器压降（标幺值）。所以高压侧取值比较高。对于发电厂升压变压器，负荷在高压侧,电机自启动时低压侧电压实际上更高，原因是发电机在失磁运行时低压母线电压会比较低。

20

西安工程大学本科毕业设计（论文）

电流继电器灵敏度的校验方法与不带低压启动的过电流保护相同.

对于升压变压器，如果低压继电器只接在一侧电压互感器上，则另一侧故障时，往往不能满足灵敏度要求。此时可采用两组低电压继电器分别接在变压器两侧的电压互感器上，并用触电并联的方法提高灵敏性. 2.5。2变压器零序电流保护

电力系统中接地故障是最常见的故障形式。接于中性点直接接地系统的变压器，一般要求在变压器上装设接地保护，作为变压器主保护和相邻元件接地保护的后备保护。发生接地故障时,变压器中性点将出现零序电流，母线将出现零序电压，变压器的接地后备保护通常都是反映这些电气量构成的。

中性点直接接地运行的变压器毫无例外的都采用零序过电流保护作为变压器接地后备保护，零序电流保护通常采用两段式。零序电流Ⅰ段与相邻元件零序电流保护Ⅰ段相配合；零序电流Ⅱ段与相邻元件零序电流保护后备段(注意：不是Ⅱ段)相配合。零序电流保护在配置

上要考虑缩小故障影响范围的问题。根据需要，每段零序电流可设两个时限，并以较短的时限动作于缩小故障影响范围，以较长时限断开变压器各侧断路器。

图2-9所示是双绕组变压器零序过电流保护的系统接线和保护逻辑。零序过电流取自变压器中性点电流互感器的二次侧。由于是双母线运行，在另一条母线故障时，零序电流保护

图2—9零序过电流保护的系统接线和保护逻辑

应断开母联断路器QF,使变压器能够继续运行。所以零序电流保护Ⅰ段和Ⅱ

21

西安工程大学本科毕业设计（论文）

段均采用两个时限,短时限t1、t3跳开母联断路器QF，长时限t2、t4跳开变压两侧段路器。

零序电流保护Ⅰ段的动作电流按下式整定

ⅠIⅠsetKrelKbIlxset

式中 Krel—可靠系数，取1。2；

Kb—零序电流分支系数；

—相邻元件零序电流Ⅰ段的动作电流。 IⅠlxset零序电流Ⅰ段的短时限取t10.5～1s; 长时限在t2t1t上再增加一级时限。

零序电流保护Ⅱ段的动作也按式0000整定只是式中的IⅠ应理解为相邻元lxset为相邻元件保护t（t3件零序电流保护后备段的动作电流。动作时限：t3t3后备段时限),t4t3t。

零序电流Ⅰ段灵敏系数按变压器母线处故障校验，Ⅱ段按相邻元件末端故障校验。

2.5。3过负荷保护

变压器的过负荷电流在大多数情况下都是三相对称的，因此装设单相过负荷保护。变压器的过负荷保护反应变压器对称过负荷引起的过电流。保护只用一个电流继电器，接于任意相电流中经延时动作于信号。

过负荷保护的安装侧，应根据保护能反映变压器各侧绕组可能过负荷的情况来选择，具体如下：

对双绕组变压器,装于发电机电压侧;

对一侧无电源的三绕组升压变压器，装于发电机电压侧和无电源侧； 对三侧有电源的三绕组变压器，三侧均应装设; 对于双绕组降压变压器,装于高压侧；

对一测电源的三绕组降压变压器,若三侧绕组容量相等，只装于电源侧；若三

22

西安工程大学本科毕业设计（论文）

侧容量相等，则装于电源侧及绕组容量较小侧;

对两侧有电源的三绕组降压变压器，三侧均应装设； 装于各侧的保护，均应经过同一时间继电器作用于信号。

为了防止过负荷在外部时误动作，其时限应比变压器的后备保护动作时限大一个Δt。

2.6 变压器保护的整定计算

2.6.1 瓦斯保护的整定

⑴ 一般瓦斯继电器气体容积整定范围为250~300cm3，变压器容量在10000kVA以上时，一般正常整定值为250cm3，气体容量整定值是利用调节重锤的位置来改变的。

⑵ 重瓦斯保护油流速度的整定

重瓦斯保护动作的油流速度整定范围为0。6～1。5m/s，在整定流速时均以导油管中的流速为准，而不依据继电器处的流速。

根据运行经验，管中油流速度整定为0。6～1m/s时，保护反映变压器内部故障是相当灵敏的。但是，在变压器外部故障时,由于穿越性故障电流的影响，在导油管中油流速度约为0.4～0。5m/s。因此，为了防止穿越性故障时瓦斯保护误动作,可将油流速度整定在1m/s左右。

