（电气工程专业论文）发电厂厂用电继电保护配置和整定计算.pdf

a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i c a li n d u s t r y , t h ea m o u n to fl a r g e c a p a c i t yg e n e r a t o r si np o w e rs y s t e m si sm o r ea n dm o r ee v e r yy e a r s t h ec o s to fl a r g e g e n e r a t o ru n i ti sv e r ye x p e n s i v e ，a n dt h er o l eo fl a r g eg e n e r a t o ru n i tf o rp o w e r s y s t e m ss t a b i l i t yi si m p o r t a n t a n dt h e r e f o r et h ee c o n o m yl o s i n gc a u s e db yf a u l ti n p o w e rp l a n t sm i g h tb eh u g e s os e t t i n gt h ep r o t e c t i o nr e l a y sr e a s o n a b l ya n dv a l i d l yi s av e r yi m p o r t a n tf a c t o rf o rs a f e t yo f p o w e rp l a n t sa n dg r i d b e c a u s et h e r ei sal a c ko fr e g a r df o rs e t t i n gt h ep r o t e c t i o nr e l a yf o rs e r v i c e p o w e rs y s t e mi np o w e rp l a n t ，t h es e t t i n g si nd i f f e r e n tp l a n t sa r ed i f f e r e n te a c ho t h e r s o m es e t t i n g sa r eq u i t eu n r e a s o n a b l e a sar e s u l t ，an u m b e ro fa c c i d e n t sh a p p e n e db y r e l a y sm i s o p e r a t i n gi np o w e rp l a n t si nt h e s ey e a r s t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep r i n c i p l e sa n da l g o r i t h mo fr e l a ys e t - p o i n t sf o rs e r v i c e p o w e rs y s t e mi np o w e rp l a n t s a sw e l l 鹊s o m ep r o b l e m sw h i c hs h o u l dc a r ei n a p p l i c a t i o na n dc o o p e r a t i v i t yb e t w e e nr e l a y s t h ee m p h a s e so ft h i sp a p e ra r et h e p r i n c i p l e sa n da l g o r i t h mf o rl vs e r v i c et r a n s f o r m e r sa n dm o t o r s a l lp r i n c i p l e sa n da l g o r i t h mi nt h i sp a p e rh a v eb e e na p p l i e dt os e v e r a lp o w e r p l a n t s m o s to ft h e mh a v ep u ti n t or u n n i n g a ne x a m p l eo fr e l a ys e t p o i n t sc a l c u l a t i o n f o rt h es e r v i c ep o w e rs y s t e mo fa n6 0 0 m w g e n e r a t o ri sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r b ya p p l i c a t i o n ，i ti n d i c a t e st h a t t h i sp a p e rc a nb eu s e da st h er e f e r e n c eo