水电站继电保护

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1 发电机的故障
（1）定子绕组的故障 定子绕组的故障主要有：相间短路（二相短路、三相短路） 接地故障：单相接地、两相接地短路故障 匝间短路（同分支绕组匝间短路，同相不同 分支绕组之间的短路）。 （2）转子绕组的故障主要有：转子绕组一点接地及二点接地，部分 转子绕组匝间短路。 2 发电机异常运行方式 发电机不正常运行方式主要有：定子绕组过负荷，转子绕组过负 荷，发电机过电压；发电机过激磁，发电机误上电、逆功率、频率异 常、失磁、发电机断水及非全相运行等。
过负荷保护
对称过负荷，应装设只接于一 相的过负荷保护。不对称过负 荷，一般在50MW及以上发电 电机应装设负序过负荷保护。
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过电压保护
特别是水轮发电机，在突 然甩负荷时，转速急剧上 升从而引起过电压。在水 轮发电机和大型汽轮发电 机上应装设。 主汽门突然关闭而发电机断路 器未断，发电机变为从系统吸 收无功，对汽轮发电机叶片特 别是尾叶，可能过热而损坏。
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（3）辅助保护是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。

（4）异常运行保护是反应被保护电力设备或线路
异常运行状态的保护。
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2、构成继电保护和安全自动装置的基本原则？




⑴可靠性：区内故障和不正常运行状态应该可靠正确动作， 不拒动。 ⑵选择性：故障时只切除故障元件，使故障元件尽量缩短， 保证无故障部分安全运行。 ⑶速动性：快速地切除故障可以提高电力系统并列运行的 稳定性，减少故障影响范围以提高自动装置的动作成功率。 ⑷灵敏性：指对区内故障和不正常运行状态的反应能力， 不论故障点位置、类型、是否经过渡电阻及运行方式变化 都能正确动作。
继电保护、自动装置配置原理及 相关管理规定
2014年12月
第1章 继电保护基本概念

1、什么是主保护、后备保护、辅助保护和异常运行保护?
答（1）主保护是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。
（2）后备保护是主保护或断路器拒动时，用来切除故障 的保护。后备保护可分为远后备保护和近后备保护两种。 1）远后备保护是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）近后备保护是当主保护拒动时，由本电力设备或线路 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后备保护。

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2 变压器的异常运行方式
大型超高压变压器的不正常运行方式主要有：由于系统故
障或其他原因引起的过负荷，由于系统电压的升高或频率 的降低引起的过激磁，不接地运行变压器中性点电位升高， 变压器油箱油位异常，变压器温度过高及冷却器全停等。
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2、变压器保护配置

变压器短路故障时，将产生很大的短路电流，使变压器严重过热， 甚至烧坏变压器绕组或铁芯。特别是变压器油箱内的短路故障，伴随 电弧的短路电流可能引起变压器着火。另外短路电流产生电动力，可
装设失磁保护。
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发电机的不正常工作状态及其相应的保护 外部短路、非周期合闸 不 正 常 工 作 状 态
以及系统振荡等。
过负荷保护 过电流保护
负荷超过发电机额定值、负 序电流超过发电机长期允许值 发电机突然甩负荷
过电压保护
主汽门突然关闭而发
电机断路器未断开
逆功率保护
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过电流保护
作为外部短路和内部短路的后 备保护。50MW及以上的发电 电机，应装设负序过电流保护。
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正常运行及外部故障时：
K1
I I 1 I 0 2 I 1 2 nTA nTA
I1
I I 1 2 I un. max nTA nTA
I2
I 1 nTA
I 2 nTA
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保护区内故障：
I /n I d 2 TA
I1
I I I 1 2 I2 k2 I1 K TA1 K TA 2 nTA
I I I I op un. max
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I 1 (I I ) k I br 2 nTA
3）内部故障时
1 制动电流为： I br (I I ) 2
两侧短路电流之差，数值小。
I 差动电流为： I I I k op nTA
3）发电机定子绕组单相接地 定子绕组单相接地是易发生的一种故 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。因此，应装设 灵敏的反应全部绕组任一点接地故障的 100%定子绕组单相接地保护。
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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，由于没 有构成通路， 对发电机没有 直接危害。
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⑶纵联差动保护：6.3MVA及以上厂用工作变压器和并列运行
变压器， 10MVA以下厂用备用变压器和单独运行变压器，
以及2MVA及以上用电流速断保护灵敏度不符合要求的变压 器。（反应变压器引出线、套管及内部的故障）
纵联差动保护应符合下列要求：
①应能躲过变压器励磁涌流和外部短路产生的不平衡电流。 ②应在变压器过励磁时不误动。 ③差动保护范围应包括变压器套管及其引出线。
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灵敏度：
K sen
( 2) Ik . min 2 I op
) I k( .2min ：发电机出口短路时，流经保护最小的
周期性短路电流。 断线监视动作电流一般按20%额定电流 整定，为了防止断线监视装置误发信号， KVI动作后应延时发出信号。
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2、比率制动式发电机纵差保护
基本原理：是基于保护的动作电流随着外部故障的短路 电流而产生的最大不平衡电流的增大而按比例的线性增 大，且比最大不平衡电流增大的更快，使在任何情况下 的外部故障时，保护不会误动作。其原理是比较制动电 流和动作电流的大小，只要动作电流大于制动电流，保 护就动作。
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3、继电保护装置的基本组成
测量部分：测量从被保护对象输入的有关电气量，并与已给定的整定值 进行比较，并根据比较的结果给出一组逻辑信号，从而判断保护是否应 该启动。 逻辑部分：根据测量部分各输入量的大小、性质、输出的逻辑状态、出 现的顺序或他们的组合，使保护按一定的逻辑关系工作，然后确定是否 应该使断路器跳闸或发出信号，并将有关命令传给执行部分。 执行部分：根据逻辑部分传来的信号，最后完成保护装置所担负的任务。 如故障时动作于跳闸，异常运行时，发出信号；正常运行时，不动作等。
逆功率保护
发电机保护动作跳开发电机断路器 的同时，还应断开发电机励磁电流。
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2.2 发电机的纵差保护
纵差保护作用：发电机纵差保护，是发电机 相间故障的主保护。反应发电机定子绕组及 其引出线的相间短路，是发电机的主要保护。 1、差动保护的基本工作原理
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保护基本原理：比较发电机两侧的电流的大小 和相位，它是反映发电机及其引出线的相间故 障。发电机纵联差动保护的构成的两侧电流互 感器同变比、同型号。
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第2章 发电机保护


2.1、基本概念
1、发电机的作用是将汽轮机或水轮机输出的机械能变换 成电能。 2、主要构成：发电机主要由定子和转子两部分构成。在 定子与转子间留有适当的间隙，通常将该间隙称作为气隙。 3、冷却方式：为提高发电机的单机容量及降低铁芯及绕 组的温度，各种发电机均设置有冷却系统。小型发电机一 般采用空气冷却方式，也有采用氢冷式；对于大型汽轮发 电机，通常采用水内冷及氢冷方式。
电流或负序方向过电流保护；复合电压闭锁功率方向保护；低阻抗保 护等。

3 异常运行保护 变压器异常运行保护主要有：过负荷保护，过激磁保护，变压器 中性点间隙保护，轻瓦斯保护，温度、油位保护及冷却器全停保护等。
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⑴瓦斯保护：0.8MVA及以上油浸式变压器、0.4MVA
及以上车间内油浸式变压器和带负荷调压的油浸
应装设转子 绕组一点接地保护 和两点接地保护。
再发生另一点接地， 则转子绕组一部分 被短接，会烧毁转 子绕组，由于部分 绕组短接，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。
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5）发电机失磁
失磁原因
造成危害：
转子绕组断线、 励磁回路故障 或灭磁开关误 动等。
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。
能造成变压器本体变形而损坏。

