1引言

1.1摘要

由于大型水電站的母線、發電機和變壓器的構造比較復雜，在運行過程中都也

許會發生多種各樣的故障和異常運行狀態，為了保證在保護范圍內發生故障，都能

有選擇性的迅速切除故障，需要配置多種繼電保護裝置，必要時進行多重化配置，

從而將水電站中重要設備的危害和損失降到最小，對電力系統口勺影響最小。

發電機是電力系統中的中口勺一種重要構成部件，發電機口勺安全運行對保證電力

系統的正常工作和電能質量起著決定性的作用。因此，繼電保護裝置對大型水電站

的正常運行起著至關重要的作用。

通過本課程設計，使學生掌握和應用電力系統繼電保護的設計、整定計算、費

料整頓查詢和電氣繪圖等使用措施。在此過程中培養學生對各門專業課程整體觀口勺

綜合能力，通過較為完整的工程實踐基本訓練，為全面提高學生口勺綜合素質及增強

工作適應能力打下一定的基礎。本課程重要設計發電機繼電保護的原理.、配置及整

定計算，給此后繼電保護口勺工作打下良好向基礎。

1.2原始資料

某水電站（如下圖1）所示:

圖1水電站系統圖

(1)水電站有3200KW水輪發電機2臺，通過7500KVA變壓器以35KV的

電壓與系統連接，當35KV母線短路時，系統供應的最大運行方式下的短路容量

為100MVA,最小運行方式下的短路容量為80MVAo

(2)廠用電、近區出線供電由發電機母線引出，出線為架空線，長度為5KM,

0.4/KMo

(3)變壓器參數為：容量7500KVA,變比35/6.3、Ud=7.5%,所用變容量為

100KVA、變比6.3/0.4、Ud=4.5%。

(4)發電機參數為：容量3200KW、功率原因0.8、X''d=0.2、X2=0.25o

1.3設計工作任務

(1)選擇發電機保護所需的電流互感器變比、計算短路電流。

(2)設置發電機保護并對其進行整定計算。

(3)繪制出發電機繼電保護展開圖。

(4)繪制出發電機保護屏屏面布置圖及設備表。

(5)寫出闡明書。

(6)選出所需繼電器的規格、型號。

2繼電保護系統概述

2.1繼電保護概述

繼電保護重要運用電力系統中元件發生短路或異常狀況時的電氣量(電流、電

壓、功率、頻率等)日勺變化，構成繼電保護動作的原理，也有其他日勺物理量，如變

壓器油箱內故障時伴隨產生的大量瓦斯和油流速度H勺增大或油壓強度的增高。大多

數狀況下，不管反應哪種物理量，繼電保護裝置都包括測量部分(和定值調整部分)、

邏輯部分、執行部分。

繼電保護及自動化是研究電力系統故障和危及安全運行日勺異常工況，以探

討其對策口勺反事故自動化措施。因在其發展過程中曾重要用有觸點的繼電器

來保護電力系統及其元件(發電機、變壓器、輸電線路等)，使之免遭損害,

全規定的、有選擇地切除被保護設備或線路故障的保護。

后備保護是指當主保護或斷路器拒絕動作時，用以將故障切除H勺保護。后備保

護可分為遠后備和近后備保護兩種。

遠后備是指主保護或斷路器拒絕時，由相鄰元件的保護部分實現的后備；

近后備是指當主保護拒絕動作時，由本元件的另一套保護來實現的后備，當斷

路器拒絕動作時，由斷路器失靈保護實現后備。

繼電保護裝置需有操作電源供應保護回路，斷路器跳、合閘及信號等二次回路。

