发电变压器组保护设计.docx
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发电变压器组保护设计
摘要
随着电力工业的迅速发展,我国发电机、变压器单机容量不断增大,电力系统正朝着“大机组、超高压、大电网”的方向发展。
现今我国大容量发电厂不断增多,它们在电力系统中地位更显重要。
为保证整个电力系统的安全经济运行,我们应对电厂配置可靠性、灵敏性、选择性和速动性都很的保护装置。
为实现配置方案的优化,还应充分考虑到大型发电厂的特点。
本文主要对300MW汽轮发电机-变压器组的继电保护设计进行了系统的阐述.共分为四章,第一章阐述了发变组保护配置概述;第二章具体介绍了发变组保护配置,包括保护原则、整定计算、逻辑框图;第三章讲述了发变组非电量保护;第四章论述了发变组微机保护装置。
本文在阐述300MW汽轮发电机-变压器组的继电保护设计的同时,密切结合实际,通俗易懂。
关键词 发电机变压器组 继电保护
Abstract
Withtherapiddevelopmentofpowerindustry,China'spowergenerators,increasingthecapacityofasingletransformer,thepowersystemismovinginthe"bigunits,ultra-highpressure,largepowergrid"direction.Today'slarge-capacitypowerplantinChinaincreasingtheirstatusinthepowersystemismoreimportant.Inordertoensurethesafetyoftheentirepowersystemeconomicoperation,weshouldplantconfigurationreliability,sensitivity,selectivityandtheliquidareoftheprotectiondevice.Toachievetheoptimalconfigurationshouldalsobetakenfullyintoaccountthecharacteristicsoflarge-scalepowerplants.
Inthispaper,onthe300MWturbo-generator-transformerunitdesignoftherelaysystemdescribed.Weredividedintofourchapters,thefirstchapterofthegenerator-transformerunitprotectionoutlinedconfiguration;chapterdetailstheconfigurationgenerator-transformerunitprotection,includingtheprotectionoftheprincipleofsettingcalculation,logicdiagram;ChapterIIIdescribedthenon-power-transformerprotection;fourthchapterdiscussesthecomputer-transformerunitprotectiondevices.
Inthispaper,the300MWturbo-generator-transformerrelaydesigngroupatthesametime,incloseconnectionwithreality,anduser-friendly.
Keywordsgenerator-transformerunitrelay
摘要
前言…………………………………………………1
第1章发变组保护配置概述……………………2
第一节大型发电机-变压器组的特点…………2
第二节300MW发变组继电保护特点及配置原则…………………………………………………3
第2章发变组保护配置………………………6
第一节发变组单元主保护配置……………6
第二节发变组单元后备保护………………14
第三节发变组单元异常运行保护配置……17
第3章发变组非电量保护……………………29
第4章发变组微机保护装置…………………31
第5章发变组保护主接线及其配置说明……34
结束语……………………………………………36
