继电保护在电厂中的应用

摘要随着电力系统容量日益增大，范围越来越广，继电保护技术已逐渐被我们所熟知。本设计主要论述了电厂继电保护的基本原理及其相关知识。根据继电保护的发展历程，本设计对各类基本继电保护方式进行了详细的说明。同时针对电力系统中的不同电气设备，对相应的继电保护原理进行了阐述。内容主要包括继电保护概述、电网的电流保护和方向性电流保护、电网的距离保护、输电线纵联保护和高频保护、电力变压器的继电保护以及发电机的继电保护等。关键词：继电保护 原理 分类 电厂AbstractWith the development of power system capacity is increasing, more and more wide range, relay protection technology has gradually been known as. This paper mainly discusses the basic principle of relay protection in power plant and its related knowledge. According to the development of relay protection course, the design of various types of basic means of relay protection in detail. At the same time, according to the power system of the different electrical equipment, the corresponding relay protection principles. Main content includes an overview of the current relay protection, power system protection and directional current protection, power distance protection, transmission line pilot protection and high frequency protection, relay protection of power transformer and the relay protection of generator.KEY WORD ：Relay protection Principle Classification Power plant目录第 一章 绪 论1第一节论文背景1第二章 继电保护的基本原理及其组成4第一节 继电保护的基本原理4第二节继电保护的组成及分类4第三节继电器6第四节 继电保护装置使用条件和维护6第二章 继电保护在电厂中的应用8第一节 继电保护在电厂应用的基本要求8第二节 微机在电力系统中的显著特点8第三节 继电保护的维护管理9第三章 电厂变压器保护11第一节 电厂变压器的故障类型和不正常工作状态11第二节 变压器的差动保护11第三节 变压器相间短路的后备保护及过流保护13第四节 变压器的瓦斯保护16第四章 发电机保护20第一节 发电机的故障类型、不正常工作状态及其保护方式20第五章 继电保护在电厂配置中的规则和重点26第六章 智能电厂继电保护应用及配置原则29结束语31致谢32参考文献33第 一章 绪 论第一节 论文背景电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力，因此，继电保护技术得天独厚，在40余年的时间里完成了发展的4个历史阶段。建国后，我国继电保护学科、继电保护设计、继电器制造工业和继电保护技术队伍从无到有，在大约10年的时间里走过了先进国家半个世纪走过的道路。50年代，我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进的继电保护设备性能和运行技术1，建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队伍，对全国继电保护技术队伍的建立和成长起了指导作用。阿城继电器厂引进消化了当时国外先进的继电器制造技术，建立了我国自己的继电器制造业。因而在60年代中我国已建成了继电保护研究、设计、制造、运行和教学的完整体系。这是机电式继电保护繁荣的时代，为我国继电保护技术的发展奠定了坚实基础。自50年代末，晶体管继电保护已在开始研究。60年代中到80年代中是晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代。其中天津大学与南京电力自动化设备厂合作研究的500kV晶体管方向高频保护和南京电力自动化研究院研制的晶体管高频闭锁距离保护，运行于葛洲坝500 kV线路上2，结束了500kV线路保护完全依靠从国外进口的时代。在此期间，从70年代中，基于集成运算放大器的集成电路保护已开始研究。到80年代末集成电路保护已形成完整系列，逐渐取代晶体管保护。到90年代初集成电路保护的研制、生产、应用仍处于主导地位，这是集成电路保护时代。