4X200MW火电厂继电保护设计 - 图文

西华大学毕业设计说明书 摘要:本次设计是针对4*200MW的火电厂的继电保护设计， 其中电厂的一次接线已

知其基本的电气设备已选择。设计的基本内容就是了解该电厂在系统的主要作用对其进行短路计算，然后利用算出的短路电流对电厂的主要电气设备进行继电保护配置的设计。根据继电保护的四性：选择性、速动性、灵敏性以及可靠性对发电机、变压器和母线进行继电保护配置以及整定计算。

关键词：短路电流计算，继电保护，整定计算

Abstract : This design is for 4 * 200 MW of power relay protection design,

including the power plant a wiring known, its basic electrical equipment has chosen. The basic contents of the design is to understand the power plant in the main function of the system of the short circuit calculation, and then calculate the use of short circuit current of the main electrical equipment for power plants on the relay protection device design. According to the relay four demand: selective, fast acting sex, sensitivity and reliability of the generator, transformer and bus bar to relay protection configuration and setting calculation.

Keyword: Short-circuit current calculation， relay protection ，setting

calculation

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西华大学毕业设计说明书 目录

1绪论 ............................................................................................................................... 5 2 设计的基本内容与要求以及系统标幺值的计算 ........................................................... 8 2.1 设计的基本内容与要求 ................................................................................................ 8 2.2 系统的参数以及火电厂主要电气元件的参数 ............................................................ 9 2.2.1 系统的参数 ...................................................... 9 2.2.2 火电厂主要电气元件参数 ......................................... 10 3 短路电流的计算及最大负荷电流计算 ........................................................................ 12 3.1 f1点短路（看电厂内部） ....................................................................................... 13 3.1.1 画等值电路图并化简 ............................................. 13 3.1.2 计算短路电流 ................................................... 14 3.2 f2点短路（看整个系统） ......................................................................................... 15 3.2.1 画等值电路图并化简 ............................................. 15 3.2.2 计算短路电流 ................................................... 17 3.3 发电机母线短路（f2点短路看电厂） ..................................................................... 19 3.3.1画等值电路图并化简 ............................................. 19 3.3.2 计算短路电流 ................................................... 20 3.4 f3点短路（矿区母线短路） ..................................................................................... 21 3.4.1画等值电路图并化简 ............................................. 21 3.4.2 计算短路电流 ................................................... 23 3.5 f4点短路 ..................................................................................................................... 25 3.5.1画等值电路图并化简 ............................................. 25 3.5.2 计算短路电流 ................................................... 26 3.6 f5点短路 ..................................................................................................................... 28 3.6.1画等值电路图并化简 ............................................. 28 3.6.2 计算短路电流 ................................................... 29 3.7 最大负荷电流的计算 .................................................................................................. 30 4发电机的保护配置及整定计算 .................................................................................... 32

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西华大学毕业设计说明书 4.1 发电机的故障和不正常运行状态及保护类型 .......................................................... 32 4.1.1 发电机的故障 ................................................... 32 4.1.3 发电机的保护类型 ............................................... 32 4.2 纵联差动保护 .............................................................................................................. 34 4.2.1 发电机主要参数 ................................................. 34 4.2.2 纵差保护原理 ................................................... 34 4.2.3 整定计算 ....................................................... 36 4.3 横联差动保护 .............................................................................................................. 38 4.3.1 整定计算 ....................................................... 39 4.4 发电机的失磁保护 ...................................................................................................... 40 4.4.1 整定计算 ....................................................... 42 4.5 过电压保护 .................................................................................................................. 46 4.5.1 整定计算 ....................................................... 47 5变压器的保护配置及整定计算 .................................................................................... 48 5.1 电力变压器的故障和不正常运行状态及保护类型 .................................................. 48 5.1.1 电力变压器的故障和不正常运行状态 ............................... 48 5.1.2 电力变压器的保护类型 ........................................... 48 5.2 瓦斯保护 ...................................................................................................................... 49 5.2.1 保护原理 ....................................................... 49 5.2.2 瓦斯保护的整定 ................................................. 50 5.2.3 重瓦斯保护油流速度 ............................................. 50 5.3 差动保护 ...................................................................................................................... 50 5.3.1 整定计算 ....................................................... 51 5.4 零序电流保护 .............................................................................................................. 52 5.4.1 零序电流计算 ................................................... 52 5.4.2 整定计算 ....................................................... 54 5.4.3 灵敏度校验 ..................................................... 55 5.5 后备保护：复合电压过电流保护 .............................................................................. 55 5.4.1 整定计算 ....................................................... 56

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西华大学毕业设计说明书 5.4.2 灵敏度校验 ..................................................... 57 6 母线的保护配置及整定计算 ....................................................................................... 58 6.1 母线的故障及保护类型 .............................................................................................. 58 6.1.1 母线的故障 ..................................................... 58 6.1.2 母线的保护类型 ................................................. 58 6.2 电流差动母线保护 ...................................................................................................... 61 6.2.1 差动保护动作电流的整定计算 ..................................... 61 6.3 断路器失灵保护 .......................................................................................................... 62 7 设计总结与体会 ......................................................................................................... 65 8 致谢 ............................................................................................................................ 66 9 参考文献 ..................................................................................................................... 67 附录 ................................................................................................................................ 68 附录1 火电厂的继电保护配置图 ..................................................................................... 68 附录2外文资料翻译 .......................................................................................................... 69

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西华大学毕业设计说明书 1绪论

电力系统运行要求安全可靠，但是，电力系统的组成原件数量多，结构各异，运行状况复杂，覆盖的地域辽阔，因此，受自然条件、设备以及人为因素的影响（如雷击、倒塔、内部过电压或运行人员的误操作等），电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行，最常见同时也是最危险的故障就是各种形式的短路故障。 （1）通过短路点的很大的短路电流所燃起的电弧，使元件遭到破坏。

（2）短路电流流过非故障元件，会因为发热导致其绝缘损坏或者缩短其使用寿命。 （3）部分地区电压大大降低，影响其产品质量。

（4）破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个系统瓦解。

不正常运行状态是指系统的正常工作受到干扰，使运行参数偏离正常值，如一些设备过负荷、系统频率或某些地区电压异常、系统振荡等。

故障和不正常运行状态常常是难以避免的，但事故却可以防止。电力系统继电保护装置就是装设在每一个电气设备上，用来反映它们发生的故障和不正常运行情况，从而动作于断路器跳闸或发出信号的一种有效的反事故的自动装置。继电保护装置被称为是电力系统的卫士，它的基本任务有：

（1）当电力系统发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障设备从电力系统中切除，保证系统其余部分迅速恢复正常运行，防止故障进一步扩大。

（2）当发生不正常工作情况时，能自动有选择将信号上传给运行人员进行处理，或者切除那些继续运行会引起故障的电气设备。

可见继电保护是任何电力系统必不可少的组成部分，对保证系统安全运行、保证电能质量、防止故障的扩大和事故的发生，都有极其重要的作用。

改革开放以来，我国经济的快速发展刺激着电网的快速发展，尤其是近几年全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。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发挥更加重要的作用，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运行。我国继电保护的发展大体经历了以下几个跨越：

（1）60年代中期独立研制并生产了第一套高压电网复杂保护，即整流型距离保护； （2）60年代末到80年代中期我国广泛采用晶体管型保护；

（3）到80年代末，集成电路保护已形成完整系列，逐步取代晶体管保护；

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西华大学毕业设计说明书 （4）1984年微机线路保护通过鉴定并获得应用，此后，不同原理、不同种类的微机保护相继研制生产，取得了引人注目的成果，到90年代，我国继电保护技术已完全进入微机保护数字式时代。

从以上的发展过程来看，继电保护技术总是根据电力系统的需要，不断地从相关的学科中吸取最新成果而发展和完善自身的。总的来说，继电保护技术的发展可以概括为4个阶段、2次飞跃。4个阶段是电磁型（整流型）、晶体管型、集成电路型、微机型。第1次飞跃是由电磁型到晶体管型，主要体现在保护由电磁式向静态式转变，保护装置弱电化、无触点化、小型化和低功耗。第2次飞跃是由集成电路型到微机型，主要体现在保护由模拟式向数字式转变，保护装置智能化和信息化。

继电保护现已发展到了微机保护阶段，微机继电保护指的是以数字式计算机（包括微型机）为基础而构成的继电保护。以下各级电网所需的各种保护设备，目前我国的微机保护的研究和制造均已居于国际先进水平。继电保护理论研究方面，人工神经网络在继电保护中的应用在九十年代被广泛研究。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，必将为继电保护的发展注入了活力。

继电保护的重要性是显然的,是关系到电网稳定的重要设备。继电保护装置历经电磁型、整流型,发展到80年代的晶体管、集成电路型,直到现在的微机型。微机保护也经历了从简单发展到现在的智能型,保护装置越来越人性化、智能化。然而,继电保护发展至今,虽然设备已经很先进,但仍有一些问题没有得到很好解决。现针对一些比较现实的问题举例说明:

（1）加强对外部二次回路的维护,适时进行状态检修。继电保护发展至今,从保护原理的设计,到生产厂家制造工艺,到售后服务,各方面都已比较完善。微机保护装置的性能已非常稳定,由于保护装置性能不稳定引起的误动基本上没有出现过,所发生的保护误动作基本上是保护装置外部原因引起的。从统计的结果看误动有以下几个主要原因:①CT二次电缆回路接触不良②端子排锈蚀或电缆绝缘下降引起跳闸回路接通③所使用的CT性能不满足保护要求,区外故障时越级跳闸④继电保护工作人员的误操作⑤运行人员误投保护压板。而运行过程中其他因素引起逻辑变化的情况,至今尚未发生过,这足以说明,当前使用的CPU芯片性能已非常稳定,因此在我们的检验工作中,没有必要对其CPU的正确性进行很详细的校验。而应对继电保护设备实行状态检修,也就是说，只要保护装置不告警,就不用进行检修。当然,这要有一个逐步完善的过程,需要大量的配套工程,但这是一种发展趋势。

