大型水轮发电机继电保护配置

大型水轮发电机继电保护配置

摘 要

为了保证发电机组安全、经济、稳定运行，对用户不间断供电和防止其遭受严重破坏，本设计采用发电机—变压器单元接线作为电气主接线。

根据大型发电机和发电机变压器组单元接线的特点及对保护的要求，在设计它们的继电保护总体配置时为满足电力系统稳定方面的要求，为了保证正确快速切除故障，对发电机变压器组设置了双重快速保护。

本设计以《继电保护和自动装置安全规程》为依据，对发电机继电保护装置进行全面的阐述。主要介绍发电机的差动保护，匝间保护，接地保护，失磁保护，过负荷保护，逆功率保护以及相应保护继电器动作情况。最后还详细说明了继电器的动作条件，灵敏度等一系列相关问题。

关 键 词：继电保护；短路计算；发电机保护

1 引言

1.1研究背景及意义

规模较大的发电机设备其造价成本昂贵，另外其结构也并不简单，如果出现问题或者被破坏，它的检修工作难度会非常大，且检修所需的时间也会比较长，因此其会在经济方面造成很大的损失。比方说：一台规模较大的水轮发电机设备，由于其励磁回路这两点处于接地状态造成大轴以及汽缸发生磁化，其退磁停机需要的时间高达一个多月，先不管其检修所需的费用以及间接造成的经济方面的损失，就光电能这一项的损耗费用就是近千万元，其大机组这一部分于电力系统中是较为关键的，尤其是其单机这一部分的容量占其系统总容量较高的状态下，大机组这一部分的突然切除，将在一定程度上对电力系统形成对应的扰动。并且，规模较大的汽轮发电机设备其起停操作所需时间较长、成本也较高，用停机时间大小为7～8小时范围内的热起动来举例：规模较大的水轮发电机组设备就至少需要7小时的时间。所以，在其不是必要的情形中，最好避免规模较大的发电机组进行多次起动的操作，并且更加不要随意的进行紧急停机的操作，这就使得其对继电保护这一部分有着更为严苛的标准，因此于配置对应的继电保护以及自动装置的相关步骤里，需得比较充分了解其各部分之间的一系列相关因素，来使得其配置的设备可以处于较为准确以及可靠的情况中。

由于电力系统这一部分的不断进步，容量方面比较大的机组也在持续的增长。由于其规模较大的发电机组设备结构方面并不简单，另外其成本也较高，一旦出现问题，所需的检修期时间较长，由此形成的经济方面的损失同样也是非常大的。所以，给它装设较为完善的一系列继电保护设备是比较关键的。

1.2国内外研究现状 在上世纪60至80年代这一时间段中，其晶体管类型的继电保护相关技术得到了快速的进步，另外其使用也较为广泛。从70年代中期这一时间段起，对集成运算放大器这一部分为基础条件的集成电路保护这一方面进行了较为深入的研究，发展至80年代末这一时间段，其对应的集成电路保护相关技术开始逐步形成了一个较为完整的系列，且开始慢慢替换掉了原来使用的晶体管保护这一相关技术，其中值得注意的是对集成电路保护这一技术的研发、制造以及使用的主导地位一直延续到了90年代初这一时间段中。另外，我国在70年代末这一时间就开始对计算机继电保护这一部分进行了大量的研究，并成功研制处理原理以及型式方面不一致的各类微机保护设备。从主设备这一部分的保护方面来看，其对应的发电机设备失磁保护以及微机线路部分的保护装置等等也成功通过了相关的鉴定。发展至此，其原理以及机型不一致的微机线路相关保护装置在很大程度上给电力系统方面提供了全新的性能方面较为不错、功能较为完善以及运行较为可靠继电保护相关装置。由于对微机保护这一相关装置部分的不断深入研究，其在微机保护的相关软件以及算法等等部分中也得到了大量的理论成果。发展至现在，我国对应的继电保护相关技术开始逐渐步入微机保护这一全新的时代。

1.3本文主要内容

详细介绍本文的研究背景及意义，以及国内外相关技术的研究现状。对于大型水轮发电机组的继电保护系统加以说明。并对该系统进行短路电流计算以及继电保护的整定。

2 设计说明

2.1继电保护的配置

2.1.1保护配置

这一部分的依据主要是――《继电保护和安全自动装置技术规程》

1. 对于规模较大的水轮和汽轮发电相关机组，需要包含有双重的快速保护措施，也就是安装有发电机设备部分的纵联差动相关保护、变压器设备部分的纵差动相关保护以及发电机、变压器这两个设备共同使用的纵联差动相关保护。

