水电厂二次设计毕业论文

摘要

发电厂二次系统是发电厂安全生产、运行维护的重要组成部分，对电力系统安全、可靠运行有着极其重要的作用。实践证明，技术先进的电气二次系统能对电气一次系统进行监测、报警、控制、保护，并能快速、准确、可靠地预报和切除故障，是一次系统安全、可靠、经济运行的重要保证。

二次系统分为继电保护、发电机励磁系统、直流系统及调速系统几部分。其中继电保护分为发电机保护，主变压器保护，线路保护和厂用电保护，通过对短路电流的计算确定保护类型和保护用设备的参数。

发电机励磁调节系统设计成由两套数字式调节器构成，两台互为备用，故障时自动切换；直流系统包括直流电源系统和蓄电池组；调速器系统中调速器应具备PID调节规律。

关键词：二次系统，继电保护，整定计算

ABSTRACT

Power secondary system is an important component of the power plant safety in production, operation maintenance, the power system safe and reliable operation has a very important role. Practice proves that the advanced technology of electrical secondary system to electric a system for monitoring, control, alarm, protection, and can quickly, accurately and reliably forecast and removal of fault, is a system the important guarantee of safe, reliable and economic operation.

Secondary system was divided into relay protection, generator excitation system, dc system and governing system parts. The relay protection can be divided into generator protection，main transformer protection, line protection and protection, auxiliary power to determine the calculation of short-circuit current protection type and protection with the parameters of the equipment.

Generator excitation control system designed to be composed of two sets of digital regulator, two mutually standby, fault automatic switch; Dc system consists of dc power supply system and battery; The speed governor system of speed governor should have PID control law.

Keywords: secondary system，relay protection，setting calculation

目录

1 绪论 ..................................................................................................................................................... 1

1.1 引言 .......................................................................................................................................... 1 1.2 崖羊山水电站简介 ................................................................................................................... 1 2 发电机继电保护系统 .......................................................................................................................... 2

2.1 故障类型及不正常运行状态 ................................................................................................... 2

2.1.1 故障类型 ........................................................................................................................ 2 2.1.2 不正常运行状态 ............................................................................................................ 2 2.2 发电机继电保护类型 ............................................................................................................... 2

2.2.1 主保护 ............................................................................................................................ 2 2.2.2 后备保护 ........................................................................................................................ 2 2.3 发电机纵联差动保护 ............................................................................................................... 2

2.3.1 发电机纵联差动保护原理及接线 ................................................................................ 3 2.3.2 发电机纵联差动保护整定原则 .................................................................................... 3 2.4 发电机定子绕组单相接地保护 ............................................................................................... 4

2.4.1 利用零序电流构成的定子接地保护 ............................................................................ 4 2.4.2 利用零序电压构成的定子接地保护 ............................................................................ 5 2.4.3 100%定子接地保护 ....................................................................................................... 5 2.5 横差动保护............................................................................................................................... 5 3 主变压器继电保护系统 ...................................................................................................................... 7

3.1 故障类型及不正常运行状态 ................................................................................................... 7

3.1.1 故障类型 ........................................................................................................................ 7 3.1.2 不正常运行状态 ............................................................................................................ 7 3.2 变压器的继电保护类型 ........................................................................................................... 7 3.3 变压器的纵联差动保护 ........................................................................................................... 8

3.3.1 变压器纵联差动保护的原理和接线 ............................................................................ 8 3.3.2 变压器纵联差动保护在稳态情况下的不平衡电流及减小不平衡电流的措施 ........ 9 3.4 变压器纵联差动保护整定计算 ............................................................................................. 10

3.4.1 变压器参数 .................................................................................................................. 10 3.4.2 基本侧的确定 .............................................................................................................. 10 3.4.3 计算差动保护装置基本侧的动作电流 ...................................................................... 10 3.4.4 确定BCH-2型差动继电器各线圈的匝数 ................................................................ 11

3.4.5灵敏度校验 .................................................................................................................. 12 3.5 变压器相间短路的后备保护 ................................................................................................ 12

3.5.1 变压器相间短路的过电流保护 .................................................................................. 13 3.5.2 低电压启动的过电流保护.......................................................................................... 13 3.5.3 复合电压启动的过电流保护...................................................................................... 13 3.5.4 负序过电流保护 ......................................................................................................... 14 3.6 变压器的瓦斯保护 ................................................................................................................ 14

3.6.1 变压器瓦斯保护的范围 ............................................................................................. 14 3.6.2 瓦斯继电器的动作原理 ............................................................................................. 15 3.6.3 瓦斯继电器收集气体判别故障 .................................................................................. 15 3.6.4 轻、重瓦斯保护动作的原因...................................................................................... 15

4 母线保护及断路器失灵保护简介 ................................................................................................... 17

4.1 母线保护简介 ........................................................................................................................ 17 4.2 母线差动保护的工作原理、保护范围................................................................................. 17

4.2.1 固定连接的母线差动保护.......................................................................................... 17 4.2.2 母联电流相位比较原理的母线差动保护 .................................................................. 18 4.2.3 比相式母线差动保护 ................................................................................................. 18 4.3 断路器失灵保护简介 ............................................................................................................ 18

4.3.1 失灵保护的原理及框图 ............................................................................................. 18 4.3.2 失灵保护跳闸的可能原因.......................................................................................... 19 4.3.3 失灵保护动作跳闸的处理.......................................................................................... 19

5 厂用电的继电保护 ........................................................................................................................... 20

5.1 厂用电抗器保护 .................................................................................................................... 20

5.1.1 工作电抗器差动保护 ................................................................................................. 20 5.1.2 工作电抗器过电流保护 ............................................................................................. 20 5.1.3 工作电抗器单相接地保护.......................................................................................... 20 5.1.4 备用电抗器过电流保护 ............................................................................................. 20 5.1.5 备用分支过电流保护 ................................................................................................. 20 5.1.6 单相接地保护 ............................................................................................................. 20 5.2 低压厂变及备变保护 ............................................................................................................ 20

5.2.1 厂用变压器的故障 ..................................................................................................... 21 5.2.2 差动保护 ..................................................................................................................... 21 5.2.3 瓦斯保护 ..................................................................................................................... 21 5.2.4 过电流保护 ................................................................................................................. 21 5.2.5 零序过电流保护 ......................................................................................................... 21 5.3 电容器的保护 ........................................................................................................................ 22

5.3.1 电容器组常见的故障和异常运行情况 ...................................................................... 22 5.3.2 电容器组应配置的如下的保护装置 .......................................................................... 22 5.3.3 电容器组的电压保护 .................................................................................................. 22

6 发电机励磁系统概述 ........................................................................................................................ 24

6.1 配置简介................................................................................................................................. 24 6.2 同步发电机励磁系统的构成及要求 ..................................................................................... 24

6.2.1 构成.............................................................................................................................. 24 6.2.2 对同步发电机励磁系统的要求 .................................................................................. 25 6.3 同步发电机励磁系统的分类及其性能特点 ......................................................................... 25

6.3.1 直流励磁机励磁系统 .................................................................................................. 25 6.3.2 交流励磁机励磁系统 .................................................................................................. 25 6.3.3 发电机自并励系统（没有励磁机） .......................................................................... 26

7 水电厂直流系统概述 ........................................................................................................................ 27

7.1 配置简介................................................................................................................................. 27 7.2 直流系统简介 ......................................................................................................................... 27

7.2.1 直流系统的作用及重要性 .......................................................................................... 27 7.2.2 基本概念 ...................................................................................................................... 27 7.3 直流系统的组成及各部件的作用 ......................................................................................... 27

7.3.1 直流系统组成 .............................................................................................................. 27 7.3.2 各组成部件的作用 ...................................................................................................... 27 7.3.3 高频电源开关的特点 .................................................................................................. 28 7.4 直流系统接线方式 ................................................................................................................. 28 8 调速器系统 ....................................................................................................................................... 29

8.1 配置简介................................................................................................................................. 29 8.2 水轮机调速器的任务 ............................................................................................................. 29 8.3 调速器维持发电机组输入和输出能量平衡途径 ................................................................. 29 8.4 水轮机调节系统的组成 ......................................................................................................... 29 8.5 水轮机调节系统的特点 ......................................................................................................... 30 8.6 水轮机调速器的工作原理及系统结构 ................................................................................. 30 9 结论 ................................................................................................................................................... 32 参考文献 ............................................................................................................................................... 33 致谢 ....................................................................................................................... 错误！未定义书签。

1 绪论

1 绪论

1.1 引言

电能与国民经济各部门和人民生活关系密切。现代工业、农业、交通运输业以及居民生活等都广泛的利用电作为动力、热量、照明等能源。供电的中断或不足，不仅将直接影响生产，造成人民生活紊乱，在某些情况下，甚至会造成极其严重的社会性灾难。改革开放以来，我国经济的快速发展刺激电网的快速发展，尤其是近几年我国各个地区出现的缺电现象直接促进了大规模机组的投产和电网建设进程的急剧加快。随着我国电力需求迅速增长，使得电网规模不断扩大、结构越来越复杂，对包括水电厂在内的各类发电厂的发电量及其二次工程的稳定性可靠性的要求显得越发重要。同时随着现代社会对电网供电可靠性的要求的不断提高，就需要我们继电保护装置发挥更重要的作用，针对系统出现的故障能及时切除，确保电网的安全、稳定、经济的运行。发电厂二次系统是发电厂安全生产、运行维护的重要组成部分，对电力系统安全、可靠运行有着极其重要的作用。