参考资料…………………………………………37
前言
毕业设计是在学校学习生活中的最后一个环节,通过本次设计使我系统掌握了三年来所学的专业理论知识,提高了综合应用能力,初步了解实际的工程设计,培养了我运用所学的知识全面地、独立地分析和解决问题的能力。
本设计是关于大型发电机-变压器组继电保护设计,其主要内容包括大型发电机组的特点及对继电保护的要求,大型发电机和变压器的故障、异常运行及其保护方式的阐述;大型发电机-变压器组继电保护的特点及配置原则,对300MW汽轮发电机-变压器组继电保护总体配置情况的介绍和微机保护装置的选择;并且主要叙述了发电机-变压器组的短路故障保护原理、异常运行保护原理、非电量保护原理和相应原理的逻辑框图。
在本次设计过程中,杨晓敏老师给了我很大的支持和帮助,在她精心的辅导下,我圆满地完成了毕业设计的任务。
在此,我对杨晓敏老师表示由衷的感谢。
另外,我也要感谢同学们对我的帮助。
由于我的水平有限,此次设计有错误和不妥之处,敬请各位老师给予指正。
尹小玉
2009年6月1日
第1章发变组保护配置概述
第一节大型发电机-变压器组的特点
大容量机组由于采用直接冷却技术,因此体积和重量并不随容量成比例增加,电机各参数与中小型已不相同,故障和不正常运行时的特性也不一样,主要有以下几方面。
1、短路比减小,电抗增大
从表2.1.1所列几个国家的汽轮发电机参数可见,大型发电机的短路比大约减到0.4,各种电抗都比中小型电机大。
因此大型机组的短路水平较低,对继电保护不利。
使平均异步转矩减低,约从中小型电机的2~3倍额定值减至额定值左右,于是失磁后异步运行时滑差将增大,要从系统吸收更多的无功功率,对系统不利。
国产的水轮发电机参数见表2.1.2.从表可见,大型水轮发电机的短路比也比中型的减小,电抗则增大。
表2.1.1大型汽轮发电机参数
注电抗
及
系不饱和值
表2.1.2水轮发电机参数
2、时间常数增大
值以及
/
值均显著增大,因而非周期分量电流相对于周期分量的衰减要缓慢得多。
如果升压变压器出线附近短路,整个短路电流可能偏移到时间轴上若干工频周期,不仅使断路器断开条件恶化,还使转子附加发热增加。
另外,持续较久的非周期分量电流更易使电流互感器饱和,影响继电保护的工作。
3、惯性时间常数减低
如汽轮发电机100MVA机组为2.72s,600MVA机组为1.7s。
在扰动下,机组易于发生振荡。
4、热容量减低
中小型机组定子绕组1.5倍额定电流容许持续运行两分钟,转子励磁绕组2倍额定电流容许持续运行30s,而600MV机组则定子1.5倍额定电流只能运行30s,转子2倍额定电流只能运行10s。
负序电流过负荷能力中小型机组的
值为30,而600MVA机组则为4。
另外,大型发电机采用直接冷却方式,由于冷却系统复杂,因而使故障率相对增大;单机容量增大,还会带来机械上的问题,如:
气隙不匀程度增加,振动加剧等。
大机组以上的这些特点,在设计继电保护时要予以注意。
第二节300MW发变组继电保护特点及配置原则
一、大型发电机-变压器组的继电保护的特点
发电机-变压器组的接线方式在电力系统中获得了广泛的应用。
发电机和变压器在单独运行时可能出现的各种故障和异常运行状态,在发电机-变压器组中都可能发生。
因此,发电机-变压器组的保护与发电机,变压器的类型基本相同。
由于发电机-变压器组相当于一个工作单元,故某某些同类型的保护可以合并,例如全组公共的纵差动保护、后备保护和过负荷保护等,减少就保护的总套数,提高了经济性。
发电机-变压器组保护的特点如下。
(一)纵差动保护的特点
(1)当发电机和变压器之间无断路器时,一般共用一套纵差动保护,如图2—1(a)所示。
该种接线方式适用于容量不大的机组或发电机装有横差动保护的机组,对于容量为100MW以上的机组或采用一套共用纵差动保护对发电机内部故障的灵敏性不满足要求时,应加装发电机纵差动保护,如图2—1(b)所示。
(2)当发电机和变压器间有断路器时,发电机和变压器应分别装设纵差动保护,厂用分支线也应包括在变压器的纵差动保护范围内,如图2—1(c)所示。
(二)后备保护的特点
发电机-变压器组的后备保护,同时兼作相邻元件的后备保护。
当实现后备保护而使保护装置接线复杂时,可缩短对相邻线路后备作用范围,但对相邻母线上的三相短路应有足够的灵敏性。
发电机-变压器组后备保护的电流元件应接在发电机中性点侧的电流互感器上,电压元件接在发电机端的电压互感器上。