本设计所选瓦斯继电器气体的容积整定范围为250cm3；而重瓦斯保护油流速度整定在1m/s左右。

2。6.2变压器纵差保护正定计算 1.T1-T4变压器总差保护整定计算

当外部发生短路时，已知xG*0.20 uk=10% 取UB13。8KV SB=100WVA

23

西安工程大学本科毕业设计（论文）

则将发电机和变压器的电抗标幺值折算到变压器故障点的值为：

X100T*14=0。1013.813.875=0。133 X=0.20100G*1475=0。27 XD*14=XT*14+XT*14=0.27+0.13=0。40

X100T*0=0.1031.5=0.31 X。20×100G*0=024.50.81 XD*0=XT*0+XT*0=0。31+0。81=1.12 XDXD*14//XD*14//XD*14//XD*0+0.13=0. 25

IBk.max=

S3U1=100BXD313.810.25=16。7 kA

躲过电流互感器二次回路断线时引起的差动电

IS103L.max=

B3U=908=3.77kA B313.Iset=KrelIL.max=1。3×3。77kA=4。09kA

躲过保护范围外部短路时的最大不平衡电流

Iunb.max=（Kst×10％＋U+f）Ik.maxK

TA

则Iunb.max=（1×0.1+0。025+0。05）×16。7 kA =2.92kA

(3） 躲过变压器的最大励磁涌流

IsetKrelKuIN=1.3×1×3.77kA=4。09kA

取上述三个之中最大者作为纵差保护的动作电流，则

24

西安工程大学本科毕业设计（论文）

Idz=4。09kA

灵敏系数校验

3I3k16.7kAKsen=

Ik.min.maxI=2=2dzIdz4.09kA =3.53〉2

2。 T0变压器总差保护整定计算

同理得发电机T0：Ik.max= 13。4kA

(1) 躲过电流互感器二次回路断线时引起的差动电流

3 I31.5L.max=SB103U=10.5=1.73kA

B3 Iset=KrelIL.max=1.3×1。73kA =2。25kA （2）躲过保护范围外部短路时的最大不平衡电流

Iunb.max=(Kst×10％＋U+f）Ik.maxK

TA根据前面计算可知Ik.max=234.9A

Iunb.max=（1×0.1+0.025+0.05）×13.4kA =2.35kA

(3） 躲过变压器的最大励磁涌流

IsetKrelKuIN=1。3×1×1.73kA =2。25kA 取上述三个之中最大者作为纵差保护的动作电流，则

Idz==2.35kA

灵敏系数校验

33Ksen=

I13.k.minIk.max4kAI=2=2=4.8 〉2 dzIdz2.35kA

25

西安工程大学本科毕业设计（论文）

2。6。3过电流保护整定计算

保护的启动电流按躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定，即

IL.max=

nn1IN=4441IN=3214。7A=286.2A 式中 n——并联变压器的最少台数

IN-—每台变压器的额定电流

Iset=KrelK=I.25L.max=

1re0.9286.2A=397.5A 式中 Krel——可靠系数。一般取1.2～1。3

Kre——返回系数，取为0。85~0.95 IL.max——变压器可能出现的最大负荷电流

2.6.4低电压启动的过电流保护整定计算 1. T1~T4的低电压启动的过电流保护整定计算

低电压继电器动作的的动作电压按以下条件整定，并取最小值. 按躲过正常运行时可能出现的最低电压整定，计算式为：

UUL.minsetKK relre式中

UL.min—最低工作电压，一般取0.9UN

Krel—可靠系数，取1。1~1.2

Kre-低电压继电器的反回系数，取1。15～1。25

则计算得Uset=150V

按躲过电动机自启动时的电压整定：

当低压继电器有变压器低压侧继电器供电时，计算式为: Uset=（0..5～0.6）UN 则Uset=133。9V

当低压继电器有变压器高压侧继电器供电时,计算式为

26

西安工程大学本科毕业设计（论文）

Uset=0。7UN 则Uset=169。4V

则低电压继电器的的动作电压为：Uset=133.9V

2. T0的低电压启动的过电流保护整定计算同理，T0低电压继电器的的动作电压为：Uset=133.9V

27

西安工程大学本科毕业设计（论文）

第3章 发电机保护设计

3。1发电机故障及不正常运行状态

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，同时发电机本身也是一个十分贵重的电器元件,因此，应该整对各种不同的故障和不正常运行状态，装设性能完善的继电保护装置 3。1.1发电机故障类型

发电机的故障类型主要有定子绕组相间短路、定子一相绕组内的匝间短路、定子绕组单相接地、转子绕组一点接地或两点接地、转子励磁回路励磁电流消失等。

1.定子绕组相间短路是危及发电机最严重的一种故障.短路点有很大的短路电流，其所产生的电弧不但会烧坏绝缘，还可能损坏铁芯,甚至引起火灾,给发电机的修复工作带来很在困难。

2.定子绕组单相匝间短路在匝间电压作用下，产生环流，使该处温度升高，绝缘损坏,并可能转变为单相接地或相间短路故障.

3.定子绕组单相接地故障点处会有电流流过定子铁心，研究证明当故障点电流超过5A并持续一定时间时，故障点定子铁心可能熔化，发电机须进行大修，定子铁心须重新选压.

4。转子回路一点或两点接地转子回路发生一点接地故障时，由于没有电流通路，对发电机并无危害。但若不及时处理，就有可能导致两点接地故障，造成励磁回路短路，可能损坏转子绕组和铁心。 3.1.2 不正常运行状态

发电机的不正常运行状态主要有:由于外部短路引起的定子绕组过电流；由于负荷等超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；由于外部不对称短路或不对称负荷（如单相负荷，非全相运行等）而引起的发电机负序过电流和过负荷；由于突然甩负荷引起的定子绕组过电压；由于励磁回路故障或强励时间过长而引

28

西安工程大学本科毕业设计（论文）

起的转子绕组过负荷；由于汽轮机主气门突然关闭而引起的发电机逆功率等。

对于发电机—变压器组，对容量在100MW以下的发电机，应装设保护区不小于绕组串联匝数90%的定子接地保护对容量在100MW以上的发电机，应装设保护区为100%的定子接地保护，保护带时限动作于信号，必要时也可以动作于切。

3.2发电机保护的配置原则

针对上述故障类型及不正常运行状态，发电机应装设以下继电保护装置： （1）针对1MW及以上的发电机的定子绕组及其引出线的相间短路,应装设差动保护。

（2)对于直接连于母线的发电机定子绕组单相接地故障当单相接地故障电流（不考虑消弧线圈的补偿作用）大于表的规定允许值时，应装设选择性的接地保护装置。

（3）对于发电机定子绕组的匝间短路，当定子绕组星形接线、每相有并联分支且中性点侧有分支引出端时，应装设横差保护；200MW及以上的发电机有条件时可装设双重化横差保护。

(4)对于发电机外部短路引起的过电流，可采用下列保护方式：

1）负序过电流及单元件低电压启动过电流保护，一般用于50MW及以上的发电机；

2）负荷过电压启动的过电流保护,一般用于1MW以上的发电机； 3）过电流保护，用于1MW及以下的小型发电机； 4）带电流记忆的低压过电流保护,用于自并励发电机。

（5)对于由不对称负荷或外部不对称短路而引起的负序过电流，一般在50MW及以上的发电机上装设负序过电流保护。

(6)对于不对称负荷引起的发电机定子绕组过电流，应装设接于一相电流的过负荷保护.

（7）对于水轮发电机定子绕组过电压，应装设延时的过电压保护。

（8）对于发电机励磁回路的一点接地故障,对1MW及以下的小型发电机可装设定期检测装置;对1MW以上的发电机应装设专用的励磁回路一点接地保护。

29

西安工程大学本科毕业设计（论文）

（9）对于发电机励磁消失故障，在发电机不允许失磁运行时,应在自动灭磁开关断开时连锁断开发电机的断路器；对采用半导体励磁及100MW及以上采用电机励磁的发电机,应增设直接反应发电机失磁时电气参数变化的专用保护。 （10）对于转子回路的过负荷，在100MW及以上，比且采用半导体励磁系统的发电机，应装设转子过负荷保护。

（11）对于汽轮发电机主汽门突然关闭而出现的发电机变电动机运行的异常运行方式，为防止汽轮损坏,对200MW及以上的大容量汽轮发电机装设逆功率保护；对于燃汽轮发电机，应装设逆功率保护。

（12）对于300MW及以上的发电机,应装设过励磁保护。

（13）其他保护:如当电力系统震荡影响机组安全运行时,在300MW机组上，宜装设失步保护；当汽轮机低频运行会造成机械振动，叶片损伤，对汽轮机危害极大，可装设低频保护；当水冷发电机断水时，可装设断水保护等。

为了快速消除发电机内部的故障，在保护动作于发电机断路器跳闸的同时，

还必须动作自动灭磁开关，断开发电机励磁回路，使定子绕组不再感应出励磁电动势，继续供给短路电流。

3。3发电机纵差保护

3.3。1工作原理

该保护是发电机内部相间短路的主保护，根据启动电流的不同有两种选取原则,与其相对应的接线方式也有一些差别。因为该保护可以无延时的切除保护范围内的各种故障，同时又不反应发电机的过负荷和系统振荡，且灵敏系数一般较高，所以纵差动保护毫无例外的用作容量在1MW以上发电机的主保护.

该保护是利用比较发电机中性点侧和引出线侧电流幅值和相位的原理构成，因此在发电机中性点测和引出线侧装设特性和变比完全相同的电流互感器来实现纵差保护。两组电流互感器之间为纵差保护的范围。电流互感器二次侧按照循环电流接线法接线,即如果两组电流互感器一次侧极性分别以中性点测和母线侧为正极性，则二次侧同极性相连接.差动互感器与两侧电流互感器的二次绕组并联。

30

西安工程大学本科毕业设计（论文）

发电机故障时，如图00001中的k1点短路，两侧电流互感器的一、二次电

'流如图所示,差动继电器中的电流为Id=I'2+I'2.当Id大于继电器的整定电流时，

继电器动作。在正常运行或保护区外故障时，流过继电器的电流为两侧电流之差

'(Id=I'2-I'2)，(短路点k2)。在循环电流回路两臂引线阻抗相同、两侧电流互感'器特性完全一致和铁芯剩磁理想的情况下,量测电流相等（I'2=I'2），流过继电

器的电流为零,此电流称为不平衡电流。但实际上差动继电器中流过不大的电流,此电流称为不平衡电流。

差动保护在原理上不反应负荷电流和外部短路电流，只反应发电机两侧电流互感器保护区内的故障电流，因此，纵差保护在时限上不必与其他时限配合，可以瞬时动作于跳闸.

3。3。2发电机纵差保护整定 纵差保护的整定原则如下： BCH-2型继电器构成的差动保护

1.动作电流大于发电机额定电流时差动保护的动作电流 保护动作电流应躲开外部短路时最大不平衡电流，即 IdzKKIbpjsKKKfzqKtxfiIdmax 式中 Kk—可靠系数,采用1.3； Ibp.js-计算不平衡电流；

Kfzq—考虑非周期分量影响的系数。当采用BCH－2继电器时Kfzq=1；

Ktx—电流互感器同形系数,采用0。5；

Id.max—在发电及外部三相短路时,流经保护的最大周期性短路电流。

的数值比汽轮发电机大，其出口处发生三相对于水轮发电机，由于电抗Xd

31

西安工程大学本科毕业设计（论文）

短路的最大短路电流约为：Idmax5Ief

为避免保护在电流互感器二次回路断线时误动作，保护动作电流应大于发电机的最大负荷电流，即

Idz=KkIe.f 式中

Kk－可靠系数，采用1。3

Ie.f－发电机额定电流

取述最大的Idz作为保护的动作电流。 差动继电器的动作电流 Idz=

KjxIdz n1 式中 Kjx-接线系数 n1—电流互感器变比

2.灵敏系数

Ksen

Id.min Idz式中 Id.min—发电机出口两相短路时，流经保护最小周期性短

路电流.

最小灵敏系数应约为2。

综上可见,按躲开不平衡电流条件整定的差动保护，其起动值都远较按躲开电流互感器二次回路断线的条件为小，因此,保护的灵敏性就高。但是这样整定后,在正常运行条件下发生电流互感器二次回路断线时，在负荷电流的作用下，差动保护就可能误动作，就这点来看其可靠性是较差的.因此，是否需要考虑断线在目前还是有争议的问题。 发电机纵差动保护的动作逻辑如下：

32

西安工程大学本科毕业设计（论文）

发电机中性点非直接接地发电机内部相间短路有二相或三相继电器同时动作当两相或两相以上差动保护动作时判为发电机内部发生短路故障当仅有一相差动保护动作时 判为TA断线发电机的纵差保护可以无延时的切除保护范围内的各种故障，同时又不反应发电机的过负荷和系统振荡,灵敏系数一般较高。因此，纵差保护毫无例外的用作容量在1MW以上发电机主保护.

3.4发电机横差保护

(1)发电机裂相横差保护

裂相横差保护—大容量发电机每相都由两个或两个以上并联分支绕组组成，正常运行时各绕组中电势相等，流过相等的负荷电流;当同相内非等电位点匝间短路时,各绕组中电势不再相等，出现因电势差而在各绕组间产生的环流。利用这个环流可以实现对发电机定子绕组匝间短路的保护,构成裂相横差保护的原理。 1）一个分支绕组内部发生匝间短路时：

图3—1 某一绕组内部匝间短路横差动保护

此时两个分支绕组的电势将不等,出现环流Id，这时在电流差动回路中将会有

Idr2Id，若此电流大于启动电流,保护可靠动作.但是当短路匝数较小时，nTA环流也较小,有可能小于启动电流，所以保护有死区。

2）同相并联分支绕组间发生匝间短路时:此时，只要这两个分支绕组短路点存在

、Id，此时电动势差(比如可简单地理解为当12时)，分别产生两个环流Id••33

西安工程大学本科毕业设计（论文）

差动电流为Idr

2Id. nTA图3-2 同相不同绕组匝间短路横差动保护

（2）单元件横差动保护

单元件横差动匝间短路保护能反应定子绕组匝间短路、分支线棒开焊及机内绕组相间短路。其原理图如图3-3所示。

图3—3 单元件横差动保护接线原理

实际发电机不同中性点间有不平衡电流：

1）定子同相而不同分支的绕组参数不完全相同，致使两端的电势及支路电流有差异;

1)发电机定子气隙磁场不完全均匀，在不同定子绕组中产生的感应电势不同; 3）转子偏心，在不同的定子绕组中产生不同电势; ⑷存在三次谐波电流.

实际很多情况下存在较大的三次谐波不平衡电流。因此，单元件横差动保护需要具有性能良好的三次谐波滤过器。

34

西安工程大学本科毕业设计（论文）

3。5发电机定子绕组单相接地保护

如前所述，由于发电机容易发生绕组线棒和定子铁芯之间的绝缘破坏，因此发生单相接地的故障比例很高，约占定子故障的70％—80％。由于大型发电机组定子绕组,对地电容交大,当发电机机端附近发生接地短路时,故障点的电容电流比较大，影响发电机的安全运行;同时由于接地故障存在，会引起接地弧光过电压，可能导致发电机其他位置绝缘的破坏，形成危害严重的相间或匝间短路故障。

因此发电机定子绕组单相接地保护就显得尤为重要. 定子单相接地保护类型：

利用零序电流构成的发电机定子绕组接地保护 利用零序电压构成的发电机定子绕组接地保护 利用三次谐波电压构成的发电机定子绕组单相接地保护 利用零序电压和叠加电源构成的发电机100%绕组单相接地保护

这里着重介绍由利用三次谐波电压构成的发电机100%绕组单相接保护。

100％定子绕组接地保护：100%定子绕组的接地保护由两部分组成.一部分是

由接在发电机出线端的电压互感器的开口三角线圈侧，反应零序电压而动作的保护。它可以保护85～90％定子绕组。第二部分是利用比较发电机中性点和出线端的三次谐波电压绝对值大小而构成的保护。正常运行时，发电机中性点的三次谐波电压比发电机出线端的三次谐波电压大，而在发电机内部定子接地故障时，出线端的三次谐波电压比中性点的三次谐波电压大。发电机出口的三次谐波电压作为动作量，而中性点的三次谐波电压为制动量。当发电机出口三次谐波电压大于中性点三次谐波电压时,继电器动作发出接地信号或跳闸。

3。5 发电机负序电流保护

3.5.1 定时限过电流保护

（1）单相式低电压启动过电流保护

单相式的低电压启动过电流保护—由接于相电流上的过电流继电器KA1和接于线电压上的低电压继电器KV组成，以专门反应三相对称短路。与负序过电流保

35

西安工程大学本科毕业设计（论文）

护并联工作的，经过时间继电器KT1的延时后动作于跳闸. (2）负序过电流保护（过负荷信号部分）

KA3具有较小的整定值，当负序电流超过发电机的长期允许值时，经时间继电器KT2的延时后，发出发电机的不对称过负荷信号.

整定原则:躲开发电机长期允许的负序电流值和最大负荷下负序过滤器的不平衡电流（均应考虑继电器返回系数）。 一般情况下其整定值可取为：

I2set0.1I2 式中 I2set-负序过电流保护值; I2—长期允许的负序电流。

动作时限应保证外部不对称短路时动作选择性，一般取5～10s。 （3）负序过电流保护（跳闸部分）

继电器KA2具有较大的整定值，经时间继电器KT1的延时后动作于发电机跳闸,以作为防止转子过热和后备保护之用。

图3-4发电机负序电流及单相式电压启动过电流保护原理接线图

动作电流的选择：给出一个计算时间tcal，在这个时间内,值班人员有可能采

36

西安工程大学本科毕业设计（论文）

取措施来消除产生负序电流的运行方式。 动作时限一般取为3～5s。

两段式定时限负序过电流保护的动作特性与发电机允许的负序电流曲线不能很好地配合.此外，它也不能反应负序电流变化时发电机转子的热累积过程。 3。5.2 反时限负序过电流保护

反时限曲线特性如图3—5所示。它由上线定时限、反时限、下限定时限三个部分组成。当发电机负序电流大于上限整定值时,按上限定时限动作.负序电流在上、下限整定值之间时按反时限动作.

I22K22tK21

式中 K21--发电机的A值；

K22--发电机发热同时的散热效应系数 I2——发电机负序电流标幺值.

图3-5反时限负序过电流保护动作特性曲线

37

西安工程大学本科毕业设计（论文）

图3—6发电机反时限负序过电流保护逻辑图

如果负序电流低于下限整定值，但不足以使反时限部分动作，或反时限部分 动作时间太长，则按下限定时限动作。

发电机反时限负序过电流保护逻辑图如图3-6所示

负序反时限特性能真实地模拟转子的热累积过程，并能模拟散热,即发电机发热后若负序电流消失，热累积并不立即消失，而是慢慢地散热消失，如此时负序电流再次增大，则上一次的热累积将成为该次的初值。

3.6发电机失磁保护

发电机失磁故障是指发电机的励磁突然全部消失或部分消失，引起失磁的原因有转子绕组故障、励磁机故障、自动灭此开关误跳闸、半导体励磁系统中某些元件损坏或回路发生故障及误操作等.各种失磁故障综合看起来,有以下几种形式：励磁绕组直接断路或经励磁电机电枢绕组闭路而引起的失磁,励磁绕组开路引起的失磁，励磁绕组经灭磁电阻短接而失磁，励磁绕组经整流器闭路（交流电源消失）失磁。

当发电机完全失磁时，励磁电流将逐渐衰减为零。而发电机的感应电动势随励磁电流的减小而减小，最终使发电机进入稳定的异步运行.

发电机异步运行对发电机本身、电力系统都有很严重的危害，因此发电机应装设失磁保护。

对于100MW以下不允许失磁运行的发电机自动灭此开关断开时，应联跳发电机断路器。

对于100MW以下但对电力系统影响重大的发电机和100MW以上的发电机应装设专用的失磁保护。

3。7励磁回路一点接地保护

发电机励磁回路绝缘破坏会引起转子绕组匝间短路和励磁回路一点接地故障以及两点接地故障。发电机励磁回路一点接地故障很常见，而两点接地故障也时有发生。励磁回路一点接地故障，对发电机并未造成危害，如果发生两点接地故障，将严重威胁发电机安全。

38

西安工程大学本科毕业设计（论文）

当发电机励磁回路发生两点接地故障时,由于故障点流过相当大的故障电流而烧伤转子本体：由于部分绕组被短接，励磁电流增加，可能因过热而烧伤励磁绕组；同时，部分绕组被短接后，使得气隙磁通失去平衡，而引起震动，特别是多级发电机会引起严重的震动甚至会造成灾难性的后果。

3。8复合电压启动的过电流保护

复合电压启动的过电流保护，它是低电压过电流保护的一个发展,其原理接线如图3-9所示。

KV1-—低电压继电器，接于线电压上,作为三相短路故障时的电压保护; KV2——负序过电压继电器，接于负序电压滤过器上，作为不对称故障时的电压保护;

过电流继电器和低电压继电器的整定原则与低电压启动过电流保护相同. 负序过电压继电器的动作电压按躲过正常运行时的负序滤过器出现的最大不平衡电压来整定，通常取

U2set0.06～0.12Un

图3-9 复合电压启动的过电流保护的原理接线图

39

西安工程大学本科毕业设计（论文）

复合电压启动过电流保护在不对称故障时电压继电器的灵敏度高，并且接线比较简单，因此应用比较广泛

3。9 发电机保护的整定计算

3.9.1 BCH—2型继电器构成的差动保护 1．G1—G4发电机纵差保护整定

保护动作电流应躲过外部短路时的最大不平衡电流,即

Ief=

p3Uefcos=

7510313.830.85=3。69(kA)

的数值比汽轮发电机大，其出口处发生三相对于水轮发电机，由于电抗Xd

短路的最大短路电流约为：

Idmax5Ief

则 Id.max=5Ief=5×3.69=18.85(kA)

IdzKKIbpjsKKKfzqKtxfiIdmax

=1.3×0。5×1×0.1×18。85=1.2(kA) 为避免保护在二次回路断线时误动作，保护电流应大于发电机的最大负荷电流，即

Idz=KkIe.f=1。3×3.69=4。79（kA）

则取Idz=4。79(kA）

则差动继电器的启动电流为

Idzj灵敏度校验

KKIefnl=

4.79kA=4。79A 1000 KsenIk.minIdz33Id.max18.852=2=3。42

4.79Idz40

西安工程大学本科毕业设计（论文）

(4）断线监视继电器的动作电流计算

为了防止电流互感器二次回路断线时差动保护误动作，装设断线监视继电器,其动作电流应大于发电机正常运行情况下的最大不平衡电流。但对该继电器来说，当电流互感器二次回路断线时，继电器热稳定的要求通常是确定它的动作电流的决定性条件。 因此，继电器动作电流为 Idz.j0.23.69Ief=0.20.74A

1000nl为了防止断线监视装置不正确动作，它的动作时限应大于发电机后备保护的时限.

2。 G0发电机纵差保护整定

（1）保护动作电流应躲过外部短路时的最大不平衡电流,即

Ief=

p3Uefcos=

24.5103310.50.85=1.58kA

由前可知 Id.max=5Ief=5×1。58=7。9kA

IdzKKIbpjsKKKfzqKtxfiIdmax

= 1。3×0.5×1×0.1×7。9=0。51 kA

（2）为避免保护在二次回路断线时误动作,保护电流应大于发电机的最大负荷电流,即

Idz=KkIe.f=1。31。58=2。05kA

则取Idz=2。05（kA）

则差动继电器的启动电流为

IdzjKKIefnl=

1.31.58kA=2.05A

1000(3）灵敏度校验 KsenIk.minIdz33Id.max7.923.332 =22.05Idz41

西安工程大学本科毕业设计（论文）

3.9。2 横联差动保护整定计算 单元件横差保护整定计算 1。G1—G4发电机纵差保护整定

Idz=Krel(Iunb1+Iunb2+Iunb3）

式中 Iunb1-额定情况下，同相不同分支绕组由于绕组之间参数的差

异产生的不平衡流，由于是三相之和，一般可取32％Ief。

Iunb2—磁场气息不平衡产生的不平衡电流,一般可取5%Ief. Iunb3-转子偏心产生的不平衡电流，一般可取10％Ief

则 Idz=1.5（32%Ief+5％Ief+10%Ief）

=1.5(32%3.69 kA+5%3.69 kA+10%3。69 kA） =1。16 kA

2。 G0 发电机纵差保护整定

Idz=Krel（Iunb1+Iunb2+Iunb3）

=1。5(32%Ief+5%Ief+10%Ief） =1。50.21Ief=1.50。211。58 kA =0。50 kA

3。9.3 复合电压启动的过电流保护

1。 G1—G4发电机复合电压启动的过电流保护整定 （1）.保护动作电流

Idz1.2Kh3.69kA=5.21kA Ie.f=0.85Kk式中 Ie.f- 发电机额定电流

42

西安工程大学本科毕业设计（论文）

Kk—可靠系数，采用1。2 Kh—返回系数，采用0。85

5.21kA继电器动作电流 Idz.jIdz==5。21A

1000n1（2）负序电压继电器按躲开正常运行时的不平衡电流整定 Udz.20.06Ue=0。06×13。8KV=0。828 KV

(3)接在相间的低电压继电器动作电压按躲过电动机自启动的条件整定，此外还应躲过失去励磁时的非同步运行的电压降

Udz(0.5-0。6)Ue=7.3KV

灵敏系数按后备保护范围末端段路进行校验

318.85kAId.min=2=3。131.2 Kfm=

5.21kAIdz2. G0发电机复合电压启动的过电流保护整定

1.21。58kA=2.23kA （1）.保护动作电流 IdzKhIe.f=0.85Kk2.23kA继电器动作电流 Idz.jIdz==2.23A

n11000(2)负序电压继电器按躲开正常运行时的不平衡电流整定 Udz.20.06Ue=0。06×10.5KV=0。63KV

（3）接在相间的低电压继电器动作电压按躲过电动机自启动的条件整定，此外还应躲过失去励磁时的非同步运行的电压降

Udz（0.5-0。6）Ue=5。5KV

（4） 灵敏系数按后备保护范围末端段路进行校验

37.9kAId.min=2=3.061。2 Kfm=

2.23kAIdz43

西安工程大学本科毕业设计（论文）

第4章 母线保护

4。1.母线保护配置原则

发电厂和变电所的母线是电力系统中的一个重要组成原件,当母线发生故障时‘使连接在故障母线上的所有元件在修复故障母线期间,或转换到另一组无故障的母线上以前被迫停电。此外,在电力系统中枢纽变变电所的母线上故障时，还可能引起系统稳定的破坏，造成严重的后果。 母线发生的短路故障可能是各种类型的接地和相间短路故障.母线短路故障类型的比例与输电线路不同。在输电线路的短路故障中,单相接地的故障约占故障总数的80%以上。而在母线故障中,大部分故障是有绝缘子对地放电引起的，母线故障开始阶段大多表现为单相接地故障，而随着电弧的移动，故障往往发展为两相或三相。

母线保护总的来说可以分为两大类型：①利用供电元件的保护来保护母线

②装设母线保护专用装置

图4—1 利用发电机过的电流保护切除母线故障

一般来说,不用采用专门的母线保护，而利用供电元件的保护装置就可以把母线故障切除。例如：

如图4。1所示的发电厂采用单母线接线,若接于母线的线路对侧没有电源，此时母线的故障就可以利用发电机的过电流保护的断路器跳闸予以切除。

如图4-2所示的降压变电站,其低压侧母线正常时分开运行,若接于母线上的

电路为馈

44

西安工程大学本科毕业设计（论文）

线电路，低压侧目线上的故障就可以由相应变压器的过电流保护使变压器断路器跳闸予以切 除；

如图4。3所示的双侧电源网络（或环形网络），当变压器B母线上k点短路时，则可以有保护1、4的第II段动作予以切除，等等。

图4-2 利用变压器过电流保护切除低压母线故障

图4-3 在双侧电源网络上，利用电源侧的保护切除母线故障

当利用供电元件的保护装置切除母线故障时,故障切除时间一般较长。此外，当母线同时运行或母线为分段母线时,上述保护不能保证有选择性的切除母线故障;当超高压枢纽变电站和大型发电厂母线为分段母线时,上述保护不能有选择性的切除母线故障。超高压枢纽变电站和大型发电厂的母线联系着各个地区系统和各台大型发电机组，母线发生短路直接破

坏了各部分系统之间或各台机组之间的同步运行，严重影响了电力系统的安全供电，.虽然母

线短路几率比输电线短路低得多，但一旦发生，后果特别严重。因此，对那些威

45

西安工程大学本科毕业设计（论文）

胁电力系统稳定运行、使发电厂厂用电及重要负荷的供电电压低于允许值（一般为额定电压的60%）的母线故障,必须有选择性的快速母线保护。 因此，在下列情况下应装设专门的母线保护：

（1) 在110kV及以上的双母线和分段母线上，为保证有选择性的切除一组(或段）母线上发生的故障,而另一组（或段）无故障母线仍能继续运行，应装设专门的母线保护。

(2) 110kV及以上的单母线上，重要发电厂的35kV母线或高压侧为110kV及以上的重要变电所的35kV母线，按照装设全线速动保护的要求必须快速切除母线上故障时，应装设专门的母线保护.

1.对220～500kV母线,应装设能快速有选择地切除故障的母线保护。 对3/2接线，每组母线宜装设两套相同原理的母线保护。 对220kV母线 ，一般还是一套母差，重要母线可考虑两套。 2。对变电所的35～110kV电压的母线，在下列情况下应装设专用的母线保护。

a.110kV双母线

b.110kV单母线,重要发电厂或110kV以上重要变电所的35kV母线，需快速切除母线上的故障时。

c.35kV电网中，主要变电所的35kV双母线或分段母线需快速切除一段或一组母线上的故障时。

3。装设专用的母线保护的条件

（1）在双母线同时运行或具有分断断路器的双母线或分断单母线，由于供电可靠性要求较高,要求快速而又有选择性地切除故障母线时，应考虑装设专用母线保护。

（2）由于电力系统稳定的要求,当母线上发生故障必需快速切除时，应考虑装设专用母线保护.

（3）当母线发生故障，主要电站厂用电母线上的残余电压低于额定电压的（50％～60％）时,为保证厂用电及其它重要用户的供电质量时，应考虑装设专用母线保护。

4。对母线保护的基本要求

46

西安工程大学本科毕业设计（论文）

应能快速、灵敏而有选择地将故障部分切除。对于中性点直接接地电网的母线保护,应采用三相式接线，以便反应相间短路和单相接地短路；对于中性点非直接接地电网的母线保护，可采用两相式接线，因为此时不需要反应单相接地故障.

4。2母线差动保护基本原理

为满足速动性和选择性要求母线保护都是按差动原理构成的。实现母线差动保护所必须考虑的问题是母线上一般连接较多的电器元件（如线路、变压器、发电机等）。所以就不能像发电机的差动保护那样只用简单的接线加以实现。但不管母线的元件有多少，实现差动保护的基本原理仍是适用的。即：

在正常运行及其母线以外的故障时，在母线上所有连接元件中，流入的电流和流出的电流相等,或表示为IPi=0；

当母线发生故障时，所有与母线连接的元件都向故障点供给短路电流或者流出残留的负荷电流，按基尔霍夫电流定律，IPiIK

从每个连接元件的相位来看，在正常运行及其外部故障时，至少有一个元件中的电流相位和其余元件中的电流相位是相反的。具体来说就是电流流入的元件中的电流的相位相反。而当母线故障时，出电流等于零的元件以外，其他元件中的电流时接近同位的。

根据原则（1）（2）可构成电流差动保护,根据原则(3）可构成电流比相式差动保护。

4。2。1母联电流比相式母线差动保护 (1）启动元件KST

启动元件接在除母联断路器外所有连接元件的二次电流之和回路中,它的作用是区分两组母线的内部和外部短路故障。只有在母线发生短路时，启动元件动作后整组母线保护才得以启动。 （2)选择元件KD

47

西安工程大学本科毕业设计（论文）

选择元件KD是一个电流相位比较继电器.它的一个线圈接入除母联断路器之外的其他连接元件的二次电流之和，另一个线圈则接在母联断路器的电流互感器二次侧。它利用比较母联断路器中电流与总差动电流的相位作为故障母线的选择元件.

图4—4 母联电流比相式母线差动保护原理接线图

线Ⅰ故障时和母线Ⅱ故障时，母联断路器中的电流相差180，而对于总差动电流，由于它反应母线故障的总电流，其相位是不变的。

主要优点：对母线上的元件就无需提出固定连接的要求,有利于用在连接元件切换较多的场合。

4。2.2具有比率制动特性的中阻抗母线差动保护

中阻抗型母线差动保护将高阻抗的特性和比率制动特性两者有效结合,中阻抗型母线保护采用了快速、灵敏、比率制动式电流差动保护方案，即具有低阻抗、高阻抗保护的优点，又避开了它们的缺点，在处理TA饱和方面具有独特优势。它以电流瞬时值作测量比较，测量元件和差动元件多为集成电路或整流型继电器,当母线内部故障时,动作速度极快，一般动作时间小于10ms，因此又被称为“半周波继电器”。实践证明,目前中阻抗式母线保护是一种最好的保护方案。在我国电力系统中得到了广泛的应用.

48

西安工程大学本科毕业设计（论文）

将比率制动的电流型差动保护应用于母线，动作判据可为最大值制动；

•IiKresIiIset0maxi1 i1,2,3,,n （4-1）

•n 式中 Ii--母线各连接元件TA二次电流值； Kres——制动系数。 或动作判据为模值和制动:

••IiKresIiIset0i1 i1 i1,2,3,,n (4-2)

•

nn当母线外部短路而使故障支路的TA严重饱和时,该TA二次电流接近于零,使式（4—1）和式（4-2)中失去一个最大的制动电流.

克服措施:在差动回路中适当增加电阻（如图4—5)，使第n条故障支路TA的二

次回路仍流

图4-5 母线外部短路时高阻抗母线差动保护等值电路

过电流，此电流从其他支路流入，起制动作用.

由于保留了比率制动特性，这种保护差动回路的电阻不必像高阻抗母线差动保护的差动回路内阻那么高,也就不需要有限制高电压的措施。

49

西安工程大学本科毕业设计（论文）

4.2.3双母线的差动保护

对于双母线，经常是以一组母线运行的方式工作,在母线上发生故障后，将造成全部停电,需要把所连接的元件转换至另一组母线上才能恢复供电，这是一个很大的缺点。因此，对于发电厂和重要变电所的高压母线，大多采用双母线同时运行（即母线联络断路器经常投入），每组母线上约1/2的供电和受电元件。这样当任一组母线上出现故障时，只需切出故障母线，而另一组母线上的连接元件仍可继续运行，所以大大提高了供电可靠性.对于这种同时运行的双母线，要求母线保护应能判断母线故障，并具有选择母线故障的能力. 1. 元件固定连接的双母线电流差动保护

KD1TA6QF2KD2QF5TA5QF3QF4KD3TA3TA4图4—6 元件固定连接的双母线电流差动保护原理接线图

元件固定连接的双母线电流差动保护单相原理接线如图4—6所示,整套保护有由三组差动保护组成,每组由启动元件和选择元件组成。第一组由选择元件电流互感器TA1、TA2、TA5和差动继电器KD1组成，用以选择母线Ⅰ上的故障，动作后准备跳开母线Ⅰ上所有连接元件的短路器QF1、QF2;第二组由元件电流互感器TA3、TA4、TA6和差动继电器KD2组成，用以选择母线Ⅱ上的故障，动作后准备跳开母线Ⅱ上所有连接元件的断路器QF3、QF4。第三组是由电流互感器TA1 、TA2 、TA3 、TA4 、TA5、 TA6 和差动继电器KD1组成的一个完全电流

50

西安工程大学本科毕业设计（论文）

差动保护(总保护），它反映两组母线上的故障，当任一组母线发生故障时,它都会动作,动作以后母联断路器QF5；而当母线故障时，它不会动作;在正常运行方式下，它作为整套保护的启动元件;当固定接线方式被破坏及保护范围外部故障时，可防止保护的非选择性动作。

保护动作情况说明如下：

在元件固定连接方式下，当正常运行及母线外部(如图4-7中k点）故障时，

流经差动继电器KD1、 KD2和KD3的电流均不为不平衡电流，其值小于保护的整定值，保护不会动作.

当任一组母线如母线Ⅰ短路时，如图如图4—8所示，有电流分布情况可见，差动继电器KD1和KD3中流入全部故障电流,而KD2中为不平衡电流,所以KD1和KD3启动。KD3动作后，使母联断路器QF5跳闸，KD1动作后可使断路器QF1和QF2跳闸，并发出相应信号。这样就把发生故障的母线Ⅰ从电力系统中切除了，而没有故障的母线Ⅱ仍可继续运行。同理可分析出母线Ⅱ上某点短路时，只有KD2和KD3动作，使断路器QF3、QF4、QF5跳闸切除故障母线.

KKD2IIIKD3 图4-7 按正常连接方式运行时,保护范围外部故障时电流分布

元件故障连接方式被破坏时,保护装置的动作情况将发生变化。如将母线Ⅰ

上的L2切换至母线Ⅱ工作时(图上未画出切换开关），由于差动保护的二次回路不能随着切换，所以按原有接线工作的两母线的差动保护都不能正确反映母线上

51

西安工程大学本科毕业设计（论文）

实际连接元件的故障电流，在差动继电器KD1和KD2中将出现差电流。在这种情况下,当母线外部故障时，差动继电器KD3中仍通过不平衡电流，所以不动作。当任一组母线发生故障时，三个差动继电器都通过故障电流，使所有断路器都跳闸，将两组母线都切除，造成保护的非选择性动作。

KD1121KD2KIIIKD33图4—8 按正常连接方式运行时，I母线上故障时电流的分布

综上所述，当双母线按照元件固定连接方式运行时，保护装置可以保证有选择性的只切除发生故障的一组母线，而另一组母线仍可继续运行；当元件固定连接方式被破坏时，任一组母线上的故障都将导致切除两组母线,使保护失去选择性。所以，从保护角度看，希望尽量保证元件固定连接方式不被破坏，这就必然限制了电力系统调度的灵活性，这是这种母线保护的主要缺点。 2. 具有比率制动特性的中阻抗母线差动保护

中阻抗型母线差动保护将高阻抗的特性和比率制动特性两者有效结合，中阻抗型母线保护采用了快速、灵敏、比率制动式电流差动保护方案，即具有低阻抗、高阻抗保护的优点,又避开了它们的缺点，在处理TA饱和方面具有独特优势。它以电流瞬时值作测量比较，测量元件和差动元件多为集成电路或整流型继电器，当母线内部故障时，动作速度极快，一般动作时间小于10ms,因此又被称为

52

西安工程大学本科毕业设计（论文）

“半周波继电器”。实践证明，目前中阻抗式母线保护是一种最好的保护方案。在我国电力系统中得到了广泛的应用。

将比率制动的电流型差动保护应用于母线，动作判据可为最大值制动;

•IiKresIiIset0 i1,2,3,,n (4—3) maxi1•n 式中 Ii—-母线各连接元件TA二次电流值； Kres-—制动系数。

•或动作判据为模值和制动：

•IiKresIiIset0 i1,2,3,,n (4-4） i1i1•nn当母线外部短路而使故障支路的TA严重饱和时，该TA二次电流接近于零，使式（4-1）和式（4—2)中失去一个最大的制动电流。

克服措施：在差动回路中适当增加电阻（如图4—5）,使第n条故障支路TA的二次回路仍流过电流,此电流从其他支路流入,起制动作用。

4。3母线保护整定计算

差动继电器的动作电流按如下条件考虑，并选择其中较大的一个躲开外部故障时所产生的最大不平衡电流,当所有的互感器均按10％误差曲线选择,且差动继电器采用具有速饱和铁芯的继电器时，其动作电流可按下式计算当外部发生短路时；

53

西安工程大学本科毕业设计（论文）

已知xG*0.20 uk=10% 取UB242KV SB=100WVA 则 将发电机和变压器的电抗标幺值折算到变压器二次侧的值为: 变压器T1-T4阻抗标幺值 发电机G1—G4阻抗标幺值

XT*14=0。1090=0.105 XG*14=0。20750.27

100=0.31 31.5100100XD4*XD3*XD2*XD1*XG*+XT*=0.105+0。27=0。375

变压器T0阻抗标幺值 XT*0=0.10发电机G0阻抗标幺值 XG*0=

1000.81 24.5XD*0=XT*0+XG*0=0.31+0.81=1。12

XD*XD4*//XD3*//XD2*//XD1*//XD0*0.47//0。47//0.47//0.47//1.12=0。106

Id.max=10012.6kA

32200.1061.30.12.6kA0.28A

1200IdzKrel0.1Id.max/KTA=

式中 Krel—可靠系数，取为1.3

流过Id.max—在母线范围外任意连接元件上短路时，TA一次侧的最大短路电流

KTA—母线保护用电流互感器变比

（2）动作电流应大于连接元件中的最大的负荷电流

1.3214.7A=0.23A

1200IdzKrelIL.max/KTA=

54

西安工程大学本科毕业设计（论文）

故动作电流Idz=0。28A

(3）当保护范围内部故障时，采用下式校验灵敏系数

KsenIK.min2 Isz式中,IK.min应采用实际运行时可能出现连接元件最少时，在母线上发生故障的最小短路电流的二次值。

第5章 继电保护二次回路设计

5.1 二次回路的基本概念

1。二次回路

变电所的电气设备根据其功能分为一次设备和二次设备。一次设备是指和生产、变换、输送、分配电能直接相连接的电路中使用的设备,如发电机、变压器、电动机、断路器、隔离开关、电抗器、避雷器、母线、电力电缆、接地装置等。由一次设备按需要连接而成的电路，称为一次电路.

为保证一次电路的安全、可靠、经济运行而设置的为一次电路服务的测量,计量、控制、信号，继电保护、 自动装置等回路统称为二次回路,或称为二次接线。二次回路按照功能可分为控制回路、信号回路、测量回路、保护回路、 自动和远动装置回路等;按照电流类别分为直流回路,交流回路和电压回路。二次回路中所用的设备称为二次设备，如电压互感器、电流互感器、测量表计、继电保护装置、 自动装置、直流设备等.

虽然继电保护和自动、远动装置属于二次回路范畴，但由于其本身内容较多，已自成体系，故习惯上单独研究. 2.二次回路接线图

二次回路接线图是用二次设备特定的图形符号和文字符号，表示二次设备互相连接的电气接线图。在实际工作中,要借助于二次接线图,了解二次回路的工作原理，以便对二次设备进行安装、接线、查线、试验以及运行维护。 二次接线图的表示法有三种: ①归总式原理接线图，简称原理图；

55

西安工程大学本科毕业设计（论文）

②展开式原理接线图，简称展开图； ③安装接线图。

对于继电保护，通常上述三种二次接线图都要有；对控制,测量、信号等回路，一般只需展开接线图和安装接线图。

5。2 二次保护回路全图

5。2。1 主变压器保护全图 图5-1为主变压器配置图。

56

西安工程大学本科毕业设计（论文）

本设计的主变压器是容量为90000kVA的双绕组升压变压器，该变压器装有下列保护：

（1）纵联差动保护。作为变压器的主保护。

（2）瓦斯保护.它是反应变压器油箱内故障的主保护，并能反应油面降低。瓦斯保护由瓦斯继电器KG组成。轻瓦斯作用于信号。重瓦斯作用于跳闸，也可利用切换片SO改为作用于信号。

（3)零序过电流保护。作为变压器接地故障及高压电网中接地故障的后备保护.

57

西安工程大学本科毕业设计（论文）

（4）低电压启动的过电流保护。反应外部故障引起的过电流及作为发电机内部相间短路的后备保护。动作于主变压器断路器及分段断路器或母联断路器跳闸，而以较长时限动作于发电机跳闸，以提高供电的可靠性。 （5）过负荷保护。该保护也作为变压器的后备保护。 图5-2为主变压器二次回路图

58

+-0102KD1KD2KD3KGSOKHKH2RKH1XB1KOF

KD3

纵联差动KAoXB2KMLKML1LHKD1KD21LH1LH纵联差动瓦斯2LH2LH2LHKH3KT1零序过电流3LHKAoKV零序过电流KA1KA2KA3KT2KT2KH4XB2KOF复合电压 启动的 过电流4LHKA14LHKA24LHKA3复合电压 启动的 过电流直流回路交流回路abc++KGKHKH1②①⑥复合回路KMLQ1瓦斯KH2西安工程大学本科毕业设计（论文）

KNVKV电压回路断线KH4掉牌未复归信号回路59

西安工程大学本科毕业设计（论文）

5.2.2 发电机保护全图 图5—3为发电机配置图。

本设计所用发电机型号为SF320-48/1280—G，该发电机装设了如下保护： （1)横差动保护。反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路。作为发电机保护保护的主保护

（2)横差动保护。反应发电机定子绕组的匝间短路.

（3）零序过电流保护。对50MW及以上容量的发电机,通常应装设负序电流保护,作为外部相间短路的远后备保护及内部相间短路的近后备保护。采用零序电流保护因正常运行时无负序电流、保护的动作值可以取得很小，从而可以大大提高保护反应的不对称短路的灵敏性,还可防止转子过热。 （4)励磁回路一点接地保护。全厂共用一套.

(5)失磁保护。对于100MW以下不允许失磁运行的发电机自动灭此开关断开时，应联跳发电机断路器。 (6)100％定子绕组接地保护。

图5—4为发电机保护的部分接线图.

60

西安工程大学本科毕业设计（论文）

61

+-KD1KD2KD3KA4SOKT1KH1XB1KD3EB1LHaKD1KD2KOF1LHb1LHcKSB 纵差动断线监视KT1XB2KH2 纵差动3LHaKA5KA13LHbKA23LHcKA3横差动4LHKA4横差动KFKMHKA6KT2KH3XB3负序过电流交流回路经专用碳刷检发电机轴XB4励磁回路一点接地直流回路+R1KSBFU1SBK差动断线KMH-2KEC2TM4C1～220kVHL18+KH1KH2KH3KMHWEGFU2西安工程大学本科毕业设计（论文）

SD掉牌未复归励磁回路一点接地保护信号回路

62

西安工程大学本科毕业设计（论文）

第6章 结论

本次水电站设计主要是电气二次部分，它主要包括水电站的大型发电机保护、变压器保护、母线保护的配置、整定计算及二次回路图。概括来说,首先根据设备的容量、型号等相关资料分析可能出现的故障问题;其次根据保护的配置原则，确定该设备所需要的保护;然后通过查询《电气工程设计手册电气二次部分》进行整定计算;最后根据计算结果选择最具可靠性、安全性、动作最灵敏的保护继电器,并按照要求画出二次回路图.

继电保护整定计算是电力系统生产运行中一项重要的工作.随着电网规模的不断扩大,电网结构日趋复杂，电力系统整定计算的工作量和复杂程度也越来越大。在本次毕业设计的过程中，通过查阅相关书籍，使我对保护的原理有了更深的理解,扩充了我的知识；在画二次回路图时，通过请教同学和老师，使我更加熟练的运用AutoCAD软件画出了规范的二次回路图。

从总体上来说，我对自己的成果还是比较满意的，基本上达到了老师的要求。这段时间我翻阅了许多的书籍，从对水电站的生疏，到了解，再到深入研究，使我第一次完成了一件实际应用的设计。不过由于本人经验、阅历、实际操作能力有限，难免存在一些不尽人意的地方请各位老师指点.

63

西安工程大学本科毕业设计（论文）

参 考 文 献

[1] 韩笑、宋丽群。《电气工程专业毕业设计指南 (继电保护分册)》、第二版，

北京：中国水利水电出版社，2008

[2］ 李光琦.《电力系统暂态分析》、第三版，北京：中国电力出版社2007 ［3］ 张保会、尹项根.《电力系统继电保护》，北京：中国电力出版社，2005 ［4] 刘增良、刘国亭.《电气工程CAD》、第二版，北京:中国水利水电出版社，

2007

［5］ 卓乐友.《电气工程设计手册电气二次部分》，北京：中国电力出版社,1989 [6] 崔家佩等.《电力系统继电保护与安全自动装置整定计算》，北京：中国电力

出版社，1993

[7］ 为群、陶然。《继电保护自动装置及二次回路》、第二版，北京：中国电力

出版社，2006

[8] 周秉功.《继电器选型手册》,机械工业出版社，1998

64

西安工程大学本科毕业设计（论文）

致 谢

本次毕业设计论文是在我的辅导老师邵文权的悉心指导下完成的。他严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我.从课题的选择到论文的最终完成，邵老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，在此谨向邵老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

经过近两个月的忙碌，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个毕业设计，由于经验的匮乏,难免有许多考虑不周全的地方,如果没有导师的督促指导，以及同学们的支持，想要完成这个设计是很困难的。 在这里首先要感谢我的指导老师邵老师。他平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。其次要感谢和我一起作毕业设计的同学，他们在本次设计中帮我解决了很多困难。最后还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是由于你们的帮助和支持,我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成.

在论文即将完成之际，我的心情无法平静,从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助,在这里请接受我诚挚的谢意！最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母,谢谢你们！

65

西安工程大学本科毕业设计（论文）

西安工程大学

本科毕业设计（论文）

诚信声明

禀承学校优良传统学风，保持我校学生一贯诚信风尚，本人郑重声明:所呈交毕业设计（论文）是在指导老师的指导下独立完成的，无抄袭和剽窃现象。

特此声明。

学生签名:安盼 指导教师签名： 日 期:2010.06.16

66