核电厂发变组继电保护系统讲座

1、GPA系统（发变组保护）系统介绍目 录1、GPA系统介绍 2、保护配置及出口介绍3、GPA系统直流电源配置 4、CT极性5、发电机差动保护原理6、变压器差动保护原理7、3#机组热试降压变差动保护动作原因分析8、失磁保护原理9、失步保护10、逆功率保护11、95%定子接地保护（基波）12、 100%定子接地保护（三次谐波）13、突加电压保护14、GPA系统调试1、GPA系统介绍 GPA系统又称发变组保护，主要保护发电机、主变、降压变A/B、励磁变以及24kV母线等一次设备。 当这些被保护设备发生故障时，GPA系统立即跳开相关断路器将故障设备隔离开来，防止设备进一步损坏，确保系统安全运行。发 电

2、机 保 护G 6 0主 变C T主 变C T主 变C T降 压 变B发 电 机C T2 D L1 D L降 压 变AG发 电 机主 变主 变 保 护T 6 0励 磁 变发 电 机C TD L5 0 0 k V母 线l大部分发电机保护动作后跳开发电机DL,主变、降压变带厂用电运行。l大部分变压器保护动作后跳开发电机DL和1DL、2DL, 厂用电切换到辅助变运行。2、保护原理、配置及出口介绍 GPA系统电气量保护双重化配置，两套保护原理完全相同。 两套保护有不同的CT、PT，有独立的控制电源。 第一套保护启动第一跳闸回路，第二套保护启动第二跳闸回路。 非电量保护同时启动第一、第二跳闸回路。l电气量

3、保护有独立的CT、PT回路（发电机保护）励 磁 变降 压 变AG 60-I发 电 机保 护I套发 电 机保 护II套G 60-II002T I001T I036T I037T I001T U002T U主 变发电机G降 压 变Bl主变保护发 电 机差 动C T0 2 1 T I0 2 2 T I0 1 2 T I0 1 1 T I1 7 L H2 D L (4 1 0 J A )1 D L (4 2 0 J A )1 8 L H0 3 6 T I0 3 7 T I降 压 变BG发电机主 变Y H 10 3 2 T I0 3 1 T IT 6 0 -II 主 变保 护II套 主 变保 护I套T

4、6 0 -I降 压 变A励 磁 变010BO-A： 跳D L 2（410JA） 跳 圈I（G P A 001A R）G P A系 统D L 1/D L 2第 I 跳 闸 出 口 回 路 (原 设 计 )008BO-A010BO-A010BO-E420JA 跳 圈I410JA 跳 圈IG P A 002A RG P A 005A R420JA 跳 圈I410JA 跳 圈I441X D 1441X D 2+ 125 V D C-125 V D CG P A保 护 柜 压 板 名 称 ：010BO-B： 跳D L 2（410JA） 跳 圈I（G P A 002A R）009BO-E： 跳D L 1

5、B相 （420JA） 跳 圈I（G P A 005A R）009BO-E015BO-E016BO-E014BO-EB相C相A相B相C相010BO-E： 跳D L 1 C相 （420JA） 跳 圈I（G P A 005A R）016BO-E： 跳D L 2 C相 （410JA） 跳 圈I（G P A 005A R）015BO-E： 跳D L 2 B相 （410JA） 跳 圈I（G P A 005A R）014BO-E： 跳D L 2 A相 （410JA） 跳 圈I（G P A 005A R）G E W 401A R441X D 1/441X D 2接 点 启动 410JA /420JA跳 闸 回

6、 路300B N /11300B N /120G E W 441JSG P A C 0121G P A C 0125G P A C 0519G P A C 0525G P A 001A R010BO-BG P A 002A RG P A 001A RG P A C 0121/C 0125/C 0519/C 0525为G P A与G E W间 的 电 缆008BO-B008BO-EA相008BO-B： 跳D L 1（420JA） 跳 圈I（G P A 002A R）008BO-A： 跳D L 1（420JA） 跳 圈I（G P A 001A R）008BO-E： 跳D L 1 A相 （420JA