（2）尽快规范通讯规约管理,减少相关转换环节。继电保护的技术已经很成熟,而近几年发展起来的综合自动化技术,对我们是一个全新的领域。由于其技术新,硬件成本低,

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西华大学毕业设计说明书 利润高,其发展速度非常之快,这对维护工作是一个很大的挑战。综合自动化系统以“四遥”(指遥控、遥信、遥测、遥调)装置与后台监控机为核心,与保护装置相比,“四遥”装置的原理比较简单。另外,据研究表明,“四遥”装置很少出问题,问题最多的就是后台监控，究其原因,除了技术未成熟以外,计算机质量比较差也是一个重大原因。从近几年所出现的问题看,监控系统的问题可归纳为:误发信号、主机电源烧损、主机硬盘损坏及通讯串口损坏等。而维护工作中难度最大的是通讯问题,当前,综合自动化系统还处于发展阶段,四方、南瑞、南自、东方电子等厂家都自成一家,各有各的通讯规约,致使维护工作越来越难,一旦碰到通讯问题,必须请厂家人员才能处理,而且经常要几个相关厂家一起到场才行。如此一来，既降低了设备的安全运行可靠性,又提高维护的成本。因此，应尽快统一电力系统通讯规约,规范通讯规约管理。

（3）注重数据备份,缩短故障处理时间。监控系统问题,出现最多的是硬件问题,而硬盘损坏是仅次于通讯问题的一个难题,此时硬盘上所有的数据都丢失。整个系统必须重装,这个工作的工作量很大。所以,维护人员应对所有监控系统进行硬盘备份,一旦硬盘损坏,整个硬盘更换即可。此外,验收时应要求厂家提供系统重装所需的安装盘,如监控系统盘、各种硬件如网卡、声卡、PLC卡安装盘,做好系统重装的准备。这样也可大大缩短故障处理时间。

（4）推行继电保护网络化管理,减少管理成本。继电保护发展至今,各方面已非常成熟,但继电保护管理工作太繁琐,耗费大量的人力物力。电力系统自动化程度也越来越高,光纤等的投入使用使自动化的可靠性也越来越高,但继电保护远程管理在这方面还没有得到很好地应用。设想,如果定值的更改、检查,保护运行情况监控、信号的采取,加上前面提到的继电保护状态检修,都能进行远程管理,出人为事故的机率也将大大降低。 继电保护技术发展迅速,对保护人员提出了更高的要求。作为继电保护维护工作者,应从管理方式方法入手,从根本上改变继电保护工作局面，对于工作过程中发现的问题要及时更正和改进。

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2 设计的基本内容与要求以及系统标幺值的计算

2.1 设计的基本内容与要求

系统及原始数据见图2.1和图2.2。

某北方矿区附近25km处建设一座装机容量为4×200MW的火电厂，工程分两期完成，第一期投2×200MW，此时矿区负荷为80MW，二期工程再投入2×200MW，而矿区负荷则增至140MW，其余功率经160km的220~500kV线路送入系统。

站内空气清洁，最高日平均气温32℃，最低0℃，海拔800m，非地震区，6、7、8月有雷雨，建设场地充裕。

矿区最大负荷同时系数0.85，最小负荷系数0.7，55%Ⅰ类负荷，30%Ⅱ类负荷,TMAX=5500h。

本次设计主要是针对该火电厂电气主接线的继电保护，电气主接线如下图。电厂母线采用的是双母线接线。对于火电厂内的继电保护主要是针对发电机、变压器以及母线故障时的短路电流电流计算，以及整定计算，然后到继电保护装置的选择，最终达到保护的要求。

火电厂4*100MW水电站6*60MW远方系统水电站4*125MW待设电厂4*200MW 图2.1 火电厂与系统的接线图

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图2.2 4*200MW 火电厂的电气一次接线图

2.2 系统的参数以及火电厂主要电气元件的参数

2.2.1 系统的参数

''火电站G1:4*100MW Xd?0.138 cos?????? ''水电站G2: 6*60MW Xd?0.125 cos?????? ''水电站G3:4*125MW Xd?0.218 cos??????

运放系统：X=0.02

变压器T1：Ps?385KW I0%?0.9 P0?118KW Vs%?0.142 S?120MVA

S?75MVA 变压器T2：Ps?346KW I0%?1.3 P0?79.6KW Vs%?0.1385

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西华大学毕业设计说明书 变压器T3：Ps?450KW I0%?0.8 P0?140KW Vs%?0.13 S?150MVA 选取SB?1000MW，VB?Vav?230KV

计算的标幺值如下：

10001000XG1?0.138??1.173,XG2?0.125??1.77

100/0.8560/0.851000XG3?0.218??1.48

125/0.85100010001000XT1?0.142??1.183,XT2?0.1385??1.847,XT3?0.13??0.86

1207515010001000XL1?80?0.33??0.499X?90?0.33??0.561 ,L22223023010001000XL3?110?0.33??0.686X?130?0.33??0.811 ,L42302230210001000XL5?300?0.33??1.871X?85?0.33??0.53 ，L62302230210001000XL7?100?0.33??0.624X?160?0.33??0.998 ，L8222302302.2.2 火电厂主要电气元件参数

