水电站的机电设备电气二次

1、水电站的电气设备（电气二次部分）1电气二次何谓电气二次？与一次回路没有直接联接、由互感器或直流电源供电的回路。实际上是保护、控制与监视装置及其接线的总称。一次回路传送的是电能量，二次回路传送的是电信号。1 机组与辅助设备的自动控制1.1闸门与阀门的控制（1） 闸门的自动控制1）闸门分类按用途分：泄水系统闸门和引水发电系统闸门。按结构形式分：弧形闸门平面闸门。引水发电系统闸门皆为平面式。2）启闭机开启和关闭闸门的起重机械。常用启闭机有固定卷扬式、门式（即坝顶门机）和液压式等。（1） 闸门的自动控制（1） 闸门的自动控制（1） 闸门的自动控制（1） 闸门的自动控制3）闸门的控制泄水系统闸门的控制服

2、从防洪调度的需要。有重要防洪功能的水电站设有泄洪闸门监控系统，协调泄洪闸门的控制。（1） 闸门的自动控制引水发电系统闸门的控制（事故闸门的控制）事故闸门：闸门的下游或上游发生事故时能在动水中关闭的闸门。能够快速关闭的事故闸门称为快速闸门。事故闸门既能在现地控制，又能在远方控制，但远方开启功能需慎用。现地控制方式下，能开启和关闭闸门。在中控室和机旁应设置独立于监控系统的事故闸门紧急关闭按钮及回路，并以硬接线的形式接至闸门的控制回路。（1） 闸门的自动控制引水发电系统闸门的控制事故闸门开启时，应先进行充水平压。事故闸门在机组正常运行和停机时，维持全开状态，不随机组的启动、停止而启闭。但当机组因调速

3、器失灵等原因，转速持续上升到140%左右的额定转速时，快速闸门将自动紧急下落，保障设备和人员的安全。（2） 进水阀（蝶阀与球阀）的自动控制1） 进水阀既能在现地控制又能在远方手动控制。2）开启进水阀之前，先经旁通阀进行充水平压。3）常规机组的进水阀在机组正常运行和停机时，均维持全开状态，不随机组的启停而启闭。但当机组因调速器失灵等原因，转速持续上升到140%左右的额定转速时，进水阀将自动紧急关闭，保障设备和人员的安全。4）抽水蓄能机组的进水阀的启闭与机组的启停联动。5）进水阀只能停留在全关、全开两个位置。6）进水阀的正常启闭采用液压操作，当控制电源消失时利用重锤蓄能等手段紧急关阀。进水阀的控制

4、进水阀1.3 机组辅助设备与全厂公用设备的控制(已讲)1.2 机组的自动控制(专讲)1.4 同步系统1.4 同步系统（1）同步的概念对一个交流电源进行调整，使之与另一个交流电源在电压、频率、相位角一致，以便能够并联。(2) 准同步在使同步电机与另一同步电机或电源进入同步时，调节电压、频率和相位角，使该同步电机的状态尽可能与对方一致的同步过程。在二者相位差几乎为零时，自动合上发电机断路器或发变组断路器，完成并网.1.4 同步系统1）手动准同步: 由工作人员根据同步表的指示，手工升高或降低机组频率与电压，使其与电网的频率与电压一致，在条件满足时，手动合上发电机断路器或发变组断路器，将机组并入电网。

5、2）自动准同步: 由同步装置自动检测机组与电网之间的频率差与电压差，自动升高或降低机组频率与电压，使其与电网的频率与电压一致，在条件满足时，自动合上发电机断路器或发变组断路器，将机组并入电网。同步表1.4同步系统（3）自同步（在水电厂已经不用）将未加励磁的同步电机加速到接近额定转速时，并入电网，然后加励磁，将电机拖入同步的过程。准同步原理数字式准同步装置接线同步电压信号的相位补偿与幅值补偿同步电压信号的相位补偿与幅值补偿如果待并列的两个电源处于同一电压中（如发电机断路器两侧或500kV断路器两侧），则两侧的VT二次电压信号均取同名的线电压，不存在相位补偿与幅值补偿问题。如果待并列的两个电源处于

6、不同的电压中（如同步点在发变组高压侧的断路器），则两侧的VT二次同名电压信号存在相位差，需进行相位补偿与幅值补偿。可以设隔离变或转角变进行相位补偿与幅值补偿，也可利用智能同步装置的补偿功能。同步装置的配置1）每台机组配置一套自动准同步装置和一套手动准同步装置，自动准同步装置为主要并网方式，手动准同步为备用方式。2）高压开关站和线路合用一套适用于多对象的自动准同步装置和一套手动准同步装置。自动准同步装置用于捕捉同期或同频合环。2022/7/14232 计算机监控系统的结构与功能2.1概述计算机监控系统，是以计算机为核心构成的对水电站生产过程进行自动监测、控制的系统。起初作为值班人员的辅助监控手段

7、，现在已经可以取代值班人员对水电站监控，实现“无人值班”（少人值守）甚至完全无人值班。2.2 计算机监控系统的构成 (1)电厂控制级（简称电厂级）主计算机（数据服务器）:承担监控系统系统的后台工作、计算量较大的工作的计算机，负责自动发电控制（AGC）、自动电压控制（AVC）、实时数据库、数据统计处理、专家系统等功能。操作员工作站:全厂集中监视和控制的人机接口，用于监控画面和输入操作员指令等工作。工程师工作站:用于程序开发、调试和系统维护管理的计算机。通信工作站：实现与上级调度中心控制系统、管理信息系统（MIS）和其他智能电子设备的信息交换的计算机，有时也称网关机（gateway）。(1)电厂控

