水电站继电保护课程设计分析

1引言

1.1摘要

由于大型水电站的母线、发电机和变压器的构造比较复杂，在运行过程中都也

许会发生多种各样的故障和异常运行状态，为了保证在保护范围内发生故障，都能

有选择性的迅速切除故障，需要配置多种继电保护装置，必要时进行多重化配置，

从而将水电站中重要设备的危害和损失降到最小，对电力系统口勺影响最小。

发电机是电力系统中的中口勺一种重要构成部件，发电机口勺安全运行对保证电力

系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用。因此，继电保护装置对大型水电站

的正常运行起着至关重要的作用。

通过本课程设计，使学生掌握和应用电力系统继电保护的设计、整定计算、费

料整顿查询和电气绘图等使用措施。在此过程中培养学生对各门专业课程整体观口勺

综合能力，通过较为完整的工程实践基本训练，为全面提高学生口勺综合素质及增强

工作适应能力打下一定的基础。本课程重要设计发电机继电保护的原理.、配置及整

定计算，给此后继电保护口勺工作打下良好向基础。

1.2原始资料

某水电站（如下图1）所示:

图1水电站系统图

(1)水电站有3200KW水轮发电机2台，通过7500KVA变压器以35KV的

电压与系统连接，当35KV母线短路时，系统供应的最大运行方式下的短路容量

为100MVA,最小运行方式下的短路容量为80MVAo

(2)厂用电、近区出线供电由发电机母线引出，出线为架空线，长度为5KM,

0.4/KMo

(3)变压器参数为：容量7500KVA,变比35/6.3、Ud=7.5%,所用变容量为

100KVA、变比6.3/0.4、Ud=4.5%。

(4)发电机参数为：容量3200KW、功率原因0.8、X''d=0.2、X2=0.25o

1.3设计工作任务

(1)选择发电机保护所需的电流互感器变比、计算短路电流。

(2)设置发电机保护并对其进行整定计算。

(3)绘制出发电机继电保护展开图。

(4)绘制出发电机保护屏屏面布置图及设备表。

(5)写出阐明书。

(6)选出所需继电器的规格、型号。

2继电保护系统概述

2.1继电保护概述

继电保护重要运用电力系统中元件发生短路或异常状况时的电气量(电流、电

压、功率、频率等)日勺变化，构成继电保护动作的原理，也有其他日勺物理量，如变

压器油箱内故障时伴随产生的大量瓦斯和油流速度H勺增大或油压强度的增高。大多

数状况下，不管反应哪种物理量，继电保护装置都包括测量部分(和定值调整部分)、

逻辑部分、执行部分。

继电保护及自动化是研究电力系统故障和危及安全运行日勺异常工况，以探

讨其对策口勺反事故自动化措施。因在其发展过程中曾重要用有触点的继电器

来保护电力系统及其元件(发电机、变压器、输电线路等)，使之免遭损害,

全规定的、有选择地切除被保护设备或线路故障的保护。

后备保护是指当主保护或断路器拒绝动作时，用以将故障切除H勺保护。后备保

护可分为远后备和近后备保护两种。

远后备是指主保护或断路器拒绝时，由相邻元件的保护部分实现的后备；

近后备是指当主保护拒绝动作时，由本元件的另一套保护来实现的后备，当断

路器拒绝动作时，由断路器失灵保护实现后备。

继电保护装置需有操作电源供应保护回路，断路器跳、合闸及信号等二次回路。

按操作电源性质的不同样，可以分为直流操作电源和交流操作电源。一般在发电厂

和变电所中继电保护的操作电源是由蓄电池直流系统供电，因蓄电池是一种独立电

源，最大的长处是工作可靠，但缺陷是投资较大、维护麻烦。交流操作电源日勺长处

是投资少、维护简便，但缺陷是可靠性差。

2.3继电保护规定

1）选择性：当电力系统发生故障时，只让离故障点近来的保护装置动作，切

除故障元件，保证其他电气设备的正常运行，

2）迅速性：当电力系统发生故障时，迅速切除故障可以减轻短路电流对电气

设备日勺破坏程度，尽快答复供电系统的I正常运行。

3）可靠性：保护装置必须常常处在准备状态，一旦在本保护区发生短路故障

或不正常工作状态时，它都不该拒绝动作或误动作，而必须可靠动作。

4）敏捷性：保护装置对其在本保护区发生故障或不正常工作状态，无论其位

置怎样，程度轻重，均有足够的反应能力，保证动作。多种保护装置日勺敏捷性用“敏

捷度”来衡量。

3短路计算

3.1短路计算目的

在发电厂的电气设计中，短路电流计算是其中的一种重要环节，其目的是：

1在选择电气主接线时，给比较多种接线方案提供根据，和确定某一接线与否

需要采用措施限制短路电流等。

2为了保证所选择的载流导体及电器元件在正常运行和短路状况下都能安全，

可靠地工作，同步又节省资金，这就需对有关短路电流值进行动稳定、热稳定和开

断能力的检查。

3为选择继电保护方式和进行整定计算提供根据。

4接地装置日勺设计，也需用短路电流。

电力系统中，发生单相短路的几率最大，而发生三相短路的也许性最小。不过

三相短路导致口勺危害一般来说最严重。为了使电力系统日勺电气设备在最严重口勺短路

状态下也能可靠地工作，在选择和校验电气设备的短路计算中，常以三相短路计算

为主。

3.2短路计算环节

在工程计算中短路电流的计算常采用实用曲线法，其计算环节如下：

(1)选择计算短路点；

(2)画等值网络图；

A、选用基准容量品=100MV<4和基准电压力=嗫。

B、首先去掉系统中的所有负荷分支。线路电容、各元件的电阻，发电机电抗

用次暂态电抗X"

C、将各元件电抗换算为同一基准的标么值电抗。

D、汇出等值网络图，并将各元件电抗统一编号。

E、化简等值网络：为计算不同样短路点日勺短路电流值，需要将等值网络分别

化简为短路点为中心的辐射形等值网络，并求出各电流与短路点之间的电抗，即转

移电抗X,f以及无限大电源对短路点日勺转移电抗X,。

(3)求出计算电抗,Xw=X/学(/=1,2,3.....g)

SB

式中.为第i台等值发电机H勺额定容量。

(4)由运算曲线查出个电源供应H勺短路电流周期分量标么值(运算曲线只作

到X-3.5)。

(5)计算无限大功率的电源供应的短路电流周期分量。

(6)计算短路电流周期分量有名值和短路容量。

(7)计算冲击电流。

3.3短路计算过程

3.3.1确定短路计算日勺基准值

根据原始资料，设功率基准值SB=100MVA，基准电压UH=38.53.

S_100ME4

则s=1.5M.

B瓜-6x38.5匹

短路电路中电抗标幺值计算

(1)在原始资料中，发电机组用的两台容量3200KW、功率原因0.8、X-d

=0.2、Xa=0.25的发电机,根据公式:

100

X；=X?=0.25x=6.25

3.2/().8

因此发电机标幺值XFX2=6.25

(2)系统中，有两台变压器，变压器Z容量为100KVA、变比6.3/0.4、Ud

=4.5%o变压器T2为容量7500KVA、变比35/6.3、Ud=7.5%。

=生心叽45

因此变压器7；

100WOkVA

5100M<4

变压器41x}=0.6

1007500^V<4

(3)厂用电、近区出线供电由发电机母线引出，出线为架空线，长度为5KM,

0.4/KMo

因此架空线路X；=(0.4x5)Qx10QME4=4.16

5(6.93ZrV)2

因此绘短路计算等效电路如图3.1所示。

图3.1等效电路

三相短路电流日勺计算

由上面计算各部分的阻抗标幺值得到

总电抗标幺值X]=X；//X；//X；//X；+X：=1.72+0.6=2.32

再由此得出三相短路电流周期分量有效值

z<3）1B_坐1=0.647M

人=X*=2.32

其他短路电流

/“⑶=/*=/『）=0647M

以=2.55/w=2.55x0.647M=1.65M

/『二1.51/⑶=1.51x0.647姑=0.98人

3.4电流互感器的选择

3.4.1电流互感器工作原理

电气一次回路的工作电流一般较高，二次仪表在对一次回路进行测量时，需要

转换为比较统一、安全的电流。电流互感器是一种升压（降流）变压器，也是一种

传感器，将电流按比例转换成H勺电流，其一次侧接一次系统，二次侧接二次设备，

电力系统中的二次设备如测量仪表、继电保护等，可通过电流互感器获得电气一次

回路H勺电流信息，它起着变流和电气隔离H勺作用，防止直接测量线路的危险。

3.4.2发电机电流互感器日勺选择

q3?no

发电机G?一次侧额定电流：IN=-^=——=507.94A

UN6.3

查资料后选用LA-10/600的电流互感器，其原则变比为：600/5=120o

因此电流互感器口勺一次侧电流为。％07.94/120=4.23A。

4发电机继电保护

在电力系统中，发电机是一种尤其重要的电器元件，决定着电力系统的正常工

作与电能质量。同步，发电机自身价格昂货，因此，必须装设性能完善向继电保护

装置，用于针对发电机多种故障和不正常运行状态。

4.1故障分析

4.1.1故障类型

（1）定子绕组相间短路：危害最大；

（2）定子绕组一相的匝间短路：也许演变为单相接地短路和相间短路；

（3）定子绕组单相接地：较常见，烧坏铁芯或导致局部融化；

（4）转子绕组一点接地或两点接地：一点接地时危害不严重；两点接地时，

因破坏了转子磁通的平衡，也许引起发电机日勺强烈震动或烧损转子绕

组；

（5）转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失：从系统吸取无功功率，导致失

步，从而引起系统电压下降，甚至可使系统瓦解。

4.1.2不正常运行状态

（1）外部短路引起日勺定子绕组过电流：温度升高，绝缘老化；

（2）负荷等超过发电机额定容量而引起日勺三相对称过负荷：温度升高，绝缘

老化；

（3）外部不对称短路或不对称负荷而引起的发电机负序过电流和过负荷：在

转子中感应出100Hz日勺倍频电流，可使转子局部灼伤或使护环受热松脱，对发电机

导致重大损害。

（4）忽然甩负荷引起的定子绕组过电压：调速系统惯性较大发电机，在忽然

甩负荷时，也许出现过电压，导致发电机绕组绝缘击穿。

（5）励磁回路故障或强励时间过长而引起日勺转子绕组过负荷；