西电东送是西部大开发的标志性工程之一，在西部开发三大标志性工程中，西电东送投资最大，工程量最大。顾名思义，西电东送重点在“送”，要送就要有通道，西电东送从南到北，从西到东，将形成北、中、南三路送电格局。其中南线由云南、贵州、广西等省（区）向华南输电。而本文将介绍的水电厂二次设计就是关于西电东送工程中南线上的一个重要水电厂——崖羊山水电厂。

本设计主要包括四大部分：继电保护、发电机励磁系统、直流系统及调速系统，我将着重介绍继电保护部分和直流系统，其它部分将对其进行理论与硬件参数的概述。

1.2 崖羊山水电站简介

崖羊山水电站位于云南省思茅地区墨江哈尼族自治县与普洱哈尼族彝族自治县的界河把边江河段上，该河段位于普洱县境内。为李仙江流域规划七个梯级电站的龙头电站。电站对外有左岸及右岸两条交通运输道路，距昆明火车东站的公路距离分别为370km和418km。

电站是以发电为主，兼顾防洪等综合利用的中型水电站工程。电站共装设两台单机容量分别为50MW和25MW的混流式机组。电站具有季调节水库，发电库容1.34?108m，保证出力23.3MW，多年平均发电量4.99~10kW·h，年利用小时数4158h。电站出线电压等级为220kV。220k V侧为单母线接线，出线一回至李仙江变电站，线路长约30km。220kV开关设备采用气体绝缘金属封闭组合电器。发电机与主变压器采用单元接线，发电机主引出母线采用离相封闭母线，发电机出口装设专用型发电机断路器。

崖羊山水电站电气二次部分，按“无人值班(少人值守)”的原则进行设计，电站由云南省调调度。电站继电保护系统、直流系统、励磁系统、调速系统、公用辅机设备控制系统等主要二次设备均选用性价比优越的微机型产品。

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青海大学本科毕业设计：水电厂电气部分二次设计

2 发电机继电保护系统

根据《继电保护和安全自动装置技术规程》，对电站的发电机、主变压器、厂用变、220kV母线、220kV线路等配置了微机保护。

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。

2.1 故障类型及不正常运行状态

2.1.1 故障类型

定子绕组相间短路、定子绕组一相的匝间短路、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。

2.1.2 不正常运行状态

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等。

2.2 发电机继电保护类型

2.2.1 主保护

（1）纵联差动保护（2）横联差动保护（3）发电机定子绕组接地保护（4）负序过电流保护（5）失磁保护。

2.2.2 后备保护

（1）过电流保护（2）复合电压起动的过电流保护（3）过负荷保护（4）过电压保护（5）低频保护（6）逆功率保护（7）失步保护等。

这里将着重介绍发电机内部相间短路的主保护—纵联差动保护。

2.3 发电机纵联差动保护

通常讲的差动保护包含了母线差动保护、变压器差动保护、发电机差动保护和线路差动保护。实现差动保护的基本原则是一致的，即各侧或各元件的电流互感器，按差接法接线，正常运行以及保护范围以外故障时，差电流等于零，保护范围内故障时差电流等于故障电流，差动继电器的动作电流按躲开外部故障时产生的最大不平衡电流整定计算[3]。

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2 发电机继电保护系统

该保护是发电机内部相间短路的主保护，既能快速而灵敏地切除内部所发生的故障，又能在正常运行及外部故障时保证动作的选择性和工作的可靠性。

2.3.1 发电机纵联差动保护原理及接线

发电机纵联差动保护的原理接线图如图2-1所示，在中性点测和机端引出线靠近断路器处分别装设一组电流互感器，因此它的保护范围就是定子绕组及其引出线。由于两侧可选同一电压等级、同型号、同变比及特性尽可能一致的电流互感器，因此，其不平衡电流比变压器纵联差动保护的小，只需要考虑由于两侧电流互感性励磁特性不一致产生的不平衡电流，即

Iunb.max?KnpKsam0.1Ik.max/nTA （2-1）

式中，电流互感器同型系数Ksam=0.5；当采用具有速饱和铁心的差动继电器KD时，非周期分量系数Knp=1；Ik.max为外部短路最大短路电流周期分量；nTA是电流互感器变比。为了防止电流和互感器二次回路断线引起保护误动，在差动回路的中线上接有断线监视继电器4。错误！未指定书签。

+6KS++c信号+7跳灭磁开关KD1KD2KD3KAI >4+t5短线信号KT图2-1 具有电流互感器二次回路断线监视的发电机纵联差动保护原理接线

2.3.2 发电机纵联差动保护整定原则

发电机纵联差动保护的启动电流的整定原则如下： （1）躲开正常运行时电流互感器二次回路断线

为防止差动保护在此情况下误动作，应整定保护装置的启动电流大于发电机的额定电流。引入可靠系数Krel(取1.3)，则保护装置和继电器的启动电流分别为

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Iop?KrelIN.GIact?KrelIN.G/nTA （2-2）

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（2）躲开外部故障时的最大不平衡电流 继电器的启动电流应取为

Iact?KrelIunb.max （2-3）

取上述两公式中最大者为保护的启动电流。

短线监视继电器的启动电流按躲开正常运行时的不平衡电流整定，原则上越灵敏越好。根据经验，其值通常选择为

Iact?0.2IN.G/nTA （2-4）

其动作时限应大于发电机后备保护的时限，以防止外部故障时由于不平衡电流的影响而误发信号。正常运行时，若监视短线继电器发出断线信号，则运行人员应将差动保护退出工作以防止外部短路时保护误动作。

发电机纵联差动保护的灵敏性仍以灵敏系数衡量，即

Ksen?Ik.min （2-5） Iop式中，Ik.min为发电机内部故障时流过保护装置的最小短路电流，计算时应考虑下面两种情况： （1）发电机与系统并列运行以前，在其出线端发生两相短路。此时，差动回路只有由发电机供给的短路电流；

（2）发电机采用自同期并列时（此时发电机先不加励磁，因此发电机的电势E≈0）,在系统最小运行方式下发电机出线端发生两相短路。此时，差动电路中只有由系统供给的短路电流。

对灵敏系数的要求一般不应低于2。

对100MW及以上大容量发电机，当灵敏系数不满足要求时，可以采用具有比率制动特性的差动继电器，使继电器的启动电流随着制动电流的大小而变化。这样既可保证外部故障时可靠躲开最大不平衡电流的影响，又能保证内部故障的灵敏性[3]。

2.4 发电机定子绕组单相接地保护

定子绕组单相接地故障是发电机最常见的一种故障，而且往往是更为严重的绕组内部故障发生的先兆。目前实际应用中比较成熟的定子接地保护有基波零序电压保护、三次谐波电压保护及二者组合构成的保护，国外的发电机中性点大都是经高阻接地，较多的采用的是外加电源式的保护。

发电机定子绕组单相接地时有如下特点：内部接地时，流经接地点的电流为发电机所在电压网络对地电容电流的总和，此时故障点零序电压随故障点位置的改变而改变；外部接地故障时，零序电流仅包含发电机本身的对地电容电流。这些故障信息对接地保护非常重要，下面简单介绍几种定子接地保护方法。

2.4.1 利用零序电流构成的定子接地保护

反应零序电流的发电机定子接地保护，其启动电流按照躲外部单相接地是发电机本身的电容电流以及正常运行时零序电流互感器二次侧的不平衡电流来整定，动作时限取1~2s，以躲开外部单项

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2 发电机继电保护系统

接地瞬间发电机暂态电容电流（其数值远较稳定时的3?C0GU?为大）的影响。

由单相接地故障特点可知，对直接连在母线上的发电机发生内部单相接地时，外接元件对地电容较大，接地电流增大超过允许值，这就是零序电流接地保护的动作条件。这种保护原理简单，接线容易。但是当发电机中性点附近接地时，接地电流很小，保护将不能动作，因此零序电流保护存在一定的死区。

2.4.2 利用零序电压构成的定子接地保护

为了保证该保护中动作的选择性，保护装置的整定值应躲开正常运行时的不平衡电压（包括三次谐波电压），以及变压器侧接地时由高压侧经高、低压绕组间电容耦合至发电机端的零序电压。根据经验，继电器的启动电流一般整定为15~30V。

这种保护主要应用于发电机变压器组接线方式，它的一个突出优点是即使在单相接地电流很小的情况下也可以采用，但是由于在发电机中性点处存在位移电压，该保护不可避免的在中性点附近接地时存在死区，且当经过过渡电阻接地时灵敏度不高。

2.4.3 100%定子接地保护

100%定子接地保护由两部分构成,一部分为基波零序电压保护,另一部分为三次谐波电压定子接地保护。

三次谐波电压型定子接地保护是利用发电机中性点和出线端的三次谐波电压在正常和接地故障时的特点构成的。正常运行时,发电机中性点的三次谐波电压Un比出线端的三次谐波电压Us大;而在发电机定子绕组中性点及其附近范围内发生接地故障时,出线端的三次谐波电压Us比发电机中性点的三次谐波电压Un大。利用其变化的特点,使发电机出口的三次谐波电压Us作为动作量,中性点的三次谐波电压Un为制动量,利用绝对值比较原理,当发电机出口三次谐波电压Us大于中性点的三次谐波电压Un时,继电器动作。