fr e l a y s s e t t i n gf o rs e r v i c ep o w e rs y s t e m si np o w e rp l a n t sa n dp o w e rd i s t r i b u t i n gs y s t e m si n i n d u s t r i a lf a c t o r i e s i ti se x a c t l yu s e f u lf o rs e t t i n gt h ep r o t e c t i o nr e a l y sr e a s o n a b l ya n d v a l i d l y k e y w o r d s ：s e r v i c ep o w e rs y s t e m ，r e l a y , l vs e r v i c et r a n s f o r m e r ，m o t o r ，s e t p o i n t s c a l c u l a t i o n u 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：影亏、 日期：一0 6 年抄月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。 叼不保密。 学位论文全文电子版提交后： 叼同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 指导教师签名： 鳓勿尹 日期：知# ，一胁， 日期：搠， 歹 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着电力系统的快速发展和大区域联网的逐步形成，大型发电机组在电力系 统中的作用越来越重要。只在今年，广东省内在建的6 0 0 m w 发电机组在建就有 l o 多台，已批准或待批准的i o o m w 机组发电项目也有好几项。新建的发电机组 的容量越来越大，每个新建发电厂的装机数量及总容量也越来越大，意味着单台 发电机组、单个发电厂在系统中的作用也越重要，同时也意味着发电机、主变压 器以及厂用元件的造价越来越昂贵。 对于大型发电机组，如果故障时继电保护保护拒动，带来的损失是巨大的。 一方面因为主设备甚至辅助设备的造价比中小型机组高得多，设备损害的直接经 济损失非常大。另一方面是如果因设备损坏而影响了发电生产，其损失更加惊人。 最近两年，已有多个电厂发生大机组的重大故障，停机时间最长的甚至达到2 个 多月。因此，对大型发电机组继电保护的要求越来越高，除了保护装置应不断发 展以满足电力系统安全生产的要求外，继电保护正确、合理的配置和定值计算也 是保证继电保护正确动作、提高发电厂生产水平的关键和重要环节。 当前，电网的故障分析和继电保护及其整定计算和应用的技术已经相对比较 成熟，国内外各大高校、科研机构以及大企业的研究机构长期以来直针对电网 故障和电网的继电保护作了大量的研究，各种理论、算法、故障分析软件、保护 整定计算软件等很多成果都已经得到了很好的应用。 与此相反的是，发电厂的故障分析和继电保护理论及应用一直没有很大的发 展。原因是多方面的。发电机内部故障情况复杂，故障分析难度很大，因此反映 内部故障的转子接地保护、定子接地保护、匝问保护等虽然有一些典型的方案， 但目前都没有公认的完美的原理，甚至最广为接受的纵差动保护都存在着一定缺 陷。另外，发电厂厂用电系统因为电压等级低，不与电网直接相关，而且几乎全 是单电源供电的辐射型网络结构，看起来比较简单，其继电保护的配置及整定计 算长期以来没有得到足够的重视。 其实，与电网相比，发电厂内即便是厂用电系统的故障所带来的经济损失同 样可能是很大的。这就要求针对发电厂继电保护的配置和整定计算有一套完整的 合理的方案，以达到发电厂内继电保护与电网继电保护同样可靠，保证整个电力 生产、输送流程的协调稳定运行的目的。 华南理工大学硕七学位论文 本文基于以上需求，旨在研究总结出一套合理的发电厂厂用电继电保护的配 置及整定计算的基本方法，以规范化这方面的工作。 l 2 厂用电继电保护应用的常见问题 发电厂可靠运行是整个电网可靠运行的保证，厂用电系统的可靠运行又是发 电厂安全稳定运行的根本保证。因此，厂用电继电保护的配置及整定计算工作不 容忽视。但是，发电厂厂用电系统所涉及电气设备的复杂性，一直以来使厂用电 继电保护的整定计算呈现为一种比较困难的状况。同时，由于厂用电系统的电压 等级低、网络结构简单，且不与电网直接相关，其继电保护的配置及整定计算长 期以来没有得到足够的重视。 目前，与主设备继电保护相比，有关厂用电继电保护配置和整定计算的依据 标准非常有限，只有d l t 6 8 4 1 9 9 9 大型发电机变压器继电保护整定计算导则、 g b l 4 2 8 5 1 9 9 3 继电保护和安全自动装置技术规程、( d l t5 1 5 3 2 0 0 2 火力发 电厂厂用电设计技术规定、电力工程电气设计手册以及电气主设备继电保 护原理与应用等标准和手册少数规程及手册述及了厂用电系统的继电保护配置 及整定计算。通过实践表明，上述标准和手册在理论上基本上是正确的，但在实 践中存在一些不足，主要的不足之处是：可操作性不强，即对现场装置实际整定 的指导性较差：个别标准或手册只是对常规的保护配置和取值作了规定，不能适 应目前普遍使用的微机综合保护。 过去的厂用电保护配置非常简单，电源进线及负荷的保护配置以电流速断保 护、过电流保护为主，再辅以母线的低电压保护，这就构成了整个厂用电系统的 保护。这种模式的保护配置其定值计算相对简单，规则也大体一致，长期以来已 经形成了比较简单的应用方法。随着，厂用电系统尤其是高压厂用电系统继电保 护的普遍微机化，保护功能较传统模式大为增加，新增的许多保护如不平衡电流 保护、电动机堵转保护、电流型热保护等缺乏应用经验，如何使用这些保护功能、 如何整定这些保护成了许多电厂难以解决的问题。 厂用电的接线结构看似简单，基本为辐射型接线，但是负荷类型复杂。厂用 的电气主接线是按负荷对象分布的，大容量负荷接在高压厂用母线上，低压负荷 则按系统划分，例如锅炉的辅机和辅助系统接在锅炉变上，汽机的辅机和辅助系 统接在汽机变上。由于很多多厂用辅机和系统都直接影响到发电机组的运行状态， 一旦某些辅机或系统失电，很可能导致发电机减负荷甚至停机。因此，对保护可 靠性、速动性、选择性之间的配合要求很高。但是，厂用电系统接线分级较多。 如何保证这方面的要求则是个难题。 前些年广东省各电厂的厂用电系统继电保护整定计算大多为各厂自行组织人 2 第一章绪论 员完成。由于在厂用电系统继电保护的配置及整定计算这个环节上，一直缺少一 个统一的权威的指导规范，导致各个电厂的配置和定值相去甚远，很多甚至是指 导思想上的根本性不同。近年来，这方面暴露出不少问题，许多电厂都发生过因 厂用系统继电保护的误动或拒动，导致了发电机组的停运，直接影响到了发电厂 的稳定运行和经济效益。 所以，有必要对发电厂的厂用电继电保护的配置和整定计算进行研究，以求 最大限度地合理化厂用电保护的应用，达到规范厂用电保护，确保厂用电的可靠 运行从而保证机组乃至电厂的稳定运行的目的。 1 3 发电厂继电保护的主要特点 与电网相比，发电厂的设备种类繁多，不同设备配备的保护原理各不相同。 由于发电机、电动机是旋转设备，其运行工况远比电网中的线路复杂，因此配置 的保护种类非常多。加之厂用电继电保护的国内外生产厂家众多，不同厂家的产 品所配的保护种类各不相同，原理也差异很大，这就为用户的使用带来很大困难。 另外，近几年来单台发电机组的规模越来越大，厂用电的主接线形式也逐步 在变化。大型火力发电厂的厂用电系统普遍采用低压系统双套电源互为暗备用、 双套辅机互为备用的主接线形式，而中小型机组的低压系统通常只设一台公用备 用变压器。不同的主接线方式其运行方式必然不同，当然保护的设置和定值也会 有很大差别。 总的来说，厂用电继电保护看似简单。实则应用中从配置到整定计算都有很 难有一种统一的规则。 1 4 本文主要研究内容 本文主要针对厂用电系统中的低压厂用变压器和电动机的保护配置和定值计 算傲研究，通过对参考各种书籍和文章，加以笔者多年的现场工作及保护整定计 算的经验总结，结合近年来发电厂运行中继电保护出现的问题，归纳出发电厂厂 用电保护的配置原则及整定计算方法和应该注意的问题。 主要叙述发电厂厂用电的继电保护配置和整定计算问题，重点研究了厂用电 系统中低压厂用变压器和电动机的保护配置原则和整定计算方法，并通过对一台 大型火力发电机组厂用电的保护配置和整定计算的实际工作，对所述原则和方法 进行实践性操作。 3 华南理工大学硕士学位论文 第二章大型发电厂继电保护总体配置 2 1 6 0 0 m w 发电机组的主接线形式 6 0 0 m w 发电机组通常经升压变接入5 0 0 k v 系统，也有个别机组因所在地区没有 5 0 0 k v 电网而经升压变接入2 2 0 k v 系统。5 0 0 v 配电装置一般采用一个半断路器接线。 2 1 1 发电机变压器组接线 发电机变压器组可以选择以下两种接线方案： 方案一：发电机出口不装设断路器。这种主接线方式下，正常运行时厂用电系统由 装于发电机出口的高压厂用变压器供电，发电机故障或发变组故障时转由高压启动备用 变压器供电，停机状态或待开机状态下厂用电系统也由高压启动备用变压器供电。这种 主接线方式的高压启动备用变压器容量选择应按机组满负荷状态时的厂用负荷选择。其 优点在于，不设发电机出口断路器，节约了l 千多万的投资。 方案二：发电机出口装设断路器。正常运行时、发电机故障时、发电机停机或待开 机时均由高压厂用变压器向厂用电系统供电，只有当主变或高压厂变故障或检修时才转 由高压启动备用变压器厂用电系统供电。这种主接线方式的高压启动备用变压器容量 可以比方案一的小，主要考虑满足安全停机的负荷即可。这种接线方式虽然增加了发电 机出口断路器的投资，但其优点时明显的，主要表现在： ( 1 ) 能简化电厂运行操作程序( 包括厂用电切换、同期操作及机组起动与停机 操作等) ； ( 2 ) 能实现发电机、变压器有选择性保护跳闸，提高了发电机、变压器的保护 水平； ( 3 ) 一旦发电机发生内部故障，可以在不失去厂用电源的条件下，切除发电机 内部故障，保证机组安全停机； ( 4 ) 便于机组调试及检修维护； ( 5 ) 对厂网分开管理适应性强，调峰能力强。 