毕业论文-发电厂保护原理及其整定计算的研究.doc

临沂大学2016届本科毕业设计
2016届 　 分 类 号：
　　　　　　　　　　　　　　　　　 单位代码：10452

毕业论文（设计）

发电厂保护原理及其整定计算的研究

姓 名　 　　　　　 　　
　　　　　　 学 号　　　
　　　　　　　年 级　 　　　
　　　　　　　专 业　　 电气工程及其自动化
　　　　　　　系　（院）　　 汽车学院
　　　　　　　指导教师　

2016年 月 日
16

摘 要
随着电力工业的不断发展，发电厂规模和发电机容量也随之不断扩大，随之而来的是由于继电保护设备的不断更新，我国线路保护在理论、装置制造和运行管理等方面都有了较高水平，但是元件保护却不尽人意，其研究、运行以及管理都与线路保护有较大的差距。因此，如何在熟悉保护原理的基础上对大型发电机变压器进行合理的保护配置和正确的整定计算以及提高元件保护的运行水平已成为一个十分重要的课题。
本文首先研究了发电厂主设备的主保护的原理和整定计算方法,包括发电机、变压器、发电机变压器组、电动机等主设备。
其次发电机的主保护主要介绍了发电机主保护分析、发电机转子匝间短路或两点接地分析、发电机其它保护分析。
变压器的保护整定计算中,本论文着重对变压器主保护和后备保护两个方面进行阐述
本文最后对新形势下大型发电机变压器保护的发展方向进行了一定展望。

关键字: 发电机；变压器；主保护；整定计算

Abstract

With the continuous development of power industry, power plant scale and the capacitance of the generator is also increasing, the attendant is due to the continuous update of relay protection equipment, line protection in China in theory, device manufacturing and operating management have higher level, but is unsatisfactory protection element, its research, operation and management are with the line protection have larger gap. Therefore, how to in the familiar protection principle based on the large generator transformer were reasonable protection configuration and correct setting calculation and improve operation element protection has become a very important issue.
Firstly, this paper studies the main power plant equipment protection principle and setting calculation method, which comprises a generator, transformer and generator transformer unit, motors and other main equipment.
Secondly the main protection of the generator is mainly introduced the generator main protection analysis, generator rotor turn to turn short circuit or two point grounding analysis, generator other protection analysis.
Protection setting calculation of transformer, this paper focuses on two aspects of transformer main protection and backup protection
In the end of this paper, the development direction of large generator transformer protection under the new situation is prospected.
Keywords: Electric generator; Voltage transformer; Main protection; Setting calculation

目 录
1绪论 4
1.1问题的提出 4
1.2发电厂继电保护及整定计算的发展和现状 5
2 发电机保护原理 5
2.1 发电机差动保护 6
2.1.1 比率制动式纵差保护 6
2.1.2 不完全纵差保护 7
2.1.3 横差保护 8
2.2 发电机转子匝间短路或两点接地保护 8
2.3 发电机失磁保护 9
3变压器保护原理 9
3.1变压器内部故障的主保护整定计算 10
3.1.1 变压器瓦斯保护 10
3.1.2 变压器纵差动保护整定 11