在这方面南京电力自动化研究院研制的集成电路工频变化量方向高频保护起了重要作用3，天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的集成电路相电压补偿式方向高频保护也在多条220kV和500kV线路上运行。我国从70年代末即已开始了计算机继电保护的研究4，高等院校和科研院所起着先导的作用。华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、天津大学、上海交通大学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用5，揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机?变压器组保护也相继于1989、1994年通过鉴定，投入运行。南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1991年通过鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1993、1996年通过鉴定。至此，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代 继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。 第二节 继电保护的作用与意义改革开放30年来，中国的市场经济得到快速的发展，我国的经济建设取得了举世瞩目的成就。随着经济的发展，对电力的需求越来越大，电力供给开始出现紧张，在很多地方都出现了供电危机，使其不得不采取限电、停电等措施，以缓解电力供给的紧张。在如此严重的形式下，加强对电力系统的安全维护至关重要，而继电保护正是其中主要的保护手段之一。继电保护对电力系统的维护有重大的意义。一是，继电保护可以保障电力系统的安全、正常运转。由于当电力系统发生故障或异常时，继电保护可以实现在最短时间和最小区域内，自动从系统中切除故障设备，也可以向电力监控警报系统发出信息，提醒电力维护职员及时解决故障，这样继电保护不仅能有效的防止设备的损坏，还能降低相邻地区供电受连带故障的机率。同时还可以有效的防止电力系统因种种原因，而产生时间长、面积广的停电事故，是电力系统维护与保障最实用最有效的技术手段之一。二是，继电保护的顺利开展，在消除电力故障的同时，也就对社会生活秩序的正常化，经济生产的正常化做出了贡献，不仅确保社会生活和经济的正常运转，还从一定程度上保证了社会的稳定，人们生命财产的安全。前些年北美大规模停电断电事故，就造成了巨大的经济损失，引发了社会的动荡，严重的威胁到了人们生命财产的安全。可见，电力系统的安全与否，不仅仅是照明失效的题目，更是社会安定、人们生命安全的题目。所以，继电保护的有效性，就给社会各方面带来了重大的影响。 第二章 继电保护的基本原理及其组成第一节 继电保护的基本原理电力系统发生故障后，工频电气量变化的主要特征是： 1)电流增大。 短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将由负荷电流增大至大大超过负荷电流。 2)电压降低。 当发生相间短路和接地短路故障时，系统各点的相间电压或相电压值下降，且越靠近短路点，电压越低。 3)电流与电压之间的相位角改变。 正常运行时电流与电压间的相位角是负荷的功率因数角，一般约为20；三相短路时，电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定，一般为6085；而在保护反方向三相短路时，电流与电压之间的限额将则是180+(6085)。 4)不对称短路时，出现相序分量， 如单相接地短路及两相接地短路时，出现负序和零序电流和电压分量。这些分量在正常运行时是不出现的。 利用短路故障时电气量的变化，便可构成各种原理的继电保护。例如，据短路故障时电流的增大，可构成 过电流保护；据短路故障时电压的降低，可构成 电压保护 ；据短路故障时电流与电压之间相角的变化，可构成功率方向保护；据电压与电流比值的变化，可构成 距离保护 ；据故障时被保护元件两端电流相位和大小的变化，可构成 差动保护； 据不对称短路故障时出现的电流、电压相序分量，可构成零序电流保护、负序电流保护和负序功率方向保护等。 第二节 继电保护的组成及分类模拟型继电保护装置的种类很多，它们都由测量回路、逻辑回路和执行回路 三个主要部分组成。 1、对继电保护装置的基本要求 1）选择性 选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时，其继电保护仅将故障的设备或线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒绝动作时，应由相邻设备或线路的保护将故障切除。 2）速动性 速动性就是指继电保护装置应能尽快地切除故障。对于反应短路故障的继电保护，要求快速动作的主要理由和必要性在于（1） 快速切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性。 （2）快速切除故障可以减少发电厂厂用电及用户电压降低的时间，加速恢复正常运行的过程。保证厂用电及用户工作的稳定性。 （3）快速切除故障可以减轻电气设备和线路的损坏程度。 （4）快速切除故障可以防止故障的扩大，提高自动重合闸和备用电源或设备自动投人的成功率。 对于反应不正常运行情况的继电保护装置，一般不要求快速动作，而应按照选择性的条件，带延时地发出信号。 3) 灵敏性 灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置的反应能力。 所谓系统 最大运行方式 ，就是在被保护线路末端短路时，系统等效阻抗最小，通过保护装置的短路电流为最大的运行方式；系统 最小运行方式 ，就是在同样的短路故障情况下，系统等效阻抗为最大，通过保护装置的短路电流为最小的运行方式。 保护装置的灵敏性用灵敏系数来衡量。灵敏系数表示式为： (l)对于反应故障参数量增加（如过电流）的保护装置： 保护区末端金属性短路时故障参数的最小计算值 (2)对于反应故障参数量降低（如低电压）的保护装置： 保护区末端金属性短路时故障参数的最小计算值 4）可靠性 可靠性是指在保护范围内发生了故障该保护应动作时，不应由于它本身的缺陷而拒动作；而在不属于它动作的任何情况下，则应可靠地不动作。 以上四个基本要求是设计、配置和维护继电器保护的依据，又是分析评价继电保护的基础。这四个基本要求之间，是相互联系的，但往往又存在着矛盾。因此，在实际工作中，要根据电网的结构和用户的性质，辩证地进行统一。电力系统保护分为主保护和后备保护，后备保护是指当主保护或断路器拒动时，用来切除故障的保护，后备保护可分为远后备保护和近后备保护2种，远后备保护就是当主保护或断路器拒动时，由相邻的电力设备或线路的保护来实现的后备保护，如变压器的后备保护就是线路的远后备。近后备保护是当主保护拒动时，由本电力设备或线路的另一套保护来实现的后备保护，如线路的零序保护和距离保护就是相互后备的 第三节 继电器1）电磁型继电器 电磁继电器的基本结构形式有螺管线圈式、吸引衔铁式和转动舌片式三种，如图 1 所示。电流继电器在电流保护中用作测量和起动元件，它是反应电流超过一整定值而动作的继电器。电磁继电器是利用电磁原理工作的。 螺管线圈式； 吸引衔铁式；转动舌片式图 1 电磁型继电器的结构原理 2)集成电路型继电器3)抗饱和、抗暂态超越的集成电路型电流继电器第四节 继电保护装置使用条件和维护继电保护装置是实现继电保护的基本条件，要实现继电保护的作用，就必须要具备有科学先进、行之有效的继电保护装置。因此，要做好继电保护的工作，就必须要重视保护的设备。而设备的质量题目，直接决定了继电保护的效果，因而必须对继电保护的装置提出较高的要求，主要体现在四性上。继电保护装置的重要性，不仅要在选用上考虑其是否达到基本运行条件的要求，还要在日常的检测和维护上做好工作。 首先，要全面了解设备的初始状态。继电保护设备的初始状态，影响其日后的正常和有效运行。因此必须留意收集整理设备图纸、技术资料以及相关设备的运行和检测数据的资料。对设备日常状态的检验，要对设备生命周期中各个环节都必须予以关注，进行全过程的治理。一方面是保证设备正常的、安全有效的使用，避免投进具有缺陷的设备。同时在恰当的时机进行状态检验，以便能真正的检测出题目的所在，并及时的找到应对方案。另一方面，在设备使用投进前，要记录好设备的型式试验和特殊试验数据、各部件的出厂试验数据、出厂试验数据以及交接试验数据和运行记录等信息。 其次，要对设备运行状态数据进行及时全面的统计分析。首先要了解设备出现故障的特点和规律，进而通过对继电保护装置运行状态的日常数据的分析，预先判定分析故障出现的部分和时间，在故障未发生时，及时的排查。因此状态检验数据治理就显得非常重要，要把设备运行的记录、设备状态监测与诊断的数据等结合起来，通过正确的完整的技术数据进行状态检验。通过数据的把握和设备运行规律的把握，可以科学地制定设备的检验方案，进步保护装置的安全系数和使用周期，保证电力系统的正常运行。设备网 再次，要了解继电设备技术发展趋势，采用新的技术对设备进行监管和维护。在电力事业高度发展，继电保护日益严重，继电保护设备不够完善的情况下，必须加强对新技术的应用，唯此才能保证保护装置的科学有效，在电力系统的保护中发挥应有的贡献。 第二章 继电保护在电厂中的应用第一节 继电保护在电厂应用的基本要求继电保护在电厂应用的基本要求：继电保护装置应满足可靠性、 选择性、 灵敏性和速动性的要求:这四 “性” 之间紧密联系, 既矛盾又统一。（一）继电保护的可靠性可靠性是指保护该动体时应可靠动作。 不该动作时应可靠不动作。 可靠性是对继电保护装置性能的最根本要求。继电保护的可靠性主要由配置合理、 质量和技术性能优良的继电保护装置以及正常的运行维护和管理来保证。任何电力设备(线路、 母线、 变压器等)都不允许在无继电保护的状态下运行。 220kV 及以上电网的所有运行设备都必须由两套交、 直流输入、 输出回路相互独立, 并分别控制不同断路器的继电保护装置进行保护。 