2. 发电机以及变压器这两个设备组：对其容量处于100MW及以上状态下的发电机相关设备，就需装设对应的保护区是100％状态下的定子接地相关保护措施。

3. 其定子绕组这一部分选择使用的是星形联接的方式，其每相之间都会包含有对应的并联分支，另外其中性点部分会有分支来成功引出端子的相关发电机设备，在此种情况下需要使用的是单继电器这一类型的横差保护措施。

4. 容量处于200MW及以上状态下的发电机设备需要装设对应的负序过电流相关保护以及单元件中使用低电压进行起动作业的过电流相关保护，在其对应的灵敏度无法适应相关标准时，就需要选择使用阻抗保护。 5. 对于其容量处于200MW及以上状态下的汽轮发电机设备最好是装设对应的过电压相关保护措施。

6. 对于由过负荷所造成的发电机设备定子成功的绕组过电流，就需要装设对应的定子绕组来进行过负荷的相关保护。

7. 发电机设备的转子可以承受对应负序电流这一能力，用I2t≤A来当做其判段的依据，其中I通常情况下是表示为用额定电流来当做基础条件的负序电流相关标么值；t可以表示为时间(单位为s)，A表示成常数。对于其并不对称的负荷，其不是非全相运行以及因为其外部之间不对称的短路状态所造成的负序电流，需要装设对应的转子表层来实现过负荷状态下的保护。

8. 容量为100MW及以上状态下A<10的发电机设备，就需要装设用定时以及反时这两种时限来构成的转子表层方面的过负荷相关保护。

9. 对由于其励磁系统出现问题或者其强励磁的具体时间太长而造成的励磁绕组过负荷现象，当其容量处于100MW及以上的状态下，在选择使用的半导体励磁系统这一部分的发电机设备中，就需要装设一个对应的励磁加回路的相关过负荷保护，在规模较大的水轮和发电机设备中，其对应的保护一般情况下是用定时限以及反时限这两个方面构成的。

10. 关于汽轮发电机设备以及容量在100MW及以上状态下的汽轮发电机设备，需应装设对应的励磁回路来进行接地保护，另外其还能够装设对应的两点接地相关保护装置。

2.1.2保护配置

依照对应的保护配置和实际情况，结合其保护动作这一部分的可靠程度、灵敏程度、选择以及快速等等方面，最大程度的让其继电保护这一部分于总体配置中达到完善以及合理的标准，防止出现繁杂的要求，依照短路方面的保护与另外保护之间的相关要求，初步选择确定配置下述保护（详细信息具体见下图表）：

表2-1 短路保护配置依据及元件选型

短路保护 配置依据 所选继电器

发电机纵差保护 2．1．2．1 ZB4522(LCD-7)

发电机横差保护 2．1．2．3 ZB-1521(LCD-6)

变压器纵差保护 2．1．2．1 ZB-4524(LCD-5)

发电机-变压器组纵差保护 2．1．2．1 ZB-4524(LCD-5)

变压器瓦斯保护 2．1．2．13 ZB-4524

变压器零序保护 2．1．2．14 ZB-4514

阻抗保护 2．1．2．4 ZB-4538(LZ-B) 发变组这一部分中进行短路保护所使用的配置，其通常情况下和一次接线所选择的形式有较大的关联。于规模较大的水轮发变组这一部分的接线中，通常情况下选择使用的是单元接线这一种方式，此次的短路保护就根据这一接线模式来进行配置。

变压器这一设备的纵差保护，能够较为正确的反应其变压器设备外部区域中的短路问题，要想较为正确以及及时的反应出变压器设备内部区域发生的短路问题，其选择使用的瓦斯保护。这一保护通常情况下可以将其分成轻以及重瓦斯这两种不同的保护，它们分别选择使用的是开口杯以及挡板式这两种原理，能够成功的反应其变压器设备内部区域中出现问题的程度，确定其是选择输出信号还是把其变压器设备从系统里进行切除作业。

于超高压状态下的电网里，单相接地这一模式下的短路问题是最多的，于各类短路方面的接地问题里，大概会有80%-90%左右出现的是单相接地类型的问题，要想在特定的情况中，不让电网失去对应的保护，因此就算在其相邻位置的线路中成功的配置了较为完善的近后备方面的保护，通常还是选择于变压器设备的中性点对应的装设零序电流这一类型的保护，这样可以使得其相邻状态下的线路成功构成对应的远后备。

规模较大的发电机设备中对应的变压器组，全部是选择将其接在220KV及以上状态中的母线区域里。通常情况下处于220KV及以上状态下的线路，全部会包含有较为完善的后备保护。另外，因为其母线保护通常只会有一套，另外其有时还会不进行使用，所以在其对应的规划中，就主要考虑装设一套对应的三相全阻抗类型的相关保护装置。

表2-2 发电机接地保护配置依据及元件选型

发电机接地保护 配 置 依 据 所 选 继 电 器

发电机定子一点接地保护 2．1．2．3 ZB-2537(LD-1A)

励磁回路一点接地保护 2．1．2．3 ZB-2532(ZBZ-2A)

励磁回路两点接地保护 2．1．2．10 ZB-2532(LD-2A)

发电机设备中励磁回路的一点接地方面的问题，它也是使用较为频繁的一种问题形式之一，另外其两点接地的问题也经常出现。励磁回路这一部分的一点接地相关问题，在很大程度上并不会对发电机设备形成危害，但是如果其后面马上发生第二点这一类型的接地问题，那么就会在很大程度上威胁到机组部分的安全，所以，在这一设备中需要装设对应的励磁回路一点以及两点类型的接地保护。

表2-3 异常运行保护配置依据及元件选型

异常运行保护 配 置 依 据 所 选 继 电 器

对称过负荷保护 2．1．2 ZB-1536

不对称过负荷保护 2．1．2．7 ZB-1536

励磁回路过负荷保护 2．1．2 失磁保护 2．1．2．11 ZB-4540(LZ-1)

逆功率保护 2．1．2．12 LNG-3

过电压保护 2．1．2．5

过激磁保护 2．1．2．15

关于发电机这一设备的出现的异常运行问题，假设无法在第一时间发现以及采取相关的措施，那么就会让发电机设备的可使用期限得到缩短，或者出现隐患，更严重的能够对整个机组之间形成破坏。所以，对于机组于具体的使用里发生过的可能危及机组安全方面的各类异常运行问题，全部须得对其采取较为有效的保护相关措施。

在规模较大的水轮发电机设备中，其定子以及转子这两者的材料利用率是比较高的，它的热容量以及铜损两者之间的比值并不大，所以其对应的热时间常数也不会很大。另外，位于发电机设备中定子绕组区域里的热偶元件无法在第一时间展现出发电机设备的实际负荷转变，为了避免其出现过负荷这一类型的损害，其选择装设能够成功反应其定子绕组大致发热情况的一种过负荷相关保护措施。但是发电机设备的励磁绕组里并没有配置对应的热偶元件，因此其须得有对应的励磁回路来实现其过负荷保护，以此来达到保护发电机设备中转子绕组的目的。

发电机设备在突然出现甩负荷的现象时，比较容易形成不被允许的相关过电压。尤其是在大机组区域中发生危及其绝缘部分安全的过电压中较为常见，因此其需要装设有对应的过电压相关保护。

在规模较大的发电机组中，因为其励磁系统这一部分的步骤较为复杂，所以其发电机设备的低励或者失磁开始逐渐发展成了较为常见的问题模式。在其发电机设备出现低励或者失磁的现象之后，其会成功的过渡到对应的异步运行状态中，转子开始慢慢发生转差，对应的定子电流加强，定子电压开始逐渐减少，有功功率逐渐减少，无功功率这一部分处于反向状态且增强；其于转子的回路里会发生一系列的差频电流；电力系统这一部分中会发生电压降低和部分电源支路出现过电流现象，此类变化，于固定的条件中，会在一定程度上破坏其电力系统这一部分的平稳运转，从而成功的威胁其发电机设备自身的安全状态。要想使得其电力系统以及发电机设备之间处于安全的状态，其就需要装设对应的失磁保护，以便可以在第一时间发现低励以及失磁的问题且及时进行处理。