1 绪论
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1.1 引言
电能与国民经济各部门和人民生活关系密切。现代工业、农业、交通运输业以及居民生活等都广泛的利用电作为动力、热量、照明等能源。供电的中断或不足，不仅将直接影响生产，造成人民生活紊乱，在某些情况下，甚至会造成极其严重的社会性灾难。改革开放以来，我国经济的快速发展刺激电网的快速发展，尤其是近几年我国各个地区出现的缺电现象直接促进了大规模机组的投产和电网建设进程的急剧加快。随着我国电力需求迅速增长，使得电网规模不断扩大、结构越来越复杂，对包括水电厂在内的各类发电厂的发电量及其二次工程的稳定性可靠性的要求显得越发重要。同时随着现代社会对电网供电可靠性的要求的不断提高，就需要我们继电保护装置发挥更重要的作用，针对系统出现的故障能及时切除，确保电网的安全、稳定、经济的运行。发电厂二次系统是发电厂安全生产、运行维护的重要组成部分，对电力系统安全、可靠运行有着极其重要的作用。
西电东送是西部大开发的标志性工程之一，在西部开发三大标志性工程中，西电东送投资最大，工程量最大。顾名思义，西电东送重点在“送”，要送就要有通道，西电东送从南到北，从西到东，将形成北、中、南三路送电格局。其中南线由云南、贵州、广西等省（区）向华南输电。而本文将介绍的水电厂二次设计就是关于西电东送工程中南线上的一个重要水电厂——崖羊山水电厂。
本设计主要包括四大部分：继电保护、发电机励磁系统、直流系统及调速系统，我将着重介绍继电保护部分和直流系统，其它部分将对其进行理论与硬件参数的概述。
1.2 崖羊山水电站简介
崖羊山水电站位于云南省思茅地区墨江哈尼族自治县与普洱哈尼族彝族自治县的界河把边江河段上，该河段位于普洱县境内。为李仙江流域规划七个梯级电站的龙头电站。电站对外有左岸及右岸两条交通运输道路，距昆明火车东站的公路距离分别为370km和418km。
电站是以发电为主，兼顾防洪等综合利用的中型水电站工程。电站共装设两台单机容量分别为50MW和25MW的混流式机组。电站具有季调节水库，发电库容1.34?108m，保证出力23.3MW，多年平均发电量4.99~10kW·h，年利用小时数4158h。电站出线电压等级为220kV。220k V侧为单母线接线，出线一回至李仙江变电站，线路长约30km。220kV开关设备采用气体绝缘金属封闭组合电器。发电机与主变压器采用单元接线，发电机主引出母线采用离相封闭母线，发电机出口装设专用型发电机断路器。
崖羊山水电站电气二次部分，按“无人值班(少人值守)”的原则进行设计，电站由云南省调调度。电站继电保护系统、直流系统、励磁系统、调速系统、公用辅机设备控制系统等主要二次设备均选用性价比优越的微机型产品。
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青海大学本科毕业设计：水电厂电气部分二次设计
2 发电机继电保护系统
根据《继电保护和安全自动装置技术规程》，对电站的发电机、主变压器、厂用变、220kV母线、220kV线路等配置了微机保护。
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，同时发电机本身也是一个十分贵重的电器元件，因此，应该整对各种不同的故障和不正常运行状态，装设性能完善的继电保护装置。
2.1 故障类型及不正常运行状态
2.1.1 故障类型
定子绕组相间短路、定子绕组一相的匝间短路、定子绕组单相接地、转子绕组一点接地或两点接地、转子励磁回路励磁电流消失。
2.1.2 不正常运行状态
由于外部短路引起的定子绕组过电流；由于负荷等超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；由于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；由于突然甩负荷引起的定子绕组过电压；由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷；由于汽轮机主气门突然关闭而引起的发电机逆功等。
2.2 发电机继电保护类型
2.2.1 主保护
（1）纵联差动保护（2）横联差动保护（3）发电机定子绕组接地保护（4）负序过电流保护（5）失磁保护。
2.2.2 后备保护
（1）过电流保护（2）复合电压起动的过电流保护（3）过负荷保护（4）过电压保护（5）低频保护（6）逆功率保护（7）失步保护等。
这里将着重介绍发电机内部相间短路的主保护—纵联差动保护。
2.3 发电机纵联差动保护
通常讲的差动保护包含了母线差动保护、变压器差动保护、发电机差动保护和线路差动保护。实现差动保护的基本原则是一致的，即各侧或各元件的电流互感器，按差接法接线，正常运行以及保护范围以外故障时，差电流等于零，保护范围内故障时差电流等于故障电流，差动继电器的动作电流按躲开外部故障时产生的最大不平衡电流整定计算[3]。
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2 发电机继电保护系统
该保护是发电机内部相间短路的主保护，既能快速而灵敏地切除内部所发生的故障，又能在正常运行及外部故障时保证动作的选择性和工作的可靠性。
2.3.1 发电机纵联差动保护原理及接线
发电机纵联差动保护的原理接线图如图2-1所示，在中性点测和机端引出线靠近断路器处分别装设一组电流互感器，因此它的保护范围就是定子绕组及其引出线。由于两侧可选同一电压等级、同型号、同变比及特性尽可能一致的电流互感器，因此，其不平衡电流比变压器纵联差动保护的小，只需要考虑由于两侧电流互感性励磁特性不一致产生的不平衡电流，即
Iunb.max?KnpKsam0.1Ik.max/nTA （2-1）
式中，电流互感器同型系数Ksam=0.5；当采用具有速饱和铁心的差动继电器KD时，非周期分量系数Knp=1；Ik.max为外部短路最大短路电流周期分量；nTA是电流互感器变比。为了防止电流和互感器二次回路断线引起保护误动，在差动回路的中线上接有断线监视继电器4。错误！未指定书签。
+6KS++c信号+7跳灭磁开关KD1KD2KD3KAI >4+t5短线信号KT图2-1 具有电流互感器二次回路断线监视的发电机纵联差动保护原理接线
2.3.2 发电机纵联差动保护整定原则
发电机纵联差动保护的启动电流的整定原则如下： （1）躲开正常运行时电流互感器二次回路断线
为防止差动保护在此情况下误动作，应整定保护装置的启动电流大于发电机的额定电流。引入可靠系数Krel(取1.3)，则保护装置和继电器的启动电流分别为
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Iop?KrelIN.GIact?KrelIN.G/nTA （2-2）
3 青海大学本科毕业设计：水电厂电气部分二次设计
（2）躲开外部故障时的最大不平衡电流 继电器的启动电流应取为
Iact?KrelIunb.max （2-3）
取上述两公式中最大者为保护的启动电流。
短线监视继电器的启动电流按躲开正常运行时的不平衡电流整定，原则上越灵敏越好。根据经验，其值通常选择为
Iact?0.2IN.G/nTA （2-4）
其动作时限应大于发电机后备保护的时限，以防止外部故障时由于不平衡电流的影响而误发信号。正常运行时，若监视短线继电器发出断线信号，则运行人员应将差动保护退出工作以防止外部短路时保护误动作。
发电机纵联差动保护的灵敏性仍以灵敏系数衡量，即
Ksen?Ik.min （2-5） Iop式中，Ik.min为发电机内部故障时流过保护装置的最小短路电流，计算时应考虑下面两种情况： （1）发电机与系统并列运行以前，在其出线端发生两相短路。此时，差动回路只有由发电机供给的短路电流；
（2）发电机采用自同期并列时（此时发电机先不加励磁，因此发电机的电势E≈0）,在系统最小运行方式下发电机出线端发生两相短路。此时，差动电路中只有由系统供给的短路电流。
对灵敏系数的要求一般不应低于2。
对100MW及以上大容量发电机，当灵敏系数不满足要求时，可以采用具有比率制动特性的差动继电器，使继电器的启动电流随着制动电流的大小而变化。这样既可保证外部故障时可靠躲开最大不平衡电流的影响，又能保证内部故障的灵敏性[3]。
2.4 发电机定子绕组单相接地保护
定子绕组单相接地故障是发电机最常见的一种故障，而且往往是更为严重的绕组内部故障发生的先兆。目前实际应用中比较成熟的定子接地保护有基波零序电压保护、三次谐波电压保护及二者组合构成的保护，国外的发电机中性点大都是经高阻接地，较多的采用的是外加电源式的保护。
发电机定子绕组单相接地时有如下特点：内部接地时，流经接地点的电流为发电机所在电压网络对地电容电流的总和，此时故障点零序电压随故障点位置的改变而改变；外部接地故障时，零序电流仅包含发电机本身的对地电容电流。这些故障信息对接地保护非常重要，下面简单介绍几种定子接地保护方法。
2.4.1 利用零序电流构成的定子接地保护
反应零序电流的发电机定子接地保护，其启动电流按照躲外部单相接地是发电机本身的电容电流以及正常运行时零序电流互感器二次侧的不平衡电流来整定，动作时限取1~2s，以躲开外部单项
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