300MW发电机—变压器组的继电保护配置

300MW发电机—变压器组的继电保护配置冯普锋摘要：本论文主要论述了目前我国300MW发电机—变压器组继电保护配置与设计。

阐述了继电保护专业对于保证电力系统安全稳定运行的重要意义和作用，首先从保证电网安全稳定运行的角度出发，如何配置发电机—变压器单元机组的继电保护，进一步提高电力系统稳定性为目的，从大型发电机组制造结构、新材料应用、各参数变化及适应电网运行等问题提出了对大型发电机组继电保护装置更高的要求。

本文从继电保护配置、动作原理、设备选型、整定计算等四个方面进行了详细论述，特别是根据保证电力网的稳定性和电力系统反措的要求，对继电保护进行了双重优化，增加了失灵保护、电网零序电压、零序电流保护、阻抗保护等，并对上述保护整定计算原则进行阐述。

本论文较好的应用了发电机、变压器保护基本理论知识，针对大容量发电机变压器组的基本特征，分析原始资料，充分保证电力系统安全稳定运行，着重运用新技术和新产品，实现了发变组的正常安全可靠运行。

关键词：发变组继电保护设计配置整定计算1.大型发电机组的继电保护1.1大型机组运行的特点及常见故障(1).大型机组由于容量的增加，不论在设计参数，还是制造结构等方面都有一些新的特点，随着材料有效利用率的提高，造成机组的惯性常数明显下降，发电机的热容量与铜损、铁损之比也显著下降，使机组易于失步，因此，大型机组更有装设失步保护的必要。

机组热容量的下降直接影响定子转子过负荷的能力，为了在确保大型机组安全运行的条件下，充分发挥机组的过负荷能力，定子绕组和转子绕组的过负荷保护不能再沿用以往的定时限继电器，而是采用反时限特性的过负荷保护。

(2).随着容量的增加和电机参数的变化，主要是xd、xd’、xd〃等电抗的普遍增大，而定子绕组的电阻相对减小，这些参数的变化导致下述结果：（a）xd〃增大使短路电流水平相对下降，要求继电保护有更高的灵敏系数。

（b）xd的增加使发电机的静稳储备系数减小，因此，在系统受到扰动或发电机发生低励故障时，很容易失去静态稳定。

（c）xd xd’ xd〃等参数的增大使发电机平均异步转矩大大降低，因此，大型发电机组失磁，异步运行的滑差大，从系统吸收感性无功大，允许异步运行的负载小，时间短，所以大型发电机更需要性能完善的失磁保护。

（d）xd’的增大使大机组在满载突然甩负荷时，变压器过励磁现象比中小机组严重，因此，大型变压器应装设过励磁保护。

(3).由于大型机组的材料利用率高，就必须采用复杂的冷却方式，在铁芯通风方面，有轴向，辐向通风槽，使铁芯检修困难，转子承受负荷能力降低，这些因数要求发电机单相接地保护和负序反时限保护有良好的性能。

(4)、单机容量的增大，使汽轮发电机轴向长度与直径之比明显加大，这将使机组运行的振动加剧，匝间绝缘磨损加快，因此，宜装设灵敏的匝间短路保护。

1.2运行方面对大型机组保护提出的要求(1).由于单机容量增大，发电机保护的拒动或误动将造成十分严重的损失，因此，对大型机组的继电保护的可靠性灵敏性，选择性和快速性有更高的要求。

(2).大型机组的起停特别费时，费钱，以停机7-8小时的热启动为例，300MW机组就需要7小时，因此，在非必要的情况下，不使大型机组频繁起停，更不轻易使它紧急突然停机，这也是继电保护应当考虑的问题。

1．3大容量变压器的运行特点及常见故障现代生产的变压器，虽然结构可靠，故障机会较少，但在实际运行中，仍有可能发生各种类型故障和异常运行，为了保证电力系统安全连续地运行，并将故障和异常运行对电力系统的影响限制到最小范围，为此应根据变压器在运行中可能发生故障的类型装设必要的和可靠的保护装置1、变压器的故障和不正常工作状态对变压器的主要故障及异常运行方式应装设相应的保护装置。