7、） 跳 圈I（G P A 005A R）出口压板名称008BO-A：GEW410JA/420JA跳圈I008BO-B：GEW410JA/420JA跳圈I008BO-E：GEW410JA/420JA跳圈IGEW 410JA/420JA第 I 跳闸回路(新)008BO-A008BO-EGPA 002AR441XD1441XD2+125 V DC-125 V DCGEW 401AR300BN /11300BN /120GEW441JSGPAC0121GPAC0519008BO-BGPA 001ARGPA 005AR441XD1/441XD2接点启动410JA/420JA跳闸回路0 1 1 BO-D：

8、 跳D L 2（4 1 0 JA） 跳 圈II（G P A 0 0 4 A R）0 0 9 BO-C： 跳D L 2（4 2 0 JA） 跳 圈II（G P A 0 0 3 A R）G P A系 统D L 1 /D L 2第II跳 闸 出 口 回 路 ( 原 设 计 )G P A C 0 4 4 5 /C 0 4 4 6 /C 0 5 2 2 /C 0 5 2 8为G P A与G E W间 的 电 缆G P A 0 0 4 A RG P A 0 0 2 A R0 1 1 BO-CG P A 0 0 4 A R0 0 9 BO-CG P A C 0 5 2 8G P A C 0 5 2 2G P

9、 A C 0 4 4 6G P A C 0 4 4 50 G E W 4 4 1 JS3 0 0 B N /1 23 0 0 B N /1 14 4 1 X D 1 /4 4 1 X D 2接 点 启动 4 1 0JA /4 2 0 JA跳 闸 回 路G E W 4 0 2 A RC相B相A相C相B相A相0 1 7 BO-E0 1 9 BO-E0 1 8 BO-E0 1 2 BO-E-1 2 5 V D C+ 1 2 5 V D C4 4 1 X D 24 4 1 X D 14 1 0 JA 跳 圈II4 2 0 JA 跳 圈IIG P A 0 0 5 A RG P A 0 0 3 A R4

10、1 0 JA 跳 圈II4 2 0 JA 跳 圈II0 1 3 BO-E0 1 1 BO-D0 0 9 BO-D0 1 7 BO-E： 跳D L 2 A相 （4 1 0 JA） 跳 圈II（G P A 0 0 5 A R）0 1 8 BO-E： 跳D L 2 B相 （4 1 0 JA） 跳 圈II（G P A 0 0 5 A R）0 1 9 BO-E： 跳D L 2 C相 （4 1 0 JA） 跳 圈II（G P A 0 0 5 A R）0 1 3 BO-E： 跳D L 1 C相 （4 2 0 JA） 跳 圈II（G P A 0 0 5 A R）0 1 2 BO-E： 跳D L 1 B相 （4

11、 2 0 JA） 跳 圈II（G P A 0 0 5 A R）0 1 1 BO-E： 跳D L 1 A相 （4 2 0 JA） 跳 圈II（G P A 0 0 5 A R）0 1 1 BO-C： 跳D L 2（4 1 0 JA） 跳 圈II（G P A 0 0 3 A R）G P A保 护 柜 压 板 名 称 ：0 0 9 BO-D： 跳D L 1（4 2 0 JA） 跳 圈II（G P A 0 0 4 A R）0 1 1 BO-EGEW 410JA/420JA第 II 跳闸回路(新)GPA 005ARGPA 004AR009BO-CGPAC0522GPAC04450GEW441JS300BN

12、 /12300BN /11GEW 402AR-125 V DC+125 V DC441XD2441XD1GPA 003AR011BO-E009BO-D441XD1/441XD2接点启动410JA/420JA跳闸回路出口压板名称009BO-D：GEW410JA/420JA跳圈II009BO-C：GEW410JA/420JA跳圈II011BO-E：GEW410JA/420JA跳圈IIl GPA系统出口方式： 全停I: 跳开500kV断路器、发电机出口断路器、灭磁开关、关闭主汽门 全停II: 跳开发电机出口断路器、灭磁开关、关闭主汽门 程序跳闸：关闭主汽门 跳500kV断路器：跳开500kV断路器

13、跳灭磁开关、关闭主汽门：灭磁开关、关闭主汽门 大多数发电机保护启动“全停II” 大多数变压器保护启动“全停I”l 发电机保护介绍 主保护：差动保护、95%定子接地保护、发电机过电压 这3个保护动作后瞬间启动“全停II”。 后备保护：发电机定子电流过负荷，负序电流过负荷、过激磁、低频、过频、复压过流、失磁、失步、逆功率、突加电压、发电机DL失灵、定子断水等保护。失灵保护：发电机保护动作而失灵保护：发电机保护动作而DL拒跳，启动拒跳，启动“全停全停I”。95%定 子 接 地发 电 机 相 电 流发 电 机 负 序 电 流1发 电 机DL常 开 接 点 发 电 机 保 护 出 口 接 点and全 停

14、I 发 电 机DL失 灵 保 护 逻 辑 图l 变压器保护介绍 主变主保护：变压器差动、零序差动、重瓦斯。 这3个保护动作后瞬间启动全停I 主变后备保护：复压过流、零序过流、过激磁等。 降压变主保护：降压变差动、重瓦斯、有载瓦斯。 降压变后备保护：分支过流、高压侧负序过流、分支低频、分支低电压等。注：变压器通风启动， 启动值0.7Pu，即当变压器负荷大于0.7倍额定电流时，将启动风机，同时发信。 当启动大电机时，由于启动电流为56倍的电机额定电流，大于通风启动值。GPA装置有如下信号灯亮：通风启动、current、phase A、phase B、phase C，不影响运行。l 核电站2个特殊的

15、保护 LBA失压：失压： LBA是重要的直流控制电源，是重要的直流控制电源，LBA失电后电站无法正常运行，必须失电后电站无法正常运行，必须通过通过GPA启动全停启动全停I,跳开相关断路器。跳开相关断路器。3个个LBA失压接点来自失压接点来自LBA系系统的统的3个配电盘个配电盘全停I0s2s2LBA失压接点1LBA失压接点2LBA失压接点3 冷却剂泵转速低冷却剂泵转速低 冷却剂泵又称主泵，每台机组有冷却剂泵又称主泵，每台机组有3个主泵，用于驱动冷却剂在一回个主泵，用于驱动冷却剂在一回路内流动，将堆芯中的热量传给蒸汽发生器。如果运行过程中出路内流动，将堆芯中的热量传给蒸汽发生器。如果运行过程中出现

16、转速低，必须通过现转速低，必须通过GPA系统跳开系统跳开500kV断路器，电站进入孤岛断路器，电站进入孤岛运行（发电机带厂用电）。运行（发电机带厂用电）。&冷却剂泵转速低发电机DL常闭接点发电机DL常开接点LGA进线常闭接点&跳500kV断路器3、GPA系统直流电源配置LBM726JALBJ 012JALBJ 017JALBJ 019JAGPA系统直流电源（正常运行）GPA 005ARGPA 003ARGPA 004ARGPA 002AR GPA 001ARLBJ 001TBLBM775JALBM781JA717JALBM 007CRLBM 003CR711JALBM 001TBl1st Pr

17、otec Loss of Control Supply（发电机保护控制电源失电报警）发 电 机 保 护 控 制 电 源 消 失 报 警D C S报 警1st Protec L oss of C ontrol Supply （for Panel A）G PA 001A R5960004B N70597060G PA 003A R101X R -A电 源 监 视 继 电 器002JA -CD C 125VG PA 003A RG PA 001A RD C 125V002JA -A101X R -C70607059004B N6059B N 1043728l2nd Protection Loss o

18、f Control Supply（变压器保护及非电量保护控制电源失电报警）3059BN107101XR-D004JA-BDC 125VGPA 002ARGPA 004ARDC 125V004JA-D101XR-BGPA 004AR70607059008BN7271GPA 002AR2nd Protec Loss of Control Supply （for Panel B）DCS报警变压器保护及非电量保护控制电源消失报警008BN705970607172出口中间 继电器5354003BN72537254DC 125V102XR-E003JA-E101XR-EGPA 005AR001JA-E10

19、1XR-EDC 125V开入量中间 继电器555672557256102XR-E4、 CT/PT的极性介绍lCT: 又称电流互感器，将一次的大电流通过固定的变比转换为二次小电流。CT的二次电流一般为1A和5A。变比如2000/1、32000/5、3000/1。l PT：又称电压互感器，将一次的高电压通过固定的变比转换为二次低电压。PT的二次电压固定为100V（线电压）。变比如500/0.1 kV、24/0.1 kV、6.6/0.1 kV。lCT 的极性与差动保护有关，CT、PT的极性关系与逆功率、失磁、失步等保护有关。l CT、PT极性示意图P1P2S1S2* ANan* CT极性PT极性CT

20、：一次电流从P1进P2出，二次电流从S1出S2进PT: A、a是极性端l发电机CT极性及名牌GPA系统CT一次安装图.pdfl 500kV PT名牌5、发电机差动保护原理 G60差动保护极性定义：外部故障为正极性，即发电机正常运行或区外故障时，发电机两侧电流从X端流入保护装置。 差动电流： 制动电流： 区内故障时： 差动电流： 制动电流：X2X1IIIcdX2X1IImaxIzd、X2X1IImaxIzd、X2X1IIIcdX2X1IImaxIzd、动 作 区制 动 区 Izd（ 制 动 电 流 ）Icd（ 差 动 电 流 ）启 动电 流拐 点2拐 点1l 发电机正常运行、区外故障及区内故障电

21、流示意图区 内 故 障正 常 运 行 或区 外 故 障X2NX1N* S2S1P1P2P2P1S1S2* GG60发电机保护IX1IX2IX2IX1发电机保护G60X2NX1NG* S2S1P1P2P2P1S1S2* 6、变压器差动保护l 主变接线方式：Y/D-11 高压侧UA指向12点，低压侧Ua指向11点UAUBUCUaUbUcIcIbIaICIBIA高压侧ABCcba注意：高压侧电流、电压不同低压侧电流、电压不同低压侧l 主变高压侧电流相位补偿主变正常运行时，主变高压侧电流滞后低压侧电流30，因此差动电流不为0。T60保护将对高压侧电流进行相位补偿，补偿后电流幅值保持不变，而相位同低压侧

22、相同。3I-I IB.A.A.3I-I IC.B.B.3I-I IA.C.C.IaIAIAIbIBIBIcICIC补偿前补偿后低压侧l T60保护极性要求T60 保护极性要求：变压器内部故障为正极性，即变压器内部故障时，各侧电流从X端流入保护装置。一 次 电 流 流 入 变 压 器NX 3降 压 变B* S2S1P1P2P2P1S1S2* 降 压 变A发 电 机* S2S1P1P2P2P1S1S2* NX 1NX 2T 60主变保护二 次 电 流 从X端流 入T 60装 置l T60保护电流幅值补偿高压侧电流进行相位补偿，保证高低压侧电流相位相同；根据各侧CT裕度确定基准侧； 变压器高压侧额定

23、电流1320A, CT变比2000/1, 高压侧CT裕度1.515； 变压器低压侧额定电流28867A, CT变比32000/5, 高压侧CT裕度1.11； 低压侧裕度小，因此低压侧为基准侧T60根据变压器变比和各侧CT变比自动对高压侧电流补偿，保证变压器正常运行时，差动电流为0.7、降压变差动保护动作原因分析l 2010年2月9日，3#机组热试，合0GEW410JA时，降压变差动保护B相动作，再次合闸时差动保护C相再次动作；l 变压器空载合闸时，励磁涌流很大，有时达到额定电流的45倍，励磁涌流为单侧电流，差动保护会误动；l 励磁涌流中含有二次谐波分量，一般用二次谐波比值（二次谐波与基波之比）

24、闭锁差动保护；当谐波值超过定值时闭锁差动保护；l 继电保护规程规定：二次谐波比值15%20%；l 岭澳二期主变定值15%，降压变A/B定值20%。l 第一次合闸：A相 B相 C相 降压变A 30%左右 25%左右 大于90%降压变B 30%左右 25%左右 大于90% KKO数据（从合闸到差动保护动作期间二次谐波比值）GPA数据（从合闸到差动保护动作期间二次谐波比值）A相 B相 （动作）C相 降压变A 60%70% 12%13% 60%70% 降压变B 60%70% 12%13% 60%70% 注意：注意：KKO数据与数据与GPA数据相差很大数据相差很大l 第二次合闸：KKO数据（从合闸到差动

25、保护动作期间二次谐波比值）数据（从合闸到差动保护动作期间二次谐波比值）A相 B相 C相 降压变A 70%80% 22%25% 22%30% 降压变B 70%80% 22%25% 22%30% A相 B相 C相 （动作）降压变A 60%65% 40%45% 4%5% 降压变B 60%65% 40%45% 4%5% GPA数据（从合闸到差动保护动作期间二次谐波比值）注意：注意：KKO数据与数据与GPA数据相差很大数据相差很大l 为何同一电流，KKO和GPA测得的二次谐波值相差很大？ 两次合闸，KKO中每一相二次谐波比值大于定值20%，差动保护不应该动作； 第一次合闸，GPA测得的B相谐波比值12%

26、13%，小于定值20%，B相差动保护正确动作； 第二次合闸，GPA测得的C相谐波比值4%5%，小于定值20%，C相差动保护正确动作； 是KKO数据正确还是GPA数据正确，差动保护是否误动？l 降压变接线发生：Y/D-1高压侧UA指向12点，低压侧Ua指向1点ABCcba注意：高压侧电流、电压不同低压侧电流、电压不同高压侧低压侧UAUaIaIAUBUbIbIBUCUcIcICl 降压变高压侧电流相位补偿降压变正常运行时，高压侧电流领先低压侧电流30，因此差动电流不为0。T35保护将对高压侧电流进行相位补偿，补偿后电流幅值保持不变，而相位同低压侧相同。3I -I IC.A.A.3I-I IA.B.

27、B.3I-I IB.C.C.补偿前补偿后ICIA低压侧IBIcIbIaIBICIAl 计算GPA装置二次谐波理论值 根据KKO波形某一时刻的瞬时值和有效值计算出同一时刻每相基波电流和二次谐波电流的幅值和相位； 根据降压变高压侧相位补偿公式计算出补偿后基波电流和二次谐波电流的幅值；相别相别补偿前（补偿前（KKO）补偿后（补偿后（GPA）ABCABC二次谐波二次谐波0.1910.1630.320.290.0860.272基波基波0.60.5850.3250.4450.6570.422二次谐波比二次谐波比k31.8%27.9%98.5%65.1%13.1%64.5%GPA实测值实测值66.99%13

28、.18%63.98%l 第一次合闸基波电流和二次谐波电流I BI CI AIBICIA基 波 电 流 （ 补 偿 前 ）基 波 电 流 （ 补 偿 后 ）I2 cI2 bI2aI2 cI2 bI2a二 次 谐 波 电 流（ 补 偿 后 ）二 次 谐 波 电 流（ 补 偿 前 ）l 第二次合闸补偿前和补偿后基波电流IAIBICIAIBIC第二次合闸基波电流幅值及相位（补偿前）基波电流幅值及相位（补偿后）l 第二次合闸基波电流和二次谐波电流I2aI2cI2bI2bI2aI2c二 次 谐 波 电 流（ 补 偿 后 ）第 二 次 合 闸二 次 谐 波 电 流（ 补 偿 前 ）相别相别补偿前（补偿前（K

29、KO）补偿后（补偿后（GPA）ABCABC二次谐波二次谐波0.3540.1750.1910.3130.3040.045基波基波0.4890.8870.730.4980.7150.893二次谐波比二次谐波比k72.4%19.7%26.2%62.9%42.5%5.04%GPA实测实测61.1%44.3%5.06%l 变压器空载合闸差动保护误动预防措施降压变差动保护二次正确动作表明：降低二次谐波制动值不能防止差动保护动作；增加“单相闭锁三相”功能；变压器首次合闸，闭锁方式：单相闭锁单相，差动保护动作后，检查KKO、GPA波形确认变压器内部没有故障时将闭锁方式改为：单相闭锁三相；变压器正常运行闭锁方式

30、：单相闭锁单相；实际运用：2010-4-21 4#主变第一次送电差动保护动作，确认变压器内部没有故障后更改闭锁方式，随后连续5次冲击合闸成功。8、 失磁保护l 失磁的原因： 大型机组励磁系统环节很多，某一环节出现故障造成励磁电流下降或磁场开关跳闸，都会引起发电机失磁。l失磁的后果：不能发出无功功率还要从系统吸收无功造成机端电压下降；转子和定子磁场间出现速度差引起转子局部过热；引起发电机震荡l GPA系统如何判断发电机失磁？GPA系统是根据发电机机端电压、和发电机中性点电流的关系（机端阻抗）来判断发电机是否失磁；发电机正常运行时机端阻抗在第一象限，失磁后机端阻抗逐渐从第一象限过度到第四象限。z0

31、 xrABl 发电机系统示意图 图1：发电机一次系统示意图； 图2：等效矢量图 Xd：发电机电抗， Xs：变压器及系统电抗， I：发电机电流 E0：发电机电势， U：发电机机端线电压， Ux：系统线电压 P、Q：发电机机端测量到的有功和无功，Px、Qx：发电机输送到系统的有功和无功 ：发电机功角， ?：系统电压领先发电机电流的角度l 机端阻抗及等有功圆 机端阻抗 等有功圆jxrjUU2222222SQUSPUjQ)(PSUjQPU.I3.U.3.U2X2XX2X2PU2PU.3.UjejXsjXsx等 有 功 圆jXsZ0Ux2 2Px Ux2 2Px 2Px Ux2 Z-Z0jXsz0rx0

32、z发 电 机 正 常 运行 时 机 端 阻 抗z0QS2 U2 PS2 U2 xrl 发电机向系统送出的有功、无功XdXsxUXdXscosUxXdXs)cosUx(sinIU3Qx200XEUEXXdXssinUEcosIU3Pxx0X 发电机向系统送出的有功 发电机向系统送出的无功当090之间运行时，机组是稳定的，机组受到小的扰动自动会恢复到稳定状态。l 发电机有功和无功公式cos)(3sinE0sdxxIsdxxIsinEcos30XdXssinUEcosIU3Pxx0Xsin)(3cosE0sdxxIUxsdxxUxIcosEsin30XdXsxUXdXscosUxsinIU3Qx20

33、XEl 静稳边界圆当=90时，发电机发出的有功最大，机组进入稳定边界；XdXsUEPxx0XdXsxUQx2有功：无功：j2.e2XdXsj2Xs-Xd-jjXs3ZIxU机端阻抗：2Xd+Xs2j-Xd+Xsj2-Xd+Xs-jXd0 xrjXs圆 心（ 0， ）半 径 R =l 静稳边界圆上的机端阻抗jXsej2XdXsj2XdXsjXsej2Q-Uj2QUj2j2X2XX2Xj2j2e2XdXsj2Xs-Xd-jjXse2XdXsj2XdXsjjXsj2Q-)jQPjQ(PjQPUXXXXXXX2XjXsjQPUU3U.UjXs.3.UXX2X.jXsxxxxl 3#机组失磁阻抗圆及静稳

34、边界圆 3#机组参数 Xs=2.44 , Xd=23.5 静稳边界圆方程：j2e97.1253.10jjzl 失磁保护定值： 圆1：圆心8.31,半径6.01，方程： 圆2：圆心14.05,半径11.75，方程: jejz01. 631. 8jejz75.1105.14l 3#机组失磁阻抗圆及静稳边界圆静 稳 边 界 圆rx0Xs失 磁 阻 抗 圆 1失 磁 阻 抗 圆 2失磁保护动作后，将根据机组出力、机端电压及系统电压情况经过不同的延时启动“程序跳闸”关闭主汽门，然后正向低功率继电器动作后跳开发电机出口断路器。l GE失磁保护与西门子失磁保护的区别一般失磁保护阻抗圆0r0b（y）g（x）x

35、3LHQ导纳定值l 3LHQ失磁保护阻抗轨迹rxxr03LHQ实 测 阻 抗 轨 迹03LHQ阻 抗 平 面 苹 果 圆 和 橄 榄 圆9、失步保护（GE） 发电机失步是指发电机与系统失去同步运行，一般是由发电机失磁或系统有扰动引起的。发电机失步后，发电机电势与系统电势的之间的相位差由0到360之间变化，当相位差为180时，震荡电流的幅值接近发电机端三相短路时的短路电流。 后果：定子绕组过热、端部遭受机械损伤 转子中产生感应电流、大轴机械损伤 系统解列甚至系统崩溃m =0m =1Ztot=Xd+X b+X sEGExUmxG图1： 系 统 示 意 图I机 端 U mX sX bX dExEGGX发 电 机变 压 器系 统X dX bX s测 量 点EGUmEx机端测