按操作電源性質的不同樣，可以分為直流操作電源和交流操作電源。一般在發電廠

和變電所中繼電保護的操作電源是由蓄電池直流系統供電，因蓄電池是一種獨立電

源，最大的長處是工作可靠，但缺陷是投資較大、維護麻煩。交流操作電源日勺長處

是投資少、維護簡便，但缺陷是可靠性差。

2.3繼電保護規定

1）選擇性：當電力系統發生故障時，只讓離故障點近來的保護裝置動作，切

除故障元件，保證其他電氣設備的正常運行，

2）迅速性：當電力系統發生故障時，迅速切除故障可以減輕短路電流對電氣

設備日勺破壞程度，盡快答復供電系統的I正常運行。

3）可靠性：保護裝置必須常常處在準備狀態，一旦在本保護區發生短路故障

或不正常工作狀態時，它都不該拒絕動作或誤動作，而必須可靠動作。

4）敏捷性：保護裝置對其在本保護區發生故障或不正常工作狀態，無論其位

置怎樣，程度輕重，均有足夠的反應能力，保證動作。多種保護裝置日勺敏捷性用“敏

捷度”來衡量。

3短路計算

3.1短路計算目的

在發電廠的電氣設計中，短路電流計算是其中的一種重要環節，其目的是：

1在選擇電氣主接線時，給比較多種接線方案提供根據，和確定某一接線與否

需要采用措施限制短路電流等。

2為了保證所選擇的載流導體及電器元件在正常運行和短路狀況下都能安全，

可靠地工作，同步又節省資金，這就需對有關短路電流值進行動穩定、熱穩定和開

斷能力的檢查。

3為選擇繼電保護方式和進行整定計算提供根據。

4接地裝置日勺設計，也需用短路電流。

電力系統中，發生單相短路的幾率最大，而發生三相短路的也許性最小。不過

三相短路導致口勺危害一般來說最嚴重。為了使電力系統日勺電氣設備在最嚴重口勺短路

狀態下也能可靠地工作，在選擇和校驗電氣設備的短路計算中，常以三相短路計算

為主。

3.2短路計算環節

在工程計算中短路電流的計算常采用實用曲線法，其計算環節如下：

(1)選擇計算短路點；

(2)畫等值網絡圖；

A、選用基準容量品=100MV<4和基準電壓力=囁。

B、首先去掉系統中的所有負荷分支。線路電容、各元件的電阻，發電機電抗

用次暫態電抗X"

C、將各元件電抗換算為同一基準的標么值電抗。

D、匯出等值網絡圖，并將各元件電抗統一編號。

E、化簡等值網絡：為計算不同樣短路點日勺短路電流值，需要將等值網絡分別

化簡為短路點為中心的輻射形等值網絡，并求出各電流與短路點之間的電抗，即轉

移電抗X,f以及無限大電源對短路點日勺轉移電抗X,。

(3)求出計算電抗,Xw=X/學(/=1,2,3.....g)

SB

式中.為第i臺等值發電機H勺額定容量。

(4)由運算曲線查出個電源供應H勺短路電流周期分量標么值(運算曲線只作

到X-3.5)。

(5)計算無限大功率的電源供應的短路電流周期分量。

(6)計算短路電流周期分量有名值和短路容量。

(7)計算沖擊電流。

3.3短路計算過程

3.3.1確定短路計算日勺基準值

根據原始資料，設功率基準值SB=100MVA，基準電壓UH=38.53.

S_100ME4

則s=1.5M.

B瓜-6x38.5匹

短路電路中電抗標幺值計算

(1)在原始資料中，發電機組用的兩臺容量3200KW、功率原因0.8、X-d

=0.2、Xa=0.25的發電機,根據公式:

100

X；=X?=0.25x=6.25

3.2/().8

因此發電機標幺值XFX2=6.25

(2)系統中，有兩臺變壓器，變壓器Z容量為100KVA、變比6.3/0.4、Ud

=4.5%o變壓器T2為容量7500KVA、變比35/6.3、Ud=7.5%。

=生心嘰45

因此變壓器7；

100WOkVA

5100M<4

變壓器41x}=0.6

1007500^V<4

(3)廠用電、近區出線供電由發電機母線引出，出線為架空線，長度為5KM,

0.4/KMo

因此架空線路X；=(0.4x5)Qx10QME4=4.16

5(6.93ZrV)2

因此繪短路計算等效電路如圖3.1所示。

圖3.1等效電路

三相短路電流日勺計算

由上面計算各部分的阻抗標幺值得到

總電抗標幺值X]=X；//X；//X；//X；+X：=1.72+0.6=2.32

再由此得出三相短路電流周期分量有效值

z<3）1B_坐1=0.647M

人=X*=2.32

其他短路電流

/“⑶=/*=/『）=0647M

以=2.55/w=2.55x0.647M=1.65M

/『二1.51/⑶=1.51x0.647姑=0.98人

3.4電流互感器的選擇

3.4.1電流互感器工作原理

電氣一次回路的工作電流一般較高，二次儀表在對一次回路進行測量時，需要

轉換為比較統一、安全的電流。電流互感器是一種升壓（降流）變壓器，也是一種

傳感器，將電流按比例轉換成H勺電流，其一次側接一次系統，二次側接二次設備，

電力系統中的二次設備如測量儀表、繼電保護等，可通過電流互感器獲得電氣一次

回路H勺電流信息，它起著變流和電氣隔離H勺作用，防止直接測量線路的危險。

3.4.2發電機電流互感器日勺選擇

q3?no

發電機G?一次側額定電流：IN=-^=——=507.94A

UN6.3

查資料后選用LA-10/600的電流互感器，其原則變比為：600/5=120o

因此電流互感器口勺一次側電流為。％07.94/120=4.23A。

4發電機繼電保護

在電力系統中，發電機是一種尤其重要的電器元件，決定著電力系統的正常工

作與電能質量。同步，發電機自身價格昂貨，因此，必須裝設性能完善向繼電保護

裝置，用于針對發電機多種故障和不正常運行狀態。

4.1故障分析

4.1.1故障類型

（1）定子繞組相間短路：危害最大；

（2）定子繞組一相的匝間短路：也許演變為單相接地短路和相間短路；

（3）定子繞組單相接地：較常見，燒壞鐵芯或導致局部融化；

（4）轉子繞組一點接地或兩點接地：一點接地時危害不嚴重；兩點接地時，

因破壞了轉子磁通的平衡，也許引起發電機日勺強烈震動或燒損轉子繞

組；

（5）轉子勵磁回路勵磁電流急劇下降或消失：從系統吸取無功功率，導致失

步，從而引起系統電壓下降，甚至可使系統瓦解。

4.1.2不正常運行狀態

（1）外部短路引起日勺定子繞組過電流：溫度升高，絕緣老化；

（2）負荷等超過發電機額定容量而引起日勺三相對稱過負荷：溫度升高，絕緣

老化；

（3）外部不對稱短路或不對稱負荷而引起的發電機負序過電流和過負荷：在

轉子中感應出100Hz日勺倍頻電流，可使轉子局部灼傷或使護環受熱松脫，對發電機

導致重大損害。

（4）忽然甩負荷引起的定子繞組過電壓：調速系統慣性較大發電機，在忽然

甩負荷時，也許出現過電壓，導致發電機繞組絕緣擊穿。

（5）勵磁回路故障或強勵時間過長而引起日勺轉子繞組過負荷；

（6）汽輪機主氣門忽然關閉而引起的發電機逆功率：發電機不發出有功功率

而從系統中吸取有功功率，導致發電機轉為電動機運行，原因調速控制回路故障、

機爐保護動作或某些認為原因。

4.1.3保護類型

1.發電機縱差動保護：定子繞組及其引出線的相間短路保護；

2.橫差動保護：定子繞組一相匝間短路日勺保護；

3.單相接地保護：對發電機定子繞組單相接地短路H勺保護；

4.發電機的失磁保護：針對轉子勵磁回路勵磁電流急劇下降或消失設置的保