(1)绕组及其引出线的相间短路和在中性点直接接地侧的单相接地短路;(2)绕组的臣间短路;(3)外部相间短路引起的过电流;(4)中性点直接接地电力网中,外部接地短路引起的过电流及中性点过电压;(5)过负荷;(6)过励磁;(7)油面降低;(8)变压器温度及油箱压力升高和冷却系统故障。

实践证明,上述故障中以油箱内绕组的故障较多,尤其是臣间短路。

绕组故障产生的电弧,会烧坏绕组的绝缘及铁芯,引起绝缘材料和变压器泊的强烈气化,从而导致油箱的爆炸。

其次,引出线的接地和相间故障也是常常发生的。

最常见的变压器不正常工作状态是过电流,即工作电流大于额定电流,产生过电流的原因很多,主要有外部短路故障切除时间长、自动投入负荷、系统振荡等。

另外,还有变压器油箱漏油造成的油面降低和油箱出现气体等。

2、对变压器保护的基本要求对变压器保护的基本要求有三方面:(1)在变压器发生故障时应将它与所有的电源断开。

(2)在母线或其它与变压器相连的元件发生故障,而故障元件由于某种原因(保护拒动或断路器失灵等)其本身断路器未能断开情况下,应使变压器与故障部分分开。

(3)当变压器过负荷、油面降低、油温过高时,应发出报警信号。

2大型发电机变压器组继电保护配置2.1一般配置要求根据上述大型发电机组的特点及其对保护的要求在设计大机组继电保护的总体配置时，应该比较强调最大限度的保证机组的安全，强调最大限度的缩小故障破坏范围，强调避免不必要的突然停机，强调某些异常工况下自动处理，也就是说，要有完善的总体配置。

通常大型机组保护装置可分为短路保护和异常运行保护两类。

短路保护是用以反应被保护区域内发生的各种类型的短路故障，这些故障将造成机组的直接破坏，这类保护很重要。

为了防止保护拒动或断路器拒动，应设主保护和后备保护。

异常运行保护用以反映各种可能给机组带来危害的异常工况，这些工况不能很快造成机组的直接破坏，这类保护一般都是各装一套专用继电器，不设后备保护。

2．2双重快速保护设置为了满足电力系统稳定方面的要求，对大机组故障要求快速切除，如在变压器高压侧发生短路故障时，通常要求切除故障的时间不大于0.1s，扣除短路器跳闸时间和中间继电器的动作时间，要求保护的动作时间不大于0.03-0.05s。

从机组发热方面考虑，为了不损坏发电机，当机端发生两相短路时，要求在0.1s内切除故障，要求对发变组设置双重保护。

一般采用如下方案：装设发电机差动保护，升压变压器差动保护和发变组差动保护，构成双重快速保护，保护区只伸至高压母线侧电流互感器，为了消除变压器高压侧电流互感器与断路器之间的死区和作为母线保护的后备，在变压器高压侧装设一套全阻抗保护，动作阻抗按母线保护短路时保护能可靠动作整定（即灵敏系数>=1.25），以延时躲过振荡。

2.3 配置与接线2.3.1保护配置300MW发电机发变组保护一般配置如下：短路保护(1) 主变瓦斯保护 (2) 高厂变瓦斯保护(3) 发电机变压器组差动保护 (4) 发电机差动保护(5) 主变差动保护 (6) 高厂变差动保护(8) 阻抗保护 (9) 发电机转子一点、两点接地保护(9) 发电机匝间保护 (10)主变高压侧零序保护(11)高厂变过电流保护 (12)高厂变分支过流保护(13)发电机接地保护 (14)定子一点接地保护异常运行保护(1) 对称过负荷保护 (2) 励磁回路过负荷保护(3) 失磁保护 (4) 过电压保护(5) 过激磁保护 (6) 逆功率保护(7) 非全相保护 (8) 启动失灵保护(9) 电流回路断线保护 (10)电压回路断线保护(11)主变冷却器全停接口回路 (12)主变温度保护(13)主变通风保护 (14)主变压力释放(15)发电机断水保护 (16)发电机失步保护(17)发电机低频率保护 (18)厂变冷却器故障(19)厂变压力释放保护 (20)厂变通风保护保护配置接线图如下：3、保护原理说明及要求3.1.1 差动保护原理及要求300MW大型发变组保护普遍配置的差动保护有：发电机差动、变压器差动、高厂变差动、发变组差动。

差动保护作为单元式接线的发变组系统中各元件的主保护，对机组安全可靠的运行发挥着极其重要的作用。

现以主变压器差动保护为例分析差动保护的基本原理。

其他保护原理类同。

变压器的差动保护是利用比较变压器各侧电流的差值构成的一种保护,其单线原理图如图1所示。

变压器装设有电流互感器TA1和TA2，其二次绕组按环流原则串联,差动继电器KD并接在差回路中。

变压器在正常运行或外部故障时,电流由电源侧I流向负荷侧II,在图1(a)示的接线中,TA1、TA2的二次电流I1’、I2’会以反方向流过继电器KD的线圈,KD中的电流等于二次电流I1’和I2’之差,故该回路称为差回路,整个保护装置称为差动保护。

若电流互感器TAl和TA2变比选得理想且在忽略励磁电流的情况下I1’= I2’,继电器KD中电流I=0,亦即在正常运行或外部短路时,两侧的二次电流大小相等、方向相反,在继电器中电流等于零,因此差动保护不动作。

如果故障发生在TA1和TA2之间的任一部分(如k1点),且母线I和II均接有电源,则流过TA1和TA2一二次侧电流方向如图1(b)所示,于是I 1’和I 2’按同一方向流过继电器KD 线圈,即J= I 1’+ I 2’使KD 动作,瞬时跳开QF1和QF2。

如果只有母线I 有电源,当保护范围内部有故障(如k1点)时, I 2’=0,故I= I 1’如图1(c),此时继电器KD 仍能可靠动作。

图（1）3、变压器差动保护需考虑的特殊问题从原理上讲,差动保护选择性好,而且灵敏度高,但用于变压器保护时,还有些特殊问题需要考虑和解决。

以下分五个方面进行讨论：（1）变压器励磁涌流的影响及防止措施变压器的高、低压侧是通过电磁联系的,故仅在电源的一侧存在励磁电流,它通过电流互感器构成差回路中不平衡电流的一部分。

在正常运行情况下,其值很小,小于变压器额定电流的3%。

当发生外部短路故障时,由于电源侧母线电压降低,励磁电流更小,因此这些情况下的不平衡电流对差动保护的影响-般可以不必考虑。

在变压器空载投入电源或外部故障切除后电压恢复过程中,会出现励磁涌流。

特别是在电压为零时刻合闸时,变压器铁芯中的磁通急剧增大,使铁芯瞬间饱和,这时出现数值很大的冲击励磁电流(可达5-10倍的额定电流),通常称为励磁涌流。

通过以上分析可知,在变压器差动保护中,如不采取有效措施消除励磁涌流的影响,必将导致保护的误动作。

根据励磁涌流的性质,可采取下述措施:(1)利用励磁涌流中的悲周期分量使继电器铁芯饱和,自动地提高保护的动作电流,如过去用速饱和铁芯的差动继电器。

(2)利用延时动作或提高保护动作值来躲过励磁涌流。

但前者失去了速动的优点,后者降低了保护动作的灵敏度。

(3)用短路电流和励磁涌流波形的差别来躲过励磁涌流。

如用二次谐波制动的差动保护、用间断角闭锁原理的差动保护,以及用偶次谐波判别原理的差动保护。

(2)变压器接线组别对差动保护的影响对于Y,y0接线的变压器,由于一、二次绕组对应相的电压同相位,故一、二次两侧对应相电流的相位几乎完全相同。