大型发电机变压器组继电保护整定计算

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1绪论.. (1)
1.1研究背景 (1)
1.2发变组保护现状 (1)
1.3研究的主要内容 (2)
2发变组保护的基本原理与方案设计 (4)
2.1发电机保护原理 (4)
2.1.1发电机差动保护 (4)
2.1.2发电机定子接地保护 (5)
2.1.3发电机失磁保护 (6)
2.1.4发电机匝间保护 (8)
2.2变压器保护原理 (9)
2.2.1变压器差动保护的问题分析 (9)
2.2.2复合电压过流保护 (10)
2.2.4变压器接地故障后备保护 (12)
2.3发变组保护方案的设计 (13)
2.3.1 原始数据 (13)
2.3.2发变组的保护配置分析 (14)
2.3.3发变组的保护配置方案 (15)
3 发变组保护的整定计算 (18)
3.1 计算短路电流 (18)
3.2 发电机保护整定计算 (20)
3.2.1发电机差动保护 (20)
3.2.2 发电机匝间保护 (21)
3.2.3复合电压过流保护 (22)
3.3 主变保护整定计算 (26)
3.3.1主变差动保护 (26)
3.3.2复合电压过流保护 (28)
3.3.3主变接地保护 (29)
3.4发变组保护定值单 (31)
结论 (36)
参考文献 (37)
致谢 (38)
1绪论
1.1研究背景
我国电力工业的发展建设已进入到大电网、大机组、超高压输电阶段。

随着三峡工程的竣工，将形成全国联网的局面，这就对电力系统的运行和保护提出了更高的要求。

对发电机来说为了满足大电网对机组容量规模经济的要求，其单机容量在逐渐增大。

一方面单机容量的增加机组造价提高，机组容量占电网总容量的比重加大，一旦发生事故对国民经济造成的直接和间接损失十分巨大；另一方面大机组材料利用率的提高，新的工艺结构、新的冷却和励磁方式等的应用，提高了大型机组的运行效率同时也给继电保护带来了困难。

[3][4]因此机组安全的重要性，对机组保护装置的选择性，快速性，可靠性，灵敏性提出了更高的要求。

由于大型发变组存在以上一些故障及不正常运行方式，一旦发生故障时，不能迅速切除或隔离故障点，将对机组产生极大的危害，造成巨额的经济损失。

因此大型机组继电保护的原理和应用研究对于当前电力工业的迅速发展来说相当重要，针对上述故障，本文对大型发电机变压器组进行整定计算并对其保护配置进行分析设计。

1.2发变组保护现状
最早的装置是熔断器。

以后出现了作用于断路器的电磁型继电保护装置、电子型静态继电器以至应用计算机的数字式继电保护。

随着电子技术、计算机技术、通信技术的飞速发展，人工智能技术等相继在继电保护领域得到应用，继电保护的发展经历了机电型、整流型、晶体管型和集成电路型几个阶段后，现在发展到了微机保护阶段。

目前，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置，我国继电保护目前处于微机时代，发展趋势向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。

随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用，新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中，以期取得更好的效果，从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展，出现了一些引入注目的新趋势。

目前主要有以下一些研究方向：(1）自适应控制技术在继电保护中的应用自适应继电保护的概念始于20世纪80年代，它可定义为能根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的新型继电保护。

(2）人工神经网络在继电保护中的应用进入20世纪90年代以来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，电力系统保护领域内的一些研究工作也转向人工智能的研究。

专家系统、人工神经网络(ANN)和模糊控制理论逐步应用于电力系统继电保护中，为继电保护的发展注入了活力。

(3）发电厂综合自动化技术
现代计算机技术、通信技术和网络技术为改变变电站目前监视、控制、保护和计量装置及系统分割的状态提供了优化组合和系统集成的技术基础。

高压、超高压变电站正面临着一场技术创新。

继电保护和综合自动化的紧密结合已成为可能，它表现在集成与资源共享、远方控制与信息共享。

[5]以远方终端单元(RTU)、微机保护装置为核心，将发电厂的控制、信号、测量、计费等回路纳入计算机系统，取代传统的控制保护屏，能够降低变电所的占地面积和设备投资，提高二次系统的可靠性。

