300mw发变组继电保护初步设计

毕业设计（论文）

题目：

300MW发变组保护初步设计

学 号： 姓 名： 指导教师：

专 业： 继电保护与自动化

班 级：

完成时间： 2013年6月14日

西安电力高等专科学校 2013 届毕业设计（论文）任务书 系（部） 姓名 任务下达时间 题目 电力工程系 学号 2012.5.6 专业 完成时间 班级 继电 12102 2012.6.14 300MW发变组保护的初步设计 主要内容及要求 一、主要内容 在分析给定资料的基础上，对2*300MW发电厂进行继电保护的配置、选型及整定计算，掌握保护配置原则、组屏原则、设备的选型及整定计算。 1、300MW发变组保护的配置 2、发变组保护出口方案 3、绘制保护配置图 4、300MW发变组保护的选型 5、整定计算 二、设计成果 设计说明书、整定计算书、保护配置图 三、原始资料及参考资料 1、2*300MW发电厂的参数（见附件） 2、参考资料 （1）GB/T14285-2006继电保护和安全自动装置技术规程 （2）DL/T684-1999《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》，中华人民共和国电力行业标准 （3）所选保护装置说明书 指导教师（签名） 学 生（签名） 年 月 日 年 月 日

发电厂设计原始资料

某电厂安装两台2×300MW空冷燃煤机组（发电机—变压器组单元接线），一台有载调压起/备变（两台机组），有两回330kV线路出线，电厂330kV母线为1（1）发电机原始参数

型号 QFSN－300－2 额定容量Sn：353MVA 额定功率Pn：300MW 额定功率因数cosΦn：0.85 （滞后） 定子额定电压Un：20kV 定子额定电流In：10.189kA 励磁方式：自并励静止可控硅励磁

定子绕组接线方式：Y－Y 直轴次瞬变电抗X\"d16% 负序电抗X215.9% （2）主变原始参数

型号：SFP-360000/330 额定容量：360/360MVA 电压组合 ：363±2×2.5％/20kV 额定电流 ：573/10392A 联结组标号 ：YN,d11 相数：3

短路阻抗：Uk%=13.84% （取中间值） 零序阻抗：50.99Ω （3）厂高变原始参数

型号：SFF10-40000/20 联结组标号 D,yn1-yn1

额定容量：40/25-25MVA 额定电压：20±2×2.5％/6.3-6.3kV 额定电流：1154.7/2291.1-2291.1A 阻抗电压：

Uh-l’=U高－低I = 15.46% Uh-l”=U高－低II = 15.11% Uh-l=U高－低l、II =6.38％，Ul’-l”=U低I－低II =35.69％ （4）系统参数

330kV系统等值到电厂330kV母线等值电抗（断开电厂所有元件）标幺值如下： 基准：Sbs=100MVA，Ubs=345kV

（1） 系统最大方式： XxtmaxXxtmax1/Xxt.max00.04270.0556 （2） 系统最小方X式：

xt.minXxt.min1/Xxt.min00.070870.08798参考资料：

1、GB/T 14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》，中华人民共和国国家标准 2、DL/T684-1999《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》，中华人民共和国电力行业标准

3、所选保护说明书

1接线。 2

目 录

1 概 述......................................................................................................................................... 2

2.1发电机的不正常状态及故障 ............................................................................................ 3 2.2 发电机保护的原则......................................................................................................... 3 2.3 变压器的不正常状态及故障 ........................................................................................... 5 2.4 变压器保护的依据......................................................................................................... 5 3 保护的基本原理 ......................................................................................................................... 6

3.1 发电机纵差动保护 ......................................................................................................... 6 3.2 发电机匝间短路的横差动保护 ....................................................................................... 6 3.3 发电机100%定子绕组单相接地保护 .............................................................................. 6 3.4 励磁回路一点接地保护 ................................................................................................... 7 3.5 发电机逆功率保护 ........................................................................................................... 7 3.6 发电机定子对称过负荷保护 ........................................................................................... 8 3.7 复合电压过流电流带记忆保护 ....................................................................................... 8 3.8 变压器差动保护 ............................................................................................................. 9 4 保 护 选 型 ............................................................................................................................... 9

4.1 装置的选择..................................................................................................................... 9 4.2 RCS-985大型发电机变压器组保护装置.................................................................... 10 4.3 保护原理 ...................................................................................................................... 11 5 整 定 计 算 ............................................................................................................................. 14

5.1 短路计算 ......................................................................................................................... 14 5.2发电机差动保护 .............................................................................................................. 15 5.3 变压器差动保护 ............................................................................................................. 16 5.3 发电机匝间保护 ............................................................................................................. 20 5.4 发电机相间短路后备保护 ............................................................................................. 20 5.5定子绕组接地保护 .......................................................................................................... 21 5.6发电机逆功率保护 .......................................................................................................... 22 总结 ................................................................................................................................................ 24 参考文献......................................................................................................................................... 25 致 谢 .............................................................................................................................................. 26

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题目：300MW发变组保护初步设计

摘要

电力系统继电保护的设计与配置是否合理会直接影响到电力系统的安全运行，所以必须合理地选择保护配置和进行正确的整定计算。本次设计要求为2×300MW发电机－变压器组继电保护初步设计，目的为通过本次设计，进一步加深对所学知识的理解，以及理解保护与保护之间的配合问题。

大型发电机的造价昂贵，结构复杂，一旦发生故障遭到破坏，其检修难度大，检修时间长，要造成很大的经济损失。例如一台300MW汽轮发电机，因励磁回路两点接地使大轴和汽缸磁化，为退磁停机一个月以上，姑且不论检修费用和对国民经济造成的间接损失，仅电能损耗就近千万元，大机组在电力系统内占有重要地位，特别是单机容量占系统容量很大比例的情况下，大机组的突然切除，会对电力系统造成很大的扰动。另外，大型汽轮发电机的起停特别费时、费钱，以停机7～8小时的热起动为例：300MW发电机组就得需要7小时。因此，非必需的情况下，不要使大型发电机组频繁起动，更不要轻易紧急突然停机，这就对继电保护提出了更高的要求，所以在配置继电保护时，要充分考虑各方面的因素，力求继电保护准确、可靠、灵敏。

关键字：发变组 继电保护 配置与整定

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1 绪论

300MW发电机组造价昂贵，结构复杂，一旦发生故障，其检修难度大，时间长，将造成较大的经济损失。因此，在考虑300MW机组继电保护的总体配置时，应最大限度地保证机组安全和缩小故障破坏范围，尽可能避免不必要的突然停机，对某些异常工况采用自动处理装置，特别要避免保护装置的误动和拒动，这样不仅要求有足够的的可靠性、灵敏性、选择性和快速性，还要求继电保护在总体配置上尽量做到完善、合理，避免繁琐、复杂。

300MW机组保护装置可分为短路保护和异常运行保护两类。短路保护是用以反应被保护区域内发生的各种类型的短路故障，为了防止保护拒动或断路器拒动，设主保护和后备保护。异常运行保护是用以反应各种可能给机组造成危害的异常工况，不设后备保护。

为了满足电力系统稳定方面的要求，对于300MW发电机－变压器组故障要求快速切除。为了确保正确快速切除故障，要求对300MW发电机－变压器组设置双重快速保护。

各保护装置动作后所控制的对象，依保护装置的性质、选择性要求和故障处理方式的不同而不同，对于发电机双绕组变压器，通常有以下几种处理方式：

全停：停汽机、停锅炉、断开高压侧断路器、灭磁、断开高压厂用变压器低压侧断路器、使机炉及其辅机停止工作。

解列灭磁：断开高压侧断路器、灭磁、断开高压厂用变压器低压侧断路器。 解列：断开高压侧断路器。 减出力：减少原动机的输出功率。 发信号：发出声光信号或光信号。

母线解列：对双母线系统，断开母线联络断路器，缩小故障波及范围。

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2 保护配置原则

2.1发电机的不正常状态及故障

电力系统中，发电机是十分重要和贵重的电气设备，它的安全运行对电力系统的正常工作起着极其重要的作用。它既有静止不动的定子部分，又有旋转的转子部分，同时既有机械运动，又要承受电流、电压的冲击，这就造成发电机在运行中，定子绕组和转子励磁回路都有可能产生危险的、类型复杂的故障和不正常的运行情况。

发电机的不正常状态及故障有：

（1）定子绕组相间短路；（2）定子绕组接地；（3）定子绕组匝间短路；（4）发电机外部相间短路；（5）定子绕组过电压；（6）定子绕组过负荷；（7）转子表层(负序)过负荷；（8）励磁绕组过负荷；（9）励磁回路接地；（10）励磁电流异常下降或消失；（11）定子铁芯过励磁；（12）发电机逆功率；（13）频率异常；（14）失步；（15）发电机突然加压。

2.2 发电机保护的原则

（1）对300MW及以上的汽轮发电机组，应装设双重快速保护， 即装设发电机纵联差动保护、变压器纵差动保护和发电机、变压器共用纵联差动保护。

（2）对100MW及以上的发电机，应装设保护区为100%的定子接地保护。保护带时限动作于信号，必要时也可动作于停机。为检查发电机定子绕组和发电机电压回路的绝缘状况，保护装置应能监视发电机端零序电压值。

（3）50MW及以上发电机，当定子绕组为星形接线，中性点只有三个引出端子时，根据用户和制造厂的要求，也可装设专用的匝间短路保护。

（4）50MW及以上的发电机，宜装设负序过电流保护和单元件低压起动过电流保护。 （5）自并励(无串联变压器)发电机，宜采用带电流记忆（保持）的过电流保护。 （6）对于100MW及以上的汽轮发电机，宜装设过电压保护，其整定值根据定子绕组的绝缘状况决定。过电压保护宜动作于解列灭磁或过程跳闸。

（7）定子绕组非直接冷却的发电机，应装设定时限过负荷保护，保护装置接一相电流，带时限动作于信号。

（8）定子绕组为直接冷却且过负荷能力较低(例如低于1.5倍、60s)的发电机，过负荷保护由定时限和反时限两部分组成。

定时限部分：动作电流按在发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定，带时限动作于信号，在有条件时，可动作于自动减负荷。

反时限部分：动作特性按发电机定子绕组的过负荷能力确定，动作于解列或程序跳闸。保护应能反应电流变化时发电机定子绕组的热积累过程。不考虑在灵敏系数和时限方面与其

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它相间短路保护相配合。

（9）100MW及以上A值小于10的发电机，应装设由定时限和反时限两部分组成的转子表层过负荷保护。

定时限部分：动作电流按发电机长期允许的负序电流值和躲过最大负荷下负序电流滤过器的不平衡电流值整定，带时限动作于信号。

反时限部分：动作特性按发电机承受负序电流的能力确定，动作于停机。保护应能反应电流变化时发电机转子的热积累过程。不考虑在灵敏系数和时限方面与其它相间短路保护相配合。

（10）对励磁系统故障或强励时间过长引起的励磁绕组过负荷，300MW及以上的发电机，其励磁饶组过负荷保护可由定时限和反时限两部分组成。

定时限部分：动作电流按正常运行最大励磁电流下能可靠返回的条件整定，带时限动作于信号降低励磁电流。

反时限部分：动作特性按发电机励磁绕组的过负荷能力确定，并动作于解列灭磁或程序跳闸。保护应能反应电流变化时励磁绕组的热积累过程。

（11）1MW以上的发电机应装设专用的转子一点接地保护装置延时动作于信号，宜减符合平稳停机，有条件时可动作于程序跳闸。对旋转励磁的发电机宜装设一点接地故障定期检测装置。

（12）对汽轮发电机，失磁保护宜瞬时或延时动作于信号，有条件的机组可进行励磁切换。失磁后母线电压低于允许值时，带时限动作于解列，并切换厂用电源。有条件的机组失磁保护也可动作于自动减出力。当自动减出力至发电机失磁允许负荷以下，其运行时间接近失磁允许运行限时时，可动作于程序跳闸。

（13）300MW及以上发电机，应装设过励磁保护。保护装置可装设低定值和高定值两部分组成的定时限过励磁保护或反时限过励磁保护，有条件时应优先装设反时限过励磁保护。

定时限过励磁保护：

低定值部分：带时限动作于信号和降低励磁电流。 高定值部分：动作于解列灭磁或程序跳闸。

反时限过励磁保护：反时限特性曲线由上限定时限、反时限、下限定时限三部分组成。上限定时限、反时限动作于解列灭磁，下限定时限动作于信号。

汽轮发电机装设了过励磁保护可不再装设过电压保护。

（14）对发电机变电动机运行的异常运行方式，200MW及以上汽轮发电机，宜装设逆功率保护。对燃汽轮发电机，应装设逆功率保护。保护装置由灵敏的功率继电器构成，带时限动作于信号，经汽轮机允许的逆功率时间延时动作于解列。

（15）对低于额定频率带负载运行的异常运行状态下300MW及以上汽轮发电机，应装设低频率保护。保护动作于信号，并有累计时间显示。

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对高于额定频率带负载运行100MW及以上汽轮发电机或水轮发电机，应装设高频率保护。保护动作于解列灭磁或程序跳闸。

（16）300MW及以上发电机宜装设失步保护。在短路故障、系统同步振荡、电压回路断线等情况下，保护不应误动作。

通常保护动作于信号。当振荡中心在发电机变压器组内部，失步运行时间超过整定值或电流振荡次数超过规定值时，保护还应动作于解列并保证断路器断开时的电流不超过断路器额定失步开断电流。

（17）对300MW及以上汽轮发电机，发电机励磁回路一点接地、发电机运行频率异常、励磁电流异常下降或消失等异常运行方式，保护动作于停机，宜采用程序跳闸方式。采用程序跳闸方式，由逆功率继电器作为闭锁元件。

（18）对于发电机起停过程中发生的故障、断路器断口闪络及发电机轴电流过大等故障和异常运行方式，可根据机组特点和电力系统运行的要求，采取措施或增设相应保护。对300MW及以上机组宜装设突然加电压保护。

（19）对于100MW及以上容量的发电机变压器组装设数字式保护时，除非电量保护外，应双重化配置。当断路器具有两组跳闸线圈时，两套保护宜分别动作于断路器的一组跳闸线圈。

2.3 变压器的不正常状态及故障

变压器是电力系统不可缺少的重要电气设备，变压器发生故障将对供电可靠性和系统安全运行带来严重的影响，并且变压器本身也是价格昂贵的设备。因此应根据变压器容量等级和严重程度装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。

变压器的不正常状态及故障有：

（1）绕组及其引出线的相间短路和中性点直接接地或经小电阻接地侧的接地短路；（2）绕组的匝间短路；（3）外部相间短路引起的过电流；（4）中性点直接接地或经小电阻接地电力网中，外部接地短路引起的过电流及中性点过电压；（5）过负荷；（6）过励磁；（7） 油面降低；（8）中性点非有效接地侧的单相接地故障；（9） 变压器油温、饶组温度过高及油箱压力升高和冷却系统故障。

2.4 变压器保护的依据

（1）0.4MVA及以上车间内油浸式变压器和0.8MVA及以上油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。当壳内故障产生轻微瓦斯或油面下降时，应瞬时动作于信号；当产生大量瓦斯时，应瞬时动作于断开变压器各侧断路器。

（2）电压在10kV以上、容量在10MVA及以上的变压器，采用纵差保护。对于电压为10kV的重要变压器，当电流速断保护灵敏度不符合要求时也可采用纵差保护。

（3）电压为220kV及以上的变压器装设数字式保护时，除非电量保护外，应采用双重化保护配置。当断路器具有两组跳闸线圈时，两套保护宜分别动作于断路器的一组跳闸线圈。

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（4）纵联差动保护应符合下列要求：

a.应能躲过励磁涌流和外部短路产生的不平衡电流。 b.在变压器过励磁时不误动。

c.在电流回路断线时应发出断线信号，电流回路断线允许差动保护动作跳闸。 d. 在正常情况下，纵联差动保护的保护范围应包括变压器套管和引出线，如不能包括引出线时，应采取快速切除故障的辅助措施。在设备检修等特殊情况下，允许差动保护短时利用变压器套管电流互感器，此时套管和引出线的故障由后备保护动作切除；如电网安全稳定运行有要求时，应将纵联差动保护切至旁路断路器的电流互感器。

（5）对由外部相间短路引起的变压器过电流，变压器应装设相间短路后备保护。保护带延时跳开相应的断路器。相间短路后备保护宜选用过电流保护、复合电压（负序电压和线间电压）启动的过电流保护或复合电流保护（负序电流和单相式电压启动的过电流保护）。

（6）发电机变压器组，在变压器低压侧不另设相间短路后备保护，而利用装于发电机中性点侧的相间短路后备保护，作为高压侧外部、变压器和分支线相间短路后备保护。

（7）用于经间隙接地的变压器，装设反应间隙放电的零序电流保护和零序电压保护。当变压器所接的电力网失去中性点，又发生单相接地故障时，此电流电压保护动作，经0.3S～0.5S时限动作于断开变压器各侧断路器。

（8）变压器非电气量保护不应启动失灵保护。

3 保护的基本原理

3.1 发电机纵差动保护

纵差保护是反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路，是发电机的主要保护。保护基的本原理是比较发电机机端与中性点两侧的电流的大小和相位，它是反映发电机及其引出线的相间故障。发电机纵联差动保护的构成的两侧电流互感器同变比，同型号。 3.2 发电机匝间短路的横差动保护

横差动保护原理：在大容量发电机中，由于额定电流很大，其每相都是由两个或多个并联的绕组组成。在正常运行的时候，各绕组中的电动势相等，流过相等的负荷电流。而当任一绕组发生匝间短路时，绕组中的电动势就不再相等，因而会出现因电动势差而在各绕组间产生均衡电流。利用这个环流，可以实现对发电机定子绕组匝间短路的保护。

3.3 发电机100%定子绕组单相接地保护

发电机100%定子绕组接地保护种类很多，广泛使用的是利用三次谐波电压构成的100%定子绕组接地保护。该保护保护一般由两部分组成：一部分是零序电压保护，保护定子绕组的85%以上；另一部分利用发电机三次谐波电压构成，它用来消除零序电压保护的死区，从而实现保护100%定子绕组的接地保护。为可靠起见，两部分保护区有一段重叠。利用发电机三次谐波电压构成的部分

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保护原理：是利用发电机中性点和出线端的三次谐波电压在正常运行和接地故障时变化相反的特点构成。正常运行时，发电机中性点的三次谐波电压比发电机出线端的三次谐波电压大；而在发电机内部定子接地时，出线端的三次谐波却比中性点的大。利用这个特点，使发电机出口的三次谐波电压成为动作分量，而使中性点的三次谐波分量成为制动分量，从而使发电机出口三次谐波电压大于中性点三次谐波电压时让继电器动作。这样，保护就会在正常时制动，而在定子绕组接地时保护可靠动作。 3.4 励磁回路一点接地保护 基本原理

定期检测励磁回路正、负极对地电压的大小

U1R1UfR1R2U2R2Uf

R1R2表示励磁回路正常；

表示励磁回路发生了接地。

若 R1 R2则

U1U20.5Uf

2若 R1 R2则 UU1U2R1R2Uf12特点：当接地发生在绕组中部，检测装置不能发现故障，存在“死区”。

RR

3.5 发电机逆功率保护

正常运行时，发电机向系统输送有功功率，若由于各种原因误将主气门关闭，则在发电机断路器跳闸之前，发电机将迅速转为电动机运行，出现系统向发电机到送有功，即发电机逆功率运行。

3.5.1.程序逆功率原理

程序逆功率主要用于程序跳闸方式，即当过负荷保护、过励磁保护、低励失磁保护等出口于程序跳闸的保护动作后，应首先关闭主气门，等到出现逆功率状态，同时有主气门关闭信号时，这时程序逆功率保护动作，跳开主断路器。这种程序跳闸就可避免因主气门未关而断路器先断开引起灾难性“飞车”事故。在过负荷、过励磁、失磁等异常运行方式下，用于程序跳闸的逆功率继电器作为闭锁元件，其整定值一般整定为Pact=(1~3)%PN,延时1.0~1.5s动作于解列。

3.5.2逆功率保护原理

当发电机处于逆功率运行时该保护动作。汽轮发电机组在主气门关闭后，发电机变成电动机运行，有功损耗约为（1~1.5）%PN，汽轮机有功损耗约为（3~4）%PN，所以总的逆功率值约为（4~5.5）%PN.考虑到主气门虽已关闭但尚有一些泄漏时，由系统到送的弄功率值就可能小于1%PN，汽轮发电机逆功率保护的动作功率一般可取为

P1act=（0.5-1）%PN

其延时分两段，延时15s动作，延时2-3min动作与解列。

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3.6 发电机定子对称过负荷保护

发电机定子对称过负荷保护是由对称过负荷或外部故障而引起的定子绕组过电流异常工况的保护，它反应定子绕组的平均发热状况，保护动作量取发电机机端的最大相电流，由定时限过负荷和反时限过流两部分组成。 3.6.1 .保护原理及判据

（1）定时限过负荷保护设1 段跳闸段和1 段报警段，均可由控制字投退。 动作判据为：

式中： I 为三相电流的最大值， 为定时限定值。

（2）反时限过流按定子绕组允许的过流能力来整定，其动作特性，即过电流倍数与相应的允许持续时间的关系为：

反时限过负荷保护动作于解列或程序跳。

3.7 复合电压过流电流带记忆保护 3.7.1 TA、TV接线原则

电流取自发电机中性点电流、电压取自发电机机端的相间电压和负序电压。 3.7.2 复合电压启动的过电流保护的原理

（1）复合电压启动的过电流保护

适用于1MW以上发电机，是由负序电压和相间电压共同启动的过电流保护。过电流元件动作电流按发电机额定电流整定。

a)

a)

三相过流元件动作方程为：

式中: I为最大相电流， Iset为动作电流整定值。

(2) 过流带记忆功能

对于自并励发电机，短路故障后机端电流会发生衰减，故障电流在过流保护动作出口前可能已经小于过流定值而导致保护拒动，故本装置设计了过流带记忆功能，并经“过流带记忆功能投退”软压板选择投退。复压过流带记忆的实现思路：当复压元件和三相过流元件动作后，经延时t 跳闸出口，在到达整定时间以前检测三相电流，如由于短路电流衰减的原因导致过流元件返回，则由“与”门和“或”门的自保持回路，使保护装置不会中途返回。

注意：当复合电压启动元件退出时，过流带记忆功能自动退出。

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复压启动元件为：

3.8 变压器差动保护

3.8.1 比率差动原理

变压器比率差动的动作特性采用三折线或二折线方式实现，对于主变、发变组和高厂变差动，

采用三折线特性，对于励磁变差动，采用二折线制动特性。（和发电机差动类似） 3.8.2 差动速断原理

变压器差动速断保护包括：发变组差动速断、主变差动速断、高厂变差动速断和励磁变差动速断等，均采用分相差动逻辑，任一相差动速断动作即出口跳闸。 该保护为加速切除严重区内故障而设。当任一相差流大于整定值Icdsd（差动电流速断保护定值）时，该保护瞬时动作。 3.9 瓦斯保护

瓦斯保护是变压器的主要保护,能有效地反应变压器内部故障。轻瓦斯继电器由开口杯、干簧触点等组成,作用于信号。重瓦斯继电器由挡板、弹簧、干簧触点等组成,作用于跳闸。正常运行时,瓦斯继电器充满油,开口杯浸在油内,处于上浮位置,干簧触点断开。 当变压器内部故障时,故障点局部发生过热,引起附近的变压器油膨胀,油内溶解的空气被逐出,形成气泡上升,同时油和其它材料在电弧和放电等的作用下电离而产生瓦斯。当故障轻微时,排出的瓦斯气体缓慢地上升而进入瓦斯继电器,使油面下降,开口杯产生的支点为轴逆时针方向的转动,使干簧触点接通,发出信号

当变压器内部故障严重时,产生强烈的瓦斯气体,使变压器内部压力突增,产生很大的油流向油枕方向冲击,因油流冲击档板,档板克服弹簧的阻力,带动磁铁向干簧触点方向移劝,使干簧触点接通,作用于跳闸。

3.10 变压器接地保护

中性点直接接地运行的变压器仅装设零序电流保护,保护用电流互感器装在中性点的引出线上,通常配置两段式零序电流保护,每段带两级时限,以较短的时限断开母联断路器或分段断路器,以缩小故障影响的范围,以较长的时限动作于变压器各侧断路器。零序电流保护第Ⅰ段的动作电流及时限应与相邻元件零序电流保护第Ⅰ段相配合,一般t1=0.5-1s,t2=t1+Δt,动作电流按照与相邻元件零序电流保护第Ⅰ段在灵敏性上的配合条件来整定。

4 保 护 选 型

4.1 装置的选择

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关于300MW发电机-变压器组保护装置的选定，我查阅了国电南自、长园深瑞、南瑞继保、北京四方、许继电气等国内各大保护生产厂家的发电机-变压器组保护装置，选出了下列各型号的发电机-变压器组保护装置：

（1）RCS-985大型发电机变压器组保护装置 （2）PRS-785微机发电机变压器组成套保护装置 （3）DGT-801A数字式发电机变压器组保护装置 （4）CSC-300发电机变压器组保护

针对上述的各个保护装置，综合它们的应用范围、保护的配置、保护的原理、保护的范围以及保护的组屏原则等方面比较来看，南瑞继保RCS-985发电机变压器组保护装置在这些方面占据了很大的优势，所以我选择南瑞继保RCS-985发电机变压器组成套保护装置作为本次设计选定的保护装置。

4.2 RCS-985大型发电机变压器组保护装置

4.2.1应用范围

RCS－985为数字式发电机变压器保护装置，适用于大型汽轮发电机、水轮发电机、燃汽轮发电机、核电机组等类型的发电机变压器组单元接线及其他机组接线方式，并能满足发电厂电气监控自动化系统的要求。

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。两套RCS-985取不同组TA，主保护、后备保护共用一组TA，出口对应不同的跳闸线圈，因此，具有以下优点：

（1）设计简洁，二次回路清晰；

（2）运行方便，安全可靠，符合反措要求； （3）整定、调试和维护方便。 4.2.2配置方式

RCS-985A/B/C/G四种程序版本的装置适用于大型火电机组、核电机组的保护，分别适用于不同的主接线方式：

RCS-985A：适用于标准的发变组单元主接线方式：两圈主变（220KV 或500KV 出线）、发电机容量100MW 及以上、一台高厂变（三圈变或分裂变）、励磁变或励磁机；

RCS-985B：适用于两台高厂变的发变组主接线方式：两圈主变（220KV或500KV出线）、发电机容量100MW 及以上、两台高厂变、励磁变或励磁机；

RCS-985C：适用于多种发变组主接线方式：两圈或三圈主变、发电机容量小于300MW、

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一台高厂变（三圈变或分裂变）、分支电缆、励磁变或励磁机；

RCS-985G：适用于大型发电机保护，可以满足汽轮发电机、燃气轮发电机、核电机组的保护要求。

4.3 保护原理

4.3.1 发电机差动保护、变压器差动保护、厂高变差动保护、励磁变差动保护 比率差动动作特性如图4-1。

Id速断动作区Icdsd动作区Kbl2Icdqd0Kbl1IenIe制动区Ir图4-1

比率差动保护的动作方程如下：

比率差动保护的动作特性

IdKblIrIcdqdKblKbl1Kblr(Ir/Ie)IdKbl2(IrnIe)bIcdqdKblr(Kbl2Kbl1)/(2n)b(Kbl1Kblrn)nIe(IrnIe)(IrnIe)

I1I2I3I4I5I r2II1I2I3I4I5d式中：Id为差动电流，Ir为制动电流，Icdqd为差动电流起动定值，Ie为额定电

流。

电流各侧定义：

对于高厂变差动，其中I1、I2、I3分别为高厂变高压侧、低压侧A、B分支电流，I4未定义；

对于励磁变差动，其中I1、I2分别为励磁变高压侧、低压侧电流，I3、I4未定义；

比率制动系数定义：

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Kbl为比率差动制动系数，Kb1r为比率差动制动系数增量； Kb11为起始比率差动斜率，定值范围为0.05～0.15，一般取0.10； Kb12为最大比率差动斜率，定值范围为0.50～0.80，一般取0.70； n为最大斜率时的制动电流倍数，固定取6。

4.3.2 发电机匝间保护 发电机高灵敏横差保护

装设在发电机两个中性点连线上的横差保护, 用作发电机定子绕组的匝间短路、分支开焊故障以及相间短路的主保护。

由于保护采用了频率跟踪、数字滤波及全周傅氏算法, 使得横差保护对三次谐波的滤除比在频率跟踪范围内达100以上, 保护只反应基波分量。

（1）高定值段横差保护，相当于传统单元件横差保护。 （2）灵敏段横差保护

IdIhczdIMAXIezd时

装置采用相电流比率制动的横差保护原理，其动作方程为:

Id(1KhczdIMAXIezd)IhczdIezd I时IMAXezd

式中 Ihczd为横差电流定值, IMAX为机端三相电流中最大相电流, Iezd为发电机额定电流, Khczd为制动系数。

相电流比率制动横差保护能保证外部故障时不误动, 内部故障时灵敏动作, 由于采用了相电流比率制动，横差保护电流定值只需按躲过正常运行时不平衡电流整定，比传统单元件横差保护定值大为减小，因而提高了发电机内部匝间短路时的灵敏度。

对于其他正常运行情况下横差不平衡电流的增大，横差电流保护动作值具有浮动门槛的功能。

4.3.3 纵向零序电压保护

装设在发电机出口专用TV开口三角上的纵向零序电压, 用作发电机定子绕组的匝间短路的保护。

由于保护采用了频率跟踪、数字滤波及全周傅氏算法, 使得零序电压对三次谐波的滤除比达100以上, 保护只反应基波分量。

（1）高定值段匝间保护，按躲过区外故障最大不平衡电压整定；

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（2）灵敏段匝间保护：

装置采用电流比率制动的纵向零序电压保护原理, 其动作方程为:

Uzo(1KzoImIe)Uzozd Im3I2 ImaxIe

Im(ImaxIe)3I2 ImaxIe

式中：Uzozd为零序电压定值,Imax为发电机机端最大相电流,I2为发电机机端负序电流，Ie为发电机额定电流,Kzo为制动系数。

电流比率制动原理匝间保护能保证外部故障时不误动, 内部故障时灵敏动作, 由于采用了电流比率制动的判据，零序电压定值只需按躲过正常运行时最大不平衡电压整定，因此提高了发电机内部匝间短路时保护的灵敏度。

对于其他正常运行情况下纵向零序电压不平衡值的增大，纵向零序电压保护动作值具有浮动门槛的功能。

匝间保护一般经短延时（0.10S～0.20S）出口。

4.3.4 间隙零序过流保护、零序过电压保护

间隙零序过电流保护作为主变中性点经间隙接地或经小电抗接地运行时的变压器后备保护。零序过电压保护作为主变压器中性点不接地、中性点经间隙接地或经小电抗接地运行时的后备保护。考虑到在间隙击穿过程中，间隙零序过流和零序过压的交替出现，一旦零序过压或零序过流元件动作后装置就相互展宽，使保护可靠动作。

RCS－985A、RCS-985B设有一段两时限零序过电压保护和一段两时限间隙零序过电流保护。RCS－985C设有一段三时限零序过电压保护和一段两时限间隙零序过电流保护。

RCS-985A、RCS-985B装置零序过电压保护和间隙零序过电流保护可经外部开入接点投入，“间隙零序外部投入”置0，间隙零序保护经压板投退；“间隙零序外部投入”置1，间隙零序保护压板投入，同时外部开入为1，保护才投入。对于只配置零序过电压保护，为了防止外部开入误投，零序过电压保护设有“经无流闭锁”控制字，即零序电流大于定值（间隙零序电流定值），闭锁零序过电压保护。

RCS-985C装置高、中压侧零序过电压保护和间隙零序过电流保护除了压板投入还可经外部开入接点投入，压板和外部开入接点相互关系与RCS-985A相同。

4.3.5 转子两点接地保护

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若转子一点接地保护动作于报警方式，当转子接地电阻Rg小于普通段整定值，转子一点接地保护动作后，经延时自动投入转子两点接地保护，当接地位置α改变达一定值时判为转子两点接地，动作于跳闸。

为提高转子两点接地保护的可靠性，转子两点接地保护可经控制字选择“经定子侧二次谐波电压闭锁”。

5 整 定 计 算

5.1 短路计算

5.1.1计算三相短路电流

取基准值为SB100MVA UB345kV

GXGK *''XGXdSB1000.160.045 SN353(3)IK*

1122.222XG*0.045

(3)(3)IKIK*SB10022.2223.719KA3UB3345

XTKGXG

XT*UK%SB13.841000.038100SN100360

SB1000.160.045SN353

''XG*XdXXG*XT*0.0450.0380.08333IKIK*SB10012.0482.016KA3UB3345

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5.2发电机差动保护 5.2.1发电机稳态比率差动

发电机机端TA变比：15000/5；发电机中性点TA变比：15000/5。 （1）发电机一次额定电流计算

一次额定电流计算公式：

If1n 电压。

P/cosn3Uf1n3000.8510189A 320式中：Pn为发电机额定容量， cos为发电机功率因数，Uf1n为发电机机端额定

（2）发电机二次额定电流计算

二次额定电流计算公式：

If2nIf1nnfLH101893.396A

150005式中If1n为发电机一次额定电流，nfLH为发电机TA变比。 （3）差动电流起动定值Icdqd的整定

Icdqd为差动保护最小动作电流值，应按躲过正常发电机额定负载时的最大不平衡

电流整定，即：

IcdqdKrel20.03If2n1.520.033.3960.3A

依整定计算导则：实际可取 (0.2～0.3)If2n。 则： Icdqd0.3If2n0.33.3961.019A

式中：If2n为发电机二次额定电流；Krel为可靠系数，取1.5；Iunb.0为发电机额

定负荷下，实测差动保护中的不平衡电流。

（4）比率制动系数的整定

变斜率比率差动起始斜率：

Kbl1KrelKccKer0.50.11.00.05

式中：Kcc为互感器同型系数，取0.5；Ker为互感器比误差系数，取0.1；Krel为可靠系数，一般取1.02.0；Kbl1一般取0.05～0.10。

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取中间值：Kbl1=0.07。

变斜率比率差动最大斜率为：

kbl2Iunb.max*Icdqd*2kbl1Ik.max*220.170.851031——20.07150003.3963.3965 70.85103—2150003.39650.19式中：Iunb.max为最大不平衡电流标幺值，不考虑同型系数；（以发电机额定电流为基准值）

Icdqd为差动电流起动值的标幺值；

Ik.max为发电机最大外部三相短路电流周期分量二次值标幺值； 为提高安全可靠性，取推荐定值：Kb/2=0.5。 5.2.2 差动速断保护

差电流速断是纵差保护的一个补充部分。一般需躲过机组非同期合闸产生的最大不

**

*

平衡电流。对于大机组，一般可取3～4倍额定电流。

故取4倍额定电流。即： 43.39613.6A

保护出口：全停 5.3 变压器差动保护

主变高压侧TA变比1200/1,主变低压侧(发电机机端)TA变比15000/5。 5.3.1 变压器稳态比率差动 （1）变压器各侧一次额定电流： 高压侧：

Ib1nSn3Ub1n573A

式中： Ub1n 为变压器高压侧额定电压；Sn为变压器额定容量。 低压侧：

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Ib1nSn3Ub1n10392A

式中: Ub1n 为变压器低压侧额定电压；Sn为变压器额定容量。 （2）变压器各侧二次额定电流 高压侧：

Ib2nIb1n5730.478A 1200nbLH1（nbLH为主变高压侧TA变比1200/5）。 低压侧：

Ib2nIb1n103923.464A 15000nbLH5（nbLH为主变低压侧TA变比15000/5）。

式中Ib1n为变压器计算侧一次额定电流，nbLH为变压器计算侧TA变比。 （3）差动各侧平衡系数计算

高压侧平衡系数：

KphIb2nb3.4647.247 Ib2n0.478低压侧平衡系数：

KphIb2nb3.4641 Ib2n3.464式中Ib2n为变压器计算侧二次额定电流，Ib2n－b为变压器基准侧二次额定电流值。 对于发变组差动、主变差动，基准侧为主变低压侧（发电机侧）；对于高厂变，基准侧为厂变高压侧；对于励磁变，基准侧为励磁变高压侧。

（4）差动各侧电流相位差与平衡补偿

变压器各侧电流互感器二次均采用星形接线。其二次电流直接接入本装置。 变压器各侧TA二次电流相位由软件自调整，装置采用Y->Δ变化调整差流平衡。

例如对于Y/Δ-11的接线，其校正方法如下：

对于Y侧电流：

I'A''IAIB/3；IBIBIC/3；ICICIA/3 

式中：IA、IB、IC为Y侧TA二次电流，I'A、I'B、I'C为Y侧校正后的各相

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电流， Ia、Ib、Ic为Δ侧TA二次电流。装置中对变压器常见的几种接线方式进行了相位校正，可通过变压器接线方式整定控制字（参见装置系统参数定值）进行选择。

补偿时分别将各侧相电流与其对应的平衡系数相乘。

（5）差动电流起动定值Icdqd的整定

Icdqd为差动保护最小动作电流值，应按躲过正常变压器额定负载时的最大不平衡

电流整定，即：

IcdqdKrel(KerUm)Ib2n

1.40.0120.050.053.464 0.582A在工程实用整定计算中可选取Icdqd=（0.20.5）Ie，并应实测最大负载时差回路中的不平衡电流。

取：0.5 Ie，故

Icdqd0.5Ie0.53.4641.732A

式中：Ib2n为变压器二次额定电流；

Krel为可靠系数，一般取1.31.5；

Ker为电流互感器的比误差（10P型取0.032，5P型和TP型取0.012）； U为变压器调压引起的误差；

m为由于电流互感器变比未完全匹配产生的误差，可取为0.05。

对应于励磁变变压器，由于工作时，强励持续时间较长，两侧TA特性差异大，差流不平衡值较大。因此，差动启动定值建议大于0.5Ie。

（6）比率制动系数的整定

变斜率比率差动起始斜率：

Kbl1KrelKer

式中：Ker为互感器比误差系数，取0.1；Krel为可靠系数，取1.02.0；Kbl1一般取0.10～0.20。

故取值Kbl1=0.10。

不平衡电流（二次值）计算: i) 两绕组变压器

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Iunb.max(KapKccKerUm)Ik.max

1.81.00.01222.5%0.05201612001 0.228A式中：Ker、U、m的含义同上；

Kcc为电流互感器的同型系数（取1.0）；

； Ik.max为外部短路时最大穿越短路电流周期分量（二次值）

Kap为非周期分量系数，两侧同为TP级电流互感器取1.0，两侧同为P级电流互感器

取1.52.0；

变斜率比率差动最大斜率为：

kbl2Iunb.max*Icdqd*3kbl1Ik.max*3

0.2281.73230.13.563.5620163150003.46450.328

式中，Iunb.max*，Icdqd*，Ik.max*均为标么值。

kbl2取推荐定值0.70。

（7）谐波制动比的整定

在利用二次谐波来防止励磁涌流误动的差动保护中，二次谐波制动比表示差电流中

的二次谐波分量与基波分量的比值。一般二次谐波制动比可整定为15%  20%，故取15%。

5.3.2 差动速断保护

当内部故障电流很大时，防止由于电流互感器饱和引起纵差保护延时动作。其整定

值应按躲过变压器初始励磁涌流、区外故障或非同期合闸引起的最大不平衡电流整定，一般可取：

IcdsdKIb2n

式中：K为倍数，视变压器容量和系统电抗大小；

主变差动速断、发变组差动速断建议K按5～6Ie整定，高厂变差动速断、励磁变差动速断建议K按6～8Ie整定。

故 Icdsd=6×Ib2n=6×3.56=21.36A。

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5.3 发电机匝间保护 5.3.1 纵向零序电压匝间保护

纵向零序电压取自专用电压互感器（互感器一次中性点与发电机中性点相连，不接

地）的开口三角绕组。

（1）纵向零序电压匝间保护高定值段

动作电压按躲过外部短路最大不平衡电压整定，一般可取：

故取10V。 Uop8~12（ V）（2）纵向零序电压匝间保护灵敏段

动作电压按躲过发电机正常运行时最大不平衡电压整定，一般可取：

Uop0.5~3（ V）建议按2～3V整定，在经过区外故障波形分析后，适当降低定值，以提高灵敏度。

故取Uop=3V。

相电流比率制动系数定值取推荐值1.0。

（3）按规程，经较短延时（0.10S～0.20S）动作与出口。 故取 t=0.2S。保护出口：全停。

（4）工频变化量匝间保护灵敏度相当于2～3V定值的纵向零序电压匝间保护，不需整定，延时整定0.20S～0.50S，一般按较长时间整定。 5.4 发电机相间短路后备保护 5.4.1 复合电压过流保护 （1）电流继电器的整定计算

电流继电器的动作电流应按躲过发电机额定电流整定，计算如下：

IopKrel1.4Ign3.3965.283A Kr0.9式中：Krel为可靠系数，取1.3～1.5；

Kr为返回系数，可取0.85～0.95；

Ign为发电机额定电流二次值。

对于自并励发电机，过电流具有记忆功能，如记忆功能投入，过电流保护必须经复合电压闭锁。

（2）低电压元件取线电压，动作电压Uop可按下式整定。 对于汽轮发电机：

Uop0.6Ugn0.66.674V

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式中：Ugn为发电机额定线电压（二次值）。 （3）负序电压继电器的整定计算

负序电压继电器应按躲过正常运行时出现的不平衡电压整定，一般可取：

Uop.2(0.060.08)Un

0.07Un0.269V

故Uop.2式中：Un为额定相电压二次值 （4）时间元件整定

按大于升压变后备保护的动作时限整定，动作于解列或停机。

5.5定子绕组接地保护 5.5.1 基波零序过电压保护

基波零序电压保护灵敏段取中性点零序电压，Uop应按躲过正常运行时中性点单相

电压互感器的最大不平衡电压Uunb.max整定，即

UopKrelUunb.max

式中：Krel为可靠系数，取1.2-1.3。

Uunb.max为中性点实测不平衡基波零序电压。

应校核系统高压侧接地短路时，通过升压变高低压绕组间的每相耦合电容传递到发

电机侧的零序电压。从定值及延时两方面与系统接地保护配合。

按规程10 %-15%额定电压整定，取Uop=12.7V。

保护时限：t=1S动作于停机。 动作判据为Un0U0zd（动作于跳闸）。

式中，Un0为发电机中性点零序电压，U0zd为零序电压定值。

基波零序电压高定值段只取中性点零序电压，一般整定为20～25V。

5.5.2 三次谐波电压比率接地保护

机端和中性点三次谐波电压各为Ut和Un，三次谐波电压比率接地保护：

UtUn



21

预整定：

Krel3nTVNnTV0200.221.21.5 20103331003式中：Krel为可靠系数，本装置中一般取1.3～1.5；

nTV0机端开口三角零序电压TV变比； nTVN机端中性点零序电压TV变比。

实测发电机并网前最大三次谐波电压比值为α1，并网前比率定值：(1.3-1.5)×α1; 实测并网后运行时最大三次谐波电压比值为α2，并网后比率定值：(1.3-1.5)×α2; 5.5.3 三次谐波电压差动接地保护

三次谐波电压差动接地保护：

UtkpUnkzdUn



式中：kp为调整系数向量，装置自动跟踪调整。kzd为制动系数，建议取0.3。 延时需躲过区外故障后备保护延时。 按推荐定值取0.5。 保护时限：t=5S动作于信号。 5.6发电机逆功率保护

（1）逆功率保护动作功率整定：

PopKrel(P1P2)0.83003%198.9%300 9.84MW9.84106Pset16.4W(折算到二次侧） 150002050.1式中： Krel为可靠系数，取0.5～0.8；

P1为汽轮机在逆功率运行时的最小损耗，一般取额定功率的2％～4％；

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P2为发电机在逆功率运行时的最小损耗，一般取P2(1)Pgn，为发电机效率，

一般取98.6％～98.7％，Pgn为发电机额定功率。

一般按1～2％的额定有功整定，程序逆功率建议整定1％的额定有功。 按推荐定值整定为1%的额定有功，即取：0.01×Pgn=0.01×300=3MW 故取： Pop=3MW （2）延时整定

逆功率保护，不经主汽门触点闭锁，延时15S动作于信号，动作于解列时，根据汽

轮机允许的逆功率运行时间，一般取1～3分钟。故取1分钟；

程序逆功率，经主汽门触点闭锁，延时0.5～1.5S动作于解列；故取1S。

在过负荷、过励磁、失磁等异常运行方式下，用于程序跳闸的逆功率继电器作为闭锁元件，其定值一般整定为 (1-3)% Pgn。

按推荐定值整定为1%的额定有功 取：Pset=1%Pgn=1%×300MW=3MW （3）保护出口：全停。

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总结

此设计为2×300MW发电机－变压器组继电保护的初步方案。

通过这次设计，使我熟悉了发变组保护的的设计步骤，锻炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次毕业设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。

毕业设计收获很多，学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的绘图能力，懂得了许多经验公式的获得是前人不懈努力的结果。同时，仍有很多课题需要后辈去努力去完善。

但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解，等等。这次实践是对自己大学三年所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己 成为一个对社会有所贡献的人，为中国电力事业添上自己的微薄之力。

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参考文献

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【2】大型发电机组继电保护整定计算与运行技术.北京：中国电力出版社，2006 【3】继电保护和安全自动装置技术规程. 北京：中国电力出版社2006.8

【4】王维俭，侯炳蕴.大型机组继电保护理论基础.第二版.北京：中国电力出版社，1996 【5】杜文学.电力工程.第一版.北京：中国电力出版社，2007

【6】颜惠宇.李依凡等.发电厂及变电站二次回路.西安电力高等专科学校 【7】王显平.电力系统故障分析.第一版.北京：中国电力出版社，2008

【8】韩笑.宋丽群.电气工程专业毕业设计指南继电保护分册.北京：中国水利水电出版社2006

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致 谢

本次毕业设计论文是在我的辅导老师王艳的悉心指导下完成的。她严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从始至终，王老师都一直给予我细心的指导和不懈的支持，在此谨向王老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

经过一个月的忙碌，本次毕业设计已经接近尾声。在做设计中，由于经验的缺乏，难免有许多考虑不周的地方，如果没有老师的督促指导，以及同学们的帮助，想要完成这个设计是很困难的。在这里首先要感谢我的指导老师王老师。她平日里工作繁忙，但在我做设计的每个阶段都给予我细心的指导，其次，要感谢和我一起做设计的同学，他们在本次设计中帮我解决了很多困难。最后还要感谢大学三年来所有的老师，为我们打下专业知识的基础，还有所有的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。

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