发电机G（4台相同）：型号QFQS-200-2 UN?15.75KV PN?200MW SN?235MVA

''cos?????? Xd?0.146

变压器T1，T2：型号SSPS-240000/220 I0%?0.7 P0?257KW Ps?99KW

Vs%(高中)?24.5 Vs%(高低)?14.5 Vs%(中低)?8.5

变压器T3，T4：型号SFP3-240000/220 I0%?1.1 P0?216KW Ps?804KW 选取SB?1000MW，VB?Vav?230KV 计算的标幺值如下：

1)=15.25 变压器T1，T2：VS1%?(VS%（1-2）?VS%（3-1）?VS%（2-3）2同理：Vs2%?9.25，Vs3%??0.75 变压器T3，T4：X1?X2?VS00??0.588 100240第10 页

西华大学毕业设计说明书 VS100V00??0.635，X5?X6?S3???0.031 100240100240V00X7?X8?S2??0.385

100240X3?X4?发电机G：X9?X10?X11?X12?

SB''?Xd?0.72 SN 第11 页

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3 短路电流的计算及最大负荷电流计算

在进行电气设备和载流导体的选择时，为了保证各种电气设备和导体在正常运行时和故障情况下都能安全、可靠的工作，同时又要力求节约、减少投资，需要根据短路电流对电气设备进行动、热稳定的校验。在进行继电保护装置及进行整定计算时，必须以各种不同类型短路时的短路电流作为依据。

要计算的短路点标注在图中：

图3.1 系统中的短路点

第12 页

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图3.2 发电厂的短路点

3.1 f1点短路（看电厂内部）

3.1.1 画等值电路图并化简

第13 页

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3.1.2 计算短路电流

xjsG1234?0.829?4?200/0.85?0.78

1000t=0s时:

IjsG1234?1.337 有名值：Ik总?1.337?每条线路：Ik?t=0.2s时:

4?200/0.85?3.159KA

3?2301IK总=1.580KA 2IjsG1234?1.209 有名值：Ik总?1.209?4?200/0.85?2.856KA

3?230 第14 页

西华大学毕业设计说明书 每条线路：Ik?t=4s时

1IK总=1.428KA 2IjsG1234?1.523 有名值： Ik总?1.523?每条线路：Ik?4?200/0.85?3.198KA

3?2301IK总=1.599KA 23.2 f2点短路（看整个系统）

3.2.1 画等值电路图并化简

第15 页

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第16 页

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3.2.2 计算短路电流

XjsA?1.573?6?60/0.85?4?125/0.85?1.092

1000第17 页

西华大学毕业设计说明书 XjsG?4.527?4?100/0.85?2.13

10001?0.285 3.507t=0s时：

IjsA?0.659，IjsG?0.481，IjsS?有名值: IA?0.659?6?60/0.85?4?125/0.85?1.673KA

3?2304?100/0.85?0.586KA

3?2301000?0.710KA

3?230 IG?0.481? IS?0.285? IK总?IA?IG?IS=2.951KA 每条线路：IK?t=0.2s时：

1IK总?1.476KA 2IjsA=0.676，IjsG=0.481 有名值： IA?0.676?6?60/0.85?4?125/0.85?1.717KA

3?2304?100/0.85?0.54KA

3?230 IG?0.457? IS=0.71KA

IK总?IA?IG?IS=2.976KA 每条线路：IK?t=4s时：

1I?1.484KA 2K总IjsA=0.700,IjsG=0.487 有名值： IA?0.700?6?60/0.85?4?125/0.85?1.778KA

3?2304?100/0.85?0.575KA

3?230第18 页

IG?0.487?

西华大学毕业设计说明书 IS?0.285?1000?0.710KA

3?230 IK总?IA?IG?IS=3.063KA 每条线路：IK?1I?1.532KA 2K总3.3 发电机母线短路（f2点短路看电厂）

3.3.1画等值电路图并化简

第19 页

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3.3.2 计算短路电流

2?200/0.85?0.312

10002?200/0.85XjsG34?0.654??0.308

1000t=0s时： XjsG12?0.662?IjsG12=3.462，IjsG34=3.509 有名值： IG12?3.462?2?200/0.85?4.090KA

3?2302?200/0.85?4.415KA

3?230 IG34?3.509?每台发电机： IG1?IG2? IG3?IG4t=0.2s时：

1IG12?2.045KA 21?IG34?2.2075KA 2IjsG12=2.702，IjsG34=2.729 有名值： IG12?2.702?2?200/0.85?3.192KA

3?2302?200/0.85?3.224KA

3?230IG34?2.729? 第20 页

西华大学毕业设计说明书 每台发电机： IG1?IG2? IG3?IG4

t=4s时：

1IG12?1.596KA 21?IG34?1.612KA 2IjsG12=2.328，IjsG34=2.346 有名值 IG12?2.328?2?200/0.85?2.750KA

3?2302?200/0.85?2.771KA

3?2301IG12?1.375KA 21?IG34?1.386KA 2 IG34?2.346?每台发电机： IG1?IG2? IG3?IG43.4 f3点短路（矿区母线短路）

3.4.1画等值电路图并化简

第21 页

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第22 页

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3.4.2 计算短路电流

（4?100+4?200）/0.85XjsG?0.469??0.662

10006?60/0.85+4?125/0.85XjsA?0.469??5.485

1000t=0s时：

1?0.083 IjsG=1.582，IjsA=0.182,IjsS?12.06有名值： IA?0.182?6?60/0.85?4?125/0.85?0.462KA

3?230第23 页

西华大学毕业设计说明书 IG?1.582?4?200/0.85?4?100/0.85?5.6KA

3?2301000?0.208KA

3?230 IS?0.083? IK总?IA?IG?IS=6.270KA 每条线路：IK?1IK总?3.135KA 2折算到110KV侧电流：I'f?2IK?6.270KA t=0.2s时：

IjsS=0.083，IjsG=1.408,IjsA=0.182 有名值： IG?1.408?4?200/0.85?4?100/0.85?4.99KA

3?2306?60/0.85?4?125/0.85?0.462KA

3?2301000?0.208KA

3?230 IA?0.182? IS?0.083? IK总?IA?IG?IS=5.660KA 每条线路：IK?1IK总?2.830KA 2折算到110KV侧电流：I'f?2IK?5.660KA t=4s时：

IjsA=0.182，IjsG=1.799,IjsS=0.083 有名值： IA?0.182?6?60/0.85?4?125/0.85?0.462KA

3?2304?200/0.85?4?100/0.85?4.374KA

3?2301000?0.208KA

3?230第24 页

IG?1.799? IS?0.083?

西华大学毕业设计说明书 IK总?IA?IG?IS=5.044KA

每条线路：IK?1IK总?2.522KA 2折算到110KV侧电流：I'f?2IK?5.044KA

3.5 f4点短路

3.5.1画等值电路图并化简

第25 页

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3.5.2 计算短路电流

4?100/0.85?3?200/0.85?1.281

10006?60/0.85+4?125/0.85XjsA?5.826??5.845

1000t=0s时：

11?0.169,IjsS=?0.06 IjsG=0.805，IjsA=5.89516.767XjsG?1.089?有名值： IG?0.805?4?100/0.85?3?200/0.85?2.377KA