2.5 横差动保护

利用反应两个支路电流之差的原理，实现对发电机定子绕组匝间短路的保护，即为横差动保护。它有两种接线方式： a. 每相装设两个电流互感器和一个继电器做成单独的保护。这样三相总共需要六个互感器和三个继电器。由于接线复杂，保护中的不平衡电流也大，因此实际上已经很少采用。

b.目前广泛应用的接线方式实质上是把一半绕组的三相电之和去与另一半绕组三相电流之和进行比较，当发生

CBA大容量发电机内部接线示意图水利电力学院

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前述各种匝间短路时，此中性点联线上照样有环流通过。因此，差动继电器KD动作。这种接线由于只使用了一个互感器，也就不存在由于互感器的误差所产生的不平衡电流，因此，起动电流较小，灵敏度较高。此外，这种接线方式也比第一种接线方式简单[1]。

运行经验表明，当励磁回路发生永久性的两点接地时，由于发电机励磁磁势的畸变而引起空气隙磁通发生较大的畸变，发电机将产生异常的振动，此时励磁回路两点接地保护应动作于跳闸。在这种情况下，虽然按照横差动保护的工作原理来看它不应该动作，但由于发电机已有切除的必要，因此横差动保护动作于跳闸也是允许的。基于上述考虑，目前已不采用励磁回路两点接地保护动作时闭锁横差动保护的措施。为了防止在励磁回路中发生偶然性的瞬间两点接地时引起的误动作，因此，当励磁回路发生一点接地后，在投入两点接地保护的同时，也应将横差动保护切换至0.5~1s的延时动作于跳闸。

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3 主变压器继电保护系统

3 主变压器继电保护系统

变压器是电力系统的核心设备之一，它的故障对供电可靠性和系统的稳定运行会造成严重影响，因此对它的继电保护也就成为重中之重，必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好、工作可靠的继电保护装置。然而，由于设计制造技术、工艺以及运行维护水平的限制，变压器的故障还是时有发生，这大大影响了电力系统的安全稳定运行，所以为了防止和尽快排除变压器引起的故障，特装设变压器继电保护装置。

变压器的继电保护是利用当变压器内外发生故障时，由于电流、电压、油温等随之发生变化，通过这些突然变化来发现、判断变压器故障性质和范围，继而作出相应的反应和处理。

3.1 故障类型及不正常运行状态

3.1.1 故障类型

变压器的内部故障可以分油箱内部和油箱外部故障两种。油箱内部的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁芯的绕损等。油箱外的故障,主要是套管和引出线上发生的相间短路和接地短路。变压器发生故障，必将对电网和变压器带来危害，特别是发生内部故障时，短路电流产生的高温电弧不仅烧坏绕组绝缘和铁芯，而且使绝缘材料和变压器油受热分解产生大量气体，导致变压器外壳局部变形、甚至引起爆炸。因此变压器发生故障时，必须将其从电力系统中切除。

3.1.2 不正常运行状态

(1)过负荷(2)外部短路引起的过电流(3)外部接地短路引起中性点过电压(4)漏油引起的油面降低(5)对大容量变压器，在过电压或低频率等异常运行方式下，还会发生变压器的过励磁故障等。

3.2 变压器的继电保护类型

为防止以上故障和变压器的不正常运行状态，变压器应装设以下主要继电保护装置： 1.为反应变压器油箱内部各种短路故障和油面降低，对于0.8MVA及以上的油浸式变压器和户内0.4MVA以上变压器应装设瓦斯保护。

2.为反应变压器绕组和引出线的相间短路，以及中性点直接接地电网侧绕组和引线接地短路及绕组匝间短路，应装设纵差保护或电流速断保护。

3.为反应外部相间短路引起的过电流和作为瓦斯、纵差保护(或电流速断保护)的后备，应装设过电流保护。

4.为反应大接地电流系统外部接地短路，应装设零序电流保护。 5.为反应过负荷应装设过负荷保护。 6.为反应变压器过励磁应装设过励磁保护。

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3.3 变压器的纵联差动保护

3.3.1 变压器纵联差动保护的原理和接线

所谓变压器的纵联差动保护，是指由变压器的一次和二次电流的数值和相位进行比较而构成的保护。纵联差动保护装置，一般用来保护变压器线圈及引出线上发生的相间短路和大电流接地系统中的单相接地短路。对于变压器线圈的匝间短路等内部故障，通常只作后备保护。

纵联差动保护装置由变压器两侧的电流互感器和继电器等组成，两个电流互感器串联形成环路，电流继电器并接在环路上。因此，差动继电器KD的电流等于两侧电流互感器二次侧电流之差如图所示

???2?I???2。在正常情况下或保护范围外发生故障时，两侧电流互感器二次侧Idiff?I电流大小相等，相位相同，因此流经继电器的差电流为零，但如果在保护区内发生短路故障，流经继电器的差电流不再为零，因此继电器将动作，使断路器跳闸，从而起到保护作用[6]。

??1I??2IKD??2?I???2I???2I双绕组变压器纵联差动保护的原理接线对双绕组变压器实现纵差动保护的原理接线如右图所示，图中规定一次侧电流的正方向从母线流向被保护的变压器。为了保证纵联差动保护的正确工作，应使得在正常运行和外部故障时，两个二次电流相等，差回路电流为零，进而就必须适当选择两侧电流互感器的变比。即

I?2?I?1I??1??I??2 （3-1） nTA1nTA2所以

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3 主变压器继电保护系统

nTA2I??1??nT （3-2） nTA1I?1式中，nTA1为高压侧电流互感器的变比；nTA2为低压侧电流互感器的变比；nT为变压器的变比。

由上式可知，构成变压器纵联差动保护的基本原则是：必须适当选择两侧电流互感器的变比，使其比值等于变压器的变比nT。

3.3.2 变压器纵联差动保护在稳态情况下的不平衡电流及减小不平衡电流的措施

在正常运行及保护范围外部短路稳态情况下流入纵联差动保护差回路中的电流叫稳态不平衡电流Iunb。不平衡电流越大，继电器的启动电流越大，灵敏度越低。

(1) 由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流

引起原因为：由于变压器常常采用Y，d11的接线方式，因此，其两侧电流的相位差30o。此时，如果两侧的电流互感器仍采用通常的接线方式，则二次电流由于相位不同，会有一个很大的不平衡电流电流流入继电器。

解决办法为：通常都是将变压器星形侧的三个电流互感器接成三角形，而将变压器三角形侧的三个电流互感器接成星形，这样可以使二次电流的相位相同。但是，当电流互感器采用上述接线方式以后，在互感器接成三角形侧的差动臂中，电流增加了3倍。为了保证在正常运行及外部故障情况下流入差动回路的电流为零，就必须将该侧电流互感器的变比加大3倍以减小二次电流，使之与另一侧的电流相等。故此时选择变比的条件是

nTA2nTA13?nT （3-3）

式中，nTA1和nTA2为Y,d11接线的需要而采用的新变比[2]。 （2）由计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流

引起原因为:由于两侧的电流互感器都是根据产品目录选取其标准变比，而变压器的变比也是一定的。因此，三者的关系很难满足

nTA2nTA2?nT（或?nT）的要求，从而在差动回路中产生不

nTA1nTA13平衡电流。

解决方法为：采用具有速饱和铁芯的差动继电器，可以利用它的平衡线圈来消除不平衡电流的影响。在数字式变压器保护中，可以预先在变压器的一侧电流互感器的二次电流上乘以一个固定系数（三绕组变压器需在两侧各乘以一个固定系数）以保证正常运行和外部故障且电流互感器未饱和时的差电流为零。这样就消除了计算变比和实际变比不同而产生的不平衡电流。

（3）两侧电流互感器的型号不同引起的不平衡电流

引起原因为：由于变压器各侧的电压等级和额定电流不同，因而采用的电流互感器型号各异，它们的特性差别较大，故引起较大的不平衡电流。这一不平衡电流也在计算保护的动作值时考虑躲过。

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解决方法为:这种不平衡电流是不可避免的，只能靠尽可能减少电流互感器铁芯的饱和程度来虚弱其影响。为此，应严格按照电流互感器的10％误差曲线选择二次负载，负载减小了等于降低了二次电压，也就降低了电流互感器的磁感应强度，减弱了铁芯饱和度，相应地也就降低了不平衡电流。

3.4 变压器纵联差动保护整定计算

目前常用的国产差动保护继电器主要有BCH-1、BCH-2、BCH-4型等。变压器的差动保护一般采用BCH-2型差动继电器，它具有较好的避免励磁涌流特性，也有躲避外部短路暂态不平衡电流的性能。因此，这里的整定计算将采用BCH-2型变压器纵差动保护。

3.4.1 变压器参数

主变压器的参数为SFL1-10000/60型，60/10.5kV，Y/d11结线，%=9。已知10.5kV母线上三相

(3)(3)短路电流在最大、最小运行方式下分别为IK=3950A，IK=3200A，归算到60KV分别为691A2min2max与560A，10kV侧最大负荷电流为ILmax=450A，归算到60KV侧为78.75A。

3.4.2 基本侧的确定

（在变压器的各侧中，CT二次联接臂电流最大一侧称为基本侧）

计算变压器原副路额定电流，选出电流互感器的变比，计算电流互感器二次联接臂中的电流。

表3-1 变压器各侧有关数据

数据名称 变压器的 额定电流 电流互感器 的接线方式 电流互感器变比的计算值 选择电流互感器标准变比 电流互感器二次联接臂电流 各侧数据 60kV 10.5kV ITNY?STN10000??96.2A 3UN13?60Δ INTd?STN10000??550A3UN23?10.5 Y KTAd?3ITNY96.2166.6?3? 555KTAD=200/5 KTA?Y?ITNd550? 55KTAY=600/5 I2?ITNd550??4.583A KTAY600/5I1?3ITNY96.2?3?4.165A KTAd200/5故选大者10.5kV侧为基本侧。平衡线圈WbI接于10.5KV的基本侧，平衡线圈Wb?接于60KV侧。

3.4.3 计算差动保护装置基本侧的动作电流

应满足下列三个条件：

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1）躲过变压器励磁涌流的条件

Iop1?KrelITN?d?1.3?550?715A

2）躲开电流互感器二次断线不应误动作的条件

Iop1?KrelIL?max?1.3?450?585A

3)躲过外部穿越短路最大不平衡电流的条件

(3)Iop1?KrelIunb?max?Krel(KstKerr??U??fs)IK2max?1.3(1?0.1?0.05?0.05)?3950?1027A

式中: Krel,Kst,Kerr——可靠系数，电流互感器的同型系数与电流互感器的误差；

ITNd,ILmax——变压器于基本侧的额定电流与最大负荷电流；

?U,?f——改变变压器分接头调压引起的相对误差与整定匝数不同于计算匝数引起的相对误

差；

(3)IK2max——在最大运行方式下，变压器二次母线上短路，归算于基本侧的三相短路电流值。

选取上述三个条件计算值中最大的作为基本侧的一次动作电流，即Iop1=1027A。 差动继电器于基本侧的动作电流为

Iopr?Iop1KTAYKcon?1027?1?8.56A

600/5式中: KTAy,Kcon基本侧的电流互感器变比与其接线系数。

3.4.4 确定BCH-2型差动继电器各线圈的匝数

该继电器在保护时其动作安匝值(线圈匝数与线圈通过的电流的乘积)AN=60±4，则继电器于基本侧的动作匝数为

Wop?AN60?4??7匝 Iop?r8.56为了平衡得更精确，使不平衡电流影响更小，可将接于基本侧的平衡线圈作为基本侧动作匝数的一部分，即选取差动线圈Wd与平衡线圈Wb1的整定匝数Wds=6匝，Wb1S=1匝，即

Wop·set?Wd·set?Wb1?set?6?1?7匝

确定非基本侧平衡线圈的匝数，即：

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WbII?I24.583(Wd·?W)?W?(6?1)?1.7匝 setbI?setd·setI14.165选取Wb?的整数匝Wb?set=2匝，此时相对误差即：

?fs?WbII?WbII?set1.7?2???0.0395

WbII?Wd?set1.7?6可见?fs?0.05，故可不必再重新计算动作电流。

确定短路线圈匝数，即确定短路线圈的抽头点的插孔。从直流助磁特性可知，短路线圈匝数越多，躲过励磁涌流的性能越好，但当内部故障电流中有较大的非周期分量时，BCH-2型继电器的动作时间就要延长。因此，对励磁涌流倍数大的中、小容量变压器，当内部故障时短路电流非周期分量衰减较快，对保护动作时间要求又较低，故多选用插孔C2-C1或D2-D1。另外，还应考虑电流互感器的型式、励磁阻抗小的电流互感器，如套管式，吸收非周期分量较多，短路线圈应选用较多匝数的插孔。所选插孔是否合适，应通过变压器空投入试验来确定。本例题宜选用插孔C2-C1拧入螺钉，接通短路线圈。

3.4.5灵敏度校验

本例题为单电源应以最小运行方式下10kV侧两相短路反应到电源侧进行校验，10kV母线两相短路电流归算到60kV侧流入继电器的电流为

(2)IK2?r?3IKTAd(2)K2min3?(?3(3)?IK2min)1.5?5602??21A

KTAd200/560kV电源侧BCH-2型继电器的动作电流为

Iop?r?则差动保护装置的最小灵敏度为

AN60??7.5A

Wd?set?WbII?set6?2k(2)S?min(2)IK21?2?r??2.8?2 Iop?r7.5可见灵敏度满足要求，因此，根据计算可选用BCH—2型差动保护装置。

3.5 变压器相间短路的后备保护

为反应相间短路电流增大而动作的过电流，以及在变压器内部故障时作为差动保护和瓦斯保护的后备，变压器应装设相间短路的后备保护。根据变压器容量和系统短路电流水平的不同，实现变压器相间短路后备保护的方式有过电流保护、低电压启动的过电流保护、复合电压启动的过电流保护以及定时限负序过电流保护等。

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3.5.1 变压器相间短路的过电流保护

简单过电流保护装置的启动电流按躲开变压器可能出现的最大负荷电流进行整定。

Iop?KrelKMsKrelKMsKre （3-4）

式中，Kre为可靠系数，一般采用1.2~1.3；KMs为自启动系数，与负荷性质及用户与电源间的 电气距离有关；Kre为电流继电器的返回系数，取0.85~0.95. 保护装置的灵敏度

Ksen?Ik.min （3-5） Iop[4]

过电流保护作为变压器的近后备保护，灵敏系数要求大于1.5，远后备保护的灵敏系数大于1.2。 保护的动作时间比出线的第三段保护动作时限长1个时限阶段。

3.5.2 低电压启动的过电流保护

当过电流保护不能满足灵敏度要求时可采用低压起动的过电流保护。只有电压测量元件和电流测量元件同时动作后才能起动时间继电器，经预定的延时发出跳闸脉冲，进而启动出口中间继电器跳开变压器两侧的断路器。

由于低电压元件的存在，电流元件的整定值可以不考虑可能出现的最大负荷电流，而是按大于变压器的额定电流整定IN.T,即

Iop?KrelIN.T （3-6） Kre式中，Krel为可靠系数，取1.2;Kre为电流继电器的返回系数，取0.85~0.95。

低电压元件的启动值按躲开正常运行情况下母线上可能出现的最低工作电压，且考虑外部故障切除后电动机自启动的过程中它必须返回来整定。根据运行经验，通常采用

Uop?0.7UN.T （3-7）

式中，UN.T为变压器的额定线电压。 低电压元件灵敏度

Ksen?Uop （3-8） Uk.maxUk.max为最大运行方式下，相邻元件末端三相金属性短路时，保护安装处的最大线电压，要求

Ksen≧1.2。

对升压变压器，如果低电压元件只接于某一侧的电流互感器上，则当另一侧故障时往往不能满足上述灵敏系数的要求。可以考虑采用两套低电压元件分别接在变压器两侧的电流互感器上，其接点采用并联的连接方式；也靠考虑采用复合电压启动的过电流保护。

当电压互感器回路发生断线时，低电压继电器将误动作。因此，在低电压保护中一般应设置电压回路断线的信号指示，延时发出断线信号，便于运行人员加以处理。

3.5.3 复合电压启动的过电流保护

由负序电压滤过器、过电压继电器及低电压继电器组成复合电压起动回路。当发生各种不对称

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短路时，出现负序电压，过压继电器动作?其常闭接点断开?低电压继电器失电?其常闭接点闭合?起动中间继电器，低压闭锁开放。若电流继电器也动作，则起动时间继电器，经预定延时发出跳闸脉冲。

三相短路时：也会短时出现负序电压。闭锁开放。由于低电压继电器返回电压较高。三相短路后，若母线电压低于低电压继电器的返回电压，则低电压继电器不会返回。

复合电压起动的过电流保护的电流元件和低电压元件的整定同低压闭锁过电流保护。负序电压继电器的动作电压根据运行经验为

[7]

U2.op?（0.06-0.12）UN.T （3-9）

灵敏度校验与上述两种过电流保护相同。

这种保护方式灵敏度高，接线简单，故应用比较广泛。

3.5.4 负序过电流保护

变压器过电流保护的原理框图如图所示，由负序过电流元件和单相式低电压启动的过电流保护组成。不对称故障时利用负序电流元件获得较高的灵敏度，三相短路时依靠低电压启动的过电流保护动作切除故障。一般负序电流可整定为

I2.op?（0.2-0.6）IN.T （3-10）

UabI2>KAa?1KA2t 0出口跳闸负序过电流保护原理框图

3.6 变压器的瓦斯保护

变压器在运行中，由于内部故障，有时候我们无法及时辨别和采取措施，容易引起一些事故，采取瓦斯继电器保护后，一定程度上避免了类似事件的发生。现将瓦斯继电器动作后如何收集气体判别故障以及轻、重瓦斯保护动作的原因进行简述。

3.6.1 变压器瓦斯保护的范围

瓦斯保护的范围是变压器内部多相短路；匝间短路，匝间与铁心或外皮短路；铁心故障（发热烧损）；油面下降或漏油；分接开关接触不良或导线焊接不良。瓦斯保护的优点是不仅能反映变压器油箱内部的各种故障，而且还能反映差动保护所不能反映的不严重的匝间短路和铁心故障。此外，当变压器内部进入空气时也有所反映。因此，是灵敏度高、结构简单、动作迅速的一种保护。

其缺点是不能反映变压器外部故障（套管和引出线），因此瓦斯保护不能作为变压器各种故障的

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唯一保护。瓦斯保护抵抗外界干扰的性能较差，例如剧烈的震动就容易误动作。如果在安装瓦斯继电器时未能很好地解决防油问题或瓦斯继电器不能很好地防水，就有可能漏油腐蚀电缆绝缘或继电器进水而造成误动作。

3.6.2 瓦斯继电器的动作原理

当变压器出现内部故障时，产生的气体将聚集在瓦斯继电器的上部，使油面降低。当油面降低到一定程度后，上浮筒便下沉，使水银接点接通，发出信号。如果是严重故障，油流会冲击挡板，使之偏转，并带动挡板后的连动杆向上转动，挑动与水银接点卡环相连的连动环，使水银接点分别向与油流垂直的两侧转动，两水银接点同时接通，使开关跳闸或发出信号。常用的瓦斯继电器有两种：一是浮子式；二是挡板式。挡板式瓦斯继电器是将浮子式的下浮子改为挡板结构。两者的区别是，挡板式的挡板结构不随油面下降而动作，而是在油的流速达到0.6～1.0m/s时才动作，所以挡板式瓦斯继电器遇到油面下降或严重缺油时，不会造成重瓦斯误动跳闸。

为了使油箱内产生的气体能够顺畅地通过瓦斯继电器排往油枕，变压器安装应取1％～1.5％的坡度；而变压器在制造时，联通管对油箱顶盖也有2％～4％的坡度[9]。

3.6.3 瓦斯继电器收集气体判别故障

瓦斯继电器动作后，如果不能明确判别是不是变压器内部故障所致，就应立即收集瓦斯继电器内聚积的气体，通过鉴别气体的性质，做进一步判别。一般将专用玻璃瓶倒置，使瓶口靠近瓦斯继电器的放气阀来收集气体。如果收集到的气体无色无味，且不能点燃，说明瓦斯继电器动作是油内排出空气所致。如果收集到的气体为黄色，且不易点燃，说明变压器的木质部分出现了故障；如果所收集的气体为淡黄色并带强烈臭味，又可燃烧，则表明是纸质部分故障；如果气体为灰色或黑色易燃气体，则为绝缘油故障。

判别气体是否可燃时，对室外变压器可直接打开瓦斯继电器的放气阀，点燃从放气阀排出的气体，若为可燃气体，沿气流方向将看到明亮的火焰。试验时应注意，为了确保安全，在油开始外溢前必须及时关闭放气阀。从室内变压器收集的气体，应置于安全地点进行点燃试验。判别气体有颜色时动作必须迅速，否则颜色很快就会消失，从而得不到正确结果。

3.6.4 轻、重瓦斯保护动作的原因

1.轻瓦斯保护动作的原因：变压器的轻瓦斯保护动作，一般作用于信号，以表示变压器运行异常，其原因主要是在变压器的加油、滤油、换油或换硅胶过程中有空气进入油箱。由于温度下降或漏油，油面降低。油箱的轻微故障，产生少量气体。轻瓦斯回路发生接地、绝缘损坏等故障处理的原则是停止音响信号。检查变压器的温度、音响、油面及电压、电流指示情况。通过第一项检查，如未发现异常，应收集继电器顶部气体进行故障判别。如果收集的气体为空气，值班人员将继电器内的气体排出，变压器可继续运行；如果为可燃气体，且动作频繁，则应先汇报领导，按命令处理。如果无气体，变压器也无异常，则可能是二次回路存在故障，值班人员应将重瓦斯由掉闸改投信号，并将情况报告有关负责人，待命处理。

2.重瓦斯保护动作的原因：变压器的重瓦斯保护动作掉闸的原因是变压器内部发生严重故障，回路有故障，近区穿越性短路故障。

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处理的原则是对变压器上层油温、外部特征、防爆喷油和各侧开关掉闸情况、停电范围等进行检查，如有备用变压器，应立即投入，并报告有关领导。收集气体判别故障：如果是内部故障，则不得试送电，应按规定拉开各侧开关，并采取安全措施，等待抢修。如果气体不可燃，而且表计无摆动，则可考虑试送电。如果瓦斯继电器内无气体，外部也无异常，则可能是瓦斯继电器二次回路存在故障，但在未证实变压器良好以前，不得试送电。

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4 母线保护及断路器失灵保护简介

4 母线保护及断路器失灵保护简介

4.1 母线保护简介

当母线上的绝缘子或断路器套管发生闪络时，会造成发电厂母线上发生单相接地或多相接地。另外，运行人员的误操作，例如带地线合刀闸会造成母线发生故障。母线上的故障将使连接在其上的所有原件在修复故障母线期间或转换至另一组无故障母线运行之前被迫停电。

一般的低压母线不装设专门的母线保护，母线上的故障利用母线上其他供电元件的保护装置来切除。例如图所示的双侧电源网络（或环形网络）在B母线上短路时，可以有保护1和保护4的第Ⅱ段动作予以切除。但是，这种方法的最大缺点是延时太长。因此，对于严重的低压母线以及高压母线上应装设专门的母线保护。

[8]

A1k23BC4图4-1在双侧电源网络上，利用电源侧的保护切除母线故障

4.2 母线差动保护的工作原理、保护范围

母线保护都是按差动原理构成的，包括比较母线上连接元件电流幅值和相位的电流差动保护和比较母线上连接元件电流相位的比相式差动保护等。实现母线差动保护所必须考虑的特点是：由于母线上连接着较多电气元件如线路、变压器、发电机等，所以构成母线差动保护时要将母线上的所有元件都予以考虑。

为满足选择性，在构成母线的电流差动保护时应该保证：正常运行以及母线保护范围外故障时，流入差动保护的电流为零；母线上故障时，流入差动保护的电流为所有电源提供给短路点电流（即短路点总电流）变换到二次侧的数值。

母线保护有多种类型,不同类型的母线保护其实现保护的工作原理是不一样的。这里仅就固定连接的母线差动保护和母联电流相位比较原理差动保护以及电流相位比较式母线保护作一简单说明。

4.2.1 固定连接的母线差动保护

这种母线差动保护要求母线上的电源元件,必须按照事先规定好的固定连接方式运行,母线故障时,母线差动保护的动作才有选择性。当母线保护采用此种类型时,进行电源元件的倒换,将使保护失去选择性。因此,倒换前合入母线差动保护非选择性开关,倒完后也不拉开。对负荷元件,则在倒换前

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合入非选择性开关,倒换后拉开非选择性开关,同时负荷元件的跳闸压板也作相应的切换。

4.2.2 母联电流相位比较原理的母线差动保护

这种保护无固定连接的要求.只要母差保护的跳闸压板位置与元件母线隔离开关所接母线位置相对应就可以了.因此,倒换操作前将非选择性开关合入,倒换后再拉开,并对母线差动保护跳闸压板及重合闸放电压板,切换到倒换后所对应的母线位置就可以了.这种保护存在的缺点是2组母线分列运行时,母线将失去选择故障母线组的能力。

4.2.3 比相式母线差动保护

这种保护只反应电流间的相位,具有较高的灵敏度。倒闸过程中,需合入非选择性开关,倒闸后将被操作元件的跳闸压板及重合闸放电压板切换至与所接母线对应的比相出口回路就可以了。在构成比相式差动保护时应保证电流比相在正常运行时电流流入的元件和电流流出的元件之间进行，因为只有这样才能做到正常运行以及母线外部故障时保护不动作，而母线故障时保护动作。

应该指出,母线差动保护在母线倒闸操作过程中的切换、投退要与该母线采用的母线保护的类型,保护的技术特性、母线的结线方式及倒闸前后母线运行方式的变换,甚至要与电网的运行方式具体结合起来。运行人员在进行倒闸操作时,要十分明确，操作是否破坏了固定连接的要求、是否会使保护失去选择性；操作完毕后, 母线方式是否改变、母线保护是否具有自适应性等等。只有这样,才能确保倒闸操作过程中及其操作完成后母线及其保护的安全合理运行。

4.3 断路器失灵保护简介

4.3.1 失灵保护的原理及框图

继电保护动作发出跳闸命令后，在断路器失灵而拒绝动作情况下，能以较短时限切除其他有关断路器，使停电范围缩得最小的后备保护就称为断路器失灵保护。它是防止事故范围扩大，保证电力系统稳定运行的一种有效措施。

母线1段QF3母线2段QF1QF2QF4QF5k图4-2 分段单母线

在上图所示系统k点短路时，按照选择性的要求应该有QF4所在线路上的保护动作跳开QF4。若QF4拒动，则装于母线Ⅰ段上的断路器失灵保护将动作，跳开QF3、QF4和QF5。这样一来，k

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4 母线保护及断路器失灵保护简介

点短路就切除了，母线Ⅱ段可以继续正常运行[10]。

构成断路器失灵保护的框图如下图所示。所有连接在一条母线或一组母线上元件的保护装置在动作发出跳闸信号给断路器跳闸线圈的同时，也启动断路器的失灵保护，经过延时元件（其延时大于断路器跳闸时间和保护装置延时返回的时间之和）鉴别确实断路器失灵后，跳开这条母线或这组母线上所有的断路器。

有QF3对应的保护来有QF4对应的保护来有QF5对应的保护来?1t0跳QF3、QF4和QF5构成框图图4-3构成框图

4.3.2 失灵保护跳闸的可能原因

1.线路故障或断路器所接其他保护动作，断路器拒动。断路器拒分的原因有多种多样，最常见的是液压力异常闭锁，分闸电源异常，控制回路断线，直流系统异常等。

2.失灵保护整定有误，或失灵保护装置异常造成误动。 3.误碰误操作造成保护动作。

4.3.3 失灵保护动作跳闸的处理

1.失灵保护动作后，应立即检查相应一次设备状态，记录信号，并及时将检查及保护动作情况

汇报调度。

2.当确认某断路器保护动作出口，而断路器拒分，失灵保护动作将改母线上其他断路器跳闸，

此时应立即断开该断路器，并拉开隔离开关，隔离故障点，检查母线确无故障后依据调度指令逐个恢复其他断路器的正常运行。

3.如果失灵保护动作将两条母线上的所有断路器全部跳闸，则表明失灵保护无选择性动作，此

时应该申请调度将失灵保护停用，由专业人员检查，同时断开该断路器，并拉开两侧隔离开关，检查母线确无故障后依据调度指令逐个恢复其他断路器的正常运行。

4.母联差动保护动作，同时失灵保护动作将各断路器跳闸，表明母联断路器拒分，此时应该详细检查母线设备，在位查出故障原因或故障未消除之前，严禁向母线送电。

5.无任何断路器保护动作而失灵保护动作，应根据系统有无故障象征综合分析动作行为，如果确认失灵保护误动，应汇报调度将失灵保护停用，然后逐一恢复各断路器的正常运行，由专业人员处理存在的问题[13]。

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5 厂用电的继电保护

5.1 厂用电抗器保护

5.1.1 工作电抗器差动保护

为尽快切除电抗器和电缆中的多相短路故障，加速备自投投入，一般装设差动保护。采用两相两继电器式接线，保护瞬时动作于两侧跳闸。

5.1.2 工作电抗器过电流保护

过电流保护用于保护电抗器回路及相邻元件的相间短路故障。保护采用两相两继电器式接线，且带时限跳各侧断路器。电抗器供电给2个分段时，还应在各分支上分别装设过电流保护，带时限动作于本分支断路器跳闸。

5.1.3 工作电抗器单相接地保护

当电抗器所接电压系统各出线装有单相接地保护时，电抗器回路也需装设单相接地保护，以便有选择性地反应单相接地故障。保护由1个接于零序电流互感器上的电流继电器构成。当从电抗器接出的电缆为2根及以上时，且每根电缆分别装设零序电流互感器时，应将各互感器的二次线圈串联后接至电流继电器。电缆终端盒的接地线应穿过零序电流互感器，以保证保护正确动作。保护带时限动作于信号。

5.1.4 备用电抗器过电流保护

过电流保护用于保护电抗器回路及相邻元件的相间短路故障。 保护采用两相两继电器式接线，且带时限跳各侧断路器。

5.1.5 备用分支过电流保护

备用分支过流保护用于保护本分段母线及外部相间短路故障。保护采用两相两继电器式，带时限动作于本分支断路器跳闸。当备用分支自动投入至永久性故障时，分支过流保护应加速跳闸。

5.1.6 单相接地保护

备用电抗器单相接地保护的装设条件与构成方式同工作电抗器。

5.2 低压厂变及备变保护

现代发电厂的生产过程是完全机械化和自动化的，它需要许多机械为其主要设备和辅助设备服务，这些机械称为厂用机械。发电厂厂用机械用电及照明用电称为发电厂的厂用电，厂用电绝大部分是使用交流电，少量的是使用直流电。发电厂厂用电的全部电力网络、厂用电配电装置和厂用电的交直流电源等所构成的总体，称为发电厂的厂用电系统。

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4 母线保护及断路器失灵保护简介

5.2.1 厂用变压器的故障

厂用变压器的故障可以分为内部故障和外部故障两种。厂用变压器的内部故障主要有绕组的相间短路、匝间短路和单相接地以及铁芯烧损等。现代的三相式变压器，由于结构工艺的改进和绝缘性能的加强，发生内部绕组相间短路的可能性是很少的。如果是由三台单相变压器构成的变压器组，则内部相间短路是不可能发生的。厂用变压器最常见的内部故障是绕组的匝间短路。

厂用变压器的外部故障主要是套管和引出线上发生的短路，这种工作可能导致变压器引出线的相间短路或一相绕组碰接变压器的外壳。

5.2.2 差动保护

2MVA及以上，用电流速断保护灵敏性不符合要求时，应装设差动保护，保护宜采用三相三继电器式，瞬时动作于变压器各侧断路器跳闸。

差动保护的整定计算，保护动作电流按下列条件计算：

（1）躲过外部短路的最大不平衡电流

Idz?Kk?Kfzq?Ktx?Ki?Id.max （5-1）

式中：Kk为可靠系数，取1.3；Kfzq为考虑非周期分量影响的系数。对能躲过非周期分量的继电器取1.2～1.3；对不能躲过非周期分量的继电器取1.5～2；Ktx为电流互感器同型系数，取0.5；Ki为电流互感器的最大相对误差，取0.1；Id.max为外部三相短路时，流经保护的最大周期性。

（2）为避免保护在CT二次回路断线时误动作，保护动作电流应大于最大负荷电流，即

Idz?Kk?Ie.k （5-2）

式中：Kk为可靠系数，取1.3～1.5；Ie.k为额定电流。 保护的动作电流取上述两计算结果中的较大值[12]。

5.2.3 瓦斯保护

瓦斯保护用于变压器内部故障及油面降低。800kVA及以上或车间内400kVA及以上的变压器应装设瓦斯保护。轻瓦斯保护动作于信号，重瓦斯保护瞬时动作于跳各侧断路器。当变压器远离高压厂用配电装置，重瓦斯保护实现跳闸有困难时，可尽发信至附近的值班室内。

5.2.4 过电流保护

过电流保护用于保护变压器及相邻元件的相间短路故障。保护采用两相三继电器或两相式接线。带时限动作于跳闸。当变压器供电给 2 个及以上分支时，还应在分支上分别装设过电流保护及零序过电流保护。过电流保护采用两相两继电器式接线，零序过电流保护由 1 个接于零序电流回路上的反时限继电器构成，带时限动作于本分支自动开关跳闸。当备用变压器分支线自动投入至永久性故障时，该分支的过电流保护应加速跳闸。

5.2.5 零序过电流保护

当变压器低压侧中性点直接接地时，零序过流保护用于变压器低压侧单相接地短路故障。保护装置由1个接于变压器低压侧中性线电流互感器上的反时限电流继电器构成，带时限动作于跳闸。当变压器远离高压配电装置时，为了节省电缆，高压侧的过电流保护可改为两相三继电器式接线，省去低压侧的零序过电流保护。此时，对低压侧的单相接地短路保护可适当降低灵敏系数，灵敏系

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数可取1.25。

5.3 电容器的保护

在发电厂的中、低压侧通常装设并联电容器组，以补偿系统无功功率的不足，从而提高电压质量，降低电能损耗，提高系统运行的稳定性。并联电容器组可以接成星形，也可接成三角形。在大容量的电容器组中，为限制高次谐波的放大作用，可在每组电容器组中串接一只小电抗器。

5.3.1 电容器组常见的故障和异常运行情况

（1）电容器组和断路器之间连接线的短路；（2）电容器内部极间短路；（3）电容器组中多台电容器故障；（4）电容器组过负荷；（5）电容器组的母线电压升高；（6）电容器组失压。

5.3.2 电容器组应配置的如下的保护装置

（1）单台电容器应设置专用熔断器组不同接线方式不同的保护方式：星形接线的电容器组可采用开口三角形电压保护；多段串联的星形接线电容器组也可采用电压差动保护或桥式差电流保护；双星形接线的电容器组可采用中性线不平衡电压保护或不平衡电流保护[14]；

（2）对电容器组的过电流和内部连接线的短路，应设置过电流保护。当有总断路器及分组断路器时，电流速断作用于总断路器跳闸；

（3）电容器装置组设置母线过电压保护，带时限动作于信号或跳闸。在设有自动投切装置时，可不另设过电压保护；

（4）电容器组宜设置失压保护，当母线失压时自动将电容器组切除。

5.3.3 电容器组的电压保护

电容器电压保护是利用母线电压互感器TV测量和保护电容器。电容器电压保护主要用于防止系统稳态过电压和欠电压。微机电容器低电压保护的逻辑框图如下图所示。过电压和欠电压保护均通过延时鉴别稳态过电压和欠电压。低电压保护需经过流闭锁，以防止TV断线造成低电压保护误动。

UabIsetIb>IsetIc>Iset&Y2低电压保护逻辑图

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4 母线保护及断路器失灵保护简介

在系统故障过压或低压电容器保护动作跳闸后，为了使保护能立即复位，要求保护在跳位时（KTP=1）能自动退出运行，待母线电压恢复正常后断路器可重新投入运行。在图中，KTP=1时去闭锁低压保护Y5，使电容器保护自动退出运行。

5.3.4 电容器组内部故障的不平衡保护

大容量的并联电容器组，是由许多单台电容器串、并联（一般为先并后串）组成。一台电容器故障，由其专用的熔断器切除，而对整个电容器组无甚大影响，因为电容器具有一定的过载能力，且在设计中进行设备选择时，一般均留有适当裕度。但当多台电容器故障并切除后，就可能使留下来继续运行的电容器严重过载或过电压（电容器切除后，故障段容抗增大，端电压随之升高可能>1.1额定电压）而受损害，故需考虑保护措施，常用不平衡保护。保护的原理是反应一组电容器中健全部分与故障部分之间的差异（电流或电压）。

电容器组的接线方式（三角形、星形和双星形，如下图为双星形接线方式）不同构成不平衡保护的方式也不同。常用的保护方式有：零序电压保护（开口三角电压保护）、中性点不平衡电压或电流保护、电压差动保护、电桥差电流保护。所谓电容器组的零序电流平衡保护，就是在星形接线的两组电容器的中性点连线上安装零序电流互感器和零序电流继电器。这样，当某一相的电容器在运行中出现故障时，由于中性点上产生零序电流，零序电流互感器就会起动零序电流继电器，使开关跳闸，从而可以断开电容器组，防止故障继续扩大。

QSTATVC1Xb1C2Xb2acac电容器组双星型接线方式水利电力学院

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6 发电机励磁系统概述

6.1 配置简介

发电机采用自并激三相全控桥静止可控硅整流励磁系统，励磁调节系统2套数字式调节器构成，每套调节器都可按电压偏差自动调节通道和按转子电流偏差手动调节通道。2套调节器互为备用，故障时自动切换。调节器还具备与计算机监控系统现地控制单元LCU 的通信接口，以实现监控系统对励磁系统的投、切及调节等功能。

励磁系统的功率单元由2个可控硅整流桥并联构成。当其中一个可控硅桥故障时，励磁系统能满足机组包括强励在内的各种运行工况的要求。励磁系统的顶值电压倍数及顶值电流倍数均为2。励磁系统的配置有过励限制、低励限制、电压/频率限制及电力系统稳定器(PSS)、电压跟踪等辅助单元及励磁变压器过电流、转子过电压及交流侧过电压等保护。发电机的正常停机采用逆变灭磁，机组事故时采用快速直流开关加非线性电阻灭磁方式。发电机采用残压起励，并辅以直流起励，直流起励电源取自厂内蓄电池。

6.2 同步发电机励磁系统的构成及要求

6.2.1 构成

励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机励磁电源的一套系统。励磁系统一般由两部分组成：（如图所示）一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，即励磁电流，通常称作励磁功率输出部分（或称励磁功率单元）。另一部分用于在正常运行或发生故障时调节励磁电流，以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分（或称励磁控制单元或励磁调节器）。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。

励磁功率单元G励磁系统发电机 电力系统励磁调节器输入信息励磁自动控制系统构成框图

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6 发电机励磁系统概述

6.2.2 对同步发电机励磁系统的要求

在电力系统的运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用，它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机无功功率、功率因数和电流等参数。在电力系统正常运行的情况下，维持发电机或系统的电压水平；合理分配发电机间的无功负荷；提高电力系统的静态稳定性和动态稳定性，所以对励磁系统必须满足以下要求：

1、常运行时，能按负荷电流和电压的变化调节（自动或手动）励磁电流，以维持电压在稳定值水平。

2、应有足够的功率输出，在电力系统发生故障，电压降低时，能迅速地将发电机地励磁电流加大至最大值（即顶值），以实现发动机安全、稳定运行。

3、励磁装置本身应无失灵区，以利于提高系统静态稳定，并且动作应迅速，工作要可靠，调节过程要稳定。

6.3 同步发电机励磁系统的分类及其性能特点

根据励磁电流的供给方式，凡是从其它电源获得励磁电流的发电机，称为他励发电机，从发电机本身获得励磁电源的，则称为自励发电机。同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直流电源。为了满足正常运行发电机励磁电源必须具备足够的调节容量，并且要有一定的强励倍数和励磁电压响应速度，在设计励磁系统方案时，首先应考虑他的可靠性。为了防止系统电网故障对他的影响，励磁功率单元往往作为发电机的专用电源，另外，它的起励方式也应力求简单方便。

6.3.1 直流励磁机励磁系统

在电力系统发展初期，同步发电机容量不大，励磁电流由与发电机组同轴的直流发电机供给，即所谓直流励磁机励磁系统。由于它是靠机械整流子换向整流的，当励磁电流过大时，换向就很困难，所以这种方式只能在10万kW以下小容量机组中采用。直流励磁机是靠剩磁来建立电压的，按励磁机励磁绕组供电方式的不同，又可分为自励式和他励式。还有一个特点就是系统简单[11]。

自励与他励的区别是对主励磁机的励磁方式而言的，他励直流励磁机励磁系统比自励励磁机励磁系统多用了一台副励磁机，因此所用设备增多，占用空间大，投资大，但是提高了励磁机的电压增长速度，因而减小了励磁机的时间常数，他励直流励磁机励磁系统一般只用在水轮发电机组上。

6.3.2 交流励磁机励磁系统

随着发电机容量的提高，所需励磁电流也相应增大，机械整流在换流方面遇到了困难，而大功率半导体整流元件制造工艺却日益成熟，于是大容量机组的励磁功率单元就采用了交流发电机和半导体整流元件组成的交流励磁机励磁系统。目前容量在100MW以上的同步发电机组普遍采用交流励磁机励磁系统，同步发电机的励磁机也是一台交流同步发电机，其输出电压经大功率整流器整流后供给发电机转子。该系统的核心是励磁机，它的频率、电压等参数是根据需要特殊设计的，其频率一般为100Hz或更高。

交流励磁机励磁系统根据励磁机电源整流方式及整流器状态的不同又可分为他励交流励磁机励磁系统（2台励磁机）和自励交流励磁机励磁系统（1台励磁机），其中他励又分为交流励磁机静止

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整流器励磁系统和交流励磁机旋转整流器励磁系统；自励分为资自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统和自励交流励磁机静止整流器励磁系统。

6.3.3 发电机自并励系统（没有励磁机）

不论是直流励磁机励磁系统还是交流励磁机励磁系统，一般都是与主机同轴旋转。为了缩短主轴张度，降低价格，减少环节，又出现用发电机自身作为励磁电源的方法，即发电机自并励系统，又称为静止励磁系统。该类励磁装置采用大功率晶闸管元件，没有转动部分，故称静止励磁系统。由于励磁电源是由发电机本身提供，故又称发电机自并励系统。

静止励磁系统原理接线如图所示。它由机端励磁变压器供电给整流器电源，经三相全控整流桥直接控制发电机的励磁。它具有明显的优点，被广泛用于大型发电机组，特别是水轮发电机组。国外某些公司把这种方式列为大型机组的定型励磁方式。我国已在一些机组上主要是在一些大型机组上，采用静止励磁方式[5]。

VSG滑环启励元件励磁调节器启励电源TTV静止励磁系统原理接线

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8 调速器系统

7 水电厂直流系统概述

7.1 配置简介

全厂设置一套220V直流电源系统，带2组蓄电池。蓄电池每组容量为300AH(103只电池)，选用荷贝克(HOPPECKE)免维护铅酸蓄电池。充电／浮充电装置采用高频开关整流装置。直流电源作为电站设备的控制、保护、事故照明、灭磁开关跳合闸、断路器跳合闸及起励备用电源。直流系统采用单母线分段，配置一套充电/浮充电装置和一组蓄电池，2段直流母线之间设置联络开关，以放射状从直流母线向负荷供电，重要直流负荷分别2段母线上供电。采用微机监控仪完成充放电控制、母线及各馈电支路绝缘监测、电池容量监测等功能。

7.2 直流系统简介

7.2.1 直流系统的作用及重要性

为供给继电保护、控制、信号、计算机监控、事故照明、交流不间断电源等直流负荷，220－500KV变电站应装设由蓄电池供电的直流系统。直流系统的用电负荷极为重要，对供电的可靠性要求很高。直流系统的可靠性是保障变电站安全运行的决定性条件之一。