護；

5.過電流保護：反應外部短路引起的過電流，同步作為縱差動保護的后備保

護；

6.負序電流保護：反應不對稱短路或三相負荷不對稱時，發電機定子繞組中

出現日勺負序電流；

7.過負荷保護：發電機長時間超負荷運行時，作用于信號的保護；

8.過電壓保護：反應忽然甩負荷而出現日勺過電壓；

9.轉子一點接地保護和兩點接地保護：勵磁回路時接地故障保護；

10.轉子過負荷保護；

11.逆功率保護：汽輪機主汽門誤關閉同步發電機出口斷路器未跳閘，發電機

失去原動力，從發電機運行轉為電動機運行，從電力系統中吸取有功功率。危害：

汽輪機尾部葉片有也許過熱而導致事故。

本發電廠發電機保護裝置日勺設置可根據以上原則并結合小型水電站狀況進行，

對發電機發電機比率制動式縱差保護和定子叵間短路保護進行整定計算。

4.2發電機比率制動式縱差保護(主保護)原理及其整定計算

4.2.1比率制動式差動保護原理

比率制動式縱差保護僅反應相間短路故障。具有比率制動特性的差動保護的二

次接線如圖L2所示。圖中，KVI串接于三相電流互感器日勺中性線上，反應中性線

上的電流大小，作為差動保護TA斷線監視用，延時發信號。

當差動線圈匝數用與制動線圈匝數公s的關系為卬皿=1/21%時，

圖1.2具有比率制動特性的差動保護日勺二次接線

差動電流：/d=(Aa］四公

/M=/tl)/公

制動電流：

比率制動式差動保護H勺動作方程為:

[d'K('/rs—res.mind.minyres>res.min

1d>d.min?res~res.min

式中：/nl,」已次電流；.7U二次電流;

以一一電流互感器變比。ld一一差動電流或稱動作電流

J一一制動電流/心.喻一一拐點電流

I<Lmin一一啟動電流K一一制動斜率

差動保護的制動特性如圖1.2.1中時折線力比所示。圖中，縱坐標為差動電流

h，橫坐標為制動電流乙S。

為了對日勺進行整定計算，首先應理解縱差保護日勺不平衡電流與負荷電流和

外部短路電流間日勺關系。

發電機縱差保護用的10P級電流互感器，在額定一次電流和額定二次負荷條件

下的比誤差為±3%。因此，縱差保護在正常負荷狀態下歐J最大不平衡電流不不不大

于6%o但伴隨外部短路電流的增大和非周期暫態電流歐I影響，電流互感器飽和，

不平衡電流將急劇增大，實際的不平衡電流與短路電流的關系曲線如圖1.2.1中日勺

曲線OED所示。

根據比率式制動特性曲線分析工當發電機正常運行時，或區外較遠的地方發生

短路時，差動電流靠近為零，差動保護不會誤動。發電機內部發生短路故障時，差

動電流明顯增大，

圖L4比率制動式差動保護的制動特性

人和相位靠近相似，減小了制動量，從而可敏捷動作。當發生發電機內部

輕微故障時，雖然有負荷電流制動，但制動電流比較小，保護一般也能可靠動作。

比率制動式差動保護的整定計算

1、啟動電流日勺整定：

'd.min—長如“(/“|+，er2)

式中K”,一一可靠系數，取1.5~2

g一一保護兩側的TA變比誤差產生的差流，取0.06&(&為發電機額定電

流)；

/“2一一保擰兩側的二次電流誤差(包括二次回路引線差異以及縱差動保護輸

入通道變換系數調整不一致)產生日勺差流，取0.1/到。

因此：小訪二。24?0.32)&,一般取0.3&。

因此：〃而n=0?3&=0.3*4.23=1.269(A)

2、拐點電流/…*歐)整定：

&.mi"35~1.0)&=(2.115?4.3)A

3、比率制動特性/、J制動系數長印和制動斜率K『、J整定。

發電機縱差動保護比率制動特性日勺制動斜率K,決定于夾角a。可以看出，當

拐點電流確定后，夾角a決定于C點。而特性曲線上HJC點又可近似由發電機外部

故障時最大短路電流/一『與差動回路中的最大不平衡電流/.m”確定。由此制動

系數可以體現為：

k_/〃必max

1A:.max

而制動線斜率K則可體現為:

K-,“nb.max'd.min

4.max-，心.min

差動回路中日勺最大不平衡電流，除與縱差動保護用兩側TA日勺10%誤差、二次

回路參數差異及差動保護測量誤差有關外，也與縱差動保護兩側TA暫態特性有關。

因此故障時，為躲開最大不平衡電流，C點電流應取為：

=^（0.1+0.14-K/M「lax

式中K向一一可靠系數，取1.3~1.5；

K,——暫態特性系數，相似時取0,不同樣步取0.05?0.1；

Jmax——最大動作電流。

于是可得。（0.26~0.45）ZA,,nax。令心"二鼠小，可得K心=（0.26~0.45）0

因此，對于發電機完全縱差動保護，K心可取0.3；而對不完全縱差動保護，K心

可取0.3%.4o而對制動斜率4可以根據公式K=，wx-〃min求得。

4max-^.min

4.3發電機定子匝間短路保護（橫差保護）原理及整定計算

發電機定子匝間短路保護原理，重要有發電機縱向零序過電壓及故障分量負序

方向型匝間保護，不僅作為發電機內部匝間短路的主保護，還可作為發電機內部相

間短路及定子繞組開焊的保護；故障分量負序方向（AP2）保護應裝在發電機端，不

僅可作為發電機內部匝間短路的主保護，還可作為發電機內部相間短路及定子繞組

開焊口勺保護；高敏捷零序電流型橫差保護，作為發電機內部匝間、相間短路及定子

繞組開焊口勺主保護。

發電機橫差保護，是發電機定子繞組匝間短路（同分支匝間短路及I司相不同樣

分支之間日勺匝間短路）、線棒開焊的主保護，也能保護定子繞組相間短路。

單元件橫差保護，合用于每相定子繞組為多分支，且有兩個或兩個以上中性點

引出的發電機。

發電機單元件橫差保護的輸入電流，為發電機兩個中性點連線上H勺TA二次電

流。以定子繞組每相兩分支的發電機為例，其交流輸入回路示意圖如下所示:

理想發電機正常時中性點連線上不會有電流產生，實際上發電機不同樣中性點

之間從在不平衡電流，原因如下：

(1)定子同向而不同樣分支口勺繞組參數不完全相似，致使兩端的電動勢及支

路電流有差異。

(2)發電機定子氣息磁場不完全均勻，在不同樣定子繞組中產生的感應電動

勢不同樣。

(3)轉自偏心，在不同樣日勺定子繞組中產生不同樣電動勢。

(4)存在三次諧波。

因此單原件縱差保護動作電流必須克服這些不平衡，整定式為：

”(0.25-0.31%

/“加額定工況下，同相不同樣分支繞組由于繞組之間參數H勺差異產生H勺不平

衡電流，由于是三相之和，一般可取5%/

/“汕2磁場氣隙不平衡產生日勺不平衡電流，一般可取10%做

1”冊轉自偏心產生日勺不平衡電流，一般取10%/小

K"可靠系數，取1.2—1.5

把各系數代入得&=(0.25-0.31)/婢=(1.0575-1.3113)A

4.4勵磁回路兩點接地保護

當發電機勵磁回路發生兩點接地故障時，部分勵磁線圈將被短路，由此由于氣

隙磁勢的對稱性遭到破壞，也許使轉子產生劇烈振動，因此在發電機上需要裝設勵

磁回路兩點接地保護，該裝置只設一套,并僅在勵磁回路中出現穩定性的一點接地

時才投入工作。

4.5過負荷保護整定

過負荷保護是動作于信號H勺保護，考慮到過負荷對稱性，該保護只有一相中裝

設，并與過電流保護共用一組互感器，保護由電流繼電器及時間繼電器構成。

電流繼電器動作值按照下式計算: