某水电站继电保护课程设计
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1 引言
1. 1 摘要
由于大型水电站的母线、发电机和变压器的结构比较复杂，在运行过程中都可能会发生各种各样的故障和异常运行状态，为了确保在保护范围内发生故障，都能有选择性的快速切除故障，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，对电力系统的影响最小。
发电机是电力系统中的中的一个重要组成部件，发电机的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。所以，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、资料整理查询和电气绘图等使用方法。在此过程中培养学生对各门专业课程整体观的综合能力，通过较为完整的工程实践基本训练，为全面提高学生的综合素质及增强工作适应能力打下一定的基础。本课程主要设计发电机继电保护的原理、配置及整定计算，给今后继电保护的工作打下良好的基础。
1. 2 原始资料
某水电站（如下图1）所示：
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图 1 水电站系统图
（1）水电站有3200KW 水轮发电机2 台，通过7500KV A 变压器以35KV 的电压与系统连接，当35KV 母线短路时，系统供给的最大运行方式下的短路容量为100MV A，最小运行方式下的短路容量为80MV A。
(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/KM。
(3)变压器参数为：容量7500KV A、变比35/6.3、Ud＝7.5％，所用变容量为100KV A、变比6.3/0.4、Ud＝4.5％。
(4)发电机参数为：容量3200KW、功率因素0.8、X′′d＝0.2、X2＝0.25。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) 写出说明书。
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(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
继电保护主要利用电力系统中元件发生短路或异常情况时的电气量(电流、电压、功率、频率等)的变化，构成继电保护动作的原理，也有其他的物理量，如变压器油箱内故障时伴随产生的大量瓦斯和油流速度的增大或油压强度的增高。大多数情况下，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的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施。因在其发展过程中曾主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，所以沿称继电保护。基本任务是：当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。
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2.2 继电保护基本原理
继电保护的原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量，当突变量达到一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。
故障后，工频电气量变化的主要特征及可以构成的保护
（1）电流增大，构成电流保护。
（2）电压降低，构成低电压保护。
（3）电流与电压之间的相位角改变，构成功率方向保护。
（4）测量阻抗发生变化，构成距离保护。
（5）故障时被保护元件两端电流相位和大小的变化，构成差动保护。
（6）不对称短路时，出现相序分量，构成零序电流保护、负序电流保护和负序功率方向保护。
电力系统的继电保护根据被保护对象不同，分为发电厂、变电所电气设备的继电保护和输电线路的继电保护。前者是指发电机、变压器、母线和电动机等元件的继电保护，简称为元件保护；后者是指电力网及电力系统中输电线路的继电保护，简称线路保护。
按作用的不同继电保护又可分为主保护、后备保护和辅助保护。
主保护是指被保护元件内部发生的各种短路故障时，能满足系统稳定及设备安全要求的、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，用以将故障切除的保护。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给保护回路，断路器跳、合闸及信号等二次回路。按操作电源性质的不同，可以分为直流操作电源和交流操作电源。通常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
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源，最大的优点是工作可靠，但缺点是投资较大、维护麻烦。交流操作电源的优点是投资少、维护简便，但缺点是可靠性差。
2.3 继电保护要求
1）选择性：当电力系统发生故障时，只让离故障点最近的保护装置动作，切除故障元件，保证其他电气设备的正常运行，
2）快速性：当电力系统发生故障时，快速切除故障可以减轻短路电流对电气设备的破坏程度，尽快回复供电系统的正常运行。
3）可靠性：保护装置必须经常处于准备状态，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）灵敏性：保护装置对其在本保护区发生故障或不正常工作状态，无论其位置如何，程度轻重，均有足够的反应能力，保证动作。各种保护装置的灵敏性用“灵敏度”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个重要环节，其目的是：1在选择电气主接线时，给比较各种接线方案提供依据，和确定某一接线是否需要采取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情况下都能安全，可靠地工作，同时又节约资金，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验。
3为选择继电保护方式和进行整定计算提供依据。
4接地装置的设计，也需用短路电流。
电力系统中，发生单相短路的几率最大，而发生三相短路的可能性最小。但是三相短路造成的危害一般来说最严重。为了使电力系统的电气设备在最严重的短路.
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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 短路计算步骤
在工程计算中短路电流的计算常采用实用曲线法，其计算步骤如下：
（1）选择计算短路点；
（2）画等值网络图；
A 、选取基准容量100
B S MVA =和基准电压B av V V =。
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d 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：为计算不同短路点的短路电流值，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sf X 以及无限大电源对短路点的转移电抗sf X 。
（3）求出计算电抗，jsi X =(1,2,3.....)Ni if B S X i g S =
式中Ni S 为第i 台等值发电机的额定容量。
（4）由运算曲线查出个电源供给的短路电流周期分量标么值（运算曲线只作到 3.5js X =）。
（5）计算无限大功率的电源供给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。
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3.3 短路计算过程
3.3.1 确定短路计算的基准值
根据原始资料，设功率基准值100B S MVA =,基准电压38.5B U kV =. 则
1.5B I kA ===. 3.3.2 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 、功率因素 0.8、X 、、d
＝0.2、X 2＝0.25的发电机，根据公式：
121000.25 6.253.2/0.8
B GN S X X S *=?=?= 所以发电机标幺值X 1=X 2=6.25
（2）系统中，有两台变压器，变压器T 1容量为 100KV A 、变比 6.3/0.4、Ud
＝4.5％。变压器T 2为容量 7500KV A 、变比 35/6.3、 Ud ＝7.5％。
所以 变压器1T 3 4.510045100100MVA X kVA
*=
?= 变压器2T 47.51000.61007500MVA X kVA *=?= （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/KM 。
所以 架空线路 52100(0.45) 4.16(6.93)
MVA X kV *=?Ω?= 因此绘短路计算等效电路如图3.1所示。