7.2.2 基本概念

1、均衡充电：用于均衡单体电池容量的充电方式，一般充电电压较高，常用作快速恢复电池容量。

2、浮充电：保持电池容量的一种充电方法，一般电压较低，常用来平衡电池自放电导致的容量损失，也可用来恢复电池容量。

3、正常充电：蓄电池正常的充电过程，即由均充电转到浮充电的过程。

4、定时均充：为了防止电池处于长期浮充电状态可能导致电池单体容量不平衡，而周期性地以较高的电压对电池进行均衡充电。

5、限流均充：以不超过电池充电限流点的恒定电流对电池充电. 6、恒压均充：以恒定的均充电压对电池充电[15]。

7.3 直流系统的组成及各部件的作用

7.3.1 直流系统组成

主要由高屏开关电源（即充电屏）和蓄电池组成。高屏开关电源又由充电模块、交流配电、直流馈电、配电监控、监控模块、绝缘检测仪、电池监测仪组成。

7.3.2 各组成部件的作用

1、充电模块：完成AC/DC变换，实现系统最为基本的功能（配有过电流、过电压、欠电压、过热等保护）；

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2、交流配电：将交流电源引入分配给各个充电模块，扩展功能为实现两路交流输入的自动切换（正常工作时，交流电压切换小开关打在“自动”位，第一路交流作为主工作电源，第二路做辅助，当第一路因故停电时，第二路自动投入，当第一路恢复时，自动切换回第一路供电；当交流电压切换小开关打到“I”或“II”时，则第一路或第二路交流作为唯一的交流输入电源）；

3、直流模块：将直流输出电源分配到每一路输出；

4、配电监控：将系统的交流、直流中的各种模拟量、开关量信号采集并处理，同时提供声光告警；

5、监控模块：进行系统管理，主要为电池管理和后台远程监控；对下级智能设备实施数据采集并加以显示；

6、绝缘监测仪：实现系统母线和支路的绝缘状况监测，产生告警信号并上报数据到监控模块，在监控模块显示故障详细情况（无论是母线平衡接地，还是不平衡接地；同一支路的单侧接地，还是正负极同时接地；不同支路的单侧接地还是双侧同时接地；以及所有支路的混合接地；都可做出正确判断）；

7、电池监测仪：支持单体电池电压监测和告警；对电池端电压，充放电电流，电池房温度及其他参数做实时在线监测[16]。

7.3.3 高频电源开关的特点

1、采用模块化结构，系统可靠性高，维护简单迅速； 2、整流模块采用高频变换，体积小，重量轻；

3、采用微机监控模块实现电源系统的监控和电池的自动充放电管理，并通过串行通信实现多个电源系统的远地集中监控。

7.4 直流系统接线方式

本站直流供电网采用辐射状供电，采用主、分屏二级供电方式。直流主屏至直流分屏以双回馈线供电。各安装单位所需要的控制、保护、跳闸等电源均由直流分屏单独供电。直流母线的接线方式为单母线分段接线，特点是每回路只需一组母线刀开关、设备少、接线简单、清晰，直流屏内布线方便，能方便的形成两个互不联系的直流系统，有益于提高直流系统的可靠性，方便查找接地。

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8 调速器系统

8 调速器系统

8.1 配置简介

电站调速器采用奥地利贝加莱的高品质可编程控制器的双微机调速器。调速器由机械柜及电气柜组成。调速器采用残压及齿盘测频，转速信号取自发电机机端PT及装于发电机大轴上的齿盘。调速器具有PID调节规律，具有频率—出力调整、转速调整、开度控制、电力系统频率自动跟踪、自诊断和容错及稳定等功能。调速器除能在现地和远方进行机组的自动开、停机和事故停机外，还能在现地进行手动开/停机和事故停机。

8.2 水轮机调速器的任务

水轮发电机是将水能转换成电能的机械装臵，水轮机调速器是控制水轮发电机组在各种工况下，安全运行的控制设备之一，它的任务是：控制水轮发电机组自动开机、停机、转速调节、负荷调整、机组各种运行工况的转换、机组或电力系统故障时紧急停机。必要时还可以通过调速器的手动方式操作机组运行。

调速器在作转速调节和负荷调整时，其任务的实质时维持进入水轮机的能量和发电机组输出的电能之间的平衡。

8.3 调速器维持发电机组输入和输出能量平衡途径

因此在水轮机中，设臵有便于控制的导水叶，调整导水时的开度，就改变进入水轮机的流量，改变了动力矩，维持能量平衡，从而使机组持速保持在规定的范围里。

8.4 水轮机调节系统的组成

压力引水系统调节机构水轮机发电机电力网水轮发电机组频率（转速）被控系统执行机构调节决策水轮机调速器测量图8-1 水轮机调节系统的组成水利电力学院

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水轮机的调节系统由被控系统和水轮机调速器两大部分组成，如图，被控系统由压力过水系统、水轮机、发电机和电力负荷组成。调速器一般由转速（和频率）测量机构，调节决策和执行机构三大部分组成。

8.5 水轮机调节系统的特点

水轮机调节系统是一个典型的自动控制系统，它除了一般闭环控制系统的共性外，还有如下特点：

1、其调节机构控制的是巨大的水流，所需的操作力十分巨大，而控制导水开启和关闭的速度又相对快，所以执行机构的操作功率较大。所以，一般采用液压执行机构。

2、水轮机压力过水系统存在着水流惯性，调节水体流量时会发生水锤和水压变化，这种水压变化对转色的影响，正好与调节作用相反。对调节系统的稳定带来不利的影响。

3、导水叶关闭速度和规律有严格限制

导水叶是控制进入水轮机能量的机构。水轮发电机组输出的电能是随机变化的，而且变化较快。为了维持输入量能与输出电能平衡，导叶开启和关闭本应该快速。但是，由于导叶快速关闭会产生过高的水压上升，会导致压力钢管破裂，危机电站安全。过快开启导水叶会在引水管的某些部分产生负压，导致引水管损坏，所以在调速器中必须设臵导水叶关闭和开启速度的调整机构，而且，调速系统投入运行时，首先要将导水叶关闭速度按调节保证计算提供的数据调整好[18]。

8.6 水轮机调速器的工作原理及系统结构

水轮机调节系统由被调节系统和调速器构成，它是一个典型的闭环自动调节系统，为了保证调节系统稳定和有较好的调节品质，调速器必须准确地测量机组转速（和机组频率）偏差，并按偏差地大小和方向产生调节动作，通过执行机构区改变调节机构地开始，调整进入水轮机地流量，达到使转速偏差迅速消除的目的。转速偏差消除了，即系统的输入和输出能量达到了新的平衡。因此，水轮机调速的必须由三大部分构成，即转速测量部分，调节器部分（即产生调节动作的机构）和执行机构。

现在以微机电液调速器为例对水轮机调速器的原理及系统结构进行简单介绍。现代微机电液调速器与电气液压、调速器在系统结构上有很大区别，微机电液调速器也有三部分，即频率测量，调节规律形成和执行机构，一般频率测量和调节规律形成由微型计算机或可编程控制器完成。将这部称电气调节器或微机调节器。测量频率和频差一般用脉冲计数的方法，信号均为数字量，因此，形成比例加积分的调节规律，都是直接对频差信号进比例和积分运算获得。作为微机调速器的执行机构，都是电液随动系统。

现在就电子调节器＋电液随动系统结构做简单介绍，其系统框图如图所示：

这类系统结构的调速器由电子微机调节器和电液随动系统两大部分组成。其主要特点是：系统结构合理，转速死区

30 iX小，其计算公式为：

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8 调速器系统

iX?bp?ia （8-1） 式中bp为调速器的永态转差系数，检验ix时一般bp＝6％ ；ix为电液随动系统的不准确度，一般容易做到0.3％~0.5％。所以这类系统结构的调速器正常情况下ix一般可以大0.02％~0.03％的水平。 机频网频测频PLC运算控制器PID+-Y指令信号综合放大器电液转换Vs位移传感器机械液压系统Vy电子调节器图8-2 水轮机调速器的系统结构电液随动系统 由于采用微机进行PLC运算，其调节规律十分准确。加之电液随动系统导叶位臵反馈采用电气反馈，可以不设臵机械反馈，因此调速器在电站布臵灵活、方便，尤其是大型机组的调速器和一些不便于安装机械反馈的特殊调速器，适合采用这类系统结构。近期出现的“四无”型微机调速器就属于这种系统结构，在这种调速器中，电液随动系统，采用了滚珠螺旋丝杆自动复中装臵和工作在位控方式的交流伺服电机构成的无油“电液转换器”。其动态和静态特性比环喷式电液转换器更好[17]。 水利电力学院

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9 结论

本设计内容为水电厂二次设计，它主要包括四大部分：继电保护系统、发电机励磁系统、直流系统及调速系统，还有保护整定计算。其中继电保护系统包括发电机保护、主变压器保护、线路保护和厂用电的保护等。设计里着重介绍了继电保护部分，其它部分只进行了理论与硬件参数的概述。

发电厂二次系统设计的内容力求概念清楚，层次分明，参考发电厂电气设计工程规范，经过大量翻阅工作，了解设计基本过程，从而进一步知道设计内容的展开。现将自己查阅文献的工作归述为：通过查阅课本和网络资源，了解电力工业的有关政策，技术规程等方面知识，理清自己的设计思路，从而为自己的设计提供有力依据。通过查阅文献，进行论述，提出我的设计思路和具体设计内容，以便于为设计工作提供有理可据的设计参考。通过查阅相关设计规程，了解水电厂二次设计的一般过程和相关设计规程，明白离自己所要设计的内容，清楚了设计任务。

本次毕业设计将是对我三年多学习的一次综合测试，通过这次设计，使我巩固了所学知识，掌握了发电厂二次系统初步设计的过程。在本次设计的过程中，在巩固和加深课本电气专业知识的同时，还学会了很多技能和知识，提高了解决问题的内容。

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9 结论

参考文献

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