8、制级（简称电厂级）培训工作站:用于培训操作员的计算机。语音报警工作站:启动扬声器报警、电话语音报警和手机短信报警的计算机，可将事故情况通知有关人员。 GPS接收和授时装置：接收GPS或北斗卫星时钟信号，并将统一的时钟信号发送到监控系统以及各有关智能电子设备的装置。授时方式有脉冲式、IRIG-B等。此外，还有模拟屏、电源装置、打印机等。(2) 现地控制级LCU（Local Control Unit）的配置每台机组各设置一个LCU；根据电压等级和出线数量的多少，开关站设置一个或两个LCU；厂内的厂用电和公用设备可设置一个LCU，大型电厂可分别设置厂用电和公用设备的LCU；坝区设备设置一个LCU。蓄

9、能电站设启动LCU和下库LCU（或远方I/O）。(2) 现地控制级（LCU） LCU的构成： 通用或专用可编程控制器（PLC）工业微机，便于设人机接口。水力机械事故后备保护的继电器接线或独立的PLC(仅用于机组LCU)。同步装置（机组LCU设置专用的手动和自动同步装置，开关站LCU设置公用的手动和自动同步装置）。按钮、开关显示仪表等。(2) 现地控制级（LCU） LCU的作用LCU通过I/O直接联系生产过程，同时又经过网络联系电厂级的监控设备，起到了承上启下和下情上达的作用。它从生产过程采集各种信息：电流、电压、温度、油压、流量、油位、开关状态、继电保护动作状态等等，并进行预处理，必要时，输出

10、信号或操作命令，同时又将处理过的信息上送电厂级设备。另一方面，它接收来自电厂级设备的命令，并执行之。Unit LCU(LCU-1 LCU-4)LAN - S8000E redundant optical ring TCP/IP 100Mbit/sTime Synchronization PulseCE2000 I/O ControllerRelay ProtectionExcitationTurbine GovernorUnit Synchronization DeviceI/O SignalsProcess I/O SignalsLocal Operating( with push butt

11、onsand indication lamps )MODBUSOther Equipment(not in scope of CSCS)Emergency STOPCE2000 I/O ControllerCE2000 I/O ControllerCE2000 I/O ControllerFieldbus F-8000I/O SignalsEnergy Meter /Multi-TransducerCSCS of ZHANGHEWAN PSPP: LCU for Units CE2000 I/O ControllerEmergency ShutdownEthernetLWL SwitchMai

12、n redundantC80-75 CPU 12” TFTLocal HMIRing 1Ring 2Drawing No.: GKWH 454 308 RevCPLC简介PLC是一种特殊的用于实时控制的工业用计算机，它的主要构成部分是： 微处理器（中央处理单元，CPU）。 存储器。一般配置随机存取存储器 (RAM)和可编程序只读存储器(EPROM)存储程序。输入输出接口。与一般微型计算机的区别是：存储容量小； 处理开关量能力很强，处理模拟量能力稍弱；编程语言由GB/T 15969 （IEC 61131）规定，与计算机编程语言（C, BASIC等）不同。（3）网络设备交换式以太网是当前的主流网络

13、介质：光纤，双绞线光纤完全不受电磁干扰的影响。连接中控室和计算机室设备的介质宜采用双绞线，LCU之间和从LCU连接到电厂级设备的介质宜采用光纤。交换机：一种多端口的信息传送设备，由集线器发展而来。它能够按照输入信息提供的目标地址，自动把信息送到相应的路由上。以太网的工作机制是CSMA/CD,即带冲突检测的载波监听多路访问，容易因冲突而浪费时间。采用交换机后，信息的目标地址明确，避免和减少了冲突。（CSMA/CD：Carrier Sense-Multiple Access with Collision Detection)（4）以太网的拓扑形式星形网与环形网从拓扑形式来看，网络可以分为星形网与环

14、形网，两种形式应用都很多。星形网以交换机为中心，物理上呈辐射形。但在逻辑上，是按总线方式运行的。环形网的网线（双绞线或光纤）将相关设备连接在一起，但在逻辑上，设有断点，实际上也是按总线方式运行的。实际上的很多工程的计算机监控系统网络是二者的灵活结合。（4）以太网的拓扑形式2.3 计算机监控系统的功能计算机监控系统的功能包括以下各项的部分或全部：数据采集、数据处理、控制与调节、数据通信、时钟同步、运行管理与指导、人机联系、培训仿真、系统维护及软件开发等。（1）数据采集 监控系统采集必要的电气量、非电气量、开关量等。数据的采集通过硬布线I/O和数据通信方式实现。（2）数据处理 监控系统能对采集到的

15、数据进行处理并生成实时数据库，实现对水电站各主要设备的工况和参数的巡回检测、记录、计算、越限报警、复限提示和显示、打印等功能。2.3 计算机监控系统的功能（3）控制与调节 监控系统能实现上级调度中心控制调节、电站级控制调节以及现地控制级控制调节，实现机组工况的自动转换、断路器和隔离开关的分合、负荷的增减等。监控系统还能实现自动发电控制（AGC）和自动电压控制（AVC）功能。（4）数据通信 在水电站监控系统中，数据通信包括系统内部的实时数据及命令的传送、外部与电网调度或地区调度以及其他有关方面的信息交换。现地控制级设备与调速器、励磁调节器、继电保护装置等设备之间的数据通信多采用现场总线等方式实现