随着微机性能价格比的不断提高，现代通信技术的迅速发展，以及标准化规约的陆续推出，变电站综合自动化成了热门话题。

从国外机组保护发展的趋势来看，具有保护功能双重化的趋势，在应用DSP。

技术的基础上，单个装置的功能集成也来越高，“Dual two out of two"概念即为代表，每个保护对象配置两套保护系统，每套保护系统单独可以出口，每套保护系统配置两个子系统，两个子系统与门出口，这种配置方案彻底解决了机组保护拒动和误动的矛盾。

[6] 由于继电保护大量采用了数字技术，继电保护技术得到了巨大的发展，为电力系统的安全运行提供了保障。

最新硬件技术的发展，尤其是DSP技术的采用，为彻底改变机组保护正确动作率长期偏低的现状提供了契机，2002年初国家电力公司颁发了《反措实施细则》，正是应因数字技术的发展及电力系统的需要。

结合《反措实施细则》和双重化概念，认真分析机组保护的双重化配置方案。

对于机组保护来讲，发电机差动保护只能保护发电机内部相间故障，其他发电机内部故障如定子接地、转子接地、匝间故障，异常运行故障如定子过负荷、转子表层过负荷、失磁、失步、低频、逆功率、过电压过励磁、误上电等差动保护不能反应，因此这些保护不能认为是后备保护，传统方案这些保护只配置一套，而机组大部分故障均为异常运行故障，安全性不能满足反措要求，因此需强化发电机异常运行故障保护，需要双重化配置。

对于机组保护来讲，真正的后备保护，只有主变零序电流电压保护和发电机、变压器复合电压过流保护。

当发变组发生内部故障时，差动保护(定值一般为0．3倍的额定电流)不能动作，这些保护更不能反应，比如复合电压过流保护，分析清华大学的发电机变压器内部故障仿真计算结果，主变、发电机大部分内部轻微故障由于电压不能下降，复压电压过流保护存在灵敏度不够的问题，因此后备保护主要是作为区外故障的后备，可以适当简化。

[7][8]后备保护配置方案应为：主变侧配置零序电流电压保护和复合电压过流保护，发电机侧配置复合电压过流保护保护即满足要求，当电流、电压型保护灵敏度不能满足要求或者根据系统各保护之间的配合需要，采用低阻抗后备保护。

机组保护功能很多，回路复杂，采用先进的数字技术，把众多的继电器功能集成，完成双主双后配置，是一个因繁化简的工作，是必然的趋势。

1.3研究的主要内容
本文通过广泛的阅读资料，了解目前国内外大型发变组保护的主要配置，并结合国内外大型机组，尤其是600MW机组的发变组保护运行过程中存在的问题，对大型发变组保护
的原理进行分析。

通过对发变组保护原理的分析，并结合目前超临界火力发电机组保护配置情况，先对发变组进行保护配置选型，然后进行发变组保护双重化分析，最后完成大型发电机组的保护配置。

并以600MW机组为例计算短路电流；发电机保护整定计算（发电机差动保护，发电机匝间保护，复合电压过流保护）；主变保护整定计算（主变差动保护，复合电压过流保护）并完成大型发电机变压器组的整定计算。

2发变组保护的基本原理与方案设计
大型发电机和变压器一次设备有了很大发展，为其所配置的继电保护也要相应改变，既不能完全照搬小型机组的设计，也不能盲目复杂化，而是要根据简单实用的原则，配置完善的保护种类。

面前各设计单位设计的保护配置基本相同，但在具体实施和个别保护的选择上略有不同，因此本节根据现状，对一些具体的保护进行了说明。

2.1发电机保护原理
2.1.1发电机差动保护
发电机定子绕组相间短路是最严重的故障，会产生很大的短路电流，故障点的电弧会使绕组绝缘烧坏，甚至可能引起火灾。

[3]因此，要求装设差动保护作为发电机定子绕组相间故障的主保护，瞬时动作于停机。

比例制动式纵差保护的动作电流不是固定不变的，它随短路电流的增大而增大，既保证外部短路不误动，同时对于内部短路又有较高的灵敏度。

比率差动动作特性如图
图 2-1 比率差动动作特性
d I 为差动电流，r I 为制动电流，cdqd I 为差动电流起动定值，cdsd I 为差动电流速断定值，
e I 为发电机额定电流。

(1)比较发电机机端和中性点电流的相位和幅值来判断故障。

1)当正常运行或区外故障时，1I 和2I 大小相同，方向相同，保护计算出的差流：
120d I I I =-=；制动电流()12/2z I I I I =-= (有些保护将两侧电流的最大值作为制动电流)
2)当区内故障时，1I 和2I 反方向动作电流12d I I I =-=全部故障电流，与1I 和2I 的绝对值之和成正比，制动电流z I 与1I 和2I 的绝对值之差成正比
3)实际上，当外部短路时，继电器的差动电流并不为零，外部短路时短路电流很大，特别是暂态过程含有大量的非周期性分量电流，使互感器的励磁电流急剧增大而呈饱和状态，这时就很难保证两侧互感器传变特性的一致，从而产生不平衡电流。

(2)为了能保证外部故障时保护不动作，特采用比率制动式差动元件，使保护的动作电流随制动电流而变，当外部短路电流越大，继电器的动作电流也变大，保证外部故障时，继电器处于可靠的制动状态。

整定合适的制动系数能保证区外故障可靠不动；区内故障灵敏动作。

如图2-1中，采用双斜率的动作特性曲线，斜率1较低，是为了考虑内部短路时有足够的灵敏度，斜率2较大，是由于区外故障产生的巨大穿越电流将使两侧CT 饱和程度不一样，并产生很大差流，增大斜率来提高其制动能力，以防外部短路时误动。

(3) 差动保护定值整定中应注意的问题
1)斜率1应大于最大正常负荷电流下CT 误差产生的不平衡电流，一般取20％。

2)拐点1是斜率1的结束点，应大于发电机最大正常运行电流。

为使区内故障获得较高的灵敏度，希望制动电流在2.0倍的发电机额定电流以内时，动作特性斜率不宜过大。

在2个拐点之间采用更接近TA 的饱和特性的平滑函数曲线进行连接。

3)拐点2是过渡区的终点和斜率2的起点，应设置为使任一保护用CT 开始饱和时的电流值。

若保护用CT 选为5P20，其饱和电流值很大，而发电机最大外部短路电流在6倍额定电流之内，一般取拐点6倍发电机额定电流。

4)斜率2应保证在严重外部故障时(由于CT 饱和导致产生不平衡电流)继电器可靠不动作，可依据.max res erl ap cc er K K K K K （2-1）
rel K 可靠系数，取1．5；
ap K 为非周期分量系数，一般为1.5—2.0；
cc K 为互感器的同型系数，两侧TA 型号相同时取0.5，两侧TA 型号不同时取1.O ；
er K 为互感器的幅值误差系数，取0.1。

根据公式(2-1)，一般取.max res K =0.1—0.3，可确保在最大外部短路时差动保护不误动。

但考虑到电流互感器的饱和或其暂态特性畸变的影响，为安全计，宜适当提高制动系数值。

2.1.2发电机定子接地保护
由于发电机的外壳是接地的，因此定子绕组因绝缘破坏而引起的单相接地就比较普遍。

当发电机定子绕组发生单相接地时，有电容电流流过故障点，电容电流的大小取决于定子绕组的接地电容电流和与发电机有电联系的电网接地电容电流。

当接地电容电流较大且产生电弧时，将使绝缘绕组和定子铁芯烧坏。

因此，规程规定：当接地电流等于或大于5A 时，接地保护应动作于跳闸；当接地电流小于5A 时动作于信号。

[9][10]
（1）保护实现原理
根据定子接地过程中发电机基波零序电压和三次谐波分量特点，由如下两部分构成100％定子接地保护：反应发电机中性点基波零序电压的过电压保护，它保护机端至中性点的90％范围，动作于停机；采用三次谐波电压原理构成的保护靠近中性点部分，它动作于发信。

1）反应基波零序电压发电机定子接地保护
绕组单相接地故障时，基波零序电压分布：
例如：当发电机c 相绕组离中性点a 处接地时，则此时，机端三相电压分别为：
a a c
b b
c c
c c U E aE U E aE U E aE =-⎧⎪=-⎨⎪=-⎩ （2-2） 机端零序电压()0/3a b c c U U U U aE =++=-
结论：发电机绕组单相定子接地故障时产生的零序电压与故障点位置有关，当a=l ，机发电机机端故障时产生的零序电压最大；当a=O 即中性点处故障时，产生的零序电压最低。

[11]所以，可用一个反应基波零序电压的过电压元件作为定子接地保护，又由于它有死区，
故还需有其它元件作为补充。

2)由三次谐波电压原理构成的三次谐波接地保护：
由于发电机转子气隙磁通密度分布不可能完全呈正弦形，所以在发电机绕组的感应电势中，除基波分量外，还含有三次谐波。

正常运行方式下，接有消弧线圈的发电机机端三次谐波电压33s U aE =，比中性点的三次谐波电压33(1)n U a E =-更小些。

当发电机发生接地故障时，设接地点发生在距中性点a 处。

a.发电机正常运行时，33s U E <
b.中性点故障时，33s U E = 30n U =
c.故障点在0-50％时，33s U E >
d.故障点在50-100％时，33s U E <
根据三次谐波电压分布的特点，可以用一个滤波比很高的反应机端和中性点三次谐波分量的电压差动元件来作为靠近中性点那部分绕组保护。

2.1.3发电机失磁保护
同步发电机励磁回路由于灭磁开关误跳、转子回路开路、短路及可控硅励磁回路可控硅失控等原因，发电机可能部分或全部失磁。

(1)发电机失磁运行的危害
1)失磁后，发电机从系统吸收大量的无功功率，对于无功储备不足的系统。

来说，将产生严重的无功短缺，引起系统电压下降，甚至可能因电压崩溃而使系
统瓦解。

2)同步发电机变为异步运行，存在着大小交变的反应功率，定子绕组中的
电流大小不断交变，这将引起危及发电机安全的机械力矩，将引起转子过热和机
组振动。

（2）失磁运行工况
1）失磁后，发电机进入异步运行状态，送出有功功率将比失磁前少。

2）失磁后，发电机将从系统吸收无功功率。

3）由于从系统吸收无功功率，对无功储备不足的系统来说，将引起系统电压下降。

4）机端测量阻抗将由第一象限转到第四象限。

发电机正常运行时机端测量阻抗位于等有功阻抗园的A 点，当发电机失磁后，测量阻抗先进入静稳边界园的C 点，静稳破坏发电机进入异步运行时，测量阻抗进入异步边界园的D 点。

图 2-2 测量阻抗圆
(3)失磁保护元件
1)静稳边界阻抗园：当发电机处于静稳边界时，发电机还未失步，由机端测量的阻抗为：向系统侧看是s jx (包括变压器的阻抗值)，向发电机看是d jx -
2）异步边界阻抗园：当低励、失磁发电机的功角不断增大，在超过静稳极限后，如果没有及时消除失磁也未能有效减小有功负荷，发电机终将失步而进入异步运行状态，此时机端测量到的阻抗称为发电机异步阻抗。

异步阻抗是发电机异步运行的滑差的函数，当S(滑差率=00()/n n n -)在0~∞之间时，机端测量阻抗介于s jx -和d jx -之间。

a.低电压元件：失磁后发电机机端或系统三相电压将降低，用低电压元件
作为失磁保护的辅助判据。

b.负序电压闭锁元件：为防止系统故障时保护误动作，用负序电压元件闭
锁失磁保护。

c.PT 断线元件：由于机端PT 断线时，阻抗元件和低电压元件都可能误动，
所以保护出口需经PT 断线判据闭锁。

d.无功反向元件：当失磁保护按静稳边界阻抗园作为失磁的主判据时，为
了防止误动，保护出口需经无功反向元件闭锁。

e.时间元件：失磁元件动作后，保护需经延时出口，延时需躲过系统振荡，
一般整定在1秒左右。

2.1.4发电机匝间保护
（1）发电机高灵敏横差保护
装设在发电机两个中性点连线上的横差保护, 用作发电机定子绕组的匝间短路、分支开焊故障以及相间短路的主保护。

1）高定值段横差保护，相当于传统单元件横差保护。

2）灵敏段横差保护。

[12]
装置采用相电流比率制动的横差保护原理, 其动作方程为:
(1)d hczd MAX ezd d hczd hczd ezd I I I I I K I I >->+⨯⎧⎪⎨⎪⎩
（2-3） 式中hczd I 为横差电流定值, MAX I 为机端三相电流中最大相电流, ezd I 为发电机额定电流,hczd K 为制动系数。

相电流比率制动横差保护能保证外部故障时不误动, 内部故障时灵敏动作, 由于采用了相电流比率制动，横差保护电流定值只需按躲过正常运行时不平衡电流整定，比传统单元件横差保护定值大为减小，因而提高了发电机内部匝间短路时的灵敏度。

[7]对于其他正常运行情况下横差不平衡电流的增大，横差电流保护动作值具有浮动门槛的功能。

（2）纵向零序电压保护
装设在发电机出口专用TV 开口三角上的纵向零序电压, 用作发电机定子绕组的匝间短路的保护。

1）高定值段匝间保护，按躲过区外故障最大不平衡电压整定，经工频变化量负序功 率方向闭锁；
2）灵敏段匝间保护：
装置采用电流比率制动的纵向零序电压保护原理, 其动作方程为:
()01/z zo m e zozd U K I I U >+⨯
23m I I =⨯ max e I I ≤ （2-4） 2max 3()m e I I I I =⨯+- max e I I >
式中zozd U 为零序电压定值, max I 为发电机机端最大相电流, 2I 为发电机机端负序电流，e I 为发电机额定电流, zo K 为制动系数，制动系数受工频变化量负序功率方向影响。

电流比率制动原理匝间保护能保证外部故障时不误动, 内部故障时灵敏动作, 由于采用了电流比率制动的判据，零序电压定值只需按躲过正常运行时最大不平衡电压整定，因此提高了发电机内部匝间短路时保护的灵敏度。

[13][14]对于其他正常运行情况下纵向零序电压不平衡值的增大，纵向零序电压保护动作值具有浮动门槛的功能。

2.2变压器保护原理
2.2.1变压器差动保护的问题分析
变压器差动保护是变压器内部故障的主保护，主要反应变压器油箱内部、套管和引出线的相间和接地故障，以及绕组的匝问短路故障。

（1）实现变压器差动保护需要考虑的问题
由于变压器具有两个及以上的电压等级，各侧所用cT额定参数各不相同，差动保护将产生不平衡电流；变压器分接头的调节也将增大差动保护不平衡电流；变压器励磁电流将成为差动保护不平衡电流的一种来源，过励磁时励磁电流可达额定电流水平，势必引起差动误动；空载合闸或区外故障切除电压恢复时变压器将产生很大的励磁涌流，差动保护也将误动；还有各侧电流的幅值、相位补偿，零序电流的补偿问题。

另一方面，匝间短路时虽然短路环中电流很大，但流入差动保护的电流可能很小，且此时变压器仍带有负荷，影响保护灵敏度；当高压侧(中性点直接接地)经阻抗接地故障时，故障电流也很小。

一方面由于各种因素产生很大的不平衡电流，一方面又要求能反应内部轻微故障，可见变压器差动比发电机差动要复杂的多。

[15][16]
（2）励磁涌流的产生、识别及闭锁方式
1)变压器在正常运行情况下，铁芯未饱和，相对导磁率很大，绕组的励磁电感也很大，因而励磁电流很小，一般不超过额定电流的3-6％。

"-3空投变压器或外部故障切除后的电压恢复时，铁芯可能饱和，励磁电感降低，相应出现数值很大的励磁涌流。

2)目前主要的涌流识别方法为二次谐波原理、波形识别原理、间断角原理，都是提取其电流信息量。

以二次谐波原理最为成熟。

a、利用谐波识别励磁涌流：采用三相差动电流中二次谐波，三次谐波的含量来识别励磁涌流，判别方程如下：
b、利用波形畸变识别励磁涌流：故障时，差流基本上是工频正弦波，而励磁涌流却有大量的谐波分量存在，波形发生畸变，间断，不对称．利用算法识别出这种畸变，即可识别出励磁涌流。

c、变压器差动的涌流制动新原理研究：目前，文献[14]提出了一种波形对称法识别涌流，文献n8¨1如进一步研究并改进了该原理。

同时还研究了波形相关法。

这类波形识别的方法可望在微机保护中得到更好的应用。

3)励磁涌流闭锁方式：有分相闭锁和三相“或门”闭锁两种方式。

a、分相闭锁方式：当某相判断有励磁涌流，即闭锁该相差动元件，另两相不被闭锁，这种方式容易误动，如长兴电厂和温州电厂高压备变投运时都发生过差动保护动作情况，故省调继保科推荐三相“或门”闭锁方式。

b、三相“或门”闭锁方式：当某相判断有励磁涌流，三相差动元件全被闭锁，这种方式能防止空载合闸时的误动，但当手合于故障变压器时将使造成差动保护将延缓动作。

c、有些国外进口保护采用三取二闭锁方式，即当有两相判为有涌流时闭锁三相出I=I。

2.2.2复合电压过流保护
(1)复合电压过流保护作为发电机、变压器、高压母线和相邻线路故障的后备。

复合电压过流设两段定值各一段延时, 第Ⅰ段动作于跳母联开关或其他开关。

复合电压过流Ⅱ段, 动作于停机。

1）复合电压元件：复合电压元件由相间低电压和负序电压或门构成，有两个控制字（即过流I 段经复压闭锁，过流II 段经复压闭锁）来控制过流I 段和过流II 段经复合电压闭锁。

当过流经复压闭锁控制字为‘1’时，表示本段过流保护经过复合电压闭锁。

2）电流记忆功能: 对于自并励发电机, 在短路故障后电流衰减变小，故障电流在过流保护动作出口前可能已小于过流定值，因此，复合电压过流保护起动后，过流元件需带记忆功能，使保护能可靠动作出口。

控制字“自并励发电机”在保护装置用于自并励发电机时置“1”。

对于自并励发电机，过流保护必须经复合电压闭锁。

3）经高压侧复合电压闭锁: 控制字“经高压侧复合电压闭锁”置“1”，过流保护不但经发电机机端TV1 复合电压闭锁，而且还经主变高压侧复合电压闭锁，只要有一侧复压条件成立就满足复压判据。

4）TV 断线对复合电压闭锁过流的影响：装置设有整定控制字（即TV 断线保护投退原则）来控制TV 断线时复合电压元件的动作行为。

当装置判断出本侧TV 断线时，若‘TV 断线保护投退原则’控制字为‘1’时，表示复合电压元件不满足条件；若‘TV 断线保护投退原则’控制字为‘0’时，表示复合电压元件满足条件，这样复合电压闭锁过流保护就变为纯过流保护。

(2)复合电压方向过流保护主要作为主变压器相间故障的后备保护。

通过整定控制字可选择各段过流是否经过复合电压闭锁，是否经过方向闭锁，是否投入。

方向元件：采用正序电压，并带有记忆，近处三相短路时方向元件无死区。

接线方式为零度接线方式。

接入装置的TA 极性如前面保护配置图所示，正极性端应在母线侧。

装置后备保护分别设有控制字‘过流方向指向’来控制过流保护各段的方向指向。

当‘过流方向指向’控制字为‘0’时，表示方向指向变压器，灵敏角为45°；当‘过流方向指向’控制字为‘1’时，方向指向系统，灵敏角为225°。

方向元件的动作特性如图2-6所示，阴影区为动作区。

同时装置分别设有控制字‘过流经方向闭锁’来控制过流保护各段是否经方向闭锁。

当‘过流经方向闭锁’控制字为‘1’时，表示本段过流保护经过方向闭锁。