2×200MW发电机-变压器组继电保护设计 - 图文

电力工程基础课程设计报告

题 目 2×200MW发电机-变压器组继电保护设计

系 别 电子与电气工程系

专 业 电气工程及其自动化（电力系统） 班 级 0920325 学 号 092032502 姓 名 颜丽芬 指导教师 黄新 完成时间 2012年11月29日 评定成绩

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绪论 .............................................................. 3 0引言............................................................. 3 继电保护概述 ...................................................... 3 第一部分 设计任务书 ............................................. 4 0.1设计项目....................................................... 4 0.2设计要求....................................................... 4 0.3设计材料....................................................... 5 0.4设计任务....................................................... 5 第二部分 设计计划书 .............................................. 5 1主变压器的选择................................................... 5 1.1主要设备型号及参数............................................. 5 1.2系统运行主变压器和发电机中性点接地方式......................... 7 1.3发电机变压器组参数及系统运行方式............................... 8 2保护配置......................................................... 8 2.1发电机的保护部分............................................... 9 2.2变压器部分继电保护整定........................................ 11 2.3相间短路的后备保护............................................ 12 3继电保护整定计算................................................ 13 3.1发电机继电保护整定............................................ 16 3.2继电保护整定计算结果一览表.................................... 17 4收获和体会...................................................... 17 5参考文献........................................................ 18

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绪论

0引言 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

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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。

第一部分 设计任务书

0.1设计项目

2×200MW发电机-变压器组继电保护设计。

0.2设计要求

为某电厂2×200MW发电机-变压器组继电保护装置进行整定计算

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0.3设计材料

电厂规模与主要技术指标：

（1）装机容量: 装机2台，容量分别为 2X200MW, UN=15.75KV （2） 保证供电安全、可靠、经济；

0.4设计任务

（一）设计计算说明书

1.主变压器的选择 2.保护配置 3.继电保护整定计算 4.收获和体会 5.参考文献

第二部分 设计计划书

1主变压器的选择

发电厂200MW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”。 1.1主要设备型号及参数

（一）发电机的选型

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。

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闽南理工学院 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—200--2 型号含义: Q——汽轮机 F——发电机 S——水内冷 N——氢内冷 200——额定容量 2——2极 2.QFSN—200—2型汽轮发电机主要参数

额定容量MVA 235 额定励磁电压 283 励磁电流 1390 发电机绝缘 F 暂态电抗 0.18374 效率（％） 98.5 额定功率 ＭＷ 200 功率因数cos? 额定电压Ｖ 15750 额定电流 Ａ 8625 Ｘｄ 195% Ｘｄ 24% ＇Ｘｄ 14.5% ＂0.85

本次设计题目为2×200MW的火力发电厂电气部分的设计。由于装机容量: 装机2台，容量分别为2X200MW, UN=15.75KV，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。

3．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

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Se=240mw,Ud=0.105,接线Y/△-11,分接头1212×2.5%/15.75KV,分级绝缘

1.2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。 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.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200MW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。

3.相关短路点及短路方式的选择

短路点的选择及具体参数如图所示

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1.3发电机变压器组参数及系统运行方式

发电机组一次电气主接线方式：

该电厂两台200MW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15.75kV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；接线图如图1。

35-330KV35-220KV110-330KV110-330kv变电所（a ）(b) (c )

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

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。

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2.1发电机的保护部分 1.比率制动式众差动保护

发电机（100MW及以上）为了减少故障发生于发电机中性点附近而出现的纵差保护的死区，要求将纵联保护的动作电流降低，提高保护动作的灵敏度，并要保证在区短路时保护可靠不误动。考虑到不平衡电流随着流过电流互感器TA电流的增加而增加，往往采用性能更好的比率制动式纵差保护，使其动作值随着外部短路电流的增大而增大，即利用外部故障时的穿越电流实现制动 (1) 最小动作电流的二次值Idz.min

整定原则是保证最大负荷状态下保护不误动，可取Idz.min=（0.1～0.2）Ie (2) 起始制动电流的二次值Iqd

整定原则为该电流不应大于电流互感器二次额定电流Ie，即Iqd 《Ie (3) 最大动作电流二次值Idz.max 整定原则为 在最大短路电流下，躲过纵差

保护的最大不平衡电流，及Idz.max=KrelKaperKstKTA Iout.max(3) 式中Krel---可靠性系数，去1.3～1.5

Kape---非周期分量系数，考虑外部短路暂态非周期分量电流对电流互感

器的影响，一般取1.5～2.0

Kst-----电流互感器同型系数，取0.5 KTA----电流互感器比值误差，取0.1 Iout.max(3)-- 发电机出口三相短路电流值

(4) 拐点电流Ｉｇd．Ｉｇd的大小，决定保护开始产生制动作用的电流大小，建议

按躲过外部故障切除后的暂态过程中产生的最大不平衡差流整定，即 Ｉｇd=(0.5～0.8)Ie

(5) 最大制动系数K= KrelKaperKstKTA

(6) 差动保护灵敏度校验。按有关技术规程，发电机纵差保护的灵敏度必须满足

机端两相金属性短路时，差动灵敏度系数，即 Ｋｌｍ=

其中，灵敏系数Klm为机端两相金属性短路时，短路电流与差动保护动作电流之比值，Klm越大，保护动作越灵敏，可靠性就越高。

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闽南理工学院 2.横差保护

发电机横差保护适用于定子绕组为多分支的发电机，当某相中某一分支发生匝间短路或某相两分支之间在不同匝数处发生短路时，横差保护应立即动作切除发电机。

（一）横差保护的分类

根据交流回路引入电流及保护中含差动元件的数量不同，发电机横差保护可分为单元件横差和三元件横差。三元件横差又称裂相横差。 （二）单元件横差保护

单元件横差保护，适用于每相定子绕组为多分支，且有两个或两个以上中性点引出的发电机。

1 交流接入回路及动作方程

单元件横差保护的输入电流，为发电机两个中性点连线上的TA二次电流。以定子绕组为每相两分支的发电机为例，其交流接入回路如图6所示。

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2.2变压器部分继电保护整定 变压器纵差保护

变压器纵差保护，是变压器内部及引出线上短路故障的主保护，它能反映变压器内部及引出线上的相间短路、变压器内部匝间短路及大电流系统侧的单相接地短路故障。另外，且能躲过变压器空充电及外部故障切除后的励磁涌流。 整定原则及取值建议：