16、。2.3 计算机监控系统的功能（5）时钟同步 监控系统内统一时钟，选用卫星定位系统(北斗或GPS)的接收和授时装置为电站级各工作站和各LCU等设备进行时钟校正，同时向厂内继电保护、故障录波等装置提供统一的时钟信号。（6）运行管理与指导 监控系统能够实现自动统计主设备的运行时间及事故、故障次数，机组的工况转换次数，机组附属设备及全厂公用系统设备的运行时间和动作次数，继电保护装置或自动装置的动作次数等。2.3 计算机监控系统的功能（7）系统自诊断与自恢复 监控系统具备硬软件在线自诊断能力，发现异常时能自动定位并报警。同时具备自恢复功能，对于冗余配置的设备，能够自动切换到备用设备运行。（8）人机联系

17、 运行人员通过控制台使用显示器、键盘和鼠标、打印机等实现与计算机监控系统的交互，包括完成对电站设备的运行监视、控制调节和参数设置等操作。（9）培训仿真 监控系统具有仿真培训功能，向运行操作人员提供操作或软件开发的培训。2.4 电气二次系统的安全防护3 继电保护3 .1 继电保护简介什么是继电保护？电力系统发生故障时，电气参数（电流、电压、频率等）会偏离正常范围，例如短路会导致电流突然增大，可能导致设备损坏、系统解列等严重后果。继电保护作为一种自动化装置的任务，是及时检测电气设备故障或异常，并迅速、准确地发出跳闸或停机指令以隔离故障设备，或发出报警信号。(2) 继电保护的原理如何识别故障和异常？

18、要找出正常运行与故障时系统中电气量或非电气量的变化特征（差别），即可找出一种原理，且差别越明显，保护性能越好。(2) 继电保护原理说明Q：断路器QA：断路器的常开辅助触头（与主触头位置相同）KA：过电流继电器（电流整定值为Iset，应大于正常负荷电流，且大于电动机的自启动电流）YR：跳闸线圈TA：电流互感器，变比为Kn，二次电流为Is(2) 继电保护原理 正常运行时，一次回路流过负荷电流，IsIset，继电器KA动作，触头闭合，接通跳闸线圈YR，使断路器Q跳闸，切除了故障。2022/7/1449(3) 对继电保护的基本要求（四性）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。（1）可

19、靠性：保护该动作时应动作（可信赖性），不该动作时不动作（安全性）；（2）选择性：首先由故障设备（包括线路）本身的主保护切除故障，当故障设备本身的主保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备的保护切除故障；（3）灵敏性：在设备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；（4）速动性：保护装置应能尽快地切除故障。(4) 保护装置编号（源自美国标准ANSI）2022/7/1452(5) 继电保护发展史传统的继电保护采用电磁继电器和模拟电路实现各种功能。上世纪60年代起到90年代，继电保护经历了电磁式保护晶体管保护集成电路保护数字式保护（即微机保护）的发展历程。现在，数字式保护已经成为继电

20、保护的主要形式。数字技术的采用使继电保护发生了飞跃的发展，实现了电磁式保护不可能实现的高级功能。但是各种保护的基本原理没有改变。以下的叙述中，为了便于理解，有时仍会以机电式保护为例来说明。2022/7/14533.2 发电机保护水轮发电机装设有纵联差动保护（完全纵差和不完全纵差）、横差保护（零序电流横差和裂相横差）、过电流保护、定子绕组接地保护、转子回路接地保护、失磁保护、失步保护、过电压保护、过负荷保护等。（1）主保护1）完全纵联差动保护1MW及以上的发电机采用纵联差动保护，反映发电机及其引出线的相间短路故障。纵差保护的基础是基尔霍夫第一定理。差动保护动作条件：在正确的极性连接下，I1与I2

21、的正方向都是指向发电机的。 正常运行或外部故障时，二者方向相反。差电流几乎为零，制动电流为二者算术和之半，即等于短路电流。内部短路时，二者方向相同。差电流为二者之算术和，制动电流为二者的算术差之半。2022/7/1456差动保护的动作特性外部短路时，差电流很小，制动电流等于短路电流。保护不会动作；内部短路时，差电流等于两侧短路电流的算术和，制动电流为两侧短路电流算术差的一半，保护可靠动作。右图中，动作电流：Id.min=0.3拐点处制动电流：Ires.min=1.0制动系数（斜率）K=0.4 点（1）对应内部短路，点（2）对应外部短路3.2 发电机保护2）不完全纵联差动保护 不完全纵联差动保护

22、的发电机出口侧电流互感器接入全部相电流，中性点侧只将部分支路的电流互感器接入。适当选择中性点侧电流互感器的变比，可以保证正常运行时，两侧电流的平衡。适当选择接入电流互感器的中性点侧支路的组合方式和数量，可以使不完全纵差保护能够兼顾反映相间短路和匝间短路。具体保护范围及灵敏度随机组的电磁设计及保护方案的不同而不同。 3.2 发电机保护3）零序电流横差保护（也称单元件横差保护）对定子绕组为多支路的机组，适当地选择分组方式，在两个中性点连接线上接入零序电流横差保护，可以反映大部分匝间短路和一部分相间短路及绕组开焊等故障，具体保护范围及灵敏度随机组的电磁设计及保护方案的不同而不同。3.2 发电机保护4

23、）裂相横差保护对定子绕组为多支路的机组，适当地选择分组方式，在两组绕组之间接入裂相横差保护，可以反映大部分匝间短路和一部分相间短路，具体保护范围及灵敏度随机组的电磁设计及保护方案的不同而不同。发电机主保护的“两横两纵”61定子绕组分支的组合方案举例3.2 发电机保护4）主保护的定量化设计以上列举了发电机的四种主保护，即所谓“两纵两横”，反映的故障是定子绕组的相间短路和匝间短路。在多支路的情况下，如果随机地对支路分组和确定引取中性点侧电流的支路组别，有可能使保护的覆盖范围和灵敏度很不理想。定量化设计以发电机的电磁设计的数十项参数和电力系统参数为依据，穷举所有可能发生的内部故障（同槽双层之间及端部

24、搭接的绕组之间），采用变参数的微分方程组计算短路电流，然后分别校验各种支路组合方式下、四种主保护对各类内部故障的灵敏度，确定最佳的主保护总体方案。发电机的定子绕组2022/7/1464定子绕组展开图举例，只画了A相（19号槽内层间短路为匝间短路，20号槽内层间短路为相间短路）2022/7/14653.2 发电机保护（2）定子接地保护1）90%定子接地保护2）15%定子接地保护3）100%定子接地保护水轮发电机定子绕组单相接地故障电流允许值当单相接地故障电流不大于允许值时，接地保护带时限动作于信号；当单相接地故障电流大于允许值时，应动作于停机。（2）定子接地保护（基波零序电压原理） 1）90%定

25、子接地保护（中性点不接地或高阻接地）保护范围从定子绕组出口算起，90%左右。采用的原理是3U0。（2）定子接地保护（基波零序电压原理）（2）定子接地保护（三次谐波电压原理）2)15%接地保护正常运行时，中性点的三次谐波电压高于机端的三次谐波电压。靠近中性点侧发生单相接地时，上述情况发生逆转，机端的三次谐波电压高于中性点的三次谐波电压。根据这一现象，可以设置15%接地保护。将发电机的对地电容分为机端和中性点的两个集中电容Coc/2，机端还有母线、厂用变、主变低压侧的电容（总和为COS），所以机端的对地电容总是大于中性点的。如果中性点经消弧线圈接地，抵消了部分电容，使机端的对地电容更加大于中性点侧

26、电容。这也意味着机端的对地容抗总是小于中性点端的对地容抗，机端分得的三次谐波电压总是小于中性点：US31.3Ugn，延时0.3s2）46 负序过流过负荷保护针对负荷不对称、非全相、不对称短路等异常或故障。过流部分作为相间短路后备保护。过负荷部分作为转子表层过热保护。定时限，发信号。3）49 定子对称过负荷保护保护定子绕组负荷电流超过额定值引起的发热。定时限，发信号。（4）异常运行保护4）49F 励磁绕组过负荷保护保护转子绕组负荷电流超过额定值引起的发热。300MW及以上机组设定时限与反时限，作用于停机。100MW以上、300MW以下机组只设定时限，发信号。5）64F 转子一点接地保护一点接地无

27、大碍，如果发展为两点接地，则会烧伤转子绕组。延时发信号。常用原理有两种：（1）注入低频信号式；（2）切换式（乒乓式）。6）24 过励磁保护（300MW及以上机组）防止铁心磁密过高引起饱和，导致发热，损坏机组。反时限停机，定时限发信号。采用U/f原理。（U=4.44fN, 所以=kU/f）2022/7/1482（4）异常运行保护7）40 失磁保护反映机组励磁降低或失去励磁。机组失磁后成为异步发电机，吸收无功导致系统电压下降，且机组转子因异步运行的滑差电流而发热。采用测量机端阻抗、测量转子电压等方式构成保护。作用于解列、停机。8）78 失步保护（300MW以上机组）反映机组与系统之间发生振荡的保护

28、。振荡使机组电压周期性地下降，影响厂用电运行；振荡导致机组电势与系统电势相角差达到180度时，振荡电流的幅值接近短路电流，危害机组安全。失步保护采用在阻抗平面划定动作区的方式，按阻抗顶点穿越动作区的次数和停留时间整定。作用于信号，当振荡中心落在发变组，且失步时间或振荡次数越限时解列。2022/7/1483（4）异常运行保护9）81F 频率过高对水轮发电机组自身不造成损害，主要为了系统稳定而设。动作于解列灭磁或程序停机。10）81f 频率过低 用于调相解列保护和蓄能机组水泵工况失电保护。11）32 逆功率 用于低水头机组，防止水轮机转轮空蚀。用于蓄能机组的发电工况，防止出现“反水泵”工况。12）

29、37 低功率（抽水蓄能机组）用于蓄能机组的抽水工况失电保护。13）27 低电压用作低频保护的后备。（4）异常运行保护14）50BF 断路器失灵用于继电保护的跳闸令已经发出，但发电机断路器未能跳闸的情况。作用于停机并跳开相邻断路器。15）50 误上电保护停机状态的发电机因误操作等原因错合上断路器的故障。16）47 电压相序错误 （抽水蓄能机组） 保护蓄能机组换相开关因故障成的电压相序与旋转方向不一致。17）50LF 次同步过流专用于启动过程中频率低于同步转速的工况。18）60 VT断线19）38 轴电流2022/7/1485悬式发电机的轴电流保护2022/7/14863.3 主变压器保护（仅述及

30、发变组升压变）主变压器装设有差动保护、复压启动过电流保护、高压侧单相接地保护、中性点放电间隙保护、低压侧单相接地保护、过激磁保护、过负荷保护、瓦斯保护等。（1）主保护 ：差动保护基本原理与发电机纵差保护相似，建立在电流平衡的基础之上。但变压器高低压绕组之间是磁耦合而非电连接，等效电路中存在励磁分支，严格而言并不适用基尔霍夫第一定律。可是只要恰当选择两侧的CT变比，还是能够使保护装置区分正常运行/外部短路与内部短路。此外，匝间短路改变了变压器的变比，打破了原来的电流平衡，差动保护也可能动作。变压器差动保护固有的不平衡电流88变压器差动保护原理（机电式）2022/7/1489数字式变压器差动保护2

31、022/7/1490（1）主保护 ：差动保护（短路电流与励磁涌流之比较）变压器差动保护的特殊问题：1）变压器空载合闸时会产生很大的励磁涌流，差动保护中出现差电流，如不采取措施，将被误判为内部短路而跳闸。2022/7/1491变压器空载合闸的励磁涌流2022/7/1492空载合闸励磁涌流的特点1）二次谐波比例较高2）波形有间断利用以上特点，可构成带二次谐波制动的差动保护。此外，在过励磁时，也会产生较大的电流，这时，应是过激磁保护动作，差动保护不应动作。过激磁时的电流富含五次谐波成分，利用这一特点，可在差动保护中加入五次谐波制动特性。2022/7/1494变压器差动保护接线举例（2）相间短路后备保

32、护正常运行时，主变内部及高压引线短路的后备保护均由发电机低压闭锁带记忆过流保护兼任，电流取自发电机中性点CT ，不需另设保护。发电机停机时，GCB打开，系统经由主变倒送厂用电，发电机带电流记忆的低压闭锁过流保护退出，必须另设专门针对此种工况的主变后备保护。在高压线路发生短路时,这一保护应当避免启动,或者虽然启动,但应在定值和时间上与线路后备保护配合。以保证线路后备保护先动作。2022/7/1496（2）相间短路后备保护解决方案有如下几种，共同点是电流取自主变高压侧CT：1）复合电压过流保护或低压过流保护电压信号应取自主变低压侧VT。为了避免与线路后备保护的配合导致延时过长，此保护宜在GCB闭合

33、时退出。定值按躲开厂用变额定电流或SFC额定电流整定。2022/7/1497复合电压过流保护2022/7/1498（2）相间短路后备保护2） 方向过流保护 电压信号取自高压侧VT，电流方向指向主变。整定值按躲主变额定电流计算（抽水蓄能可逆机组）或按躲厂高变额定电流计算（常规机组），延时取1s，躲过振荡。定值与延时均不需与线路保护配合。发电机断路器（GCB）闭合运行时不退出，由于保护的方向性，输电线路短路时不会误动。2022/7/1499方向过流保护2022/7/14100（3）高压侧单相接地保护（零序电流保护）适用于中性点固定接地的变压器,两段的零序电流动作值和时间，分别与相邻线路保护的零序I

34、或II段以及零序过流相配合。（330kV/500kV）2022/7/14101中性点放电间隙保护适用于中性点经放电间隙接地的变压器（110kV/220kV）2022/7/14102主变保护(4)低压侧单相接地保护: GCB断开时，主变低压绕组和低压侧母线的接地保护(5)过激磁保护：防止主变铁心过激磁的保护(6)过负荷保护：防止因电流持续超出额定值引起绕组发热。(7)瓦斯保护：油浸变压器绕组短路或油位异常的保护。轻瓦斯（油位降低）只发信号，重瓦斯（短路引起油流和气流冲向油枕）立即跳闸。（8）温度保护（油温和绕组温度）（9）压力突增保护2022/7/14103瓦斯继电器原理2022/7/14104

35、采用干簧触点的瓦斯继电器105106热像法测量变压器绕组温度（thermal replica）2022/7/141073.4 高压电缆或高压管道母线保护如果水电站的主要设备布置在地下厂房，则不论高压开关站布置在地下或地面，都需要有一段高压电缆或高压管道母线联络地下与地面。这一段电缆或管道母线应设专门的保护。导引线差动保护是可选的方案之一，但存在电磁干扰问题。很多工程都采用了光纤差动保护方案，即将其视为一段输电线路，按线路光纤差动保护设置，后备保护（距离保护、零序电流保护）一律不投。电缆的光纤差动保护3.5 高压母线差动保护将母线视为一个大的电流节点，那么根据基尔霍夫第一定律，所有进线和出线流向

36、母线的电流的相量之和应当为零。I1+I2+I3+.+In=0（n为进出支路的总数）以上关系在正常运行时和母线以外短路时，都是成立的。但当母线上发生短路时，等于增添了不可预期的支路，以上关系不再成立。根据这一特点可以构成母线差动保护。双母线差动保护需接入母联断路器的电流，以便判断故障发生在哪条母线，只切除故障母线的进出线。双母线差动的逻辑图3.6 输电线路保护（1）电流保护（2）距离保护（3）高频保护（4）光纤差动保护 (5) 自动重合闸（1）电流保护单侧电源的电流保护由以下三段保护组成：1）速断保护：可无延时地快速切除故障，但只能保护线路的80%左右，不能保护线路末端的故障。用作主保护。2）限

37、时速断保护：能保护线路的全长和下段线路的一部分，但略带延时。3）过流保护：能保护线路的全长和下段线路，但带较长延时，需各级配合。用作后备保护。2022/7/14113三段保护的保护范围和时间配合2022/7/14114短路电流随短路发生位置的不同而变化，并与运行方式有关2022/7/14115阶段式方向电流保护在双侧或多侧电源的网络中，如果采用阶段式电流保护，在保护反方向发生接地短路时，不能依靠动作电流和动作时限来保证选择性的情况下，必须采用方向电流保护。2022/7/14116双侧电源线路的方向电流保护增设功率方向元件判断短路电流方向。如果短路功率从母线流向线路，则可判断为内部短路，是保护应

38、该动作的方向；如果短路功率从线路流向母线，则可判断为外部短路，是保护应该被闭锁的方向。两个方向的电流保护，分别采用三段式，分别实现定值和动作时间的配合。零序电流保护以上所述的相电流保护应用于35kV及以下的系统中，110 kV及以上的中性点接地系统中，多采用零序电流保护（后备保护）。其三段式构成与相电流保护类似，但零序电流的获取方式与相电流不同。2022/7/14118零序电压的获取方式2022/7/14119方向性的三段式零序电流保护的原理接线图 2022/7/14120（2）距离保护电流保护的动作范围随短路电流的变化而改变。而短路电流随运行方式的变化而变化。为了克服上述缺点，出现了不受运行

39、方式影响的距离保护。 距离保护反应故障点至保护安装处之间的距离（阻抗），并根据该距离的大小确定动作时限的一种继电保护装置。 2022/7/14121距离保护的时限特性距离保护时限特性与三段式电流保护相似2022/7/14122（3）高频保护以上各种线路保护只采集线路本侧的电流电压信号。这些保护都不能对线路的全线实现快速保护。高频保护是纵联保护的一种。它的动作判据不仅包括本侧的电流电压信号，还包括线路对侧的电流电压信号。高频保护包括高频距离、高频方向、高频相差等，下面仅以高频距离为例。2022/7/14123高频保护的基本构成1-阻波器2-结合电容器3-连接滤波器4-电缆5-高频收、发信机6-刀

40、闸2022/7/14124纵联保护信号处理的两种方式2022/7/14125闭锁式距离纵联保护原理(1)2022/7/14126闭锁式距离纵联保护原理(2)2022/7/14127（4）光纤差动保护光纤差动保护也是纵联保护的一种，需综合两侧的电流信号判断故障是否发生在区内。1）利用光纤通道同时传送三相电流及中线上零序电流的瞬时采样值（PCM信号）到对端；2）各端分别计算两端各相电流及零序电流的幅值和相位，求出两侧同名相电流的相量和及相量差。2022/7/14128光纤通信系统的构成示意图光纤通道可借助于架空地线复合光缆（OPGW）或自承式光缆(ADSS)2022/7/14129光纤电流差动原理

41、2022/7/14130光纤电流差动根据下式判断是否动作:|I1+I2|-K |I1-I2|IZD内部短路时，动作值|I1+I2|近似为二者绝对值之和，幅值很大，而制动值|I1-I2| 近似为二者绝对值之差， 幅值小。保护能可靠动作。外部短路时，动作值|I1+I2| 近似为二者绝对值之差，接近于0，而制动值|I1-I2| 近似为二者绝对值之和，幅值很大,动作方程不满足,保护不动作。2022/7/14131光纤电流差动光纤电流差动的技术关键是确保进行比较的两侧电流为同一时刻的电流，为此，应补偿因信号传输造成的时滞。可以采用卫星对时（北斗或GPS）或实测信号传输延迟时间等方式保障两侧电流的同时性。

42、2022/7/14132（5）自动重合闸运行经验表明，架空线路故障大都是“瞬时性故障”，如雷电引起的绝缘子表面闪络；大风引起的碰线；通过鸟类以及树枝等物掉落在导线上引起的短路等。在线路被继电保护迅速断开以后，电弧即可熄灭；故障点的绝缘强度重新恢复；外界物体（如树枝、鸟类等）也被电弧烧掉而消失。此时若把断开的线路断路器重新合上，就能够恢复正常的供电。 2022/7/14133三相一次重合闸2022/7/14134各种一次重合闸的比较1353.7 厂用电保护（1）厂用变压器保护容量在10MVA及以上者，采用纵差作为主保护，小于此容量者采用电流速断作为主保护，保护内部短路。电流速断定值躲过低压侧最大