当有厂用分支线时,后备保护应带两段时限;以第一段时限动作跳开变压器高压侧断路器,以第二段时限跳开各侧断路器及发电机的灭磁开关。
对于大型发电机-变压器组,为确保快速切除故障,可采用双重纵差动保护,在发电机-变压器组高压侧加装一套后备保护,作为相邻母线保护的后备,其接线图如下图所示:
发电机—变压器组纵差保护的配置
(a)公用一套纵差动保护
(b)发电机和变压器分别装设纵差动保护
(c)发电机和变压器间有断路器时的纵差动保护
(d)双重化纵差动保护
(三)发电机侧接地保护的特点
发电机-变压器组中发电机单相接地时,由于发电机电压系统所连接元件不多,接地电容电流较小(小于5A),因此接地保护可采用简单的零序电压保护或完善的100%定子接地保护,并动作于信号。
二、大型发电机-变压器组的继电保护的配置方案规则
大型发变组结构复杂,有可能发生类型繁多的故障和异常运行工况,因此需要装设多达几十种功能的继电保护,并要求这些保护既有明确的职责范围,又能相互配合。
目前,国内外均已提出各种不同的保护功能配置方案,尤其是国内有关电力部门形成了不少典型的设计方案,这些方案大同小异,又各具特点,它们普遍遵守下列基础规则:
(1)各项保护功能配置完备,以确保能反应各种故障和不正常运行状态;
(2)选用的保护原理性能优良,有成熟的运行经验,满足技术要求;
(3)双重化的配置;
(4)组屏合理,双重化的两套保护系统应分屏设置,非电气量保护和电气量保护也应分屏设置,以保证在发电机变压器组不停运状况下,可对其中任何一套保护系统进行检修,调整和调试,同时要求二次回路设计正确简明,接线安全可靠;
(5)保护系统应尽可能结构简单,具备友好的人机界面和合理的通信组网功能,各项保护功能投退和整定操作,清晰便捷,支持现场调试功能,易于使用和维护;
(6)保护出口设计合理,配置灵活,以满足紧急状态下。
不同的动作要求和允许根据实际运行条件方便地进行调整。
第二章发变组保护配置
第一节发变组单元主保护配置
1.发电机纵差保护
发电机相间短路的纵联差动保护(简称发电机纵差保护)是用于发电机定子绕组及其引出线相间短路故障的主保护,其基本原理与变压器纵差保护的原理相似,按照比较发电机机端侧与中性点侧电流大小和相位的原理构成。
而由于发电机结构的特殊性,发电机纵差保护根据获取电流方式不同,其接线方式有完全纵差保护和不完全纵差保护两种。
(一)发电机完全纵差保护(比率制动式)
比率制动式差动保护是发电机内部相间短路故障的主保护。
(1)保护原理
差动动作方程如下:
(
时)
(
时)
式中:
Iop为差动电流,Iop.0为差动最小动作电流整定值,Ires为制动电流,Ires.0为最小制动电流整定值,S为比率制动特性的斜率。
各侧电流的方向都以指向发电机为正方向,见图4-1-1-1。
差动电流:
制动电流:
式中:
,
分别为机端、中性点电流互感器(TA)二次侧的电流,TA的极性见下图所示:
电流极性接线示意图
(根据工程需要,也可将TA极性端均定义为靠近发电机侧)
(2)TA断线判别
当任一相差动电流大于0.15倍的额定电流时启动TA断线判别程序,满足下列条件认为TA断线:
a.本侧三相电流中至少一相电流为零
b.本侧三相电流中至少一相电流不变;
c.最大相电流小于1.2倍的额定电流。
(3)保护逻辑框图
(二)不完全纵差保护
不完全纵差保护是发电机(或发变组)内部故障的主保护,既能反映发电机(或发变组)内部各种相间短路,也能反映匝间短路和分支绕组的开焊故障。
不完全纵差保护可作为发电机纵差保护,当用于发变组不完全纵差保护时,应增设防涌流误动的二次谐波闭锁判据。
(1)保护原理
差动动作方程如下:
(
时)
(
时)
式中:
Iop为差动电流,Iop.0为差动最小动作电流整定值,Ires为制动电流,Ires.0为最小制动电流整定值,S为比率制动特性的斜率。
各侧电流的方向都以指向发电机为正方向。
差动电流:
制动电流:
式中:
IT,IN分别为机端,中性点电流,KFZ为分支平衡系数。
(2)TA断线判别
当任一相差动电流大于0.15倍的额定电流时启动TA断线判别程序,满足下列条件认为TA断线:
a.本侧三相电流中至少一相电流为零
b.本侧三相电流中至少一相电流不变;
c.最大相电流小于1.2倍的额定电流。
(3)发电机不完全纵差保护原理接线图如下所示
(a)中性点侧引出6个端子(b)中性点侧引出4个端子
(三)变压器纵差保护与发电机纵差保护的不同
变压器纵差保护与发电机纵差保护一样,也可采用比率制动方式或标积制动方式达到外部短路不误动和内部短路灵敏动作的目的。
但是变压器纵差保护的最大制动系数比发电机的大,灵敏度相对较低。
1)变压器各侧额定电压和额定电流各不相等,因此各侧电流互感器的型号一定不同,而且各侧三相连接方式不尽相同,所以各侧相电流的相位也可能不一致,这将使外部短路时不平衡电流增大,所以变压器纵差保护的最大侧制动系数比发电机的大,灵敏度相对较低。
2)变压器高压绕组常有调压分接头,有的还要求带负荷调节使变压器纵差保护已调整平衡的二次电流又被破坏,不平衡电流增大,这将使变压器纵差保护的最小动作电流和制动系数都要相应加大。
3)对于定子绕组的匝间短路。
发电机纵差保护完全没有作用。
变压器各侧绕组的匝间短路,通过变压器铁芯磁路的耦合,改变了各侧电流大小和相位,使变压器纵差保护对匝间短路有作用(匝间短路可视为变压器的一个新绕组)。
4)无论变压器绕组还是发电机定子绕组的开焊故障,它们的完全纵差保护均不能动作,但变压器可依靠瓦斯保护或压力保护。
5)变压器纵差保护范围除包括各侧绕组外,还包含变压器的铁芯,即变压器纵差保护不仅有电路还有磁路,这就违反了纵差保护的理论基础——基尔霍夫电流定律。
二、发电机定子匝间短路保护原理
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。
(1)构成原理
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:
其动作方程为
——发电机两中性点之间的基波电流(TA二次值);
——横差保护的动作电流整定值。
(2)逻辑框图
横差保护是发电机内部故障的主保护,动作应无延时。
但考虑到在发电机转子绕组两点接地短路时发电机气隙磁场畸变可能致使保护误动,故在转子一点接地后,使横差保护带一短延时动作。
单元件横差保护的逻辑框图如下图所示:
三、变压器接地保护
变压器的接地保护(又称变压器的零序保护)用于中性点直接接地系统中的电力变压器,以反应变压器高压绕组、引出线上的接地短路,并作为变压器主保护和相领母线、线路接地故障的后备保护。
电力变压器的接地保护通常由主变压器零序电压
元件、主变压器零序电流
元件、主变压器间隙零序电流
元件及时间元件构成,根据变压器中性点的接地方式进行选择配置。
(一)中性点直接接地的变压器接地保护
(1)保护原理
中性点直接接地的变压器接地保护,通常采用两段零序电压保护,零序电流均由变压器中性点电流互感器的二次侧获得,每段保护均设置两个动作时限。
保护每段动作后,都以较短时限跳开母联络断路器或三绕组变压器中压侧由源断路器,以减小故障范围;以较长时限跳开高压侧断路器。
(2)保护逻辑框图
为防止变压器与系统并列前其高压侧发生单相接地时,变压器的接地保护误动作误跳母联断路器,将变压器接地保护动作于母联段路器的跳闸回路经其高压侧断路器的常开触点1QF1闭锁。
变压器零序电流Ⅰ段保护的动作电流和动作时限,分别与相邻线路零序过电流保护第Ⅰ段或第Ⅱ段的动作电流及动作时限配合进行整定;其中
,
。
变压器零序电流Ⅱ段保护的动作电流和动作时限,分别与相邻线路零序电流保护后备段的动作电流及动作时限配合进行整定。
其中,
,
。
(二)中性点可能接地也可能不接地运行变压器的接地保护
对于中性点可能接地也可能不接地运行的每台变压器,其接地保护需配两套,一套作为中性点接地运行方式时的接地保护,另一套用于中性点不接地运行方式时的接地保护。
中性点接地运行方式时的接地保护通常采用两段式零序过电流保护,而中性点不接地运行方式时的接地保护通常采用零序过电压保护。
重重保护的整定计算、动作时限等与变压器中性绝缘水平、过电压保护方式及并联运行的变压器台数有关。
(1)全绝缘变压器的接地保护
对于中性点可能接地也可能不接地运行的全绝缘变压器,当有数台并列运行时,要求其接地保护的动作行为是,保护动作后应先切除中性点接地运行的变压器,后切除中性点不接地运行的变压器。
当变压器所连接的系统发生单相接地故障时,对中性点接地运行的变压器利用两段式零序过电流保护中的较短时限跳开母线联络断路器,以较长时限跳开高压侧断路器;对于中性点不接地运行的变压器利用零序点过电压保护经预定延时后跳开中性点不接地变压器各侧的断路器。
零序过电压保护的动作电压整定值按躲过系统失去中性点且发生单相接地故障时所接TV二次绕组可能出现的最低电压整定时,一般取180V。
其动作时限只需躲过暂态过电压的时限考虑,无需与其他保护配合。