1绪论
1.1问题的提出
发电厂继电保护装置是电力系统安全保障体系的重要组成部分。电力系统的发展，电网结构的日趋复杂以及大容量机组的系统中的不断应用，都对电网和电力设备的安全稳定运行提出了更高的要求，当系统由于自然的、人为的或设备故障等原因，使发电厂的某处发生故障或不正常运行状态时，继电保护装置能迅速将故障部分切除，以保证发电厂及电力系统运行的稳定性，并最大限度地使发电厂的非故障部分继续可靠地供电。国内外无数实例证明，继电保护装置是发电厂电力系统安全运行的保证，它们在电力系统的安全稳定运行中发挥着非常重要的作用。
保护定值的整定计算是电力系统继电保护工作的一个重要组成部分。保护定值的正确与否决定着保护装置能否发挥作用，从而决定着能否避免事故的进一步扩大。无论保护装置采用的原理如何先进，算法如何精确，硬件设计多么严密可靠，如果给定的定值是不可靠的，则保护装置就不能正常工作。
经调查发现，其中2003年 100MW 及以上发电机保护正确动作率为 97.02%，比 2002 年的正确动作率(98.32%)下降了 1.3 个百分点。其中，差动保护和接地保护的不正确动作次数较多。2004 年全国电网交流系统全部继电保护装置正确动作率为 99.88%。元件保护装置正确动作率为 90.16%，比 2003 年的正确动作率90.43%下降了 0.27%。其中100MW 及以上发电机保护正确动作率为 97.76%。2000 年~2004 年发电机保护动作情况见表 1-1。
可见，2000 年~2004年发电机保护平均正确动作率 97.73%较 220k V 及以电网保护的正确动作率 99.21%还有一定距离。造成发电机保护不正确动作的主要原因有运行维护管理方面的责任（如：运行维护不良、误整定、绝缘老化等），有制造部门的责任（如制造质量不良、原理缺陷等、软件问题、其他等），以及设计部门的责任（设计接线不合理）等。其中误整定是造成这种局面的一个重要原因。
因此，做好继电保护整定计算工作对于满足电网对继电保护装置提出的四性要求，充分发挥继电保护装置的性能和保证电力系统的安全运行具有重要意义。
表1-1 2000年—2004年100MV及以上发电机保护正确动作率统计
年份
动作总次数
正确动作次数
不正确动作次数
正确动作率
%
误动
拒动
2000
648
629
18
1
97.07
2001
878
862
16

98.18
2002
772
759
13

98.32
2003
638
619
19

97.02
2004
581
568
13

97.76
总计
3517
3437
79
1
97.73
1.2发电厂继电保护及整定计算的发展和现状
以前发电厂继电保护主要以人工手算方法为主这是一项十分繁重的工作，通常得经过以下几步：对发电厂设备参数进行标幺值计算；对各序网网络化简得到短路点的各序综合阻抗；根据故障类型计算故障点的各序电流；计算待计算支路的电流或节点电压，并进行标幺值和有名值的转换；根据所选保护原理、当前用户的经验、上述故障分析结果进行保护整定计算；生成定值单。从以上过程可以看出，以人工手算为主的整定方式工作负荷是非常大的，而且当系统的结构或保护设备发生变化时，又要重新进行计算。
随着计算机技术的飞速发展，使得原有发电厂继电保护水平得到了很大改善，从 20 世纪 70 年代开始，继电保护整定计算从人工手算进入了利用数字计算机进行计算的新时期。我国有关部门陆续开展了应用计算机进行继电保护整定计算的研究工作，出现了依靠人工经验的图形化整定计算程序，并逐步发展到整定计算及定值通知单形全过程一体化整定计算阶段。
目前国内所用的主设备保护装置的生产厂家多而杂，因此现场采用的保护装置类型繁多，相应的整定计算也不尽相同。保护原理及其配置方案各异，微机保护的整定量大，整定工作复杂，如一般一台发电机和变压器系统所配备的保护就有 40 余种，人工整定计算费时，考虑到目前电力系统的改革和讨论较多的主设备保护的双重化，造成定值的管理难度也大；而且又由于主设备内部故障，各种故障电量和非电量的分析非常复杂，目前的故障分析水平还只局限于设备引出端，所以整定过程非常依赖整定人员的经验，而每一个整定人员的经验是有差别的；所以对于电厂而言，拥有一套能用于整定计算不同型号的主设备、不同厂家保护装置的整定系统具有很大的实用价值。
目前国内发电厂主设备保护的现状是：一方面多种形式保护并存。新建的电厂、电站多采用微机保护，而老电厂还存在着各种电磁型、晶体管、集成电路保护，这些传统保护正在不停地更换为微机保护。另一方面发电厂主设备保护整定计算还多采用传统的手工计算，整定系统应用相对滞后。
2 发电机保护原理
大型发电机组是现代电力系统最重要的组成部分之一,它造价昂贵,结构复杂,一旦故障,检修期长,给国民经济造成的直接或间接经济损失巨大。作为大型发电机内部故障的主保护,它的拒动或误动,均将产生严重后果,因此,应该针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。
发电机的故障类型主要有:定子绕组相间短路；定子一相的匝间短路；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。
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；由于负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；由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；由于突然甩负荷而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起的转子绕组过负荷由于汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率等。
因此,大型发电机应当既有相间短路保护,也有匝间短路保护。
2.1 发电机差动保护
发电机的差动保护有纵差保护和横差保护之分。纵差保护又有完全纵差保护和不完全纵差保护。发电机各种差动保护功能比较见表2-1

表2-1 发电机各种差动保护功能对比
发电机差动保护
纵差保护
横差保护
完全差动
不完全差动
适用于发电机，反映匝间短路和机内绕组相间短路
适用于任意发电机，反映绕组相间短路
适用于定子绕组每相有两分支和多分支，反映绕组相间短路、匝间短路

2.1.1 比率制动式纵差保护
纵差动保护是发电机内部相间短路故障的主保护。如图所示为无制动特性的发电机纵联差动保护原理接线。它应快速而灵敏地切除内部所发生的故障。同时，在正常运行及外部故障时，又应保证动作的选择性和工作的可靠性。满足这些要求是确定纵联差动保护整定值的原则。无制动特性的纵联差动保护起动电流要躲开电流互感器（TA）断线及外部故障时的最大不平衡电流整定，其值较高，保护灵敏度较低。这种保护一般用于中小型发电机，而对于100MW及以上的发电机，广泛用于具有比率制动特性的纵联差动保护。

（发电机纵联差动保护原理接线）

当纵联差动保护区外发生短路故障时，按照图中所示极性关系可知，流入制动线圈Wres1 、Wres2的两个电流大小相等、方向相同，制动回路有输出；而流入工作线圈WW的电流为零，差动回路无输出。因此，纵联差动保护不动作。
当纵联差动保护区内部发生短路故障时，如果流入制动线圈Wres1、Wres2的两侧短路电流大小相等、方向相反，则两侧制动线圈的制动作用相抵消；而流入工作线圈WW的电流为两侧电流之和，差动回路有输出；因此，纵联差动保护动作于跳闸。
当工作线圈匝数NW与制动线圈匝数Nres1、Nres2的关系为Nres1=Nres2=NW/2时，保护的动作量Iop与制动量Ires分别为
Iop=

2.1.2 不完全纵差保护
传统的纵差保护只能对发电机及其引线的相间短路有效，而匝间故障不能保护，功能较窄。近年来国外又提出不完全纵差保护方案，并在大型水轮机中得到初步应用，该保护综合传统横差和纵差保护的原理，将传统纵差保护的中性点侧按相安装的互感器改接在每相的部分并联分支电路中，从而将保护功能扩大为对相间、匝间短路及分支开焊均起作用的一种新保护，它可以作为发电机内部故障的第二主保护和引线故障的第一主保护。当然这种功能扩展是以原单项性能折衷为代价的，即对于某些部位的相间或匝间短路不完全差动保护方案的灵敏度将低于纵差保护。
必须指出不完全纵差保护应审慎地在分支数大于的多分支大型发电机上采用。因为每相分支数很多时,某个不装设互感器的分支发生故障,在装设互感器的那些非故障分支中的电流可能很小,不完全纵差保护有可能拒绝动作。
不完全纵差保护的制动电流可考虑仅接入机端相电流,这样简化不影响外部短路的制动作用,但在内部短路时有一定的提高灵敏度的好处。
2.1.3 横差保护
横差保护可以作为发电机内部匝间短路、相间短路和定子绕组开焊的主保护。根据具体的原理和实现方式来分,横差保护主要有单元件横差保护、高灵敏单元件横差保护和裂相横差保护。单元件横差保护和高灵敏横差保护在现场中应用较多。采用装设于两中性点之间的构成的横差保护为单元件横差保护在发电机电动势波形畸变时,尤其在外部故障情况下,中将出现以三次谐波为主的高次谐波分量,所以单元件横差保护具有较高的三次谐波滤过比,其中高灵敏单元件横差保护的更高。它们的整定量有动作电流工。和延时。动作电流的整定算法见一,其中Kap为暂态系数,一般取2,Iunb.1.max、IUNB.3.max分别为外部短路时流过
的基波、三次谐波零序电流最大值,通常需要对发电机做常规短路试验,绘制相关的基波一试验电流、三次谐波一试验电流的波形,从而推算Iunb.1.max、Iunb.3.max,K3为三次谐波滤过比。
4999
横差保护设定延时主要考虑到转子回路短时两点接地造成横差误动的情况。当发电机转子回路两相接地时,转子回路磁平衡破坏,在定子绕组的并联分支中将感应出不同的电势,从而使并联分支中性点的连线上通过
较大电流,使横差保护误动。通常延时整定为0.5s~1s。
2.2 发电机转子匝间短路或两点接地保护