当任一套继电保护装置或任一组断路器拒绝动作时, 能由另一套继电保护装置操作另一组断路器切除故障。在所有情况下, 要求这购套继电保护装置和断路器所取的直流电源都经由不同的熔断器供电。（二）继电保护的选择性：选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障, 当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时, 才允许由相邻设备保护、 线路保护或断路器失灵保护切除故障。 为保证对相邻设备和线路有配合要求的保护和同一保护内有配合要求的两元件 ( 如启动与跳闸元件或闭锁与动作元件) 的选择性, 其灵敏系数及动作时间, 在一般情况下应相互配合。（三）继电保护的灵敏性：灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时, 保护装置应具有必要的灵敏系数, 各类保护的最小灵敏系数在规程中有具体规定。选择性和灵敏性的要求, 通过继电保护的整定实现。（四）继电保护的速动性：速动性是指保护装置应尽快地切除短路故障, 其目的是提高系统稳定性, 减轻故障设备和线路的损坏程度, 缩小故障波及范围, 提高自动重合闸和备用电源或备用设备自动投入的效果等。 一般从装设速动保护(如高频保护、 差动保护)、 充分发挥零序接地瞬时段保护及相间速断保护的作用、 减少继电器固有动作时间和断路器跳闸时间等方面入手来提高速动性。第二节 微机在电力系统中的显著特点（一）微机保护充分利用了计算机技术上的两个显着优势：高速的运算能力和完备的存贮记忆能力，以及采用大规模集成电路和成熟的数据采集，A/D模数变换、数字滤波和抗干扰措施等技术，使其在速动性、可靠性方面均优于以往传统的常规保护，而显示了强大生命力。（二）与传统的继电保护相比，微机保护有许多优点，其主要特点如下：1.改善和提高继电保护的动作特征和性能，正确动作率高。主要表现在能得到常规保护不易获得的特性；其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护；可引进自动控制、新的数学理论和技术，如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等，其运行正确率很高，已在运行实践中得到证明。2.可以方便地扩充其他辅助功能。如故障录波、波形分析等，可以方便地附加低频减载、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能。3.工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用，制造容易统一标准；装置体积小，减少了屏位数量；功耗低。4.可靠性容易提高。体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响，不易受元件更换的影响；且自检和巡检能力强，可用软件方法检测主要元件、部件的工况以及功能软件本身。5.使用灵活方便，人机界面越来越友好。其维护调试也更方便，从而缩短维修时间；同时依据运行经验，在现场可通过软件方法改变特性、结构。6.可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能，与变电所微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性。第三节 继电保护的维护管理（一）微机保护装置要采取电磁干扰防护措施电站改造中，电磁型保护更换成微机型保护时，必须采取防电磁干扰的技术措施，即严格执行微机保护装置的安装条件，安装带有屏蔽层的电缆，而且两端的屏蔽层必须接地。防止由于线路较长，一端接地时，另一端会由于电磁干扰产生电压、电流，造成微机保护的拒动或误动。为减少保护装置故障和错误出现的几率，微机保护装置必须优化设计、合理制造工艺以及元、器件的高质量。同时还要采用屏蔽和隔离等技术来保证装置的可靠性，从而提高抗干扰的能力。（二）微机保护装置的接地要严格按规定执行微机保护装置内部是电子电路，容易受到强电场、强磁场的干扰，外壳的接地屏蔽有利于改善微机保护装置的运行环境；微机保护提高可靠性，应以抑制干扰源、阻塞耦合通道、提高敏感回路抗干扰能力入手，并运用自动检测技术及容错设计来保证微机保护装置的可靠性；容错即容忍错误，即使出现局部错误也不会导致保护装置的误动或拒动。容错设计则是利用冗余的设备在线运行，以保证保护装置的不间断运行。采用容错技术设计是为了换取常规设计所不能得到的高可靠性，确保微机保护装置的可靠运行。（三）防误措施 微机保护的一些定值设定以及重要参数修改在硬件设计上设置操作锁，操作时必须正确输入操作员的密码和监护人的密码时，方可进行正常操作，并将操作人和监护人的姓名等信息予以记录和保存。（四）继电保护装置的日常维护1.当班运行人员定时对继电保护装置进行巡视和检查，对运行情况要做好运行记录。2.建立岗位责任制，做到人人有岗，每岗有人。3.做好继电保护装置的清扫工作。清扫工作必须由两人进行，防止误碰运行设备，注意与带电设备保持安全距离，避免人身触电和造成二次回路短路、接地事故。4.对微机保护的电流、电压采样值每周记录一次，对差动保护要记录差动电流值。5.定期对保护装置端子排进行红外测温，尽早发现接触不良导致的发热。6.每月对微机保护的打印机进行检查并打印。7.每月定期检查保护装置时间是否正确，方便故障发生后的故障分析。8.定期核对保护定值运行区和打印出定值单进行核对。第三章 电厂变压器保护第一节 电厂变压器的故障类型和不正常工作状态电厂变压器的故障通常可分为 油箱内部故障和油箱外部故障 。 油箱内部故障 主要是指发生在变压器油箱内包括高压侧或低压侧绕组的相间短路、匝间短路、中性点直接接地系统侧绕组的单相接地短路。变压器油箱内部故障是很危险的，因为故障点的电弧不仅会损坏绕组绝缘与铁心，而且会使绝缘物质和变压器油剧烈汽化，由此可能引起油箱的爆炸。所以，继电保护应尽可能快地切除这些故障。 油箱外部故障 主要是变压器绕组引出线和套管上发生的相间短路和接地短路（直接接地系统）。 变压器的不正常工作状态 主要有过负荷、外部短路引起的过电流、外部接地短路引起的中性点过电压、油箱漏油引起的油面降低或冷却系统故障引起的温度升高等。此外，大容量变压器，由于其额定工作磁通密度较高，工作磁密与电压频率比成正比例，在过电压或低频率下运行时，可能引起变压器的过励磁故障等。 变压器继电保护的任务就是反应上述故障或异常运行状态，并通过断路器切除故障变压器，或发出信号告知运行人员采取措施消除异常运行状态。同时，变压器保护还应能用作相邻电器元件的后备保护。 第二节 变压器的差动保护2.2.1压器差动保护的基本原理和接线方式变压器纵差动保护主要是用来反应变压器绕组、引出线及套管上的各种短路故障，是变压器的主保护。变压器差动保护是按照循环电流原理构成的，图 2示出了双绕组变压器差动保护单相原理接线图。变压器两侧分别装设电流互感器 和 ，并按图中所示极性关系进行连接。 正常运行或外部故障时，差动继电器中的电流等于两侧电流互感器的二次电流之差，欲使这种情况下流过继电器的电流基本为零，则应恰图 2 变压器纵差动保护接线方式当选择两侧电流互感器的变化。 （2.1） 即 （2.2） 若上述条件满足，则当正常运行或外部故障 时，流入差动继电器的电流为： （2.3） 当变压器内部故障时，流入差动继电器的电流为： 为了保证动作的选择性，差动继电器的动作电流 应按躲开外部短路时出现的最 大不平衡电流来整定，即 （2.5） 减少不平衡电流及其对保护的影响，就是实现变压器差动保护的主要问题。为此，应分析不平衡电流产生的原因，并讨论减少其对保护影响的措施。 2.2.2变压器差动保护的不平衡电流及减小不平衡电流的方法 实际上，由于变压器励磁涌流、接线方式和电流互感器误差等因数的影响，即使两侧电流互感器的变比等于变压器的变比，正常或外部短路是差动继电器中的电流也不会等于零，而是会流过一个不平衡电流 。并且在变压器纵差动保护中，不平衡电流很大，形成不平衡电流的因素很多，因此，需要采取相应的措施，以消除不平衡电流对纵差动保护的影响。产生不平衡电流的原因主要有以下几种： 1）稳态情况下的不平衡电流 (1)变压器两侧电流相位不同 电力系统中变压器常采用 Y，d11接线方式，因此，变压器两侧电流的相位为 。如图4所示，Y侧电流滞后侧电流 ，若两侧的电流互感器采用相同的方式，则两侧对应相的二次电流也相差 左右，从而产生很大的不平衡电流。 图4 变压器两侧电流互感器接线方式(2）电流互感器计算变比与实际变化不同 变压器高、低压两侧电流的大小是不相等的。为了满足正常运行或外部短路时，流入继电器差回路的电流为零，则应使高、低压侧流入继电器的电流相等，则高、低压侧电流互感器变比的比值应等于变压器的变比。但实际上由于电流互感器在制造上的标准化，往往选出的是与计算变比相接近且叫较大的标准变比的电流互感器。这样，由于变比的标准化使得其实际变比与计算变比不一致，从而产生不平衡电流。以一台容量为31.5MVA、变比为 的Y，d11变压器为例，列出了由于电流的实际变比与计算变比不等引起的不平衡电流。 (3）变压器各侧电流互感器型号不同 由于变压器各侧电压等级和额定电流不同，所以变压器各侧的电流互感器型号不同，它们的饱和特性、励磁电流（归算至同一侧）也就不同，从而在差动回路中产生较大的不平衡电流。 (4）变压器带负荷调整分接头 第三节 变压器相间短路的后备保护及过流保护为了防止外部短路引起的过电流和作为变压器纵差动保护、瓦斯保护的后备，变压器还应装设后备保护。 保护的动作电流 I 按躲过变压器的最大负荷电流I 整定。 （ 2.10 ） 变压器的最大负荷电流应按下列情况考虑： 1 ）对并联运行的变压器，应考虑切除一台变压器后的负荷电流。当各台变压器的容量相同时，可按下式计算： （ 2.11 ） 2 ）对降压变压器，应考虑负荷中 。电动机自起动时的最大电流，即： （ 2.12 ） 低电压起动的过电流保护 低电压起动的过电流保护原理接线图 如图 5所示。 保护的起动元件包括电流继电器和低电压继电器。 图 5 低电压起动的过电流保护原理接线图电流继电器的动作电流按躲过变压器的额定电流整定，即： 因而其动作电流比过电流保护的起动电流小，从而提高了保护的灵敏性。 低电压继电器的动作电压 U 可按躲过正常运行时最低工作电压整定。一般取 U =0.7U （ U 为变压器的额定电压）。 电流元件的灵敏系数按式（2.12 ）校验，电压元件的灵敏系数按下式校验： （ 2.15 ） 为防止电压互感器二次回路断线后保护误动作，设置了中间继电器 KM 。当电压互感器二次回路断线时，低电压继电器动作，起动中间继电器，发出电压回路断线信号。 复合电压起动的过电流保护 该保护由三部分组成： 1 ）电流元件。由接于相电流的继电器 KA KA 组成。 2 ）电压元件。由反应不对称短路的负序电压继电器 KVN （内附有负序电压滤过器）和反应对称短路接于相间电压的低电压继电器 KV 组成。 3 ）时间元件。由时间继电器 KT 构成。 装置动作情况如下：当发生不对称短路时，故障相电流继电器动作，同时负序电压继电器动作，其动断触点断开，致使低电压继电器 KV 失压，动断触点闭合，起动闭锁中间继电器 KM 。相电流继电器通过 KM 常开触点起动时间继电器 KT ，经整定延时起动信号和出口继电器，将变压器两侧断路器断开。当发生对称短路时，由于短路初始瞬间也会出现短时的负序电压， KVN 也会动作，使 KV 失去电压。当负序电压消失后， KVN 返回，动断触点闭合，此时加于 KV 线圈上的电压已是对称短路时的低电压， KV 不至于返回，而且 KV 的返回电压是其起动电压的 K （大于 1 ）倍，因此，电压元件的灵敏度可提高 K 倍。复合电压起动的过电流保护在对称短路和不对称短路时都有较高的灵敏度。 负序电压继电器的动作电压 U 按躲开正常运行情况下负序电压滤过器输出的最大不平衡电压整定。据运行经验，取 （ 2.16 ） 与低电压起动的过电流保护比较，复合电压起动的过电流保护的优点有： (1)由于负序电压继电器的整定值较小，因此对于不对称短路，其灵敏系数较高。 (2）对于对称短路， KV 在 KVN 触点断开后起动，负序电压消失后，使 KV 接入电压 U 。此时， U 只要能维持 KV 不返回，即可使保护动作。而 KV 的返回电压为其起动电压的 1.15 1.2 （返回系数）倍，因此，电压元件的灵敏性可提高 1.15 1.2 倍。 (3）由于保护反应负序电压，因此对于变压器后的不对称短路，与变压器的接线方式无关。 复合电压启动的过电流保护中电流继电器的灵敏系数与低电压起动的过电流保护的电流继电器相同，对于大容量变压器，可能保护的灵敏系数不满足要求，为此，可采用负序过电流保护。 第四节 变压器的瓦斯保护当变压器内部故障时 ,故障点的局部高温将使变压器油温升高,体积膨胀,甚至出现沸腾,油内空气被排出而形成上升汽泡。若故障点产生电弧,则变压器油和绝缘材料将分解出大量气体,这些气体自油箱流向油枕上部。故障越严重，产生的气体越多，流向油枕的气流速度越快，甚至气流中还夹杂着变压器油。利用上述气体来实现的保护，称为瓦斯保护。 如果变压器内部发生严重漏油或匝数很少的匝间短路、铁心局部烧损、线圈断线、绝缘劣化和油面下降等故障时，往往差动保护及其他保护均不能动作，而瓦斯保护却能够动作。因此，瓦斯保护是变压器内部故障最有效的一种主保护。 瓦斯保护主要由瓦斯继电器来实现，它是一种气体继电器，安装在变压器油箱与油枕之间的连接导油管中，如图油箱内的气体必须通过瓦斯继电器才能流向油枕。为了使气体能够顺利地进入瓦斯继电器和油枕，变压器安装时应使顶盖沿瓦斯继电器方向与水平面保持1%1.5%的升高坡度，且要求导油管具有不小于2%的升高坡度。 瓦斯继电器的形式较多。下面将以性能较好的开口杯挡板式瓦斯继电器为例说明其结构情况和工作原理。 图6 瓦斯继电器结构情况和工作原理正常情况下，继电器内充满油，开口杯在油的浮力与重锤 6的作用下，处于上翘位置，永久磁铁4远离干簧触点13，干 簧触点13断开。挡板10在弹簧9的保持下，处于正常位置，其附带的永久磁铁远离干簧触点13，干簧触点13可靠断开。 当变压器内部发生轻微故障时，产生少量气体，汇集在气体继电器上部，迫使气体继电器内油面下降，使开口杯露出油面。物体在气体中所受浮力比在油中受到的浮力小，因而开口杯失去平衡，绕轴落下，永久磁铁 4随之落下，接通干簧触点，发出“轻瓦斯动作”信号。当变压器严重漏油时，同样会发出“轻瓦斯动作”信号。 当变压器内部发生严重故障时，油箱内产生大量的气体，形成强烈油流，油流从油箱通过瓦斯继电器冲向油枕，该油流速度将超过重瓦斯（下挡板）整定的油流速度，油流对挡板的冲击力将克服弹簧的作用力，挡板被冲动，永久磁铁靠近干簧触点，使干簧触点闭合，重瓦斯动作，发出跳闸脉冲，断开变压器各电源侧的断路器。 瓦斯保护能反应油箱内各种故障，且动作迅速、灵敏性高、接线简单，但不能反应油箱外的引出线和套管上的故障。故不能作为变压器唯一的主保护，需与差动保护配合共同作为变压器的主保护。 继电保护整定值计算实例已知：6KV母线最大短路容量= 170（MVA） 基准容量Sj=1000（MVA） 电缆每公里电抗标么值Xo*=2 电缆长度L=0.2（KM）变压器阻抗电压百分值Ud%=5.5% 变压器一次额定电流Ie=30（A） 电流互感器变比Ke=50/5 电流继电器型号DL（电流 15A-30A）计算电抗： 6KV母线最大运行方式下短路阻抗标么值X*max=5.7689 6KV母线最小运行方式下短路阻抗标么值X*min=9.3485 电缆电抗标么值X*=Xo*L=20.2=0.4变压器电抗标么值 =B点短路最大运行方式电抗标幺值：=X*max+ X*+=5.7689+0.4+ 305.5556=311.7245B点短路最小运行方式电抗标幺值：=X*min+ X*+=9.3485+0.4+ 305.5556 =315.3041A点短路最小运行方式电抗标幺值：=X*min+ X*=9.3485+0.4=9.7485计算短路电流： (1)最小运行方式下，B点两相短路，流过高压侧的稳态电流 =0.00317 =0.00317=0.2909（KA）=291（A） =0.866=0.866291=252（A） (2) 最大运行方式下，B点三相短路，流过高压侧的超瞬变电流 系统为无限大容量= =0.00317 =0.00317=0.2905（KA）=291（A） (3)最小运行方式，A点两相短路超瞬变电流 =0.1026 =0.1026=9.401（KA）=9401（A） =0.866=0.8669401=8141（A）计算：变压器继电保护过流整定值 取=5A 灵敏系数效验：=51.5B点电抗标幺值A点电抗标幺值B点两相短路瞬变电流B点三相短路超瞬变电流A点两相短路超瞬变电流A点两相短路超瞬变电流继电器动作电流灵敏系数效验最小运行方式315.30419.7485252A8141A9401A最大运行方式311.7245291A=5A51.5灵敏性：指继电保护装置对保护设备可能发生的故障和正常运行的情况，能够灵敏的感受和灵敏地作，保护装置的灵敏性以灵敏系数衡量。分析可得灵敏度系数大于1.5满足灵敏度的要求。电网中电气设备发生故障时，短路电流很大，根据继电器的基本动作原理可知，如果预先通过计算，将此短路电流整定为继电器的动作电流，就可对故障设备进行保护。过电流保护和电流速断保护正是根据这个原理而实现的。为了保证动作的选择性，根据短路电流的特点（故障点越靠近电源，则短路电流越大），过电流保护是带有动作时限的，而电流 速断保护则不带动作时限，即当短路发生时，它立即动作而切断故障，故它没有时限特性，常用来和过流保护配合使用。 速断保护不能保护线路全长，只能有选择性地保护线路一部分，余下部分为速断保护的死区。为避免上述情况，速断保护也可做成略带时限，称为时限电流速断保护。它和无时限电流速断配合，以消除电流速断保护的动作死区。第四章 发电机保护第一节 发电机的故障类型、不正常工作状态及其保护方式电压在3kV及以上，容量在600MW及以下发电机，应按本条的规定，对下列故障及异常运行状态，装设相应的保护装置。容量在600MW以上的发电机可参照执行。a.定子绕组相间短路； b.定子绕组接地； c.定子绕组匝间短路； d.发电机外部相间短路； e.定子绕组过电压； f.定子绕组过负荷； g.转子表层(负序)过负荷； h.励磁绕组过负荷； i.励磁回路接地； j.励磁电流异常下降或消失； k.定子铁芯过励磁； l.发电机逆功率； m.频率异常； n.失步； o.发电机突然加压；p.发电机起停；q. 其他故障和异常运行。上述各项保护装置，宜根据故障和异常运行方式的性质及动力系统具体条件，按规定分别动作于： a.停机 断开发电机断路器、灭磁；对汽轮发电机，还要关闭主汽门；对水轮发电机还要关闭导水翼。 b.解列灭磁 断开发电机断路器，灭磁，汽轮机甩负荷。 c.解列 断开发电机断路器，汽轮机甩负荷。 d.减出力 将原动机出力减到给定值。 e.缩小故障影响范围 例如断开预定的其他断路器。 f.程序跳闸 对于汽轮发电机首先关闭主汽门，待逆功率继电器动作后，再跳开发电机断路器并灭磁；对于水轮发电机，首先将导水翼关到空载位置，再跳开发电机断路器并灭磁。 g.减励磁 将发电机励磁电流减至给定值。h.励磁切换 将励磁电源由工作励磁电源系统切换至备用励磁电源系统。i.厂用电源切换 由厂用工作电源供电切换到备用电源供电。j.分出口 动作于单独回路k.信号 发出声光信号。 对发电机定子绕组及其引出线的相间短路故障，应按下列规定配置相应的保护作为发电机的主保护。1MW及以下单独运行的发电机，如中性点侧有引出线，则在中性点侧装设过电流保护；如中性点侧无引出线，则在发电机端装设低电压保护。1MW及以下与其它发电机或与电力系统并列运行的发电机，应在发电机机端装设电流速断保护。如电流速断保护灵敏系数不符合要求，可装设纵联差动保护；对中性点侧没有引出线的发电机，可装设低压过流保护。对1MW以上的发电机，应装设纵联差动保护。对100MW以下发电机变压器组，当发电机与变压器之间有断路器时，发电机和变压器宜分别装设单独的纵联差动保护。对100MW及以上发电机变压器组，应装设双重主保护，每一套主保护宜具有发电机纵联差动保护和变压器纵联差动保护。在穿越性短路、穿越性励磁涌流及自同步或非同步合闸过程中，纵联差动保护应采取措施，减轻电流互感器饱和及剩磁的影响，提高保护动作可靠性。纵联差动保护应装设电流回路断线监视装置，断线后动作于信号。电流回路断线允许差动保护跳闸。本条中规定装设的过电流保护、电流速断保护、低电压保护、低压过流和纵联差动保护均应动作于停机。发电机定子绕组的单相接地故障的保护应符合以下要求：发电机定子绕组单相接地故障电流允许值按制造厂的规定值，如无制造厂提供的规定值时，可参照表1 中所列数据。 表1 发电机定子绕组单相接地故障电流允许值发电机额定电压/kV 发电机额定容量/MW接地电流允许值/A6.350410.5汽轮发电机501003水轮发电机1010013.815.75汽轮发电机1252002(对于氢冷发电机为2.5)水轮发电机4022518203006001与母线直接连接的发电机：当单相接地故障电流（不考虑消弧线圈的补偿作用）大于允许值（参照表1）时，应装设有选择性的接地保护装置。保护装置由装于机端的零序电流互感器和电流继电器构成。其动作电流按躲过不平衡电流和外部单相接地时发电机稳态电容电流整定。接地保护带时限动作于信号。但当消弧线圈退出运行或由于其它原因使残余电流大于接地电流允许值时，应切换为动作于停机。当未装接地保护或装有接地保护，但由于运行方式改变及灵敏系数不符合要求等原因不能动作时，可由单相接地监视装置动作于信号。为了在发电机与系统并列前检查有无接地故障，保护装置应能监视发电机机端零序电压值。 发电机变压器组：对100MW以下发电机，应装设保护区不小于90%的定子接地保护；对100MW及以上的发电机，应装设保护区为100%的定子接地保护。保护带时限动作于信号，必要时也可动作于停机。为检查发电机定子绕组和发电机电压回路的绝缘状况，保护装置应能监视发电机端零序电压值。对发电机的定子匝间短路，应按下列规定装设定子匝间保护：对于定子绕组为星形接线，每相有并联分支且中性点侧有分支引出端子的发电机，应装设零序电流型横差保护或裂相横差保护、不完全差动保护。50MW及以上发电机，当定子绕组为星形接线，中性点只有三个引出端子时，根据用户和制造厂的要求，也可装设专用的匝间短路保护。对发电机外部相间短路故障和作为发电机主保护的后备，应按下列规定配置相应的保护，保护装置宜配置在发电机的中性点侧：对于1MW及以下与其它发电机或电力系统并列运行的发电机，应装设过电流保护。1MW以上的发电机，宜装设复合电压(包括负序电压及线电压)起动的过电流保护。灵敏度不满足要求时可增设负序过电流保护。50MW及以上的发电机，宜装设负序过电流保护和单元件低压起动过电流保护。自并励(无串联变压器)发电机，宜采用带电流记忆（保持）的过电流保护。并列运行的发电机和发电机变压器组的后备保护，对所连接母线的相间故障，应具有必要的灵敏系数，并不宜低于附录A中附表A.1所列数值。本条中规定装设的以上各项保护装置，宜带有二段时限，以较短的时限动作于缩小故障影响的范围或动作于解列，以较长的时限动作于停机。对于按规定装设了定子饶组反时限过负荷及反时限负序过负荷保护，且保护综合特性对发电机变压器组所连接高压母线的相间短路故障具有必要的灵敏系数，并满足时间配合要求，可不再装设规定的后备保护。保护宜动作于停机。对发电机定子绕组的异常过电压，应按下列规定装设过电压保护：对于水轮发电机，应装设过电压保护，其整定值根据定子绕组绝缘状况决定。过电压保护宜动作于解列灭磁。对于100MW及以上的汽轮发电机，宜装设过电压保护，其整定值根据定子绕组的绝缘状况决定。过电压保护宜动作于解列灭磁或过程跳闸。对过负荷引起的发电机定子绕组过电流，应按下列规定装设定子绕组过负荷保护：定子绕组非直接冷却的发电机，应装设定时限过负荷保护，保护装置接一相电流，带时限动作于信号。定子绕组为直接冷却且过负荷能力较低(例如低于1.5倍、60s)的发电机，过负荷保护由定时限和反时限两部分组成。定时限部分：动作电流按在发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定，带时限动作于信号，在有条件时，可动作于自动减负荷。反时限部分：动作特性按发电机定子绕组的过负荷能力确定，动作于解列或程序跳闸。保护应能反应电流变化时发电机定子绕组的热积累过程。不考虑在灵敏系数和时限方面与其它相间短路保护相配合。对不对称负荷、非全相运行以及外部不对称短路引起的负序电流，应按下列规定装设发电机转子表层过负荷保护：50MW及以上A值（转子表层承受负序电流能力的常数）大于10的发电机，应装设定时限负序过负荷保护。保护与4.2.6.3条的负序过电流保护组合在一起。保护装置的动作电流按躲过发电机长期允许的负序电流值和躲过最大负荷下负序电流滤过器的不平衡电流值整定，带时限动作于信号。100MW及以上A值小于10的发电机，应装设由定时限和反时限两部分组成的转子表层过负荷保护。 定时限部分：动作电流按发电机长期允许的负序电流值和躲过最大负荷下负序电流滤过器的不平衡电流值整定，带时限动作于信号。 反时限部分：动作特性按发电机承受负序电流的能力确定，动作于停机。保护应能反应电流变化时发电机转子的热积累过程。不考虑在灵敏系数和时限方面与其它相间短路保护相配合。对励磁系统故障或强励时间过长引起的励磁绕组过负荷，100MW及以上采用半导体励磁系统的发电机上，应装设励磁绕组过负荷保护。 300MW以下采用半导体励磁系统的发电机，可装设定时限励磁绕组