(2)分级绝缘且中性点不装设放电间隙的变压器
由于分级绝缘变压器中性点处绕组的绝缘水平最低,所以,对于此类变压器接地保护动作行为的要求是,保护动作后应先切除中性点不接地运行的变压器,后切除中性点接地运行的变压器。
为此,对于分级绝缘且中性点不装设放电间隙的变压器,其接地保护的配置为两段式零序过电流保护和零序电流闭锁的零序电压保护。
两段式零序过电流保护用于中性点直接接地运行方式,零序电流闭锁的零序电压保护用于中性点不接地运行方式。
零序过电压保护的动作时限要求小于零序过电流的长动作时限,大于零序过电流保护的短动作时限。
这样保证当系统发生接地故障时,中性点接地运行变压器以零序过电流保护的短时限跳开母线联络断路器,使两台变压器分列运行。
解列后若故障消失,则表明故障不在本变压器保护范围内。
解列后若故障仍存在,对于中性点不接地变压器可由零序过电压经一动作时限先跳闸切除故障;对于中性点接地变压器,由于仍有零序电流而闭锁零序过电压保护,只能以零序过电流保护的长动作时限跳闸,最终切除故障。
(3)分级绝缘且中性点装设放电间隙的变压器的接地保护
根据分级绝缘变压器接地保护动作行为的要求,对于分级绝缘且中性点装设放电间隙的变压器接地保护的配置为:
两段式零序过电流保护用于中性点直接接地运行;放电间隙零序过电流及零序过电压保护,用于变压器中性点经放电间隙接地运行方式。
当系统发生单相接地故障时,中性点经放电间隙接地运行的变压器以无时限的间隙零序过电流跳开母线联络断路器或高压侧断路器;若放电间隙零序过电流保护未动作,则以带时限的零序过电压保护跳开母线联络断路器或高压侧断路器;中性点直接接地变压器仍以较短时限跳开母线联络断路器,以较长时限跳开直接接地变压器高压侧断路器。
第2节发变组单元后备保护
一.阻抗保护
对于升压变压器或系统联络变压器,当采用复合电压起动的过电流保护和负序电流及单项式低电压起动的过电流保护时不能满足灵敏性和选择性要求时,可采用阻抗保护。
变压器阻抗保护通常作为330KV及以上大型变压器相间短路的后备保护,由起动元件、相间阻抗测量元件、时间元件、TV断线检测元件等组成。
当阻抗保护的起动元件和阻抗元件均动作、阻抗保护的压板投入、TV断线检测元件不动作,且经过预定的延时后,保护动作与跳闸。
1.起动元件
起动元件由由相电流差突变量起动元件和负序电流起动元件两部分组成,相电流差突变量起动反应对称短路故障,负序电流起动元件反应不对称短路故障。
起动元件动作判据为:
△i_φ≥I_set或I_2>I_(set,2)
式中:
△i_φ为相电流突变量;I_2为负序电流;I_set、I_(set,2)分别为相电流突变量起动元件和负序电流起动元件的动作整定值,通常均取电流互感器二次额定电流的0.2倍。
2.阻抗元件
阻抗元件时变压器阻抗保护的测量元件,用于测量相间短路阻抗值,构成变压器相间短路的后备保护。
阻抗元件采用0^0接线方式,其动作特性可根据需要整定为全阻抗圆特性或偏移阻抗圆特性,动作的正方向可以指向变压器,也可以指向母线,由保护的控制字控制。
3.TV断线检测元件
TV断线检测元件的作用是防止TV断线时,变压器阻抗保护误动作。
当该元件检测到TV二次回路断线时,将阻抗保护闭锁,并发出告警信息。
保护逻辑框图
2.转子一点接地保护
发电机正常运行时,转子回路对地之间有一定的绝缘电容和分布电阻。
当转子回路发生一点接地故障时,由于没有形成电流回路,对发电机运行没有直接影响;一旦发电机发生转子两点接地后,励磁绕组将形成短路,使转子磁场畸变,引起机体强烈震动,严重损坏发电机。
因此,有关规程要求发电机必须装有转子回路一点接地保护,动作于信号;装设转子回路两点接地保护,动作于跳闸。
1.保护原理:
切换采样式转子一点接地保护采用开关切换采样原理,通过求解两个不同的接地回路方程,实时计算转子接地电阻和接地位置。
当设S1闭合,S2断开时,在
上测得电压
;当S2闭合,S1断开时,在
上测得电压
。
,则:
正常运行时:
4个电阻R对称,
,
,
;转子一点接地时,
当接地电阻小于
或等于接地电阻整定值
时,经延时发信号。
2.保护的整定计算:
保护的接地电
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- 关 键 词:
- 发电 变压器 保护 设计
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