小型热电厂电气二次部分设计.doc

小型热电厂电气二次部分设计 摘 要 在当今社会中 电能对国家经济发展和人们生活起着很大的作用 电能供应的 中断或不足 不仅将直接影响生产 造成人们生活秩序混乱 甚至可能造成社会 性灾难 因此 电力系统的可靠性与稳定性不能疏忽 对于提高电力系统的可靠性 必须选择可靠 合适的一次设备 而只有一次设备是远远不够的 对电气一次设备 进行监控的二次系统是提高可靠性的重点 为了更好完善监控的功能 现在很多电 站实现了电气自动化系统 可靠性又提高了一个台阶 本论文先介绍了 电气一次设备的选型 接着讲述了电气二次系统的设计以及保 护装置 最后讲述了电气自动化的实现 完善的电气二次监控设计和保护 再加上电气自动化的实现 不但提高了电能 生产的可靠性和质量 而且还减少了电站的人力资源 提高了电站的效率 关键词关键词 电气一次设备 电气二次系统设计 保护装置 电气自动化 Author Zeng Qiang Tutor Gu Guang AbstractAbstract In modern industrial production processes it alway need to maintain the flow of the two materials to maintain a certain ratio if the ratiolose it s balance once it will affect the quality of the product or even cause serious production accidents Therefore the actual production process is needed to automatically maintain two or more parameters of relations between the proportion of such control system and it is the ratio of control systems a process control is widely used in in modern industrial This paper first introduced the characteristics and principle of the ratio of open loop control system the ratio of single loop control system the ratio of double loop control system variable ratio control system the calculation of the ratio coefficient and which ratio control system and main materials we shoule choice Then detailed describe design of the ratio of single loop control system the ratio of double loop control system variable ratio control system the setting of the controller parameters as well as their simulation in Matlab Simulink Finally describe the concept features applications and web publishing of the the virtual laboratory on network the Internet lab Through simulation of the ratio control system we can adjust some complicated PID control more easily which can meet the production precision and reduce controlling costs Key words The ratio of control Matlab Network experiment 目目 录录 1 1 课题的背景及目的 1 1 2 满足三大要求的条件 1 1 3 论文构成及研究内容 3 2 1 高压开关柜的选择 4 2 2 短路电流计算 5 2 2 1 短路电流计算的目的 5 2 2 2 短路电流计算的一般规定 5 2 2 3 发电机功率与负荷统计 5 2 2 4 短路计算结果 6 2 3 一次电气设备的选择 6 2 3 1 电气设备选型的原则与规定 6 2 3 2 高压电气设备选择计算 7 2 3 3 电气设备选型结果 9 3 1 电气二次系统设计 10 3 1 1 测量回路的设计 10 3 1 2 操作电源系统的设计 11 3 1 3 控制保护回路的设计 12 3 1 4 信号回路的设计 13 3 1 5 同期系统的设计 14 3 2 微机保护装置 15 1 绪 论 1 2 电气一次系统设备的选型 4 3 电气二次系统设计及微机保护装置 10 3 2 1 微机保护装置硬件结构 16 3 2 2 微机保护装置软件配置 16 3 2 3 微机保护装置数据采集系统及开关量的输入输出 17 3 2 4 微机保护装置的通讯 17 3 2 5 微机保护装置的选型与功能 18 4 1 系统总体方案设计 19 4 1 1 硬件总体方案配置 19 4 1 2 软件总体方案配置 20 4 2 硬件的工程实现 20 4 3 软件的工程实现 22 附图 1 张 4 发电厂电气自动化系统的实现 19 结 论 25 参考文献 26 致 谢 27 小型热电厂电气二次部分设计 1 1 1 绪绪 论论 1 1 课题的背景及目的 电力工业是国民经济的一项基础工业和国民经济发展的先行产业 它是 一种将煤 石油 天然气 水能 核能 风能等一次能源转换成电能这个二 次能源的工业 它为国民经济的其它各部门快速 稳定地发展提供足够的动 力 其发展水平是反映国家经济发达程度的重要标志 随着经济建设的发展 我国电力系统的规模日益扩大 发电设备的容量 也相应增加 系统运行方式的变化越来越频繁 为了更好地保证电力系统的 安全 经济运行并保证电能质量 电力系统的自动控制得到广泛应用并日益 发展 同时也促进电力系统自动控制技术的不断提高 与其它产品不同 电能的生产 传输 分配和消耗在同一时刻完成 遵 循功率平衡原则 所以发电厂 变电所 输配电线路和用户构成的电力系统 是一个有机的整体 它的可靠性 稳定性与经济性都会影响我们的日常生活 和经济发展 所谓电力系统的可靠性是指确保用户能够随时得到供电 这就 要求从发电到输电以及配电 每个环节都必须保证安全可靠 不发生故障 以保证连续地为用户提供电能 然而电力系统在运行过程中不可避免地会发 生短路事故 如果电力系统的稳定性较差时 局部事故的干扰有可能导致整 个系统的全面瓦解 而且需要长时间才能恢复 严重时会造成大面积 长时 间停电 在满足了电力系统的可靠性和稳定性时 还要考虑电力系统的经济 性 节省能源消耗和生产成本等 综上所述 电力系统运行必须满足可靠 性 稳定性和经济性三大要求 1 2 满足三大要求的条件 为了达到以上三个要求 电气设备的选择是重要的 它是电能生产 变压 输送 分配的承载者 它的选择直接关系到电力系统的可靠性 稳定 性和经济性 正确地选择设备是电气主接线和配电装置达到安全 经济运行的重要条 件 在进行设备选择时 应根据工程实际情况 在保证安全 可靠的前提下 小型热电厂电气二次部分设计 2 积极而稳妥地采用新技术 并注意节约投资 选择合适的电气设备 尽管电力系统中各种电气设备的作用和工作条件并不一样 具体选择方 法也不完全相同 但对他们的基本要求却是相同的 电气设备要能可靠地工 作 必须按正常工作条件进行选择 并按短路状态来校验其热稳定和动稳 定 电气设备的种类和型式是设备选择的重要内容之一 选择时可根据设备 安装地点 使用条件 配电装置的型式 运行和检修经验 以及人们的习惯 等多种因素综合确定 然而只有电气 一次设备是不够的 电气的二次设计和完善的自动控制系 统也是保证电力系统安全可靠生产必要条件 而且它是一次设备可靠运行的 承载者 它是附属于某一次接线或一次设备的 是对一次设备进行控制操 作 测量监察和保护的有效手段 间接控制电能的生产与运行 电气一次 设备如果没有二次系统监控 就好像 没有方向盘 的汽车 没有办法对它进 行控制 这样对于电力系统的运行就不可能有可靠性 所以它是电力系统 中提高可靠性的重点部分 电气二次系统的设计包括 测量回路 操作电源系统 控制保护回路 信号回路 同期系统等内容 要根据变电站规模的大小 在电网中的地位 要求自动化程度的高低以及设备供货的可能性和运行维护人员的素质等方面 因素 结合选定的主接线方案 经过分析比较后确定出能够满足安全 可靠 运行 既先进又经济可行 符合电站实际水平的各种合理方案 并用二次系 统单线 图表示出整个电站的同期方式 测量表计 继电保护和自动装置的 配置方案 近年来 由于控制理论 信息论等方面的成就 大规模 超大规模 集 成电子器件不断推出 计算机技术和数据通信技术的发展 自动控制技术正 发生着日新月异的变化 使自动控制技术更加成熟 更加可靠 为实现电站 的电气自动化系统创造了良好的条件 电站实现电气自动化系统不但更加 完善了原有的二次监控回路 而且 把电能生产与输送的可靠性 稳定性和 经济性更好的优化了 更加方便运行人员的监视和操作 更加快捷的了解和 处理事故或故障 减少电站以及用户的经济损失 小型热电厂电气二次部分设计 3 1 3 论文构成及研究内容 本文的主要研究内容是电气一次设备的选择和电气二次的监控设计及 自动化系统实现 着重讲解电气二次的控制设计及自动化系统实现 首先简 要介绍电气 一次设备的选择 再次重点讲解如何设计电气二次系统监控和 介绍微机保护装置原理 最后讲解如何实现自动化系统 小型热电厂电气二次部分设计 4 2 2 电气一次系统设备的选型电气一次系统设备的选型 电气一次设备是直接参与生产 输送和分配电能的电气设备 它的重要 性可想而知 用户能否不间断的得到充足 优质而经济的电力 跟电气一次 设备的选择有很大的关系 电力一次主要设备的任何一个环节出了问题都会 引起停电 甚至可能使电网崩溃 所以电气设备的选择要按照一定的规程进 行选择 本章将讲述开关柜和一次设备的选型以及选型应该注意的问题 2 1 高压开关柜的选择 高压开关是指用于电力系统发电 