3?2301000?0.151KA

3?2306?60/0.85?4?125/0.85?0.429KA

3?230 IS?0.06? IA?0.169? 第26 页

西华大学毕业设计说明书 IK总?IA?IG?IS=2.957KA t=0.2s时：

IjsS=0.06，IjsG=0.751,IjsA=0.169 有名值： IS?0.06?1000?0.151KA

3?2306?60/0.85?4?125/0.85?0.429KA

3?2304?100/0.85?3?200/0.85?2.218KA

3?230 IA?0.169? IG?0.751? IK总?IA?IG?IS=2.798KA t=4s时：

IjsA=0.169，IjsG=0.85,IjsS=0.06 有名值： IG?0.85?4?100/0.85?3?200/0.85?2.51KA

3?2306?60/0.85?4?125/0.85?0.429KA

3?2301000?0.151KA

3?230 IA?0.169? IS?0.06? IK总?IA?IG?IS=3.09KA

第27 页

西华大学毕业设计说明书 3.6 f5点短路

3.6.1画等值电路图并化简

第28 页

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3.6.2 计算短路电流

4?100/0.85?3?200/0.85?1.793

10006?60/0.85+4?125/0.85XjsA?3.948??3.944

1000t=0s时：

11IjsS??0.114，IjsA??0.25，IjsG?0.572

8.8033.944XjsG?1.524?有名值： IA?0.25?6?60/0.85?4?125/0.85?0.635KA

3?2304?100/0.85?3?200/0.85?1.67KA

3?230 IG?0.572? 第29 页

西华大学毕业设计说明书 IS?0.114?1000?0.286KA

3?230 IK总?IA?IG?IS=2.951KA t=0.2s时：

IjsS=0.114，IjsA=0.25,IjsG=0.541 有名值： IA?0.25?6?60/0.85?4?125/0.85?0.635KA

3?2304?100/0.85?3?200/0.85?1.67KA

3?2301000?0.286KA

3?230 IG?0.572? IS?0.114? IK总?IA?IG?IS=2.61KA t=4s时：

IjsG=0.587，IjsA=0.25,IjsS=0.114 有名值： IA?0.25?6?60/0.85?4?125/0.85?0.635KA

3?2304?100/0.85?3?200/0.85?1.734KA

3?2301000?0.286KA

3?230 IG?0.587? IS?0.114? IK总?IA?IG?IS=2.655KA

3.7 最大负荷电流的计算

（1）220KV出线架空线路

IN?PN3UNcos?/2?660/2?1.019KA

3?220?0.85 第30 页

?西华大学毕业设计说明书 IWmax?1.2IN?1.2?1.019?1.223KA （2）220KV变压器高压侧线路

IN?PN3UNcos?200?0.617KA

3?220?0.85IWmax?1.05IN?1.05?0.617?0.648KA （3）15.75KV变压器低压侧线路

IN?PN3UNcos??200?8.625KA

3?15.75?0.85IWmax?1.05IN?1.05?8.625?9.056KA （4） 110KV矿区架空线路

IN?PN3UNcos??140?0.864KA

3?110?0.85IWmax?1.2IN?1.2?0.864?1.037KA （5）母线联络回路

一般可取母线上最大一台发电机或变压器的额定电流，本次计算中取变压器的额定电流IWmax?0.648KA

第31 页

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4发电机的保护配置及整定计算

发电机是电力系统中十分重要和贵重的设备，它的安全运行对电力系统的正常运行、用户的不间断供电以及保证电能的质量等方面起着决定性的作用。但由于发电机是一个长期延续旋转运行的设备，它的运行过程中既要承受短路电流和过电压的冲击，同时还要承受原动机械力矩的作用和轴承摩擦力的作用。因此，发电机在运行过程中出现故障和不正常运行状态就不可避免。

4.1 发电机的故障和不正常运行状态及保护类型

4.1.1 发电机的故障

发电机故障主要是由定子绕组及转子绕组绝缘损坏引起的，常见的故障有一下几种。 （1） 定子绕组相间短路。 （2） 定子绕组匝间短路。 （3） 定子绕组单相接地。

（4） 转子绕组一点接地或两点接地。 4.1.2 发电机的不正常运行状态

（1） 转子励磁电流的急剧下降或消失。 （2） 外部短路引起的定子绕组过电流。

（3） 负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷。 （4） 外部不对称短路或不对称负荷。 （5） 突然甩负荷而引起的定子绕组过电压。

（6） 励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷。 （7） 汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率运行等。 4.1.3 发电机的保护类型

针对以上故障及不正常运行状态，按规程规定，发电机一般应根据容量的大小有选择性地装设一下保护。

（1） 纵差保护。对1MW以上的定子绕组及其引出线的相间短路，应装设纵差保护。

第32 页

西华大学毕业设计说明书 （2） 定子绕组的接地保护。对于直接连接于母线的发电机定子绕组单相接地故障，当

单相接地故障电流（不考虑消弧线圈的补偿作用）大于表4-1的允许值时，应装设有选择性的接地保护。对于发电机-变压器组，对于容量在100MW以下的发电机，应装设保护区不小于90%的定子接地保护；对于容量100MW及以上的发电机，应装设保护区为100%的定子接地保护，保护带有时限动作于信号，必须动作于切机。

发电机定子绕组单相接地故障电流允许值如表4.1：

发电机额定电压/KV 6.3 10.5 发电机额定功率/MW 接地电容允许值/A 4 50—100 10—100 125—200 40—225 1 2 3 ?50 汽轮发电机 水轮发电机 13.8—15.75 汽轮发电机 水轮发电机 18—20 300—600 表4.1

（3） 横差保护。对于发电机定子绕组的匝间短路，当定子绕组星型连接、每相有并

联分支且中性点侧有分支引出端是，应装设横差保护；对200MW及以上的发电机，有条件时可以装设双重化横差保护。

（4） 发电机外部相间短路保护。

（5） 定子绕组的过负荷保护。对于由对称负荷引起的发电机定子绕组过电流，应装

设接于一相电流的过很符合负荷保护。

（6） 定子绕组的过电压保护。对于水轮发电机定子绕组过电压，应装设带延时的过

电压保护。

（7） 励磁回路一点及两点接地保护。对于发电机励磁回路的一点接地故障，对于1MW

及以下的小型发电机，可装设定期检查装置；对于1MW以上的发电机，应装设一点接地保护。

（8） 失磁保护。对于发电机励磁消失故障，在发电机不允许失磁运行时，应在自动

灭磁开关时连锁断开的断路器；对采用半导体励磁以及100MW及以上采用电动机励磁的发电机，应增设直接反应发电机失磁时电气参数变化的专用失磁保护。

（9） 转子过负荷保护。

（10） 逆功率保护。对于200MW及以上的大容量汽轮发电机宜装设逆功率保护；对于

燃气轮发电机，逆功率保护。

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西华大学毕业设计说明书 4.2 纵联差动保护

4.2.1 发电机主要参数

4*200MW火电厂中选取的汽轮发电机型号为QFQS-200-2其主要参数如下表4.2：

型号 额定功率PN（MW） 额定电压UN（KV） 额定电流IN（KA） 功率因数cos? 转速（r/min） 同步电抗（Xd%） 定子接线 暂态电抗（X'd%） 次暂态电抗（X''d%） 额定励磁电压UfN（V） 额定励磁电压流错误！未找到引用源。（A） QFQS-200-2 200 15.75 8625 0.85 3000 194.5 Y—Y 23.6 14.6 450 1763 表4.2 4.2.2 纵差保护原理

发电机纵差保护是保护发电机定子绕组及其引出线相间短路的主保护，它应能快速而灵敏的切断内部所发生的故障。同时，在正常运行及外部故障时，有应能保证动作的选择性和工作的可靠性。在保护范围内发生相间短路时，应瞬间断开发电机断路器和自动灭磁开关。

