MW火电厂继电保护及防雷设计.doc
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2016年度本科生毕业论文（设计）
4X300MW火电厂继电保护及防雷设计
院－系：
工学院 自动化系
专业：
电气工程及其自动化
年级：
2012级
学生姓名：
陶林
学号：
201201030609
导师及职称：
雷竞业（副教授）
2016年6月
2016AnnualGraduationThesis（Project）oftheCollegeUndergraduate
4X300MWRelayprotectionandlightningprotectiondesignofthermalpowerplant
Department:
CollegofEngineering
Major:
ElectricalEngineeringandAutomation
Grade:
2012
Student’sName:
TaoLin
StudentNo:
201201030609
Tutor:
LeiJingYe（associateproessor）
June,2016
毕业论文（设计）原创性声明
本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。
对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。
作者签名：
陶林日期：
2016/5/4
毕业论文（设计）授权使用说明
本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。
有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。
学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。
保密的论文（设计）在解密后适用本规定。
作者签名：
陶林指导教师签名：
雷竞业
日期：
2016/5/4日期：
2016/5/4
陶林毕业论文（设计）答辩委员会（答辩小组）成员名单
姓名
职称
单位
备注
华静
讲师
工学院
组长
雷竞业
副教授
工学院
组员
刘玉福
副教授
工学院
组员
谢鸿龄
助教
工学院
组员
摘要
此次的毕业论文是对4X300MW火力发电厂的继电保护及防雷的保护进行的设计。
通过对火电厂提供的原始资料进行阅读、研究和根据实际情况下，根据电力系统分析、电力系统继电保护等相关知识，在合理的选择短路点后准确的计算出火电厂内非常重要部分的短路电流和火电厂所送电系统中重要部分的短路电流；接着分析清楚整个系统中每个重要部分的故障、正常工作及其不正常工作的状态；最后再根据之前所求得的短路电流对火力发电厂内的重要电气设备配置相应的保护。
在给电力系统继配置相应的保护时;必须满足基本的四性即：
选择上的严格性、要求上的速动性、灵敏度的较高性、必保上的可靠性。
根据配置保护必须满足的要求，本次毕业设计给发电机、电力变压器、母线重要的电气设备配置了保护装置。
防雷保护也是每个发电厂所必须设计的，在雷雨天电厂的很多设备会因为雷击而被损坏；所以防雷保护也是每个发电厂所必须设计的。
为了使此火力发电厂能可靠、长久的运行和降低因厂内各种设备的损坏而造成的不必要的经济损失。
因此必须要分析和完善好整个系统的继电保护配置和防雷设计。
关键词：
短路电流计算；重要电气设备；保护配置；防雷设计
ABSTRACT
Thethesisisthedesignofthepowerplantprotectionandlightningprotection4X300MWconducted.Basedontherawdataprovidedbythermalpowerplantsreading,research,andaccordingtotheactualsituation,accordingtothepowersystemanalysis,powersystemprotectionandotherrelatedknowledge,afterreasonablealternativeshort-circuitpointaccuratelycalculatetheshort-circuitwithintheveryimportantpartoftheThermalPowerPlantelectricalshort-circuitcurrentsystemisanimportantpartofthecurrentandthethermalpowerplantsent;thenanalyzestheentiresystemforeachfaultclearlyanimportantpartofthenormalworkanditsstatusisnotworking;Finally,basedontheobtainedbeforetheshortcircuitcurrentonfireimportantelectricalequipmentwithintheplantconfigurationcorrespondingprotection.
Whenthepowersystemtoconfigurethefollowingprotection;mustmeetfourbasicpropertiesnamely:
strictselectivity,speedandmobilityrequirements,highsensitivity,anecessaryreliability.Dependingontheconfigurationprotectionmustmeettherequirementsofthisgraduationprojecttogenerators,powertransformers,busimportantelectricalequipmentprotectiondeviceisconfigured.Lightningprotectionisalsonecessaryforeachpowerplantdesignedinmanydeviceswillplantathunderstormbecauselightningisdamaged;solightningprotectionisalsonecessaryforeachpowerplantdesign.Forthispowerplantreliable,long-termoperationandreduceunnecessaryeconomiclossesduetodamagetotheplantcausedbyvariousdevices.Itisnecessarytoanalyzeandimprovethegoodrelayprotectionandlightningprotectiondesignoftheentiresystem.
Keywords:
Shortcircuitcalculation;importantelectricalequipment;protectionconfiguration;minedesign
目录
绪论 1
1设计任务书 2
1.1原始资料 2
1.2设计任务 3
1.3提交成果 3
2短路电流的计算 4
2.1短路电流计算的意义 4
2.2短路电流计算的步骤 4
2.2.1必须在同一基准容量下计算各元件的电抗标幺值 4
2.2.2合理的选取短路点 5
2.2.3火力发电厂内d1点发生了短路 6
2.2.4火电厂内d2点发生了短时（系统中） 7
2.2.5火电厂内d2点发生了短路时（火电厂的内部） 9
2.2.6火力发电厂d3点发生短路时 9
3发电机的继电保护 12
3.1发电机保护的配置 12
3.2发电机的差动保护 13
3.2.1发电机相关参数 13
3.2.2发电机的纵差保护 13
3.3横联差动保护 17
3.3.1整定计算 17
3.4发电机的失磁保护 18
3.4.1发电机的失磁原因及其危害 18
3.4.2发电机失磁保护的要求及其保护原理 19
3.4.3发电机失磁保护转子的判剧 20
第四章母线的继电保护 22
4.1母线的故障和继电保护类型 22
4.1.1母线的故障 22
4.1.2母线的保护类型 22
4.2母线的差动保护 24
4.2.1母线差动保护的原则 24
4.2.2母线差动保护的整定计算 24
5变压器的继电保护 27
5.1变压器的故障类型、不正常运行状态及保护方式 27
5.1.1油箱的内部故障 27
5.1.2油箱的外部故障 27
5.1.3变压器的异常状态 27
5.1.4变压器的保护方式 27
5.2变压器相应的保护原理及其整定计算 27
5.2.1变压器的瓦斯保护 28
5.2.2变压器纵差动保护 29
5.2.3变压器复合电压启动的过电流保护 32
6防雷保护的设计 35
6.1雷电过电压的形成过程及其危害 35
6.2电气设备的防雷保护 35
6.2.1发电厂的保护 35
6.2.2架空线路的保护 35
6.2.3直配旋转电机的保护 35
6.3防雷保护的措施 36
6.3.1220kv架空线路的防雷配置 36
6.3.2变压器的防雷配置 36
6.3.3机组厂房的防雷配置 37
6.4架空输电线路的避雷线选择 38
6.5非直配电机避雷器的选择 38
6.6母线避雷器的选择 39
6.7变压器避雷器的选择 40
总结 42
参考文献 43
致谢 44
红河学院本科毕业论文（设计）
绪论
电力系统运行的要求是必须安全可靠，然而，电力系统的原件的数量是非常之多，结构不相同，运行又非常复杂，覆盖的地域广泛。
所以，受自然的条件、设备以及人为的因素的影响，电力系统的在运行中，会发生多种故障和不正常运行的情况，最常见的同时也是最危险的就是各种形式的短路故障。
（1）通过短路点的很大的短路电流产生的电弧，使元件遭受到的破坏。
（2）短路的电流流过非故障的元件，会由于发热造成其绝缘降低或者缩短其使用寿命。
（3）部分地区电压降低的程度非常大，影响了其产品的质量。
（4）毁坏了电力系统并列运行的稳定性，引起了系统振荡。
故障和不正常运行状态常常是难以避免的，但事故却是可以防止。
继电保护装置就是装设在每一个电气设备上，用来反映它们发生的故障和不正常运行情况的区别，从而动作于断路器是跳闸或发出信号反映事故的自动装置。
继电保护装置的基本任务如下有：
（1）当电力系统发生了故障时，必须能自动、迅速、有选择地将有故障的设备切除，保证系统中的其余部分迅速的恢复正常运行，防止故障进一步的扩大。
（2）当发生了不正常的工作情况时，可以自动有选择的将信号上传给运行的人员进行处理，或者切除那些继续运行会引起故障的电气设备。
由此可见继电保护是任何电力系统中不可或缺的部分。
所以在设计电气设备的保护装置时，需要需要综合考虑以下几方面的因素：
（1）故障可能出现的几率及其产生的后果；
（2）电力系统的结构和运行的特性；
（3）经济上的合理性；
（4）电力系统近期的发展情况；
（5）国内外先进的成熟经验；
1设计任务书
1.1原始资料
在某地区建有一个火电厂，该火电厂总共有4台发电机；单台发电机是装机容量为300MW的汽轮发电机，此工程共有两期；前期的投入容量为2X300MW，后期的投入容量为2X300MW。
电厂的所有功率（除去厂用电功率）使用用长度为150km的220KV的双回的输电线路输送入到整个系统中。
整个系统的接线如图1-1所示。
图1-1系统接线图
待设计的火电厂的母线所用的接线的方式是为：
双母线的接线。
详细的接线如下图1-2所示。
各元件的相关参数：
火电站中的相关参数：
运放系统:
X=0.18
待设计电厂中的有关参数：
4X300MW发电机的型号是为QFSN-300-2-20
四台变压器（T1、T2、T3、T4）完全相同且的型号为SFP10-24000/220
系统中的所有输电线线路的单位阻抗均为0.4。
图1-2火电厂电气一次主接线图
1.2设计任务
经过对发电厂厂内短路电流的的整定计算后；完成对火力发电厂中的：
发电机、变压器、母线进行继电保护的配置。
还有对整个火力发电厂进行防雷的设计。
1.3提交成果
提交最终的短路电流计算结果、论文、相应的图。
43
红河学院本科毕业论文（设计）
2短路电流的计算
2.1短路电流计算的意义
所谓短路：
就是某相与大地发生了连接；或者是它们相与相之间发生了连接。
造成短路的原因主要是由于元件自身的老化、自然气象条件的恶化、在设计、安装存在一些不合理的地方以及技术人员的操作不合理。
一般的短路类型有好几种单相接地两相接地、两相相间短路、三相短路。
其中电力系统中罪恶力的短路为三相对称短路，我们在对系统进行保护设计时只要满足了发生三相短路时的情况，那么其他的短路情况也同时满足了保护的条件。
电力系统中导致电气设备毁坏的原因之一是由于短路。
同时，还会破坏系统的稳定性；导致片区停电给人们的生活造成影响以及会对通信造成干扰让我们做出错误的判断从而可能对我们的人身安全有威胁。
短路的计算给我们在对配置保护的整定计算、接线的设计、系统的稳定性方面有了选择的依据。
2.2短路电流计算的步骤
2.2.1必须在同一基准容量下计算各元件的电抗标幺值
取基准容量基准电压
由原始资料可得：
系统中的变压器T1：
火电站中的发电机：
L1线路：
L2线路：
L3线路：
L4线路：
L5线路：
L6线路：
火电厂中发电机：
火电厂中的变压器：
2.2.2合理的选取短路点
此次共选取的三个短路点分别为d1、d2；d3;各自的具体位置如下图2-1、2-2所示：
图2-1系统中的短路点
图2-2电气主接线中的短路点
2.2.3火力发电厂内d1点发生了短路
1.画出d1短路点的等值网络图及最简图
图2-3d1点的等值网络图及最简图
2.进行短路电流计算
（1）求出电抗值
（2）经查《电力系统分析》附表中的运算曲线表可得：
在0.2s时短路电流的标幺值：
（3）d1点的短路电流为：
（4）由于是双回线路，因此每条线路的短路电流为：
2.2.4火电厂内d2点发生了短时（系统中）
1.画出d2短路点等值网络图及最简图
图2-4系统中d2点的等值网络图
图2-5系统中d2点的等值网络化简图
图2-6系统中d2点的最简图
2.进行短路电流的计算
（1）求出电抗值：
（2）经查《电力系统分析》附表中的运算曲线表可得：
在0.2s时短路电流的标幺值：
（3）系统中d2发生了短路的短路总电流：
（4）由于是双回线路，因此每条线路的短路电流为：
2.2.5火电厂内d2点发生了短路时（火电厂的内部）
1.画出d2短路点等值网络图及最简图
图2-7火电厂内d2点的等值网络图及最简图
2.进行短路电流的计算
（1）求出电抗值
（2）经查《电力系统分析》附表中的运算曲线表可得：
在0.2s时短路电流的标幺值：
（3）火电厂内部d2点短路时的总电流为：
（4）由于是有4台发电机，所以每台发电机的短路电流为：
2.2.6火力发电厂d3点发生短路时
1.画出d3短路点等值网络图及最简图
图2-8d3点的等值网络图
图2-9d3点的最简图
2.进行短路电流的计算
（1）求出电抗值
（2）经查《电力系统分析》附表中的运算曲线表可得：
在0.2s时短路电流的标幺值：
（3）火电厂内d3点短路时的电流为：
（4）d3点短路时的总电流为：
3发电机的继电保护
3.1发电机保护的配置
电力系统所占地位非常重要的设备之一就是发电机。
它相当于人的心脏。
同时发电机也是系统中十分昂贵的设备。
系统的正常运行、用户的不间断的供电以及在保证电能的质量等方面，都受到发电机是否能正常稳定的工作的影响。
1纵差保护。
在发电机容量大于1MW的发电机的定子的绕组及其引出线也会发生的相间的短路，故要装设纵差保护。
2.定子绕组接地保护。
直接的连接在母线上的发电机；定子的绕组单相的接地故障。
在单相接地的故障情况下；若短路后的电流在可能会大于允许值时。
要配备在发生了接地时有良好的选择性。
像这样的发电机——变压器组，容量在100MW以下的，根据要求保护区不能小于90%的定子的接地的保护；而容量在100MW以上的，保护区为100%的定子的接地保护。
保护要有时限的动作信号，并动作于跳闸。
表3-1发电机定子绕组发生单相接地时的故障电流的许可值
发电机额定电压（KV）
发电机额定功率（MW）
接地电容许可值（A）
6.3
4
10.5
汽轮发电机
50—100
3
水轮发电机
10—100
13.8—15.75
汽轮发电机
125—200
2
水轮发电机
40—225
18—20
300—600
1
3.发电机的外部，发生了外部的短路时的相间的短路的保护。
4.横差保护。
能反映发电机定子绕组之间所发生匝间短路情况。
横差保护适用于：
定子的绕组是采用了星型连接、每相都有并联分支同时中性点侧又是有分支的引出端。
300MW的发电机，在条件允许的情况下一定要装设双重化的横差保护。
5.定子绕组的过负荷保护。
对于对称的负荷所造成的定子绕组电流过大的，应要装设接于；一相电流的定的子绕组的过负荷的保护。
6.失磁保护。
因励磁不足或励磁消失引起的不正常状态。
它一般都是不允许失磁运行，所以要在自动灭磁开关，连锁的时候断开断路器。
采用半导体励磁和100MW及其以上；采用电动机来产生励磁的发电机，都必须要增设能够直接反应出，在发电机出现了失磁的情况下各相关的电气的参数变化的专用的失磁的保护。
3.2发电机的差动保护
3.2.1发电机相关参数
表3-2300MW汽轮发电机的主要参数
型号
QFSN-300-2-20型
额定功率（MW）
300
额定电压（KV）
20
额定电流（A）
10190
额定功率因数
0.85
额度转速（r/min）
3000
额定励磁电压（V）
426
额定励磁电流（A）
2030
空载励磁电压（V）
180
发电机零序阻抗的标幺值
0.095
发电机的视在功率（M）
352.3
定子接线
Y-Y
3.2.2发电机的纵差保护
纵差保护是发电机定子绕组及引出线相间短路的主保护，它除了要能够迅速和灵敏度地切断内部的故障之外。
与此同时还需要能在电动机在正常的运行、保护范围之外的情况下，确保能选择性动作及工作上的可靠。
在保护的范围之内发生了相间的短路时，要能够很快的把断路器断开及切断自动的灭磁开关。
在正常情况及电动机外部短路的时候差动继电器中没有电流通过，差动继电器不会动作；其一相差动保护原理图3-1所示：
图3-1发电机单相差动保护原理图
比率制动式差动保护原理：
如果是在保护范围外发生短路时；制动的电流所发生的大小变化，是根据其在外部短路的电流大小的变化而相应进行变化，原理如图3-2所示：
图3-2比率制动式纵差保护原理图
比率制动式纵差保护的动作的区域如图3-3所示：
图3-3比率制动式差动保护特性曲线
——启动电流；——拐点电流；——制动电流
从图我们可以看此种保护；相较于一般类型的差动保护相比较而言，它引入了拐点的电流和其启动的电流这两种。
它的制动已经不是过在一有微小的差动电流就会启动差动继电器，而是要必须达到它的启动电流后，它才会根据电流的大学开始判别是否动作于跳闸。
这样也就可以避免因TA误差而导致的不正确动作的情况。
它的灵敏度和一般了差动保护的比较有了进一步的提高。
然而，对于在外部发生短路的这种情况，继电器制动电流又是可以随外部短路短路电流的变化而发生相应的变化，来保证继电器总不会误动。
3.2.3进行整定值的计算
通过上面的分析可知需要对、、进行整定计算。
1.的整定：
按躲开发电机在额定状态下，流过差动继电器中的不平衡电流来进行整定。
（3-1）
式子中——可靠系数，取；
——保护发电机两侧的TA变比误差产生的差流，取；
——保护两侧的二次误差产生的差流，取；
——发电机额定电流；
一般取为：
（3-2）
2.的整定计算。
3.制动系数和制动线的斜率的整定计算。
发电机外部不正常运行时所产生的与差动继电器中的可以确定特性曲线C点，并可以近似为：
（3-3）
式子中——非周期分量，取；
——TA的同型系数，取0.5；
在0.260.45之间，对于完全差动保护，可以取0.3；而不完全差动保护，可以取。
特性曲线的斜率：
（3-4）
在发电机发生了外部故障时，为了躲过，此时C点的电流值为：
（3-5）
式子中——
升级会员 