输电 配电 电能转换和消耗中起通 断 控制或保护等作用 电压等级在3 6kV 550kV 的电器产品 主要包括 高压断路器 高压隔离开关与接地开关 高压负荷开关等 而高压开关柜就 是用来装置这些高压电器的柜体 它可以使操作人员安全操作 保护电气设 备和人身安全的功能 不管哪种型号的开关柜都具备五防 分别为 防 止带负荷合闸 防止带接地线合闸 防止误入带电间隔 防止带电挂 接地线 防止带负荷拉刀闸 高压开关柜主要分固定式和手车式两种 就结构而言又分开启式 半封 闭式 封闭式 就使用环境而言又有户内 户外之分 就操作方式而言有电 磁操作机构 弹簧操作机构和手动操作机构 选用高压开关柜 要根据使用环境决定选用户内型还是户外型 根据开 关柜数量的多少和对可靠性要求 确定使用固定式还是手车式开关柜 固定 式开关柜价格便宜些 但灵活性不如手车式 对可靠性要求不过高 开关柜 台数又较少的 电厂 尽量选用固定式开关柜以降低投资 要结合高接线设 计确定开关柜的一次方案 开关柜的一次方案可查阅相关电气手册 结合控 制 计量 保护 信号等方面的要求 选择或自行设计二次接线 选定开关 柜之后柜中主要部件要按使用条件 海拔高度 环境温度 相对温度 日照 风速 日温差等等 及短路情况进行校验 高压开关柜型号有很多种 有KYN XGN GG 1A 等 然而当今 10KV 以下的配电系统大部分是采用KYN 户内手车式金属封闭开关柜或 XGN 户内固定式金属封闭开关柜 两种金属封闭开关设备 都是适用于 3 6 12kV 三相交流 50Hz 电网 作为接受和分配电能 并对电路实行控制 小型热电厂电气二次部分设计 5 监测和保护之用 KYN XGN 开关柜符合 IEC298 额定电压 1kV 以上 52kV 及以下交流金属封开关设备和控制设备 IEC694 高压开关和控 制设备共用条款 及我国 GB3906 3 35kV 交流金属封闭开关设备 等标 准的要求 并且具有完善 可靠的防误操作功能 根据实际情况 及综以上开关柜的优缺点 选择KYN 28 中置式开关柜 2 2 短路电流计算 2 2 1 短路电流计算的目的 在发电厂和变电所的电气设计中 短路电流计算是其中的一个重要环节 其目的是 在选择电气主接线时 为了比较各种接线方案 或确定某一接线是否 需要采取限制短路电流的措施等 在选择载流导体及电器元件时 为了保证设备在正常运行和短路情况 下都能安全 可靠地工作 同时又力求节约资金 这就需对有关短路电流值 进行动稳定 热稳定和开断能力的检验 为选择继电保护方式和进行整定计算提供依据 接地装置的设计 也需用短路电流 2 2 2 短路电流计算的一般规定 电力系统中所有电源均在额定负荷下运行 所有同步电机都具有自动调整励磁装置 包括强行励磁 短路发生在短路电流为最大值的瞬间 就考虑对短路电流值有影响的所有元件 但不考虑短路点的电弧电阻 对异步电动机的作用 是在确定短路电流冲击值和最大全电流有效值时才予 以考虑 2 2 3 发电机功率与负荷统计 发电机 S 6000 0 8 7500KVA 馈线 2 路 S 2000 2 4000KVA 小型热电厂电气二次部分设计 6 站用变 S 1600KVA 引风机 S 630 0 8 787 5KVA 一次风机 S 500 0 8 625KVA 2 2 4 短路计算结果 结果如表 2 1 回路发电机馈线站用变引风机一次风机联络线 短路电流 KA 2 0620 550 4390 2160 1722 062 2 3 一次电气设备的选择 2 3 1 电气设备选型的原则与规定 1 电气设备及载流导体的选择设计 同样必须执行国家的有关技术经 济政策 并应做到技术先进 经济合理 安全可靠 运行方便和适当的留有 发展余地 以满足电力系统安全经济运行的需要 据原水电部 86 年颁布的 导体和电器选择设计技术规定SDGJ14 86 对于导体和电器选择的规定如下 1 一般原则 应力求技术先进 安全适用 经济合理 应满足正常运行 检修 短路和过电压情况下的要求 并考虑远景发 展 应按当地环境条件校核 应与整个工程的建设标准协调一致 选择的导体品种不宜太多 选用新产品应积极慎重 新产品应有可靠的试验数据 并经主管单位 鉴定合格 2 有关的几项规定 导体和电气设备应按正常运行情况选择 按短路条件验算其动 热稳定 和开断能力 如 QF 并按环境条件校核电器的基本使用条件 选用的电器允许最高工作电压不得低于该回路的最高运行电压 选用导体的长期允许电流不得小于该回路的最大持续电流 maxg I 小型热电厂电气二次部分设计 7 验算导体和电气设备动 热稳定及电气设备开断电流所用的短路电流 应按具体工程的设计规划容量计算 并考虑电力系统的远景规划 确定短路 电流时 应按可能发生最大短路电流的正常接线方式 不应按仅在切换过程 中可能并列运行的接线方式 导体和电气设备的动 热稳定及电器开断电流 可按三相短路计算 若发电机出口的两相短路 或中性点直接接地系统 自藕变压器等回路中的 单相 两相接地短路较三相短路严重时 则应按严重情况计算 用熔断器保护的导体和电 气设备可不验算热稳定 除用有限流作用 的熔断器保护者外 裸导体和电气设备的动稳定仍应验算 用熔断器保护的电压互感器回路 可不验算动 热稳定 验算裸体短路热效应的计算时间 宜采用主保护动作时间加相应的断 路器全分闸时间 如主保护的死区时 则采用能对该死区作用的后备保护时 间 并采用相应的短路电流值 电气设备的短路热效应计算时间 宜采用后 备保护动作时间加相应的断路器全分闸时间 2 3 2 高压电气设备选择计算 1 断路器的选择 正常工作时 10KV 的工作电压范围在 10 5 即 9 5KV 10 5KV 范围 最高持续工作电流按 发电机额定电流计算 设备应选择户 内型的 根据短 路电流表的短路电流和冲击电流值 选定10KV 侧的断路器 选择结果如 表 2 2 表 2 3 表 2 2 回路发电机馈线站用变 名称断路器计算数据断路器计算数据断路器计算数据 型号VS1 12VS1 12VS1 12 额定电压 KV 101010101010 额定电流 A 1250329 91250220 2125087 9 额定短路开断电 KA 31 51 6531 50 5531 50 439 额定动稳定电流 KA 1004 21001 40251001 12 额定热稳定电流 KA 31 5 3s 15 2831 5 3s 5 0931 5 3s 4 07 额定关合电流峰 KA 100100100 小型热电厂电气二次部分设计 8 固有分闸时间 ms 30 30 30 分闸时间 ms 90 90 90 表 2 3 回路引风机一次风机联络线 名称断路器计算数据断路器计算数据断路器计算数据 型号VS1 12VS1 12VS1 12 额定电压 KV 101010101010 额定电流 A 63043 363034 371250329 9 额定短路开断电 KA 250 217250 17231 51 65 额定动稳定电流 KA 500 55500 4391004 2 额定热稳定电流 KA 25 3s 2 0025 3s 1 5931 5 3s 15 28 额定关合电流峰 KA 5050100 固有分闸时间 ms 30 30 30 分闸时间 ms 90 90 90 2 互感器的选择 1 电流互感器的选择 电磁式电流互感器应按一次回路额定电压和电流选择 选择的电流互感 器的一次额定电压和电流都应该大于或等于系统一次回路的额定电压和最大 工作电流 在选择变比时 应尽量使额定电流在其电流互感器的量程的 2 3 左右 选择的电流互感器还要经过热稳和动稳的校验 根据各回路的额 定电流和电压选择的电流互感器 结果如表 2 4 表 2 4 回路发电机馈线站用变引风机一次风机联络线 额定电流 329 6A220 2A87 9A43 3A34 37A329 6A 型号LZZJB9LZZJB9LZZJB9LZZJB9LZZJB9LZZJB9 变比600 5 400 5150 575 550 5600 5 而零序电流互感器一般都不会超过100mA 所以按电缆的截面来选择 选择结果见电气设备选型结果 2 电压互感器的选择 小型热电厂电气二次部分设计 9 电压互感器选择 因 10KV 电压互感器除供测量仪表外 还要用来作 交流绝缘监视 故选定三个JDZJ 10 型电压互感器接成 Y0 Y0 接法 其额定电压比为 为了测量和同期用 还在发电机小室也设 0 1 0 1 0 1 33 KV 置一组 Y0 Y0 和一组 Y0 Y0 电压互感器 型号是采用 JDZJ 10 和 JDZ 10 3 其它主要电气设备的选择 避雷器的选择一般按保护的设备来选择 有保护旋转电机的 电容的等 这里主要是保护发电机的 所以选择HY5WS2 17 50 而高压熔断器是按它 的额定电压和额定电流来选择的 由于是保护电压互感器的 它的电流很小 一般选择 0 5A 的熔芯就可以了 所以选择RN2 10 0 5A 2 3 3 电气设备选型结果 根据以上电气设备的选择 电气一次主要设备的选择汇总如下表 表 2 5 断路器 电流 互感器 零序电流 互感器 电压 互感器 避雷器熔断器 发电机 出线柜 VS1 12 1250 LZZJB9 1A1 600 5 LJ 185 HY5WS2 17 50 馈线柜 VS1 12 1250 LZZJB9 1A1 400 5 LJ 120 引风机 VS1 12 630 LZZJB9 1A1 75 5 LJ 120 一次风机 VS1 12 630 LZZJB9 1A1 50 5 LJ 120 站用变 VS1 12 1250 LZZJB9 1A1 150 5 LJ 120 联络线 VS1 12 1250 LZZJB9 1A1 600 5 LJ 185 PT 柜 JDZJ 10HY5WS2 RN2 10 小型热电厂电气二次部分设计 10 10 0 1KV17 500 5A 发电机 小室 JDZJ 10 JDZ 10 10 0 1KV RN2 10 0 5A 3 3 电气二次系统设计及微机保护装置电气二次系统设计及微机保护装置 由于一次设备都是高压强电的 直接对其操作和监视是非常危险的 所 以必须采用二次 设备对它进行监控 电气二次设备是指对一次设备进行监 察 控制 测量 调整和保护的低压设备 它虽然不直接参与电能的生产和 分配过程 但对保证主体设备正常 有序地工作和发挥其运行经济效益起着 十分重要的作用 既然这么重要 那应该如何设计呢 设计要注意些什么问 题呢 还有当今受广大运行人员的欢迎的微机保护 它的硬件原理与及软件 系统配置是怎样的呢 本章就这些问题进行讲述 3 1 电气二次系统设计 电气二次系统的设计包括 测量回路 操作电源系统 控制保护回路 信号回路 同期系统等内容 每个部分都不可缺少 每一部分的设计都应 该按照设计的要求和原则来进行 不能随意 二次设备能否正常运行也直接 关系到电力系统的安全 如果某部分出现问题 不能及时发现 处理故障或 事故 可能使整个系统停电 造成重大损失 下面具体讲解电气二次设计的 原则和一些要注意的问题 3 1 1 测量回路的设计 为了保证发电厂一次设备的安全和经济运行 电路中应装设电气测量仪 表 所装测量仪表应满足下列要求 1 应能正确反映电气设备及系统的运行状态 2 能监视绝缘状态 3 在发生事故时 能使运行人员迅速判别事故的设备 性质及原因 小型热电厂电气二次部分设计 11 测量仪表的准确度等级因被测量设备的重要与否有关 比较重要的设备 比如发电机 主变 配置的仪表准确度等级应该高 在选择仪表和互感 器的测量范围时 应尽量保证发电机 变压器 电机等设备在正常运行情况 下 其仪表指示在标尺工作部分上量限的2 3 以上 并考虑过负荷运行时 有适当指示 测量的参数一般都是电流 电压和功率 在设计测量回路时 不应该把 电流回路并联 把电压回路串联 并特别要注意电流回路不能开路 电压回 路不能短路 否则会危及人身或电气设备的安全 3 1 2 操作电源系统的设计 1 操作电源十分重要 必须保证不间断地供电 作用主要是 1 在发电厂正常运行时 对断路器的控制回路 信号设备 自动装置 等设备供电 2 在一次电路故障时 给继电保护 信号设备 断路器的控制回路供电 以保证他们能可靠地动作 3 在交流厂用电源中断时 给事故照明 直流油泵及交流不停电电源等 负荷供电 以保证事故保安负荷的工作 2 操作电源类型 作为变电站的操作电源系统设计 包括确定电源类型 供电电源和电 压等级三个方面 由于交流操作系统的适应性较差 电流互感器的负担较大 且受操作机构和保护装置等设备的限制极少采用 故广泛采用的是直流操作 系统 直流系统从供电电源区分 有蓄电池组 复式整流装置和硅整流电容储 能置三种方案 从额定电压区分 有220 伏 110 伏 和 48 伏几种等级 直流额定电压的选定 既与操作电源方案有关 又与继电保护装置所采 用的元件设备控制操作方式有关 采用硅整流电容储有方案时 为了减少电 容器的容量 应选为 220 伏 为了使合闸电流值较小 单独设置的合闸硅 整装装置 也应以 220 伏为额定电压 复式整流方案则可视操作 控制设 备情况选定 断路器合闸电流较大或合闸电流较大或合闸电缆较长时一般采 小型热电厂电气二次部分设计 12 用 220 伏 3 操作电源设备选择与推荐采用的方案相对应的操作电源设备 1 采用蓄电池组方案时 应选定蓄电池组的容量 型号 电池数目 用于充电和浮充电的硅整流装置容量和型号 如果另设单独合闸整 装置 也应选定其容量和型号 2 采用复式整流方案时 应确定电压源和电流源的数目和接法 跳闸 功率 铁磁谐振 稳压器的容量 可靠动作区和稳压式电流互感器 的输出功率 3 采用硅整电流储能方案时 应选定合闸硅整流装置的容量和型号 确定出储能电容器的组数 容量和型号 选择结果 操作电源不但是作为二次回路继电器控制和操作 还作为事 故时的事故照明电源 而且直流蓄电池不受一次电网事故的影响 其运行可 靠性相当高 故本设计方案采用蓄电池组作为本厂电气的操作电源 其电压 选择直流 220 伏 3 1 3 控制保护回路的设计 变压器 线路等的投入 切除都要用断路器进行操作 根据对断路器控 制保护回路的基本要求 对发电厂的控制系统进行设计 控制方式其实就是对断路器的分 合闸的方式 发电厂对断路器分闸 合闸的控制是通过断路器的控制回路以及操作机构来实现的 断路器的控 制又可分为强电控制和弱电控制 强电控制电压一般为110V 或 220V 弱电控制电压为 48V 及以下 断路器的控制回路应满足一些要求 应满足跳 合闸线圈短时通电 避免线圈长时间带电而烧毁 一般用断路器的辅助触点来实现 有 防跳功能 控制应有手动控制和自动控制 断路器的控制回路应有短 路保护和过负荷保护 同时能监视回路的完整性 而为了快速 自动处理故障或事故 发电厂都有一套保护装置 保护 装置是一种能反映电力系统中电气元件发生的故障或异常运行状态 并动作 于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置 它的主要作用是 当电力 系统的被保护元件发生故障时 继电保护装置应能自动 迅速 有选择地将 小型热电厂电气二次部分设计 13 故障元件从电力系统中切除 并保证无故障部分迅速恢复正常运行 当电力系统被保护元件出现异常运行状态时 继电保护应能及时反应 并根 据运行维护条件 动作于发出信号 减负荷或跳闸 1 控制回路的设计 一般的配电就用按钮或控制开关就可以直接操作断路器的分 合闸 但 一些就不行 当断路器两侧有两个不同的独立电源时 就应该采用同期合闸 如发电机出口断路器和联络线断路器 又有些是采用连锁控制 如引风 机和一次风机 逻辑要求是启动了引风机之后才能开启一次风机 而停机 的时候是反过来 有的要设置就地控制 远方控制和中控室集中控制 所以 在设计的时候要考虑到这些信号的分配与采集 由于有这些要求 控制回路 就应该要根据具体要求来设计 若对断路器进行手动合闸时 合闸回路长时间带电或继电器触点发生粘 连 而此时一次系统又发生永久性故障 继电保护肯定动作跳开断路器 然 而合闸回路此时是通的 断路器又会合在故障设备上 而继电保护又会跳开 断路器 如此反复 这种现象称 跳跃 为了防止此现象 控制回路必 须要设置防 跳跃 闭锁回路 有的断路器内部就有设置的 如果选择的 断路器是不带防 跳跃 闭锁回路的 必须在外部自行设计 2 保护回路的设计 继电保护的基本原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理 量为信息量 当突变量达到一定值时 起动逻辑控制环节 发出相应的跳闸 脉冲或信号 继电保护的构成原理虽然很多 但是在一般情况下 整套继电 保护装置是由测量部分 逻辑部分和执行部分组成 在设计继电保护时要根据被保护的设备有选择的设计 就像发电机要应 该要设置纵联差动保护 转子接地保护等 而一般的馈线设置速断和过流保 护就可以了 一些重要的设备还应该设置后备保护 因为主保护有拒绝动作 的可能性 这时就要后备保护使断路器动作 切除故障回路 保护装置是二 次系统的核心 保护装置的好坏直接关系到整个电力系统的安全 总之 对 于电力系统保护装置应满足可靠性 选择性 灵敏性和速动性的要求 小型热电厂电气二次部分设计 14 3 1 4 信号回路的设计 在发电厂中 值班人员仅利用测量表计对设备和系统的运行状态进行监 视是不够的 为了及时发现与分析故障 迅速消除和处理事故 还必须借助 灯光和音响信号装置来反映设备状况正常与否 信号回路按照用途可分为 事故信号 在电气设备和机组发生故障 或严重不正常时 事故信号装置发出音响 蜂鸣器 及灯光信号 指明事故 设备及性质 以引起运行人员注意并及时进行分析处理 预告信号 在电气设备和机组发生异常运行情况时 预告信号装置发出音响 铃声 及 灯光信号 帮助运行人员发现故障和隐患 以便及时处理 设计时事故信号和预告信号应均由掉牌信号 光字信号和音响信号三种 信号形式组成 只用其中的一种或两种都不能清晰的反映事故或故障的完整 信息 只有把三种信号形式组合起来 才能详尽 及时 可靠地向运行人员 提供电气设备和机组的故障或异常情况 3 1 5 同期系统的设计 将同步发电机或某一电源投入到电力系统并列运行的操作过程 称为同 期并列 两个独立电源并列运行在一起 必须具备下列条件 1 电压 大小 相等 2 频率相等 3 电压的相位差不超过允许值 4 相序相同 同期并列是一重要的操作 如果发生非同期并列 则会出现很大的冲击 电流 机组转子受到较大的扭力矩并发生剧烈振动 系统电压下降 严重时 甚至导致机组损坏 系统振荡并失去稳定 造成严重后果 同期并列的方法分为自同期并列和准同期并列两种 1 自同期方式 自同期并列就是将待并发电机转速升至接近同期转速 正常并列时转差 率 S 等于 1 2 事故并列时允许转差率为 5 甚至更大些 时 就把待并发电机投入系统 然后再给发电机加励磁 使发电机自行拉入同期 小型热电厂电气二次部分设计 15 优点 并列过程快 特别是在事故情况下能使机组迅速投入系统 操作简单 不会造成非同期合闸 接线简单 易于实现自动化 缺点 并列瞬间冲击电流大 对系统和机组产生不利影响 并 列瞬间引起系统电压短时严重下降 因为发电机并列前未加励磁 将从电网 中吸取很大的无功电流 两个系统之间不能采用自同期并列 2 准同期方式 准同期并列操作是将待并发电机转速升至接近同期转速后加励磁 当发 电机 待并系统 频率 电压相角 电压大小分别与运行系统频率 电压相角 电压大小接近相同时 把待并发电机投入系统 即合上相应的断路器 优点 并列合闸时冲击电流小 不会对系统带来大的影响 缺点 并列操作时间较长 操作要求高 容易引起不同期合闸 操作系统复杂 要求严格 综以上优缺点 发电站一般都采用准同期操作方式 在同期系统中需要把同期点两侧的电压的引入 设置同期测量表计和 闭锁回路 同期电压是经过电压互感器引入 一般在发电机小室装一个电压互感器作 为待并发电机的电压引入 另一个电压互感器就在发电机出口断路器的另一侧 作为系统电压引入 在发电厂可能有多个同期点 为了共用一套同期装置 在 同期系统图中设置同期小母线 全部电压都引入小母线上 一般采用三相准同 期系统 它有待并 A 相 公共 B 相 待并 C 相 系统 A 相 还有两条同期闭锁 小母线 当满足同期条件时 同期闭锁小母线接通 此时再操作控制开关 发 出合闸脉冲便可使断路器合闸 为方便操作人员 直观的观察待并系统与运行系统的频率和电压是否相同 一般都设置频差表 压差表和同期表 频差是表明待并发电机与系统的频率 的差值 可以通过调节发电机转速使其频率与系统相等 压差是表明待并发 电机与系统的电压的差值 可以通过调节发电机励磁电流使其机端电压与系 统电压相同 当两个表计都满足要求时就观察同期表 当相位差满足条件就 可以操作同期并列 前提相序要相同 在手动准同期并列操作过程中 为了防止运行人员误操作而造成非同期 并列 必须采取闭锁回路 为了避免同期电压回路混乱而引起非同期并列 小型热电厂电气二次部分设计 16 在并列操作的时间内 同期电压小母线只能存在待并断路器两侧的同期电压 所以每个同期点都设置一个同期开关 并公用一个可抽出的手柄 手动准同 期与自动准同期在同一时间只能用其一种 所以要用选择开关来切换 为了 防止在不允许的相角差下误合闸 通常在手动准同期合闸回路中装设闭锁误 合闸的同期检查继电器 3 2 微机保护装置 传统保护的实现是利用硬件电路 如电流继电器 时间继电器等组成 它的可靠性低 维护不方便 随着计算机技术的发展 计算机控制理论的成 熟 微型计算机保护也随之发展起来 近来广受电力系统运行人员欢迎 已 经成为继电保护装置的主要型式 成为电力系统保护 控制 运行调度及事 故处理的综合自动化系统的组成部分 它具有巨大的计算 分析和逻辑判断 能力 有很强的存储记忆功能 因而可用以实现和完善各种复杂的保护功能 它不断的自检 可靠性很高 运行维护工作量小 现场调试方便等优势 3 2 1 微机保护装置硬件结构 微机继电保护装置的主要部分是微机 除此之外还有一些接口 微机系统用来分析计算电力系统的有关电量和判定系统是否发生故障 然后决定是否发出跳闸信号 它是微机保护装置的核心 接口是微机与外部设备交换信息的桥梁 它包括输入接口和输出接口和 人机接口 外部设备的各种信息通过输入接口送到微机里 而微机经过处理 通过输出接口送到外部设备 在微机保护装置里 输入的大部分是模拟量 像电压 电流等 而输出的大部分是开关量 对设备进行控制或发报警信号 人机接口主要是通过键盘和显示器完成人机对话任务 时钟校队及个保护 CPU 插件和巡检任务 3 2 2 微机保护装置软件配置 微机保护的硬件分为人机接口和保护两大部分 因此相应的软件也就分 为接口软件和保护软件两大部分 接口软件是指人机接口部分的软件 其程序可分为监控程序和运行程序 调试方式下执行监控程序 运行方式下执行运行程序 而运行程序由主程序 小型热电厂电气二次部分设计 17 和定时中断服务程序构成 主程序主要完成巡检 键盘扫描和处理及故障信 息的排列和打印 定时中断服务程序主要用于定时采样和同步各CPU 插件 的软时钟 保护软件配置为主程序和中断服务程序 主程序通常有三个基本模块 初始化和自检循环模块 保护逻辑判断模块和跳闸处理模块 中断服务程序 一般包括定时采样中断服务程序和串行口通信中断服务程序 微机继电保护是用数学运算方法实现故障量的测量 分析和判断的 它 的一个基本问题是寻找适当的离散运算方法 使运算结果的精确度能满足工 程要求 微机保护装置根据模数转换器提供的输入电气量的采样数据进行分 析 运算和判断 以实现各种继电保护的功能的方法称为算法 算法有很多 种 但按算法的目标可分为两大类 一类是根据输入电气量的若干点采样值 通过数学式或方程式计算出保护所反映的量值 然后与给定值进行比较 另 一类是直接模仿模拟型保护的实现方法 根据动作方程来判断是否在动作区 内 而不计算出具体的数值 继电保护的类型很多 然而 不论哪一类保护 的算法 其核心问题归根结底是算出可表征被保护对象运行特点的物理量 利用这些基本的电气量的计算值 就可以很容易地构成各种不同的原理的保 护 3 2 3 微机保护装置数据采集系统及开关量的输入输出 微机的输入大部分是模拟量 数据采集系统也可以称为模拟量输入系统 它是把从系统中检测到的模拟信号 变成二进制数字信号 然后送给微机的 核心 CPU 进行数据处理的过程 它主要由电压形成 模拟滤波器 采样保持 多路转换开关与模数转换器组成 首先它把互感器二次回路的数值经过降低 和变换 把它转换成微机保护装置适用的电压 一般采用中间变换来实现 然后就对电压信号进行低通滤波 把fs 2 以上的分量滤掉 以消除频率混 叠 在进行低通滤波的同时也进行采样保持 把模拟量变为离散量 进行量 化 接着利用多路转换开关轮流切换各通路 达到分时转换的目的 最后是 进行模数转换 把输入的已经离散化的模拟量变成与它成正比的数字量 以 便微机进行处理 存储 控制和显示 开关量的输出 输入系统的主要作用是输出跳闸 信号等信息 发电厂 小型热电厂电气二次部分设计 18 的开关量有断路器 隔离开关的状态 继电器和按键触点的通断等 断路器 器和隔离开关的状态一般通过辅助触点给出信号 继电器和按键则由本身的 触点直接给出信号 为了防止干扰的侵入 通常经过光电隔离电路将开关量 输出 输入回路与微机保护的主系统进行严格的隔离 使两者不存在电的直 接联系 3 2 4 微机保护装置的通讯 电厂中有很多不同设备的数据需要进行收集或转发 不同设备的互相通 讯是解决这些问题的最好方法 由于网络技术的发展以及标准协议的制定 使各中设备间的通讯不是一个难解决的问题 微机保护装置也有一个专门的 通讯管理机 它负责各保护装置的数据收集及数据调度转发 它还可以通过 CAN 总线与计算机连接 进行集中操作监控 此外还设有 RS232 和 RS485 通讯接口 方便接入其它智能设备 微机保护拥有通讯功能又使电厂自动 化系统的实现更加容易 为电厂实现集中操作监控提供了必要条件 3 2 5 微机保护装置的选型与功能 根据不同的保护原理 微机保护装置也有很多种 像有速断 距离 差 动等 本设计采用的北恒自动化有限公司的产品 根据发电厂的各个回路和 被保护的设备选择不同的保护 具体的微机保护装置选型如下表 表 3 1 回路发电机馈电站用变引风机一次风机联络线 型号 BHE 387 BHE 377 BHE 361BHE 361BHE 336BHE 336BHE 361 BHE 387 是发电机差动保护装置 它的主要功能有 比率制动的差动 保护 差动速断保护 差流过大告警 定子过负荷 分两段 每段一时限 突变量启动故障录波 它是发电机的主保护 由于发电机是整个电力系统最 重要的设备之一 有时主保护可能有拒动作的可能 所以还要设置一个 BHE 377 发电机后备保护装置 它的主要功能有 复合电压闭锁过流保护 过压保护 负序过流保护 负序过负荷保护 定子接地保护 横差过流保护 CT 断线及 PT 断线告警 四路非电量保护 突变量启动故障录波 它还有遥 小型热电厂电气二次部分设计 19 控和遥信的功能 BHE 316 是微机线路保护装置 它适用于66kV 及以下电压等级的线路 保护 装置自带操作回路 它的主要功能有 三段式方向过电流保护 零 序电流保护 小电流接地选线 三相一次重合闸 检无压或检同期可选 和 后加速 低频减载 PT 断线检测及 PT 断线闭锁方向或保护 突变量启动 故障录波 遥控和遥信 由于引风机和一次风机是高压电机 所以要设置BHE 336 微机电动机 保护装置 主要功能有 速断 过流保护 自动区分电动机启动状态和运 行状态 启动时间过长保护 两段负序电流保护 反时限过流保护 电动 机过热保护 两段零序电流保护 过负荷告警 零序电压保护 过电压保护 欠电压保护 小电流接地选线 PT 断线检测及 PT 断线闭锁低电压保护 四路非电量保护 4 4 发电厂电气自动化系统的实现发电厂电气自动化系统的实现 现在很多电站或变电所都实现了无人值班或少人值班 是什么原因节省 了这么多的人力呢 那因为很多电厂或变电所实现了自动化系统 完全由计 算机来监控或操作 不再完全依靠人来监控或操作 随着计算机技术与配套 软件的发展 自动化系统不但仅仅节省人力 而且可以完成常规技术无法完 成的任务 达到常规技术无法达到的性能指标 电气自动化系统有这么多优 势 那我们应该怎样来实现呢 本章就电气自动化系统的实现进行讨论 4 1 系统总体方案设计 整个热电站系统电气部分有一台发电机 一台厂用变 两回馈线和两路 高压电机和一路联络线路 热电站实现电气自动化的目的主要是集中对这些 回路的设备进行控制以及进行在线监视 当发生故障或事故时 自动处理事 故或故障 而且发报警信号并记录当前的报警数据 实现集中管理 分散控 制的功能 设计一个性能优良的自动化系统 需要了解一些设备以及设备控制逻辑 根据工程应该配置什么样的硬件设备以及开发出符合工程要求的软件 提出 切实可行的系统总体设计方案 小型热电厂电气二次部分设计 20 4 1 1 硬件总体方案配置 要实现自动化系统 计算机是必不可少 它主要是用来收集 处理各个 设备的上传的数据以及发命令进行操作 要实现自动化系统 必须把很多分 散的开关量和模拟量收集起来 并通过通讯的形式传给计算机 而这过程的 中间环节是用可编程控制器 PLC 实现 发电厂有很多设备是需要监控 它的温度的 例如发电机定子 转子线圈的温度等 这些就需要热电偶或热 电阻来测量 然后输给带通讯功能的仪表 仪表就利用通讯功能传给计算机 微机保护装置不但能对设备进行保护 而且能让中控室运行人员快速的了解 事故或故障 它通过通讯把事故或故障信息交给计算机并在显示屏上显示出 来 热电站中大部分是强电 为了采集电流或电压 就需要把强电信号变为 适用计算机的弱点信号 因此变送器也是必不可少的设备 综上可知 要实 现电气自动化系统必须有计算机 可编程控制器 带通讯的仪表 带通讯的 微机保护装置以及变送器等 4 1 2 软件总体方案配置 以往计算机监控的软件功能 如图形画面的生成 实时数据库 历史数 据库 报表等 是靠软件人员通过编程实现的 工作量大的惊人 而且设计 出来的通用性极差 近几年来 工业控制组态软件得到很大的发展 它是标 准化 规模化 商品化的通用的工业监控软件 它融过程控制设计 现场操 作以及工厂资源管理于一体 将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信 息交流汇集在一起 实现最优化管理 控制工程师在不必了解计算机的硬件 和程序的情况下 用填表的办法 对输入 输出信号进行软联接 采用组态 软件开发电站监控工程 可以极大地增强电站的控制能力 提高电站的生产 小型热电厂电气二次部分设计 21 力和效率 因此 组态软件是性能优良的软件产品 是合适实现电气自动化 系统的软件 4 2 硬件的工程实现 采用总线式进行系统的硬件设计 可以解决工业控制的众多问题 由于 总线式工业控制机的高度模块化和插板结构 因此可以采用组合方式来大大 简化计算机控制系统的设计 在计算机控制系统中 一些控制功能既能用硬 件实现 亦能用软件实现 故在系统设计时 硬件 软件功能的划分要综合 考虑 1 计算机的配置 在实现电气自动化系统中计算机是用来收集各处分散的数据并下达操作 的命令 因此用一般日常用的计算机就可以了 配上显示器以及输入设备 例如键盘 鼠标等 由于计算机要跟外部设备连接 所以也需要配置一 些想适应的接口 2 模拟量 开关量的输入 输出实现 整个热点站中有很多开关量及模拟量 例如断路器的分 合闸 发电机 的功率 电流等 而且各个开关量和模拟量都是在不同的位置 因此 需要一个设备把这些量都集中起来送给计算机 而PLC 是最好的设备 它 不但有编程的功能 而且可以把多个不同位置的开关量和模拟量收集起来并 通过以太网的形式上传给计算机 开关量都是一些干触点 一般是设备的辅 助触点或是一些继电器的触头 所以这些开关量的都是从设备上采集的 通 过屏蔽电缆把它连到 PLC 的 I O 输入点 而模拟量一般都是电流或