定子绕组相间短路时，由于短路电流大，故障点的电弧会破坏绝缘，烧毁绕组和铁芯，甚至引起火灾，这是发电机内部最严重的故障。发电机定子绕组不同地点发生相间短路时，由于定子绕组各个点感应电势不同，短路回路阻抗也不同，所以短路电流大小就不一样。定子一相绕组发生匝间短路时，绕组两端的电流都相同，流入差动继电器的差动回路电流只有不平衡电流，差动继电器不会动作，故它不能反应匝间短路。

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西华大学毕业设计说明书 对于大容量的发电机（100MW以上），为了减少故障发生于发电机中性点附近而出现的纵差动保护的死区，要求将纵联差动保护的动作电流降低，提高保护动作的灵敏性，并要保证在区外短路时保护可靠不误动。考虑到不平衡电流随着流过电流互感器TA电流的增加而增加，往往采用性能更好的比率制动式纵差动保护，使其动作值随着外部电流的增大而自动增大（即利用外部故障时的穿越电流实现制动），其原理接线如图所示。 在正常负荷状态下，电流互感器的误差是很小的，因此这时的差动回路不平衡电流很小。随着外部故障电流的增大，当超过保护动作电流时，纵差保护就要误动。如果将纵差继电器做成这样的特性，即它的动作电流是随外部短路电流的增大而自动增大，而且动作电流的增大比不平衡电流的增大还要快，则上述误动就不会出现。实现这种动作特性的纵差继电器，最简单方法是继电器除了以差动电流作为动作电流外，还引入外部短路电流作为制动电流。这样，当外部短路电流增大时，制动地阿牛随之增大，使继电器启动的动作电流必然要相应加大，这种继电器被称之为比率制动式差动继电器。

比率制动式差动保护原理接线见图4.1：

图4.1 比率制动式差动保护原理图

动作区域如图4.2：

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西华大学毕业设计说明书

图4.2

图中Ires是制动电流，即外部短路时流过制动线圈的电流，Iact即差动继电器的动作电流，Iact.min为差动继电器的最小动作电流，Ires.min表示继电器开始具有制动作用的最小制动电流，通常取Ires.min等于负荷电流，因为在电流互感器误差很小，不平衡电流很小，

Iact.min?Ibp，所以此时没有制动作用的继电器也不会误动作，而当外部短路电流大于负荷电流，Ibp随Ik增大时，若Ibp/Ik?Idz/Ires?Kres,调整继电器的制动特性使之具有

K?Ibp/Ik＞Kres,做出直线BP，则继电器具有这样性能，不管外部短路短路电流多大，继电器总不会误动，K为制动系数。 4.2.3 整定计算

根据比率制动式发电机差动保护的动作特性，需要整定两个定值，即最小动作电流和制动系数。

（1）最小动作电流：按躲开最大负荷下差动回路的不平衡电流整定，即 Idz.min?KkKkhIe?0.06Ie 式中错误！未找到引用源。——可靠系数，取2； Kkh——继电器调整误差，取0.03；

第36 页

西华大学毕业设计说明书 Ie——发电机额定电流；

运行中的设备可由实测决定，但不能小于继电器的固有动作电流，规程要求具有比率制动的发电机差动保护

Idz.min?(0.1~0.3)Ie

一般取0.2Ie，则有：

Idz.min?0.2Ie?0.2?8625/2400?0.71875A

（2）制动系数错误！未找到引用源。：比率制动式差动保护防止外部短路误动作的方法，不是依靠增大动作电流，而是借助于当制动电流增大时，动作电流相应地增大，即通过制动系数Kzd的适当选择来加以保证。按定义:

Kzd?Idz Izd式中Idz——继电器的动作电流； Izd——继电器的制动电流。

假定外部短路时的最大短路电流为错误！未找到引用源。，则此时流过差回路的电流，

即继电器的动作电流为 Idz?KkIbp?KkKfzqKtxftId.max 式中Kfzq——非周期分量系数，取1； Ktx——电流互感器同型系数，取0.5； ft——电流互感器误差，取0.1； Kk——可靠系数，取1.5；

Ibp——外部故障时流过继电器之不平衡电流； 而此时的制动电流为：

Izd?Id.max?105180/2400?43.285A 由以上式子得：

Kzd?KkKfzqKtxft 取Kzd=0.075~0.1

在工程中，为保证可靠起见，制动系数不宜过小，一般建议去0.3~0.4。 这里取Kzd=0.3，又有Idz=0.3错误！未找到引用源。43.285=12.9855A

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西华大学毕业设计说明书 （3）灵敏系数校验：发电机差动保护灵敏度按发电机孤立运行时机端两相短路校验，

(2)设此时短路电流为错误！未找到引用源。,则Izd?Idf.min/nLH,根据Izd值，查动作特性上

相应的Idzj值，则灵敏度为 Ksen?(2)Idf.minIdzjnLH?85810/2400?2.75?2 满足要求

12.98554.3 横联差动保护

由于发电机纵差动保护不反应定子绕组一相匝间短路，当发电机定子绕组一相匝间短路时，如不及时处理，故障温度就会升高，使绝缘损坏，很可能发展成相间短路或单相接地故障，造成发电机严重损坏。因此，在发电机上（尤其是大型发电机）应装设定子匝间短路保护。对于双星形接线且中性点引出6个端子的发电机，通常装设单元件式横联差动保护。

定子绕组匝间短路时，被短路的各匝将有短路电流流过，产生局部过热，破坏绕组绝缘，以致转变为单相接地或相间短路。同一支路绕组间短路，或同相不同支路绕组匝间短路，都称为定子绕组的匝间短路，发生匝间短路时纵联差动保护不能反应，故必须装设专用保护既横联差动保护。

横联差动保护原理图如下图4.3：

图4.3 横联差动保护原理图

在双星型中性点N.，N'间加装电流互感器作为横联差动电流继电器I的电流源，为横联差动保护。发电机正常运行或外部短路时，N，N'间无电流过，横联差动保护不

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西华大学毕业设计说明书 动作。当定子绕组的同一分支的匝间发生短路时，短路分支的三相电势不平衡，于是在N，N'间有电流流过，当其值大于横联差动保护的动作电流时，保护跳开发电机。这种保护的优点是接线简单，灵敏度也可以很高，其缺点是发电机中性点侧必须有6个引出端子，保护有不大的死区。在大容量发电机中，由于额定电流很大，其每相都是由两个或多个并联的绕组组成。在正常运行的时候，各绕组中的电动势相等，流过相等的负荷电流。而当任一绕组发生匝间短路时，绕组中的电动势就不再相等，因而会出现因电动势差而在各绕组间产生均衡电流。利用这个环流，可以实现对发电机定子绕组匝间短路的保护，即横差动保护.这种接线方式只用一个互感器装于发电机两组星形中点的连线上，其本质是把一半绕组的三相电流之和去与另一半绕组三相电流之和进行比较。这种接线方式没有由于互感器误差所引起的不平衡电流，其起动电流比较小，灵敏度高，且接线非常简单。转子回路两点接地时，横联差动保护可能误动作，但不必在转子回路两点接地时闭锁横联差动保护在投入两点接地保护的同时，横联差动保护应切换至带0.5～1S的延时动作于跳闸，可防止转子回轮偶然性的两点接地时引起的横联差动保护误动作。 4.3.1 整定计算

保护动作电流按躲过外部短路故障时最大不平衡电流以及装置对高次谐波过比的大小整定，由于不平衡电流很难确定，因此工程设计中可根据经验公式计算。 （1）3次谐波滤过比不小于10时，继电器动作电流为

Iact=( 0.2～0.3 )IN/nTA 式中：IN——发电机额定电流 nTA——电流互感器变比

可得： Iact=( 0.2～0.3 )×8625/2400=0.718～1.07A

（2）灵敏系数校验。灵敏系数是以保护动作死区占整个绕组的百分比表示的，由下式可求出保护动作死区占的百分比

3I0=a/Xfo

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西华大学毕业设计说明书 式中 3I0——等于Iact

Xfo——发电机零序电抗0.0785 a——表示发电机动作死区占的百分比

S——发电机的视在功率为235MW 可得：Xf0=0.0785?SBS?0.0785?100?0.0334 235 a?1.07?4?0.0334?14.2%

常用DL—11/b继电器整定电流范围是：串联为2—4A，并联为4—8A

从上述计算可知，保护动作整定值越高，保护死区越大，为了减小保护死区，应经三次谐波滤过器，尽量减小3次谐波不平衡电流。

（3）动作时间整定：在励磁回路未发生接地故障的情况下，横联差动保护瞬时动作于跳闸。当励磁回路发生一点接地时，应将横联差动保护切换到带0.5~1.0s的时限跳闸，以防励磁回路发生偶然性的瞬间两点接地时而误动。

4.4 发电机的失磁保护

发电机正常运行，向系统送出无功功率，失磁后将从系统吸取大量无功功率，使机端电压下降。当系统缺少无功功率，严重时可能使电压低到不允许的数值，以致破坏系统稳定。发电机失磁后，对电力系统和发电机本身会产生诸多不利影响，如需要从电力系统中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场,由于从电力系统中吸收无功功率将引起电力系统电压下降，如果电力系统的容量较小或无功功率储备不足，则可 能使失磁发电机的机端电压、升压变压器高压侧的母线电压或其他邻近的电压低于允许值，从而破坏了负荷与各电源间的稳定运行，甚至可能因电压崩溃而使系统瓦解。发电机失磁后不但不发出无功功率还要从系统

吸收无功功率。当系统无功功率储备不足时将导致发电厂母线电压、发电机机端电压下降。发电机失磁后,由于发电机吸收无功量的增大及定子电压的降低,定子电流就会增大。有功功率越大,定子电流就会越大。发电机从失磁到功角增大到90°的过程中,发电机的电磁功率先减小,但原动机的机械功率来不及减小,造成转子加速使功角不断增大,当功角大于90°发电机失步运行时发电机的异步功率维持着输入、输出功率平衡。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/kvk7.html