（6）汽轮机主气门忽然关闭而引起的发电机逆功率：发电机不发出有功功率

而从系统中吸取有功功率，导致发电机转为电动机运行，原因调速控制回路故障、

机炉保护动作或某些认为原因。

4.1.3保护类型

1.发电机纵差动保护：定子绕组及其引出线的相间短路保护；

2.横差动保护：定子绕组一相匝间短路日勺保护；

3.单相接地保护：对发电机定子绕组单相接地短路H勺保护；

4.发电机的失磁保护：针对转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失设置的保

护；

5.过电流保护：反应外部短路引起的过电流，同步作为纵差动保护的后备保

护；

6.负序电流保护：反应不对称短路或三相负荷不对称时，发电机定子绕组中

出现日勺负序电流；

7.过负荷保护：发电机长时间超负荷运行时，作用于信号的保护；

8.过电压保护：反应忽然甩负荷而出现日勺过电压；

9.转子一点接地保护和两点接地保护：励磁回路时接地故障保护；

10.转子过负荷保护；

11.逆功率保护：汽轮机主汽门误关闭同步发电机出口断路器未跳闸，发电机

失去原动力，从发电机运行转为电动机运行，从电力系统中吸取有功功率。危害：

汽轮机尾部叶片有也许过热而导致事故。

本发电厂发电机保护装置日勺设置可根据以上原则并结合小型水电站状况进行，

对发电机发电机比率制动式纵差保护和定子叵间短路保护进行整定计算。

4.2发电机比率制动式纵差保护(主保护)原理及其整定计算

4.2.1比率制动式差动保护原理

比率制动式纵差保护仅反应相间短路故障。具有比率制动特性的差动保护的二

次接线如图L2所示。图中，KVI串接于三相电流互感器日勺中性线上，反应中性线

上的电流大小，作为差动保护TA断线监视用，延时发信号。

当差动线圈匝数用与制动线圈匝数公s的关系为卬皿=1/21%时，

图1.2具有比率制动特性的差动保护日勺二次接线

差动电流：/d=(Aa］四公

/M=/tl)/公

制动电流：

比率制动式差动保护H勺动作方程为:

[d'K('/rs—res.mind.minyres>res.min

1d>d.min»res~res.min

式中：/nl,」已次电流；.7U二次电流;

以一一电流互感器变比。ld一一差动电流或称动作电流

J一一制动电流/心.喻一一拐点电流

I<Lmin一一启动电流K一一制动斜率

差动保护的制动特性如图1.2.1中时折线力比所示。图中，纵坐标为差动电流

h，横坐标为制动电流乙S。

为了对日勺进行整定计算，首先应理解纵差保护日勺不平衡电流与负荷电流和

外部短路电流间日勺关系。

发电机纵差保护用的10P级电流互感器，在额定一次电流和额定二次负荷条件

下的比误差为±3%。因此，纵差保护在正常负荷状态下欧J最大不平衡电流不不不大

于6%o但伴随外部短路电流的增大和非周期暂态电流欧I影响，电流互感器饱和，

不平衡电流将急剧增大，实际的不平衡电流与短路电流的关系曲线如图1.2.1中日勺

曲线OED所示。

根据比率式制动特性曲线分析工当发电机正常运行时，或区外较远的地方发生

短路时，差动电流靠近为零，差动保护不会误动。发电机内部发生短路故障时，差

动电流明显增大，

图L4比率制动式差动保护的制动特性

人和相位靠近相似，减小了制动量，从而可敏捷动作。当发生发电机内部

轻微故障时，虽然有负荷电流制动，但制动电流比较小，保护一般也能可靠动作。

比率制动式差动保护的整定计算

1、启动电流日勺整定：

'd.min—长如“(/“|+，er2)

式中K”,一一可靠系数，取1.5~2

g一一保护两侧的TA变比误差产生的差流，取0.06&(&为发电机额定电

流)；

/“2一一保拧两侧的二次电流误差(包括二次回路引线差异以及纵差动保护输

入通道变换系数调整不一致)产生日勺差流，取0.1/到。

因此：小访二。24〜0.32)&,一般取0.3&。

因此：〃而n=0・3&=0.3*4.23=1.269(A)

2、拐点电流/…*欧)整定：

&.mi"35~1.0)&=(2.115〜4.3)A

3、比率制动特性/、J制动系数长印和制动斜率K『、J整定。

发电机纵差动保护比率制动特性日勺制动斜率K,决定于夹角a。可以看出，当

拐点电流确定后，夹角a决定于C点。而特性曲线上HJC点又可近似由发电机外部

故障时最大短路电流/一『与差动回路中的最大不平衡电流/.m”确定。由此制动

系数可以体现为：

k_/〃必max

1A:.max

而制动线斜率K则可体现为:

K-,“nb.max'd.min

4.max-，心.min

差动回路中日勺最大不平衡电流，除与纵差动保护用两侧TA日勺10%误差、二次

回路参数差异及差动保护测量误差有关外，也与纵差动保护两侧TA暂态特性有关。

因此故障时，为躲开最大不平衡电流，C点电流应取为：

=^（0.1+0.14-K/M「lax

式中K向一一可靠系数，取1.3~1.5；

K,——暂态特性系数，相似时取0,不同样步取0.05〜0.1；

Jmax——最大动作电流。

于是可得。（0.26~0.45）ZA,,nax。令心"二鼠小，可得K心=（0.26~0.45）0

因此，对于发电机完全纵差动保护，K心可取0.3；而对不完全纵差动保护，K心

可取0.3%.4o而对制动斜率4可以根据公式K=，wx-〃min求得。

4max-^.min

4.3发电机定子匝间短路保护（横差保护）原理及整定计算

发电机定子匝间短路保护原理，重要有发电机纵向零序过电压及故障分量负序

方向型匝间保护，不仅作为发电机内部匝间短路的主保护，还可作为发电机内部相

间短路及定子绕组开焊的保护；故障分量负序方向（AP2）保护应装在发电机端，不

仅可作为发电机内部匝间短路的主保护，还可作为发电机内部相间短路及定子绕组

开焊口勺保护；高敏捷零序电流型横差保护，作为发电机内部匝间、相间短路及定子

绕组开焊口勺主保护。

发电机横差保护，是发电机定子绕组匝间短路（同分支匝间短路及I司相不同样

分支之间日勺匝间短路）、线棒开焊的主保护，也能保护定子绕组相间短路。

单元件横差保护，合用于每相定子绕组为多分支，且有两个或两个以上中性点

引出的发电机。

发电机单元件横差保护的输入电流，为发电机两个中性点连线上H勺TA二次电

流。以定子绕组每相两分支的发电机为例，其交流输入回路示意图如下所示:

理想发电机正常时中性点连线上不会有电流产生，实际上发电机不同样中性点

之间从在不平衡电流，原因如下：

(1)定子同向而不同样分支口勺绕组参数不完全相似，致使两端的电动势及支

路电流有差异。

(2)发电机定子气息磁场不完全均匀，在不同样定子绕组中产生的感应电动

势不同样。

(3)转自偏心，在不同样日勺定子绕组中产生不同样电动势。

(4)存在三次谐波。

因此单原件纵差保护动作电流必须克服这些不平衡，整定式为：

”(0.25-0.31%

/“加额定工况下，同相不同样分支绕组由于绕组之间参数H勺差异产生H勺不平

衡电流，由于是三相之和，一般可取5%/

/“汕2磁场气隙不平衡产生日勺不平衡电流，一般可取10%做

1”册转自偏心产生日勺不平衡电流，一般取10%/小

K"可靠系数，取1.2—1.5

把各系数代入得&=(0.25-0.31)/婢=(1.0575-1.3113)A

4.4励磁回路两点接地保护

当发电机励磁回路发生两点接地故障时，部分励磁线圈将被短路，由此由于气

隙磁势的对称性遭到破坏，也许使转子产生剧烈振动，因此在发电机上需要装设励

磁回路两点接地保护，该装置只设一套,并仅在励磁回路中出现稳定性的一点接地

时才投入工作。

4.5过负荷保护整定

过负荷保护是动作于信号H勺保护，考虑到过负荷对称性，该保护只有一相中装

设，并与过电流保护共用一组互感器，保护由电流继电器及时间继电器构成。

电流继电器动作值按照下式计算: