电力系统继电保护课程设计报告
（20##—20##学年 第一学期）
题 目 100MW发电机组继电保护自动装置的整定计算
系 别 电子与电气工程系
专 业 电气工程及其自动化
班 级 0920325
学 号 092032512
姓 名
指导教师 黄新
完成时间 2012.11.26
评定成绩
目 录
第一章 绪 论............................................................................................................. 1
1.1继电保继电保护概述........................................................................................... 1
1.2 课程设计的主要内容及基本思想....................................................................... 2
1.2.1毕业设计的主要内容、功能及技术指标...................................................... 2
1.2.2课程设计的基本思想及设计工作步骤.......................................................... 3
第二章 发电机变压器组参数及系统运行方式................................................................... 4
2.1 100MW发电机组一次电气主接线方式................................................................... 4
2.2 主要设备型号及参数.......................................................................................... 5
2.2.1发电机的选型............................................................................................. 5
QFSN—100--2................................................................................................................... 5
2.2.2变压器的选型单元接线的主变压器............................................................. 6
2.3系统运行主变压器和发电机中性点接地方式........................................................ 6
2.3.1变压器中性点接地方式............................................................................... 6
2.3.2发电机中性点采用非直接接地方式............................................................. 7
2.4相关短路点及短路方式的选择............................................................................. 7
2.4.1基准值选择................................................................................................ 7
2.4.2线路等值电抗计算...................................................................................... 7
2.4.3变压器等值电抗计算.................................................................................. 7
2.5 短路计算点的选择.............................................................................................. 8
2.5.1电网等效电路图......................................................................................... 8
2.5.2 系统阻抗计算............................................................................................ 8
2.5.3 d6点短路计算............................................................................................ 8
2.5.4 d3点短路计算............................................................................................ 9
2.5.5 整定电流选择............................................................................................ 9
第三章 发电机变压器组保护配置的选取及整定原则....................................................... 9
3.1发电机部分—发电机纵差保护整定.................................................................... 10
3.2变压器部分-瓦斯保护........................................................................................ 11
3.2.1 变压器瓦斯保护的作用............................................................................ 11
3.2.2 变压器轻瓦斯保护的原理........................................................................ 12
3.2.3 轻瓦斯保护的整定................................................................................... 12
第四章 继电保护整定计算............................................................................................ 12
4.1发电机部分——发电机纵差保护整定................................................................. 12
4.2继电保护整定计算结果一览表........................................................................... 13
第五章 实训总结.......................................................................................................... 14
第六章参考文献............................................................................................................. 14
第一章 绪 论
1.1继电保继电保护概述
电力系统在运行中，由于电气设备的绝缘老化、损坏、雷击、鸟害、设备缺陷或误操作等原因，可能发生各种故障和不正常运行状态。最常见的而且也是最危险的故障是各种类型的短路，最常见的不正常运行状态是过负荷，最常见的短路故障是单相接地。这些故障和不正常运行状态严重危及电力系统的安全和可靠运行，这就需要继电保护装置来反应设备的这些不正常运行状态。
所谓继电保护装置，就是指能反应电力系统中电气设备所发生的故障或不正常状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。它的基本作用是：
⑴ 当电力系统发生故障时，能自动地、迅速地、有选择性地将故障设备从电力系统中切除，以保证系统其余部分迅速恢复正常运行，并使故障设备不再继续遭受损坏。
⑵ 当系统发生不正常状态时，能自动地、及时地、有选择性地发出信号通知运行人员进行处理，或者切除那些继续运行会引起故障的电气设备。
可见，继电保护装置是电力系统必不可少的重要组成部分，对保障系统安全运行、保证电能质量、防止故障的扩大和事故的发生，都有极其重要的作用。为完成继电保护的基本任务，对于动作于断路器跳闸的继电保护装置，必须满足以下四项基本要求：
⑴ 选择性
选择性是指电力系统发生故障时，继电保护仅将故障部分切除，保障其他无故障部分继续运行，以尽量缩小停电范围。继电保护装置的选择性，是依靠采用合适类型的继电保护装置和正确选择其整定值，使各级保护相互配合而实现的。
⑵ 快速性
为了保证电力系统运行的稳定性和对用户可靠供电，以及避免和减轻电气设备在事故时所遭受的损害，要求继电保护装置尽快地动作，尽快地切除故障部分。但是，并不是对所有的故障情况，都要求快速切除故障，应根据被保护对象在电力系统中的地位和作用，来确定其保护的动作速度。
（3）灵敏性
灵敏性是继电保护装置对其保护范围内发生的故障或不正常工作状态的反应能力，一般以灵敏系数K表示。灵敏系数K越大，说明保护的灵敏度越高。每种继电保护均有特定的保护区(发电机、变压器、母线、线路等)，各保护区的范围是通过设计计算后人为确定的，保护区的边界值称为该保护的整定值。
⑷ 可靠性
可靠性是指当保护范围内发生故障或不正常工作状态时，保护装置能够可靠动作而不致拒绝动作，而在电气设备无故障或在保护范围以外发生故障时，保护装置不发生误动。
保护装置拒绝动作或误动作，都将使保护装置成为扩大事故或直接产生事故的根源。因此，提高保护装置的可靠性是非常重要的
以上对继电保护装置所提出的四项基本要求是互相紧密联系的，有时是相互矛盾的。例如，为了满足选择性，有时就要求保护动作必须具有一定的延时，为了保证灵敏度，有时就允许保护装置无选择地动作，再采用自动重合闸装置进行纠正，为了保证快速性和灵敏性，有时就采用比较复杂和可靠性稍差的保护。总之，要根据具体情况 (被保护对象、电力系统条件、运行经验等)，分清主要矛盾和次要矛盾，统筹兼顾，力求相对最优。
1.2 课程设计的主要内容及基本思想
本次设计的主要内容是一个100MW火力发电厂的电气二次部分设计。在这次设计中一共分通过以下几个步骤来完成成本次的设计任务。
1.2.1毕业设计的主要内容、功能及技术指标
1、电厂规模与主要技术指标：
（1）装机容量: 装机3台，容量分别为 2X25+50=100MW, UN=10.5KV
（2） 保证供电安全、可靠、经济；
2、主要内容：
（1）确定保护配置：根据设计任务书，分析原始资料与数据，对电厂扩建发变机组进行保护配置的选取
（2）整定计算：选择发电机变压器的保护配置对其进行整定计算。
（3）绘制保护配置图：根据电气主接线发变机组的保护要求，绘制保护配置图
1.2.2课程设计的基本思想及设计工作步骤
1.主变压器的选择
发电厂100MW及以上机组为发电机变压器组接线时的主变压器应满足DL5000—2000《火力发电厂设计技术规程》的规定：“变压器容量可按发电机的最大连续容量扣除一台厂用变压器的计算负荷和变压器绕组的平均温度或冷却水温度不超过650C的条件进行选择”。
2.保护配置
发变机组的保护是保证电网的安全可靠、经济运行的关键，是提高供电可靠性的基础。
发变机组的保护配置选取原则是：确定保护配置方案时应遵照现行有关继电保护的国标GB/T15145-94《发电机变压器保护装置通用技术条件》、行标DL/T587-1996《微机继电保护运行管理规定》、反事故措施要求等规定；配置的保护性能完善、动作快速、功耗小、便于运行、维护；配置的保护应为具有相应电压等级系统成功运行经验的微机保护；保护选型同时要有利于标准化和规范化管理。应可靠性、灵活性和经济性的要求。
3、继电保护整定计算
短路就是指不同电位的导电部分包括导电部分对地之间的低阻性短接。继电保护整定计算是发电厂和变电所电气二次设计的主要计算项目，它涉及接线方式及保护设备选择。保护整定的计算对保护方式的选择起到验证的作用，能够更合理的对发变机组的保护配置进行选择，保证系统的安全可靠性。
第二章 发电机变压器组参数及系统运行方式
2.1 100MW发电机组一次电气主接线方式
该电厂两台100MW汽机发电机组采取发电机-主变压器-110kV线路组单元制接线方式接入系统，本发电厂内不设升压站（母线），即发电机发出10.5kV的电经主变压器升压至110kV后经110kV线路（4×LGJ-400四分裂导线）直接输送到上级电网上的变电站110kV母线（双母线分段接线），发电机出口不设开关；
(1) 各变电站、发电厂的操作直流电源电压U=220V；
(2) 发电厂最大发电容量2×25+50=100MW，最小发电容量为50MW，正常运行方式为发电厂发电容量最大，即100MW；
(3) 线路X1=0.4Ω/km, X0=0.4Ω/km；
(4) 变压器均为YN，D11，110±2.5%/10.5KV, UK=10.5%；
(5) △t=0.5S,负荷侧后备保护动作时间tdz=1.5S, 允许的最大故障切除时间为0.85S，变压器和母线均配置有差动保护；
(6) 发电厂升压变中性点直接接地，其他变压器不接地；
(7) 110KV断路器跳闸时间为0.07S，
(8) 线路AC、BC、AB、CD的最大负荷电流分别为：230、150、230、140A，负荷自启动系数Kss=1.5；
由于厂内不设母线，厂用电系统所需的启动备用电源必须从厂外电网引入，本厂启动备用电源可采用从电网购电方式，从附近热电公司110kV母线上引接一路电源，经110kV线路送电至启备变压。
2.2 主要设备型号及参数
2.2.1发电机的选型
（一）汽轮发电机由汽轮机直接耦合传动。励磁机是向汽轮发电机提供励磁的设备。
1. 冷却方式
采用的冷却方式，定子绕组和转子有空冷、水内冷和氢冷等。在转子氢内冷系统中，又有轴向通风等多种方式。
2. 励磁方式
发电机容量在100MW以上的普遍采用同轴交流励磁机经静止半导体整流励磁方式。
（二）选型
1.选择型号
QFSN—100--2
型号含义； 2——2极
100——额定容量
N——氢内冷
F——发电机
Q——汽轮机
S——水内冷
2.QFSN—100—2型汽轮发电机主要参数
本次设计题目为2×25+50MW的火力发电厂电气部分的设计。由于装机容量: 装机3台，容量分别为2X25+50MW, UN=10.5KV，所以可以选取的发电机台数有二台。考虑到汽轮机的最大连续进汽量工况出力系制造厂为补偿制造偏差和汽轮机等老化所留的余度，也即汽轮机不宜在此工况下长期连续运行，所以，发电机的最大连续出力在功率因数和氢压为额定值时与汽轮机的最大连续出力配合即可。
2.2.2变压器的选型单元接线的主变压器
发电机与主变压器为单元接线时，发电机和变压器成为一个单元组，电能经升压后直接进入高压电网。这种接线由于发电机和变压器都不能单独运行，因此，二者的容量应当相等。所以这个双绕组变压器的容量等于所选发电机的额定容量，即
所选型号为：SSP3—26000型
Se=246mw,Ud=0.105,接线Y/△-11,分接头110
2.5%/10.5KV,分级绝缘。
2.3系统运行主变压器和发电机中性点接地方式
选择电力网中性点接地方式是一个综合性问题。它与电压等级、单相接地短路电流、过电压水平、保护配置等有关，直接影响电网的绝缘水平、系统供电的可靠性和连续性、主变压器和发电机的运行安全以及对通信线路的干扰等。
2.3.1变压器中性点接地方式
电力网中性点接地方式，决定了主变压器中性点接地方式。
主变压器的110KV侧采用中性点直接接地方式。
2.3.2发电机中性点采用非直接接地方式
发电机钉子绕组发生单相接地故障时，接地点流过的电流后是发电机本身及其引出回路所连接元件的对地电容电流。
本次设计采用发电机中性点经消弧线圈接地方式。由于它适应于单相接地电流大于允许值的中小机组或100MW及以上大机组。消弧线圈可接在直配线发电机的中性点上。当发电机为单元接线时，则应接在发电机的中性点上。
2.4相关短路点及短路方式的选择
2.4.1基准值选择
基准功率：SB=100MV·A，基准电压：VB=115V。基准电流：IB=SB/1.732 VB=100×103/1.732×115=0.502KA；基准电抗：ZB=VB/1.732 IB=115×103/1.732×502=132.25Ω；电压标幺值：E=E(2)=1.05
2.4.2线路等值电抗计算
(1) 线路L1等值电抗计算
正序以及负序电抗：XL1= X1L1=0.4×60=24Ω
XL1*= XL1/ ZB=24/132.25=0.1814
零序电抗： XL10= X0L1= 3X1L1=3×0.4×60=72Ω
XL10*= XL10/ ZB=72/132.25=0.5444
(2) 线路L3等值电抗计算
正序以及负序电抗： XL3= X1L3=0.4×90=36Ω
XL3*= XL3/ ZB=36/132.25=0.2722
零序电抗： XL30= X0L3= 3X1L3=3×0.4×90=108Ω
XL30*= XL30/ ZB=108/132.25=0.8166
2.4.3变压器等值电抗计算
(1) 变压器T1、T2等值电抗计算
XT1= XT2=(UK%/100)×(VN2×103/ SN)≈40.333Ω
XT1*= XT2*=XT1/ ZB=40.333/132.25=0.3050
(2) 变压器T3等值电抗计算
XT3=(UK%/100)×(VN2×103/ SN)≈21.175Ω
XT3*=XT3/ ZB=21.175/132.25=0.1601
2.5 短路计算点的选择
2.5.1电网等效电路图
由于短路电流计算是电网继电保护配置设计的基础,因此分别考虑最大运行方式(三台发电机全部投入,系统环网取开网运行)时各线路未端短路的情况,最小运行方下(三台中最小的一台投入,系统按环网计算)时各线路未端短路的情况。电网等效电路图如图3.1所示
图3-1电网等效电路图
由于本设计只考虑E母线和F母线之前的部分，所以短路计算只选择d6和d3，这样能保证流过母线A的电流为最大短路电流
2.5.2 系统阻抗计算
Zs .max=(G1+T1)||( G2+T2) ||( G3+T3)
= (0.4224+0.3050)||( 0.4224+0.3050) ||( 0.2064+0.1601)
=0.1825
2.5.3 d6点短路计算
正序短路电流
其中：Xff6=Zs .max +XL3 =0.1825+0.2722=0.4547
Id6·max*=E/Xff7=1.05/0.4547≈2.3092KA
Id6·max=Id6·max*IB=2.3092×0.502≈1.1592KA
2.5.4 d3点短路计算
(1) 最大运行方式正序短路电流
Xff3=Zs .max +XL1=0.1825+0.1814=0.3639
Id3·max*=E/Xff3=1.05/0.3639≈2.8463KA
Id3·max=Id3·max*IB=2.8463×0.502≈1.4288KA
2.5.5 整定电流选择
由2.5.3和2.5.4分别算出各路短路电流，由于Id6·max < Id3·max，所以最大短路电流取Ik.max= Id3·max=1.4288KA，因此之后的整定都依据此短路电流进行计算。
第三章 发电机变压器组保护配置的选取及整定原则
本设计是对电厂扩建的发电机变压器的保护配置的选取与整定，按照国际标准，本保护的保护配置选取，应该包含下表的保护配置。
应设计的要求，并通过对保护配置的选取，可以采用南瑞继保电气有限公司生产的RCS-985 系列发电机变压器成套保护装置。它可以提供30多种保护功能和非电量保护接口，分布于若干个相互独立的CPU系统，可以满足各种容量的发变机组的保护要求，其保护配置灵活，设计合理，满足电力系统反事故措施的要求，保证装置的使用安全性。保护配置按屏柜设计，一个机组单元成套保护可有1～3个柜组成，有一台工控机通过串行通讯口进行管理，实现数据的交换，从而对机组和保护运行状况进行监控和记录，也可进行时钟校对和定值管理。RCS－985 提供一个发电机变压器单元所需要的全部电量保护，保护范围：主变压器、发电机、高厂变、励磁变（励磁机）。根据实际工程需要，配置相应的保护功能。对于一个大型发变组单元或一台大型发电机，配置两套RCS-985 保护装置，可以实现主保护、异常运行保护、后备保护的全套双重化，操作回路和非电量保护装置独立组屏。
3.1发电机部分—发电机纵差保护整定
纵差动保护的整定，具有比率制动特性的纵差动保护的动作特性可由A、B、C三点决定。对纵差动保护的整定计算，实质上就是对Id.min、Ires.min及K的整定计算。
1启动电流Id.min的整定。
Id.min=Krel(Irel+Ier2)
式中Krel---可靠系数，取1.5~2；
Irel---保护两侧的TA变比误差产生的差流，取0.06Ign(Ign为发电机额定电流)；
Ier2---保护两侧的二次误差(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)产生的差流，取0.1Ign。
代入式得Id.min=(0.24 ~0.32)Ign,通常取0.3Ign。
2拐点电流Ires.min的整定
Ires.min=（0.5～1.0）Ign
3比率制动特性的制动系数Kres和制动线斜率K的整定
Kres=Iunb.max/Ik.max
K=Iunb.max-Id.min/Ik.max-Ires.min
外部故障时，为躲过差动回路中的最大不平衡电流，C点的纵坐标电流应取为Id.max=Krel(0.1+0.1+Kf)Ik.max
式中Krel---可靠系数，取1.3 ~1.5；
Kf---暂态特性系数，当两侧TA变比、型号完全相同且二次回路参数相同时，Kf≈0，当两侧TA变比、型号不同时，Kf取0.05 ~0.1。
Id.max---最大动作电流。
将以上数据代入式中得Id,max≈(0.026 ~0.45)Ik,max。令Id.max=Iunb.max,代入上式，可得Kres≈(0.26 ~0.45)
3.2变压器部分-瓦斯保护
发电机-变压器组非电量保护,主要有变压器的瓦斯保护、压力释放保护、绕组温度保护、油温和油位保护，发电机的断水保护等，而每一种非电量保护对于发电机-变压器组都是缺一不可的，若不重视非电量故障，让它发展的话，那么对于发电机和变压器将是致命的危害，甚至危及电力系统的稳定运行。所以，要做好非电量的保护工作，下面主要介绍的变压器的瓦斯保护。
3.2.1 变压器瓦斯保护的作用
变压器的瓦斯保护可用来反应油浸式变压器油箱内的各种故障。当变压器油箱内故障时，瓦斯保护有着独特的、其他保护所不具备的优点。如变压器发生严重漏油、绕组断线故障或绕组匝间短路产生的短路电流值不足以使其他保护动作时，只有瓦斯保护能够灵敏的动作发出信号或跳闸。所以变压器的瓦斯保护是大型变压器内部故障的重要保护。
当变压器油箱内发生故障时，在故障点电流和电弧的作用下，变压器油及其他绝缘材料因局部受热而分解产生气体，这些气体将从油箱流向油枕的上部。当故障严重时，变压器油会迅速膨胀并产生大量的气体，此时将有剧烈的气体夹杂着油流冲向油枕的上部。根据油箱内部故障的这一特点，构成变压器的瓦斯保护。由于变压器的瓦斯保护是反应上述气流、油流而动作的，所以它是变压器的非电量保护。
变压器的瓦斯保护分为重瓦斯保护和轻瓦斯保护两部分。当变压器油箱内轻微故障或严重漏油时，轻瓦斯保护动作延时作用于信号；当变压器内部发生严重故障时，重瓦斯保护动作，瞬时动作跳开变压器的各侧断路器。
气体继电器变压器瓦斯保护的主要元件。它安装在变压器油箱与油枕之间的连接管道上。为使气体能顺利进入气体继电器和油枕，变压器安装时，应使顶盖与水平面之间有1％~1.5％的坡度，连接管有2％~4％的升高坡度。
3.2.2 变压器轻瓦斯保护的原理
当变压器内部发生轻微故障时，变压器油分解产生的气体汇集在气体继电器上部迫使继电器内的油面下降，开口杯露出油面，因其受到的浮力减小失去平衡而下沉，带动永久磁铁4下降，当永久磁铁4靠近干簧触点15时，干簧触点15接通，发出轻瓦斯动作信号。当变压器漏油严重时，同样由于油面下降而发出轻瓦斯信号。
3.2.3 轻瓦斯保护的整定
气体继电器使用时，通过移动重锤6的位置，可调整轻瓦斯保护的动作值。其动作值采用气体容积的大小表示，整定范围通常为250～300
。气体继电器安装完毕，从排气口17打进空气，检查轻瓦斯保护动作的可靠性。
第四章 继电保护整定计算
4.1发电机部分——发电机纵差保护整定
1）启动电流Id.min的整定
Id.minG1G2=Krel(Irel+Ier2)=0.3Ign=0.3×2380.9=714.27（A）
Id.minG3=Krel(Irel+Ier2)=0.3Ign=0.3×4761.9=1428.57（A）
2）拐点电流Ires.min的整定
Ires.minG1G2=（0.5～1.0）Ign=（0.5～1.0）*2380.9=（1190.45~2380.9）
Ires.minG3=（0.5～1.0）Ign=（0.5～1.0）*4761.9=（2380.95~4761.9）
3）比率制动特性的制动系数Kres和制动线斜率K的整定
Kres=Iunb.max/Ik.max=(2380.9×10%)/1428.8≈0.167
K=(Iunb.max-Id.min）/（Ik.max-Ires.min）
=（2380.9×10%- Id.minG1G2)/（1428.8- Ires.minG1G2）
=（2380.9×10%- 714.27)/（1428.8- 1190.45）≈-1.998
K=(Iunb.max-Id.min）/（Ik.max-Ires.min）
=(2380.9×10%-Id.minG3）/（1428.8-Ires.min G3）
=(2380.9×10%-1428.57）/（1428.8-2380.95）≈1.250
外部故障时,为躲过差动回路中的最大不平衡电流，C点（如下图）的纵坐标电流应取为Id.max=Krel(0.1+0.1+Kf)Ik.max=1.5*（0.1+0.1+0.1）*1428.8=642.96（A）
4.2继电保护整定计算结果一览表
表1发电机纵差保护整定值
第五章 实训总结
这周是课程设计我感触很深，这是一次让我们将课本知识和实际相结合的体验！通过上学期继电保护的学习，我们已经打下基础，但是在做课程设计的过程中，我也暴露了很多问题，以前学过的知识，很多细节方面都忘了，在我和队友的努力下，我们一步一个脚印，把线路的保护要求配置值都算了出来，如阻抗保护，瓦斯保护等。
通过这次课程设计，我不仅知识方面得到了重大突破，还在团队合作方面有很多的感想，三人行，必有我师，一个人的力量是有限的，一个团队的智慧远远超过一人，与人合作，互相讨论非常重要。
第六章参考文献
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[2] 王维俭 发电机变压器继电保护整定算例.中国电力出版社 2000
[3]何仰赞 电力系统分析 第二版 华中理工大学出版社 1996
[4]傅知兰. 电力系统电气设备选择与实用计算[M].中国电力出版社 2004
[5]电力工业部，电力规划设计院.电力系统设计手册[M].中国电力出版社
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[10]陈生贵. 电力系统继电保护[M]. 重庆大学出版社2003
[11]西北电力设计院. 电力工程电气设备手册[M]. 中国电力出版社
[12] 汪少勇，大型发电机-变压器组继电保护的配置研究.
华南理工大学 2006
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[14]尹克宁 电力工程 水利电力出版社 1987