43、短路电流，在高压侧短路电流为最小时应可靠动作。带延时的过电流保护，作为主保护的后备保护和低压侧保护的远后备保护。2022/7/141363.7 厂用电保护（2）电动机保护一般水电站的电动机为380V的低压电动机。应设的保护包括相间短路保护、单相接地保护、过负荷保护、低电压保护、断相保护等。（3）备用电源自动投入在双电源的情况下，工作电源消失后，备用电源应能自动投入。工作原则是：先断后投；只投一次。2022/7/141372022/7/141383.8 故障录波（1）故障录波器的功能故障录波器在系统发生故障时，自动、准确地记录故障前、后过程的各种电气量的变化情况。根据所记录波形，可以正确地分析判

44、断电力系统、线路和设备故障发生的确切地点、发展过程和故障类型，以便迅速排除故障和制定防止对策。 可以分析继电保护和高压断路器是否正确动作，及时发现设备缺陷，以便维修、更正。2022/7/14139（2）故障录波器的原理录波装置对接入的模拟量、开关量信号进行采集，并将采集数据保存到数据缓冲区中，每个周期对缓冲区进行更新。同时将采集的模拟量、开关量与用户设定的启动判据对照。一旦满足启动条件即开始按将缓冲区的数据和此后的故障过程数据, 全部永久保存起来，形成记录文件。2022/7/141404 测量与电能计量2022/7/141414.1 电气量测量（1）测量项目包括电流、电压、有功功率、无功功率、

45、功率因数、频率等。发电机、变压器、高压母线、输电线路、厂用电系统的测量项目各不相同，应符合DL/T5137 电测量及电能计量装置设计技术规程及DL/T 5413 水力发电厂测量装置配置设计规范的要求。采用计算机监控系统后，经常用屏柜上的液晶显示屏或中控室的工作站显示屏代替常规仪表。2022/7/14142测量项目配置举例（DL/T 5137） 2022/7/14143（2）测量方法 1）直接测量：适用于380/220V交流系统及220V或110V直流系统。2）经CT/VT测量：CT/VT最大输出为1A或5A/100V，适用于现地显示仪表。3）经经CT/VT+变送器测量：变送器输出为420mA，

46、既可以接现地显示仪表，也可以输出到计算机监控系统。变送器又可分为单功能变送器和组合式变送器。后者可以用数字通信的方式输出电流、电压、功率、功率因数等多个电气量。2022/7/14144直接测量、经CT/VT测量2022/7/14145经变送器测量2022/7/141464.2 电能计量（1）测量项目1）关口点（与电力系统有电能交换的位置）须按照DL/T5137、DL/T5202的规定及接入系统设计的要求，配置电能计费系统的终端系统，记录并传输双向有功电能和双向无功电能。CT采用0.2S级，VT采用0.2级。2）发电机出口、主变高压侧等位置按接入系统设计的要求，配置电能量计量装置。2022/7/

47、141472）二瓦计法与三瓦计法以下讲的两种接线方式，既适用于测量功率：W,kW,MW/var,kvar,Mvar，也适用于测量电能量：Wh,kWh,MWh/varh,kvarh,Mvarh。2022/7/14148二瓦计与三瓦计2022/7/14149二瓦计与三瓦计2022/7/141504.3 非电量测量（1）测量项目：水轮机-发电机、变压器、油气水系统和水库的温度、液位、压力、转速、流量、闸门开度等。具体配置方案应符合DL/T 5413的要求。（2）测量方法1）直接测量：适用于现地显示仪表。2）经过非电量变送器测量：（变送器输出420mA）既能现地显示，又能输送到计算机监控系统。2022

48、/7/14151互感器及其选择（单讲）2022/7/14152（跳跃闭锁问题 ANTI-PUMPING）5 断路器的操作回路2022/7/14153断路器的操作回路(无跳跃闭锁)2022/7/14154带防跳回路的断路器操作回路2022/7/141556 控制电源2022/7/14156（1）控制电源的类别1）直流电源2）交流电源厂用电UPS或逆变电源2022/7/14157（2）直流电源系统接线一组蓄电池的系统，采用单母线或单母线分段接线；两组蓄电池的系统，采用单母线分段接线，蓄电池组分接在不同母线上；两组蓄电池的系统，在两段母线切换时，应不中断供电。两组蓄电池允许短时并列。直流系统因蓄电池

49、组数不同、充电装置不同，可以采用的接线方式有67种之多。以下列举的是大中型水电站常用的接线。2022/7/141582022/7/141592022/7/141602022/7/14161（3）直流系统的主要设备1）蓄电池2）充电装置3）直流屏4）监控设备2022/7/141621） 蓄电池a)蓄电池的分类铅酸蓄电池正负电极分别为PbO2和Pb，硫酸溶液作为电解质。* 防酸隔爆式铅酸蓄电池电池端盖上有拧紧的防酸隔爆帽，充电过程中产生的氢、氧气体可经由防酸隔爆帽逸出，酸雾则被阻挡，重新滴落到电池槽中。2022/7/14163a)蓄电池的分类* 阀控式密封铅酸蓄电池电解液为胶体或被吸附在玻璃纤维隔

50、膜中，没有流动性。正常时保持气密和液密状态，当内部气压超过预定值时，安全阀自动开启，释放气体，气压降低后安全阀自动闭合。无需补加电解液。（现为水电站的首选，有时被不准确地称为“免维护”蓄电池）碱性蓄电池，即镉镍蓄电池 （国内很少用，有的涉外工程要求）2022/7/14164b) 蓄电池的电压与个数电压单体电池有2V、6V和12V三种。12V的蓄电池，最大容量为250Ah。2V的蓄电池，最大容量可达3500Ah。蓄电池组的电压国内多为220V，少数为110V。国外多为110V或125V。蓄电池组的电池个数，与单体电池的浮充电电压有关。220V的蓄电池组可能由102107个电池组成。2022/7/

51、14165c）蓄电池组的数量电站总装机容量在250MW以下时，可只设一组蓄电池。总装机容量在250MW以上时，应设两组蓄电池。220kV500kV变电站应设两组或两组以上蓄电池。机组台数多、枢纽布置分散时，可以装设多组蓄电池（例如在大坝、主变洞设置独立的蓄电池组）。机组容量特别大时，以机组为单元设蓄电池。大容量蓄电池组需安装在专门的蓄电池室。小容量的蓄电池组可以装于盘柜内。2022/7/14166d) 直流负荷分类按负荷性质分类，可分为经常负荷、事故负荷和冲击负荷。 经常负荷直流电源在正常和事故工况下，都应可靠供电的负荷称为经常负荷。 包括继电保护装置、励磁装置、调速器、监控系统的LCU等。

52、事故负荷在变电站交流电源消失后，全站停电状态下，必须由蓄电池供电的负荷称为事故负荷。主要为事故照明负荷。蓄电池承担事故负荷的持续时间称为事故放电时间，应不小于1小时。 冲击负荷冲击负荷主要有发电机起励电流、直流油泵等。 2022/7/14167e) 蓄电池的容量蓄电池的容量符号为C,单位为“安时”（Ah）。国内蓄电池的标称容量多用10小时放电率确定。例如容量为500Ah的蓄电池，如果以50A的恒流放电，理论上应该刚好10个小时放完。所以O.lC的放电率做为标准的放电电流。采用0.1C的放电率做标准，是因为不同放电率放电，释放出来的总能量是不同的。确定蓄电池容量：分类统计直流负荷及其持续时间，然

53、后通过查图表、计算或计算机程序来确定蓄电池容量。2022/7/14168f）蓄电池的放电特性2022/7/141692）充电装置a)充电装置的功能水电厂的充电装置大都兼作浮充电装置。所谓浮充电，指充电装置承担负荷，同时向蓄电池补充充电，以弥补蓄电池的自放电，使蓄电池以满容量的状态处于备用。长时间的浮充有可能使各电池的端电压、密度不均衡，出现“落后电池”。此外，极板上可能积累不能还原的PbSO4，影响电池寿命。所以有必要使电池定期地脱离浮充，进行10h放电率放电，再充电到正常电压，然后重新投入浮充运行。2022/7/14170b) 充电装置的类型 晶闸管相控型对交流电源谐波污染大。 高频开关型优

54、点：体积小效率高稳压精度高模块化，易于实现冗余 2022/7/14171晶闸管相控型充电装置2022/7/14172高频开关电源充电装置(采用脉宽调制原理）PWM（ Pulse Width Modulation）2022/7/14173脉宽调制与占空比占空比 ：脉波高电位的时间占整个周期的比例. 占空比 = 脉波高电位的时间 /脉波周期假如周期T=64ms，脉冲宽度D=32ms,则占空比=32/64=50% 。假如周期T=64ms，脉冲宽度D=16ms,则占空比=16/64=25% 。PWM即脉冲宽度调制，就是调整占空比。逆变时，如果增大占空比，则增大了方波电压的有效值，从而增大了整流后直流电

55、压的幅值。2022/7/14174脉宽调制与占空比2022/7/141752022/7/141763）直流屏由母线、断路器、刀开关、熔断器和电流表、电压表、绝缘监测装置等组成。大容量的负荷，如事故照明、起励、直流油泵等，直接从直流屏馈电；继电保护、调速、励磁、监控LCU等宜由机旁直流分电屏供电，分电屏由电站的直流屏馈电。2022/7/141774）监控设备监控装置主要用来统一管理直流系统各装置，监视直流系统的运行情况，进行采集数据并处理，同时与电站监控系统建立通信联系。绝缘监视装置用于在线检测直流电源系统的绝缘电阻、母线电压及母线对地电压，当出现异常时发出报警信号。蓄电池巡检装置用于在线检测蓄

56、电池组电压、容量，以及每只蓄电池的单体电压，便于蓄电池组的检修和维护。2022/7/14178（4）交流电源用于控制的交流电源分为两类：厂用电；不间断电源装置（UPS）或逆变电源。对于交流供电负荷，作为交、直流双供电源中的交流或其他辅助交流电源，可直接采用厂用电电源，通过设置交流电源分盘或直接取自低压配电盘。对于监控系统主控级等重要交流负荷，则采用UPS或逆变电源供电。 2022/7/14179（4）交流电源UPS由交流整流直流，再由直流逆变成交流，直流电源可自配蓄电池，也可利用电站直流系统蓄电池。 逆变装置由直流逆变成交流，直流取自电站直流系统。逆变装置经常被当作UPS的一种。自配蓄电池的UPS,其蓄电池的维护容易被忽视，所以推荐采用借用电站蓄电池的UPS或逆变电源。2022/7/14180UPS和逆变电源的比较2022/7/14181UPS和逆变电源的冗余方式2022/7/141827 机电设备的布置2022/7/14183（1）厂区布置厂区布置指水电站的主厂房、副厂房、主变压器场、高压开关站、引水