目前的6 0 0 m w 机组中，两种方案都有较多的应用。方案二即发电机出口装设断 路器的方案由于其明显的优点，普及率有上升趋势。 典型的发电机出口装设断路器的6 0 0 m w 发电机变压器组的主接线图如图2 - 1 1 所 示。 4 第二章大型发电厂继电保护总体配置 图2 1 一l 发电机变压器组接线及保护配置示意图 2 1 2 厂用电接线 厂用电系统一般分两个电压等级，即6 3 k v 和0 4 k v 两个等级。省内只有沙角c 发 电厂采用了三个电压等级的厂用电系统，分为1 0 5 k v 、3 k v 、0 4 k v 三个等级。这里只 5 华南理1 = 大学硕士学位论文 讨论6 3 k v 和o 4 k v 两个电压等级的厂用电系统。 大多数6 0 0 m w 机组厂用电系统的主6 k v 系统设三段工作母线，机组的机炉双套 辅机负荷及公用负荷分接在a 、b 段工作母线上，电动给水泵、脱硫负荷及输煤负荷接 在c 段母线上。3 8 0 v 厂用电系统采用动力中心和电动机控制中心的供电方式。低压厂 用变压器按成对配置、互为备用的原则设置。重要的电动机也采用双套辅机互为备用的 方式。 低压厂用变压器成对配置的典型接线如图2 1 2 所示。 6 k va 段6 k va 段 图2 1 - 2 厂用电接线示意图 2 26 0 0 m w 机组保护配置 2 2 1 发变组保护配置及整定计算应注意的问题 按继电保护和安全自动装置技术规程( g b l 4 2 8 5 9 3 ) 和“防止电力生产重大事 故的二十五项重点要求”继电保护实施细则的要求，发变组继电保护按双重化配置， 非电量保护单套配置。 发变组保护应配以下功能：发电机差动保护；发电机定子匝间保护；发电机负序过 负荷保护；发电机对称过负荷保护；发电机失步保护；发电机失磁保护；发电机定子接 6 第二章大型发电厂继电保护总体配置 地保护：发电机转子接地保护；发电机定子过电压保护；发电机过激磁保护；发电机低 频过频保护；发电机逆功率保护；发电机突加电压保护；主变差动保护；主变复压过流 保护；主变中性点零序过流保护；高厂变差动保护；高厂变复压过流保护；高厂变低压 分支过流保护；励磁变差动保护：励磁变过流保护。 此外，主变和高厂变还应配备瓦斯、温度、气体监测等本体的非电量保护。 发变组保护的配置可参考图2 1 1 。 是否应装设发电机定子匝间保护一直是个争论的话题。反对的理由在于：从发电机 的结构及绝缘布置上看，发电机定子绕组不会发生匝闯短路，匝阃短路前必定先有一点 接地；而且，除了横差保护外，目前其它原理的匝间保护都不完善，由于现代大型发电 机组的中性点侧都没有将6 个分支同时引出，不具备装设横差保护的条件。其实，从国 产6 0 0 m w 发电机的线棒分布分析，发电机定子绕组同相同槽的情况却是存在，发生匝 问短路的可能性是有的，一旦发生匝间短路其危害可能是致命的，发电机定子绕组及铁 芯将被烧伤，发电机必须停机检修，直接和间接的经济损失非常巨大，因此很有必要装 设发电机定予绕组的匝间保护。 在中小型发电机上，过去的一种观点一直认为定子一点接地和转子一点接地都不会 对发电机造成直接危害，发生这两种故障时均可观察继续运行一段时间。在大型机组上， 这种观点应予以摒弃。大型发电机造价昂贵，而且一旦停运发电量方面的经济损失很大。 因此，大型发电机的继电保护设计和应用的理念与中小型发电机不同。在6 0 0 m 及以上 发电机继电保护的设计中，将定子一点接地和转子一点接地当作严重故障处理，立即停 机是安全合理的出力方式。 发电机失步和失磁除了对发电机本身有危害外，同时还对电网运行有影响，因此失 步保护和失磁保护的动作量和延时都应充分地与电网稳定问题相结合考虑。过分保守地 保护发电机而不故对电网的影响和纯粹只考虑电网稳定而不顾及对发电机的危害的思 路都是不可取的。 2 2 2 厂用电保护配置及整定计算应注意的问题 厂用电保护由以下几部分的保护组成：低压厂用变压器( 6 k v 0 4 k v ) 保护、电动机保 护、馈线保护、分段断路器保护。厂用馈线和厂用母线分段断路器的保护相对简单， 般只设电流速断保护，过电流保护和零序过流保护。低压厂用变压器和电动机保护相对 复杂，本文将在后续章节重点讨论。 有些设计在3 8 0 v 母线的进线开关( 如图2 - 1 2 中的2 d l 、4 d l ) 上也装设了保护 装置或过流脱扣装置，这对必须要注意的一点是，迸线开关上的瞬时电流速断保护一定 不能投，因为进线开关上的电流速断保护和负荷开关上的速断保护之间无法配合，不能 保证保护的选择性。 馈线保护中的电流速断保护也应注意与下级的配合，如图2 - 1 - 2 中6 d l 的电流速断 保护应与7 d l 的电流速断保护配合。如馈线速断保护的保护范围延伸到了下级保护的 区域内，则本级速断保护应设一短延时，以与下级配合。如单纯地提高动作电流来与下 级配合，则有可能在本段线路故障时保护灵敏度过低甚至拒动，还会因为切除故障不及 时而拖垮整段3 8 0 v 母线的电压。 过去厂用电系统的继电保护延时通常采用定时限延时。这是由当时继电保护采用电 磁式继电器所决定的。由于厂用电级数较多，用定时限延时配合时，到高压厂用变压器 后备保护的延时将会较长。通常，高厂变低压分支的延时在2 秒左右。如图2 1 2 所示， 如7 d l 为0 秒，时间级差设为0 5 秒，则6 d l 延时0 5 秒，5 d l 延时1 0 秒，2 d l 延时 1 5 秒，1 d l 延时2 0 秒，则高厂变低压分支过流保护的延时需设为2 5 秒。如果2 d l 7 华南理工大学硕士学位论文 上不设保护，则高厂变低压分支的延时为2 o 秒。如此长的延时，对迅速切除故障、保 证非故障线路正常运行是很不利的。 厂用电保护普遍微机化后，后备保护延时采用反时限特性就可以大大改善这个问 题。反时限特性即大电流时保护动作延时较短，小电流时延时较长。反时限特性曲线根 据以下几点确定：在本保护近段故障时，动作尽可能快；本保护的延时曲线应比下级保 护的曲线高一级，对微机保护来说，当下级保护近端故障时，本保护的延时应比下级保 护长约o 3 秒；本开关所带的电动机群起时，本保护的延时应保证电动机正常起动：反 时限特性的起动电流可按比额定负荷电流稍大取值。 2 3 本章小结 发电厂全厂的继电保护配置及定值应与主接线形式及机组的实际结构和容量大小 相结合来考虑，并切要充分考虑到发电厂与电网之间的配合。既要确保机组设备的安全， 又要保证电网运行的稳定。厂用电系统的后备保护采用反时限延时特性比定时限特性对 电厂的安全生产更有利，应更多地采用这种方案。 8 第三章低压厂用变压器继电保护配置及整定计算 第三章低压厂用变压器继电保护配置及整定计算 在大型火力发电厂中，低压厂变数量较多，其容量大小相差很大，所带负荷类型也 各不相同。以典型的6 0 0 m w 发电机组为例，最大的低压厂变为除尘变、汽机变、锅炉 变等，容量在2 0 0 0 k v a 至2 5 0 0 k v a 不等，通常这类变压器所带负荷中电动机的比例较 大，其中汽机变、锅炉变尤其明显，而且汽机变、锅炉变带的电动机中对发电机组正常 安全生产起重要作用的电动机的数量及总容量更是比其它变压器为多；最小的低压厂变 通常为检修变、办公楼变、照明变等，容量在5 0 0 k v a 左右，其中检修变只有在检修期 间负荷才较重，办公楼变的负荷中主要要考虑空调的影响，照明变基本上没有电动机负 荷。 各种不同的低压厂变在计算保护定值时，应该采用不同策略，尤其是后备保护，其 动作值和延时的计算方法均有不同。 在国内6 0 0 m w 及以上发电机组的厂用电设计中，低压厂变成对配置互为备用的接 线方式已被广为采用。在这种主接线方式中，每台互为备用的低压厂变都可作为暗备用 厂变工作，其保护必须考虑与低压侧母联开关的保护相配合，两不是以往的只需与负荷 保护相配合。 低压厂变早期一直采用y y n l 2 的联结组别。近年来普遍采用的是d y n l l 联结组别。 根据对称分量发分析1 2 ： ( 1 ) y y n l 2 联结组别的变压器，当低压侧发生单相接地时，其高压侧有两相电流 为三i o ) ，另一相电流为三，k ( 1 ) ，所以高压侧应装设三电流元件的保护，这样比两电流元 j j 件的灵敏系数要高一倍。 ( 2 ) d y n l l 联结组别的变压器，当低压侧发生两相短路时，其高压侧保护有两相 t1 电流为，p = 去，p ，另一相电流为，= ，与( 1 ) 同理，三电流元i f - 保护的 - q j v j 灵敏系数比两电流元件保护的灵敏系数高一倍。 3 1 低压厂用变压器保护总体配置方案 低压厂用变器配置以下保护： ( 1 ) 电流速断保护； ( 2 ) 2 0 0 0 k v a 及以上变压器当速断保护灵敏系数不够时，应设纵联差动保护； ( 3 ) 瓦斯保护( 仅对油浸变) ； ( 4 ) 高压侧过流保护； ( 5 ) 低压侧分支过流保护； ( 6 ) 高压侧单相接地保护； ( 7 ) 低压侧中性点零序过流保护； ( 8 ) 低压侧分支线零序过流保护； ( 9 ) 过负荷保护； 9 华南理工大学硕+ 学位论文 ( 1 0 ) 温度保护。 3 2 电流速断保护 电流速断保护用于保护变压器绕组内及引出线上的相问短路故障，瞬时动作于变压 器各侧断路器跳闸。 火力发电厂厂用电设计技术规范和水力发电厂继电保护设计导则均提及该 保护“采用两相三继电器式接线”。实际上，这种说法在目前已经有些过时了。过去，出 于经济性的原因，厂用6 k v 和3 8 0 v 系统的开关柜内大多只配有两相c t ，而对于相间 故障来说，两楣三继电器的接法确实已能正确反映该类故障。 近年来，新设计的电厂或新改造的电厂，厂用电系统的开关柜内普遍已装有三相 c t ，而且继电保护装置也已普遍使用微机综合保护装置，该类保护装置本身已配有三相 的电流保护，因此电流速断保护完全可按三相配置。 3 2 1 整定值计算 连接在相电流上的电流速断保护动作电流按下列条件整定： ( 1 ) 躲过外部短路时流过保护的最大短路电流。 当厂变低压倒母线上的负荷支路发生故障时，本保护不应动作，而由相应的负荷支 路的速断保护 2 0 。但是，出于有选择性的要求，电流速断保护无法保 护变压器的全部。 由于2 m v a 以上的厂变在电厂中所起的作用通常及其重要，而且变压器的造价相对 较高，旦发生故障而又不能及时切除的话，无论是导致变压器烧毁还是因备用电源切 换不成功导致电动机跳闸，都会带来巨大的经济损失。因此，即使电流速断保护的灵敏 性满足要求，在大容量厂用变压器上配置综联差动保护也是合理且必要的。 3 - 3 1 整定值计算 近年来新投产或新改造的电厂，在2 m v a 以上厂用变压器上普遍装设了两侧6 电流 通道输入的差动保护装置。该类保护装置通常本身具有励磁涌流闭锁功能，整定值可按 躲过外部故障时的最大不平衡电流整定，即 疋= 以啦。k 以+ a u + a m k 。 ( 3 - 3 1 ) 式中：k k 可靠系数，取1 3 1 5 ； k 。一非周期分量系数，取1 5 2 ；当短路电流对变压器额定电流的倍数大 者，可取较大值； k 。c _ 一电流互感器同型系数，变压器两侧的c t 型号不相同，取1 ； k r 一电流互感器误差，取0 1 ； u 变压器分接头引起的误差，取调压范围中偏离额定值的最大值； i n 一电流互感器变比为完全匹配产生的误差，开始计算时可暂取0 0 5 。 华南理工大学硕士学位论文 对于装于两侧电流互感器差流回路的简单的电流差动保护，则必须按躲过变压器励 磁涌流整定，即 屯= k r l ( 3 3 - 2 ) 式中： i ，一变压器额定电流； k i ，可靠系数，取3 5 。对小容量变压器，取较大值，对大容量变压器取较 小值。 3 3 2 灵敏系数校验 校验灵敏系数应按变压器低压侧引出线上的最小两相短路电流计算，即 k 。= 厶m 屯 ( 3 3 3 ) 式中：n 【。i i l i i 卜_ 乏踅压器低压侧引出线故障时的最小两相短路电流； i d z 差动保护动作电流值。 要求k l m 应不小于2 。 3 4 高压侧过电流保护 作为低压厂用变压器的后备保护，过流保护的任务是当变压器及相邻元件的发生相 闻短路故障时，保护可靠动作，带时限切除变压器各侧断路器。 对于备用变压器，当以备自投的方式投入时，如果过电流仍然存在，可认为是投入 至永久故障，此时过流保护本保护可加速跳闸。但是，一般在适用于厂用电系统的继电 保护装置中具有加速功能的并不多。而且，备用变自投时，需要考虑电动机的整组自启 动，此时电流很可能是变压器额定电流的2 3 倍甚至更大。如果自投时过流保护具有 加速功能则动作值必须大于非故障情况下最大可能出现的电流。 3 4 1 整定值计算 低压厂变的过流保护虽然是后备保护，但是其定值是最不好计算的，原因在于： 1 ) 低压厂变的过载性能通常厂家没有提供，无法根据变压器的过载能力对其进行保护； 2 1 低压厂变最大非故障电流通常与厂用电运行方式、负荷电动机的电特性、备用电源 的容量大小、备用电源的切换方式等因素相关，很难准确估算，因此过流保护的最小取 值不好确定。 保护动作电流按下列三个条件整定： ( 1 )躲过变压器所带负荷中需要自起动的电动机最大起动电流之和； ( 2 ) 躲过低压侧一个分支负荷自起动电流和其他分支正常负荷总电流： ( 3 ) 按与低压侧分支过电流保护配合整定。 保护动作电流取上述三种方法计算结果中的大值。下面分别每种计算方法作详细说明。 ( 1 ) 躲过变压器所带负荷中需要自起动的电动机最大起动电流之和 i=kkk。i。(3-4-1) 式中：k k 可靠系数，取1 2 ； i c _ 一变压器额定电流； 1 2 第三章低压厂用变压器继电保护配置及攀定计算 k z q 一需要自起动的全部电动机在自起动时引起的过电流倍数， k ”应由下列公式求出。 1 ) 备用电源为明备用时： 未带负荷时 k z q = 亚车1 1 鬲 1 0 0 如、4 0 0 。 已带一段厂用负荷，再投入另一段厂用负荷时 k 2 簪丽1 2 ) 备用电源为暗备用时 2 孓两1 以上三式中： u d 之燕压器的电抗百分值； w d 需要自起动的全部电动机的总容量( k v a ) ，无确切数据时，可取 ( o 6 o 8 ) w e 。 w b 一厂用变压器的额定容量( k v r a ) ； k q d 电动机起动时的电流倍数。一般取k q d 的平均值为5 ，以实测值为准。 对于k z q 的计算公式，以公式( 2 - 5 - 2 ) 为例，可以作以下理解： 由于低压厂用变压器的阻抗相对于其电源的阻抗来说都很小，可认为低厂变高压侧 为无穷大电源。假设所有需要自起动电动机的平均启动电流为电动机额定电流的k q d 倍，则以所有自起动电动机容量为基准的启动阻抗表幺值为l k q d 。该阻抗换算至以低 压厂变额定容量为基准的表幺值即为 形 z 3 8 0 v 系统的电动机额定电压为3 8 0 v ，低压厂变低压侧的额定电压通常为4 0 0 v ，因此， 式中引入( 3 8 0 4 0 0 ) 2 为了归算到同一电压基准而考虑的。由此可得，低压厂变带多 台电动机自起动时，从变压器高压侧看到的阻抗为 蜀+ = 等+ 玩w e t 而3 8 0 ) 2 式中：) ( t 低压厂变阻抗5 x dq d 多台电动机自起动时的阻抗。 ( 2 ) 躲过低压侧一个分支负荷自起动电流和其他分支正常负荷总电流 i d z = kk ( i q + y 1 f h )( 3 - 4 5 ) 式中：k k 含义与取值与公式( 2 - 4 1 ) 相同； i q 一所带负荷中最大一个分支电动机自起动的电流； ) ) ) 之 o 4 4 4 4 3 3 3 ( ( ( 华南理t 大学硕士学位论文 i n 卜一除最大一台电动机外，所有正常运行中投入的负荷总电流。 该算式的前提是，假设低压厂变的低压母线为无穷大电源。如果母线上所带的最大 的电动机容量较大。在所有该变压器所带负荷中占绝对多数，则由于电动机起动电流为 数倍的额定电流，该假设前提不成立。即此种情况下，不能假设低压母线为无穷大电源， 而应以类似公式( 2 4 1 ) 的形式，假设低压厂变高压侧为无穷大电源进行计算。 ( 3 ) 按与低压侧分支过电流保护配合整定 i d z = kk ( i d z + y i f h ) ( 3 4 - 6 ) 式中k k 一含义与取值与公式( 2 5 i ) 相同； i n 卜一含义与取值与公式( 2 5 5 ) 相同； i d z 一个分支过电流保护的动作值( 换算到高压侧的值) 。 与第二种情况相同，该算式的前提是假设低压厂变的低压母线为无穷大电源。 ( 4 ) 对于某些容量不大且负荷中基本没有电动机的单侧电源变压器，如照明变检修 变等，可用较简单的方法计算过电流保护，即 i d z = kk i e ( 3 - 4 - 7 ) 式中k k - j 可靠系数，取2 肌3 o ； k 变压器高压侧额定电流。 3 4 2 灵敏系数校验 = 等1 5( 3 4 8 ) l 电i 式中l d j m i i 卜最小运行方式下，厂用变压器低压侧母线上两相短路时，流过继 电器的最小短路电流。 在两种情况下，低压厂用变压器低压侧没有装设零序过电流保护时，高压侧的过流 保护应考虑对低压侧单相接地短路时的动作灵敏性。 3 4 3 动作时间配合 变压器过流保护动作时间，应与下一级过电流的保护动作时间相配合，即 t b = f + a t( 3 - 4 - 9 ) 式中：k 妓压器后备过流保护动作时间； t _ 下一级元件后备保护动作时间； a t 时限级差，电磁式保护约为0 5 秒，微机保护可取0 3 秒。 3 5 低压侧分支过电流保护 如果变压器供电给2 个及以上的分段时，为保证保护的选择性，还应在各分支上装 设过电流保护，带时限动作于本分支断路器跳闸，避免因某一分支故障丽切除整台变压 器导致其余分支均失电的不利情况。 3 5 1 整定值计算 保护动作电流按下列二个条件整定： ( 1 ) 按躲过本段母线所接电动机最大起动电流之和整定，保护整定计算方法同公式 1 4 第三章低压厂用变压器继电保护配置及整定计算 ( 2 5 1 卜( 2 - 5 - 4 ) 。 ( 2 ) 按与本段母线最大电动机速断保护配合整定， i d z = k k ( i d z + y i f h ) ( 3 5 一1 ) 式中：k k 一可靠系数，取1 2 ； i d z 最大电动机速断保护动作值； y ：i f h 除最大的电动机外的总负荷电流。 保护动作电流取以上计算结果中的大值。 3 5 2 灵敏系数校验 如= 半1 5( 3 5 2 ) j , z d 式中i d j m i f 卜一最小运行方式下，厂用交压器低压侧母线上两相短路时。流过继 电器的最小短路电流。 3 5 3 动作时间配合 分支过流保护动作时间：应与下一级过电流的保护动作时间相配合，即 t b = ，+ f( 3 - 5 - 3 ) 式中：卜变压器后备过流保护动作时间： t 下级后备保护动作时间： a t 时限级差，电磁式保护约为o 5 秒，微机保护可取0 3 秒。 3 6 高压侧单相接地零序电流保护 按火力发电厂厂用电设计技术规范，高压厂用电系统当单相接地短路电流芝1 0 a 时，接地保护应动作于跳闸，当单相接地电流 r j , r 2 ，x m x i , x 2 ，因此在对电机 进行电路分析时，可略去激磁回路r m ，x m 的影响。 由等效电路分析可得： 2 1 华南理工大学硕士学位论文 电动机定子电流五2 南 垒 2 云己2 等2 争2 等u 2 ( = ：葡 蔓 。 4 和冈蒜2 秽 上述式中，m 1 为电机相数，p 为极对数。 1 ) 起动 由上述分析可知，异步电机起动瞬间。转差率s = l ，起动电流交流分量只与电机的 固有参数有关，与起动时所带的负载并无关系。通常人们认为的起动时所带负载越大则 电流越大是不对的，带负载起动只是使起动的过程( 即过电流的时间) 更长了。不难理 解，若发生堵转，转子完全锁死时，转差率s = 1 ，此情况与起动瞬间一样，故完全堵转 时，定予绕组的稳态电流为一固定值，该值即等于i 口d 。 通常起动电流不超过额定电流的5 7 倍，但是在电厂里磨煤机、输煤皮带机以及 个别风机的起动电流可能会超过此值，这和电机的原始参数有关。另外，电动机起动瞬 间，转子未转动，定子绕组突加全电压，该过程类似变压器充电，在建立磁场的过程中 会产生非周期分量和高频分量，具体大小与通电前的铁芯剩磁等工况相关。在考虑冲击 电流倍数时，因将非工频分量的影响一并考虑。 2 1 电压不对称运行 应用不对称分量法，将不对称的三相电压分解为正序、负序和零序分量，分别计算 各序系统电流和转矩，然后叠加，即可求得在不对称电压下运行时电动机的电流和转矩。 兰婴兰皇垫垫壁皇堡篓里墨墨茎塞生竺一 图4 2 异步电动正序与负序等效电路图 ( a ) 正序；c o ) 负序 由图分析可知，不管转速如何，负序阻抗都与起动瞬间的等值阻抗接近，两正序阻 抗约等于6 倍起动阻抗( 即起动电流倍数) ，即 z 一z _ l dz 。自6 z 耐 由此可见，每一个单位的负序电压，可在电动机定子绕组上产生约6 个单位的负序 电流。 假设电机在正常运行中a 相电源失电，则 j j r = 轰铂压丸阱阱击铂t 正= 署k 2 一署t 2 击 r = w 一= 云厶2 ( 亨一刍) 音l 2 ( 萼一刍 明显，缺一相后正常相电流急剧增大。同时，电磁转矩小于缺相前的负载转矩，这 必然导致电机转速下降，进一步使正常相电流增大。缺相后电动机将在一个偏低的转速 下重新维持平衡，正常相电流大于开方3 倍额定电流。具体的稳定转速和稳定电流与电 机所带负载相关。 如电机在起动前a 相缺相，则在起动瞬间 厶= tm 品臻毋成= s 2 l 用对称分量法推导j 一= 一j c = 乏兰麓2 3 _ 豇e ，两种推导方法得出的结果是一致 的。此时，i l l = l ，一l - 去* 3 l 华南理工大学硕士学位论文 异步电动机各类常见故障的各序电流分布见下表1 7 】： ：抽 摩龚墅零序煎岸 过屯磁 茸它敞摩特征儡护特性 土i 土王 h j ，。 反时限 堵转 无元 1 i - | ，麓时氍 坦路 戈无8 l o ) l 1 h | 薯新 骓 听柑 无 i 3 1 ，i h1 oi p i ， 耘肘般 逆相 无l 1 h i | ，建新 不平。无 害 ! 。l # l ，鼍”曩 相同蜒鬻无 有宥 i 。_ 一| 。 1 童斯 单橱接地 i 3 宥 有j h _ 毫听 一相接 1 3宥宥 “f ， l i o童新 住t 橱拉避a 棚舟越拇。二橱垃- 墩b ，c 括为麓翱 寰示放_ _ 电蠢_ 量。，一h + h + l 4 2 电动机保护总体配置方案 规程对高压电动机、大容量低压电动枫和小容量低压电动机的保护配置要求各有不 同。高压电动机和大容量低压电动机均属于重要元件，保护配置一般要求较齐全。小型 的低压电动机则配置较简单，常以热偶继电器或与热偶特性类似的控制保护器作为保 护。这里只重点讨论高压电动机及大容量低压电动机的保护。通常，配置以下保护： ( 1 ) 电流速断保护； ( 2 ) 2 0 0 0 k w 及以上电动机当速断保护灵敏系数不够时，应设纵联差动保护； ( 3 ) 过热保护； ( 4 ) 过流保护； ( 5 ) 三相不平衡保护； ( 6 ) 单相接地保护； ( 7 ) 堵转保护； ( 8 ) 过负荷保护； ( 9 ) 低电压保护。 4 , 3 纵联差动保护 差动保护用于保护电动机绕组内及引出线上的相问短路故障。2 m w 及以上的电动 机应装设本保护。对于2 m w 以下中性点具有分相引线的电动机，当电流速断保护灵敏 性不够时，也应装设本保护该保护瞬时动作于断路器跳闸。( d 卜t5 1 5 3 2 0 0 2 火电 厂厂用电设计技术规定) 应用中尤其应该注意的是电动机端部和尾部两侧c t 的特性匹配问题。由于电动机 的起动电流很大，如果两侧c t 的特性不一致，会因差流过大导致差动保护误动作。当 尾部c t 安装在就地时，两侧c t 的特性通常会有不匹配的情况存在。这种情况通常由 以下原因造成： 1 ) 端部c t 由开关柜厂家供货，而尾部c t 由电动机厂家供货，尽管设计单位会在设计 中要求两侧c t 的变比及准确等级一致，但实际两侧c t 的特性尤其是暂态特性很可 能有不小的差别； 2 ) 两侧c t 的二次引线长度差别很大，即便c t 本身的特性一致，但由于二次负载不同， 第四章电动机继电保护配置及整定计算 两侧c t 工作在不同的工作点上，其准确限制和时间常数等特性会有很大差别。 微机型的电动机差动保护一般为具有比率制动特性的分相差动保护。其动作方程与 发电机纵差保护的动作方程基本相同。其动作判据为： 则。 f i d i o p o b i d 。 b l 蚰。 即r 1 僻。 式甚，i j 差电流值 当i ，g 。o 时 当i ， i 懈。时 i o p 0 整定的差动保护最小动作电流值 i 懈0 整定的拐点制动电流值 k ：整定的比率制动系数 i s d ：整定的差动速断电流值 从动作判据中可以看出，本保护的动作特性如图3 - 1 所示。 l l 口0 区 夕 图4 3电动机纵差保护动作特性 整定值计算可参考发电机纵差保护的计算方法，即 i o p o ：取o