发电机发生转子一点接地如来不及处理，就可能发生转子两点接地保护，发生两点接地后，故障特征和机理就和转子匝间短路是一样了。
同步发电机转子匝间短路是一种常见的电气故障，发生这种故障的主要原因有：(1) 发电机启、停时的离心力或负荷变化所引起的热胀冷缩，使转子线圈发生位移、变形或局部绝缘损坏，造成匝间短路；(2) 检修或运行时在转子绕组的通风槽内落入异物，造成转子线圈匝间短路；(3) 制造质量较差转子线圈有毛刺或留有异物颗粒等，都可能在运行中导致转子线圈匝间短路。虽然发电机在轻微转子匝间短路故障时仍可在一定条件下坚持运行，但当发展到一定程度时，会因匝间短路，减弱发电机有效磁场，在同样运行工况下需要较大的励磁电流，甚至可能因此而降低发电机的出力或由于不对称短路导致振动加剧。此外，短路点处的局部过热可能使故障进一步扩大为转子绕组接地故障。
转子一点接地时由于没有形成闭合通路，励磁绕组参数没有改变，所以不会造成直接的危险，然而如果再发生第二点接地，即形成两点接地，此时一部分励磁绕组被短接，便会烧坏绕组绝缘及铁芯，而且由于转子磁通的对称性受到破坏，会引起机组的振动，振动的程度与励磁电流的大小及短接线圈的多少有关，在多极水轮机上振动尤为严重。
由上可知，发生转子线圈匝间短路故障占故障总数的比重较大，较多的发电机都发生过或存在转子线圈匝间短路故障，由于其对机组正常运行影响不大或故障特征不明显，许多匝间短路故障都被忽略了，但长期运行下去匝间短路故障会导致转子线圈一点甚至两点接地，而且发电机长期运行在故障状态也会对其寿命产生影响，导致恶性事故的发生。

2.3 发电机失磁保护
失磁保护整定量有高压母线或发电机机端低电压定值Uop.l，见式（3-14），
Uh 为高压侧母线或发电机机端额定电压。

现场应用较多的失磁保护阻抗继电器有静稳阻抗圆和异步阻抗圆。静稳阻抗圆为发电机处于临界失稳状态时的阻抗圆，进入静稳阻抗圆将会对发电机和系统造成危害。异步阻抗圆为发电机进入异步运行状态所对应的阻抗圆。由于水轮发电机通常不允许异步运行，即使大型的汽轮发电机也仅在一定条件下允许异步运行。在现场中不同厂家的保护装置整定方法有所不同，具体整定计算公式见（3-15），其中'dX 、dX 、qX 分别为发电机暂态电抗、同步电抗和交轴电抗，nU
为发电机机端额定线电压，nS 为发电机额定视在功率，conX 为发电机与系统间的联系电抗（包括升压变压器阻抗）。
（见2006 111）

3变压器保护原理
变压器保护主要包括
1瓦斯保护：防止变压器油箱内各种短路故障和油面降低,其中重瓦斯跳闸、轻瓦斯发信号。
2 纵联差动保护和电流速断保护：防止变压器绕组和引出线多相短路、大接地电流系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路。
3 相间短路的后备保护（包括过电流保护）：防止变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和差动保护的后备。
4 零序电流保护：防止大接地电流系统中变压器外部接地短路。
3.1变压器内部故障的主保护整定计算
变压器的内部故障可以分为油箱内和油箱外两种。油箱内的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁心的烧损等,对变压器讲,这些故障都是十分危险的,因为油箱内产生的电弧,将引起绝缘物质的剧烈气化,从而可能引起爆炸,因此,这些故障应该尽快加以切除,油箱外的故障,主要是套管和引出线上发生相间短路和接地短路。
根据上述故障类型,对变压器应装设下列保护。
3.1.1 变压器瓦斯保护
瓦斯保护是变压器油箱内部故障的一种主要保护,特别是铁芯故障。无论差动保护或其他内部短路保护如何改进提高性能,都不能代替瓦斯保护。
瓦斯保护是反应变压器油箱内各种故障的主保护。当油箱内故障产生轻微瓦
斯或油面下降时,瓦斯保护影瞬时动作于信号当产生大量瓦斯时,应顺势动作于断开变压器各侧断路器。
瓦斯保护动作于信号的轻瓦斯部分,通常按产生气体的容积整定。对于容量10MVA及以上的变压器,整定容积为250~300ml。
瓦斯保护动作于跳闸的重瓦斯部分,通常按通过气体继电器的油流流速整定。流速的整定与变压器的容量、接气体继电器的导管治警、变压器冷却方式、气体继电器的型式等有关。

变压器容量
KVA
气体继电器形式
连接导管内径
mm
冷却方式
动作流速整定值 m/s
1000及以下
QJ-50
50
自冷或风冷
0.7~0.8
7000~7500
QJ-50
50
自冷或风冷
0.8~1.0
7500~10000
QJ-80
80
自冷或风冷
0.7~0.8
10000以上
QJ-80
80
自冷或风冷
0.8~1.0
200000以上
QJ-80
80
强迫油循环
1.0~1.2
有载调压开关
QJ-25
25

1.0
表3-1 瓦斯保护油流动作流速整定表
3.1.2 变压器纵差动保护整定
纵差保护是变压器内部故障的主保护,主要反映变压器油箱内部、套管和引
出线的相间和接地短路故障,以及绕组的匝间短路故障。

变
压
器
纵
差
保
护
两侧差动
适用于双绕组变压器，反映变压器内部故障
多侧差动
适用于三绕组变压器（发变组）
分侧差动
分别变压器各绕组装设差动保护，反映相间和单相短路
零序差动
适用于220~500KV大型变压器，反映单相接地故障
表3-2 变压器各种差动保护对比

一般情况下,整定变压器纵差保护,需做两种运行方式下的短路电流计算。一种是在系统最大运行方式下变压器外部短路时,计算通过变压器纵差保护的最大穿越性短路电流通常是三相短路电流,其目的是为计算差动保护的最大不平衡电流和最大制动电流。另一种是在系统最小运行方式下,计算纵差保护区内最小短路电流两相或单相短路电流,其目的是为计算差动保护的最小灵敏系数。
带比率制动特性的纵差保护的动作特性,通常用直角坐标系上的一条折线表示。该坐标系纵轴为保护的动作电流Iop，横轴为制动电流Ires，如图所示。折线ACD的左上方为保护的动作区,折线右下方为保护的制动区。

Iop

D

C

A

O

B
Iop..max
Ires.max
Ires

图纵差保护动作特性曲线图

这一动作特性曲线由纵坐标OA,拐点的横坐标OB,折线的斜率三个参数所确定。表示无制动状态下的动作电流,既保护的最小动作电流标、。表示起始制动电流。动作特性三个参数,目前在工程实用上有两种整定计算方法,现分述如下。

请删除以下内容，O(∩_∩)O谢谢！！！The origin of taxation in the United States can be traced to the time when the colonists were heavily taxed by Great Britain on everything from tea to legal and business documents that were required by the Stamp Tax. The colonists' disdain for this taxation without representation (so-called because the colonies had no voice in the establishment of the taxes) gave rise to revolts such as the Boston Tea Party. However, even after the Revolutionary War and the adoption of the U.S. Constitution, the main source of revenue for the newly created states was money received from customs and excise taxes on items such as carriages, sugar, whiskey, and snuff. Income tax first appeared in the United States in 1862, during the Civil War. At that time only about one percent of the population was required to pay the tax. A flat-rate income tax was imposed in 1867. The income tax was repealed in its entirety in 1872. Income tax was a rallying point for the Populist party in 1892, and had enough support two years later that Congress passed the Income Tax Act of 1894. The tax at that time was two percent on individual incomes in excess of $4,000, which meant that it reached only the wealthiest members of the population. The Supreme Court struck down the tax, holding that it violated the constitutional requirement that direct taxes be apportioned among the states by population (pollock v. farmers' loan & trust, 158 U.S. 601, 15 S. Ct. 912, 39 L. Ed. 1108 [1895]). After many years of debate and compromise, the sixteenth amendment to the Constitution was ratified in 1913, providing Congress with the power to lay and collect taxes on income without apportionment among the states. The objectives of the income tax were the equitable distribution of the tax burden and the raising of revenue. Since 1913 the U.S. income tax system has become very complex. In 1913 the income tax laws were contained in eighteen pages of legislation; the explanation of the tax reform act of 1986 was more than thirteen hundred pages long (Pub. L. 99-514, Oct. 22, 1986, 100 Stat. 2085). Commerce Clearing House, a publisher of tax information, released a version of the Internal Revenue Code in the early 1990s that was four times thicker than its version in 1953. Changes to the tax laws often reflect the times. The flat tax of 1913 was later replaced with a graduated tax. After the United States entered world war i, the War Revenue Act of 1917 imposed a maximum tax rate for individuals of 67 percent, compared with a rate of 13 percent in 1916. In 1924 Secretary of the Treasury Andrew W. Mellon, speaking to Congress about the high level of taxation, stated, The present system is a failure. It was an emergency measure, adopted under the pressure of war necessity and not to be counted upon as a permanent part of our revenue structure…. The high rates put pressure on taxpayers to reduce their taxable income, tend to destroy individual initiative and enterprise, and seriously impede the development of productive business…. Ways will always be found to avoid taxes so destructive in their nature, and the only way to save the situation is to put the taxes on a reasonable basis that will permit business to go on and industry to develop. Consequently, the Revenue Act of 1924 reduced the maximum individual tax rate to 43 percent (Revenue Acts, June 2, 1924, ch. 234, 43 Stat. 253). In 1926 the rate was further reduced to 25 percent. The Revenue Act of 1932 was the first tax law passed during the Great Depression (Revenue Acts, June 6, 1932, ch. 209, 47 Stat. 169). It increased the individual maximum rate from 25 to 63 percent, and reduced personal exemptions from $1,500 to $1,000 for single persons, and from $3,500 to $2,500 for married couples. The national industrial recovery act of 1933 (NIRA), part of President franklin d. roosevelt's new deal, imposed a five percent excise tax on dividend receipts, imposed a capital stock tax and an excess profits tax, and suspended all deductions for losses (June 16, 1933, ch. 90, 48 Stat. 195). The repeal in 1933 of the eighteenth amendment, which had prohibited the manufacture and sale of alcohol, brought in an estimated $90 million in new liquor taxes in 1934. The social security act of 1935 provided for a wage tax, half to be paid by the employee and half by the employer, to establish a federal retirement fund (Old Age Pension Act, Aug. 14, 1935, ch. 531, 49 Stat. 620). The Wealth Tax Act, also known as the Revenue Act of 1935, increased the maximum tax rate to 79 percent, the Revenue Acts of 1940 and 1941 increased it to 81 percent, the Revenue Act of 1942 raised it to 88 percent, and the Individual Income Tax Act of 1944 raised the individual maximum rate to 94 percent. The post-World War II Revenue Act of 1945 reduced the individual maximum tax from 94 percent to 91 percent. The Revenue Act of 1950, during the korean wa