变压器的异常运行也会危及变压器的安全，如果不能及时发现及 处理，会造成变压器故障及损坏变压器。

为确保变压器的安全经济运行，当变压器发生短路故障时，应尽
快切除变压器；而当变压器出现不正常运行方式时，应尽快发出告警 信号及进行相应的处理。为此，对变压器配置整套完善的保护装置是
保护动作。
发电机未并列时
1 制动电流为： I br I 2
I 差动电流为： I op
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第3章 变压器保护
1、电力变压器的故障及异常运行方式


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变压器的故障
若以故障点的位置对故障分类，有油箱内的故障和油箱外的故障。 （1）油箱内的故障 变压器油箱内的故障，主要有各侧的相间短路，大电流系统侧的单相接 地短路及同相部分绕组之间的匝间短路。 （2）油箱外的故障 变压器油箱外的故障，系指变压器绕组引出端绝缘套管及引出短线上的 故障。主要有相间短路（两相短路及三相短路）故障，大电流侧的接地故障、 低压侧的接地故障。
制动电流：将外部故障的短路电流作为制动 电流。 差动电流：把流入差动回路的电流作为动作 电流。
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保护动作条件：
I op I op. min I op K ( I br I br . min ) I op. min
( I br
I
br . min )
( I br I br . min )


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发电机可能发生的故障及其相应的保护 1）发电机定子绕组 相间短路 定子绕组相间 匝间短路将出 短路会产生很 现很大的环流， 大的短路电流， 使绝缘老化， 严重损坏发电 甚至击穿绝缘 机。应装设纵 发展为单相接 联差动保护。 地或相间短路， 扩大发电机 损坏范围。
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2）发电机定子绕组 匝间短路
式变压器的调压装置。
当壳内故障产生轻微瓦斯或油面下降时，瞬时动
作于信号；
当产生大量瓦斯时应动作于断开变压器各侧
断路器。
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⑵电流速断保护：6.3MVA以下厂用工作变压器和
并列运行变压器，以及10MVA以下厂用备用变压
器和单独运行变压器，当后备时间大于0.5S时。
（反应变压器引出线、套管及内部的故障）
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⑸后备保护：对外部相间短路引起的变压器过流，应装设下
列保护作为后备保护。保护动作后应带时限动作于跳闸。
必要的。
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1 短路故障的主保护
变压器短路故障的主保护，主要有纵差保护、重瓦斯保护、压力 释放保护。另外，根据变压器的容量、电压等级及结构特点，可配置
零差保护及分侧差动保护。

2 短路故障的后备保护 目前，电力变压器上采用较多的短路故障后备保护种类主要有：
复合电压闭锁过流保护；零序过电流或零序方向过电流保护；负序过
K2
I 1 nTA
I 2
I 2 nTA
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3）差动保护整定计算 按电流互感器二次断线条件：
I op K rel I GN
按最大不平衡电流条件：
I op K rel I unb. max K rel K unp K st f er I k . max
两条件取较大值为整定值（如此整定值较大）。
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制动回路 动作回路
1 制动电流： I br 2 (I I )
I 差动电流： I op I
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1）正常运行时
制动电流
1 I (I I ) I I br . min br 2 nTA
2）外部短路时 制动电流数值大、差动电流数值小，保 护不动作。 制动电流 差动 电流


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2.2 发电机故障和不正常运行状态及其保护
发电机的安全运行直接影响电力系统的安 全。发电机由于结构复杂，在运行中可能发生 故障和不正常工作状态，特别是现代的大中型 发电机的单机容量大，对系统影响大，损坏后 的修复工作复杂且工期长，所以对继电保护提 出了更高的要求。针对发电机的故障和不正常 工作状态，应装设性能完善的继电保护装置。