（1）比率制动系数KZ(曲线斜率)。比率制动系数KZ整定原则，按躲过变压器出口三相短路是产生的最大暂态不平衡差流来整定，即过拐点的斜线通过出口区外故障最大差流对应点的上方。一般取0.4.～05。

（2）启动电流Iqd。整定原则为能可靠躲过变压器正常运行是的最大不平衡差流。一般为

Iqd=(0.4～0.5)Ie

（3）Ｉｇd。变压器各侧差动TA的型号及变比可能相 同。因此，各侧TA的暂态特性的差异很大。为躲过区外远 处故障或近区故障切除瞬间产生较大不平衡差流的影响， 建议拐点电流为

Ｉｇd=(0.5～0.7)Ie

（4）二次谐波制动比η。空投变压器时，励磁涌流的大小、二次谐波分量的多少或波形畸变程度，与变压器的容量、结构、所在系统中的位置及合闸角等因素有关。为使差动保护能可靠地躲过变压器空投时的励磁涌流，又能确保在变压器内部故障时故障电流波形有畸变（含二次谐波分量）时，差动保护能可靠动作，应根据被保护变压器的容量、结构及系统中的位置，整定出适当的二次谐波制动比。一般取0.13～0.2。

（5）差动速断倍数IS。变压器差动速断动作倍数的整定原则，躲过变压器空投时的励磁涌流或外部短路时最大不平衡电流来整定。而变压器励磁涌流的大小与变压器的容量、结构、所在系统中的位置等有关，对于大容量变压器；一般为

IS=4～6倍

（6）解除TA断线功能差流倍数Ict.差流大于Ict整定值时，解除TA断线判别环节。一般TA断线引起的差流小于最大负荷电流，故

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Ict=0.8～1.3倍

TA二次回路开路是很危险的，特别是大容量变压器TA二次开路，会造成TA绝缘损坏、保护装置或二次回路着火，还会危及人身安全。；因此建议删掉TA短线判别功能，级

Ict=0.1～0.2倍

（7）变压器额定电流Ie。基准侧差动TA二次电流计算为 Ie= Se/式中Se---变压器额定容量

UTN---基准侧额定相比电压 NTA2---基准侧差动TA变比

（8）灵敏度校验。变压器差动保护的灵敏度要求为

Ksen>=2

满足灵敏度要求，才能保证在区内发生各类型故障（各种各样暂态过程）时保护动作的可靠性。

2.3相间短路的后备保护 低压启动的过电流保护

（1）动作电流的整定原则按变压器额定电流整定，即 Idz=KrelIe/Kf 式中Krel---可靠性系数，取1.2 Kf------继电器的返回系数,取0.85

Ie----变压器额定电流

（2）灵敏度校验：按变压器低压母线故障时最小短路电流二次校验，要求灵敏度大于1.2.

Ksen=Ik.min/Iset

UTNnTA2

式中Iset-----变压器低压母线故障时最小短路电流二次值

（3）动作电压整定原则：按躲过正常运行时母线的最低工作电压整定，根据经

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验可取Udz=0.7Ue=70V

式中Ue―――变压器额定电压（二次）

（4）电压灵敏度校验：按后备保护范围末端三相短路时，保护安装处的最大电压要求大于1.2.

Klm=式中 残压二次值

----后备保护范围末端三相短路时，保护安装处的最大

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。 题目数据的处理 已知条件

、、、

发电机 Pe=200MW, cos?=0.85,Ue=15.75KV,xd=195%,xd=24%，xd=14.5% 变压器 Se=240mw,Ud=0.105,接线Y/△-11,分接头1212×2.5%/15.75KV,分级绝缘。

110kv母线上出线后备保护动作时间为6s。出线的零序后备保护最大动作电流为3250A，最大动作时间为5s。在最大运行方式下，出线的零序后备保护范围末端接地短路时，流经变压器的零序电流为620A，故障线路上的零序电流为903A，最小运行方式下，出现末端金属接地短路时，流经变压器的最小零序电流为1100A.

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解：发电机主要参数

、

Pe=200MW, cos?=0.85,Ue=15.75KV,xd=195%,xd、=24%，xd、=14.5%相间短路的后备保护范围末端两相短路时，流经发电机的最小短路电流为14900A。 额定电流ING=

=

=8625A (8625×1.25=10781A)

电流互感器的变比应考虑额定电流的1.25倍，故电流互感器的变比nTA1=

=2400

发电机二次额定电流Ie=

变压器

==3.59A

Se=240mw,Ud=0.105,接线Y/△-11,分接头1212×2.5%/15.75KV 变压器额定电流 ITN=

=

=8798A(8798

=10977A)

电流互感器变比（低压侧）为 nTA2=

=2400

变压器二次侧额定电流为 Ie=

=

=3.67A

电压互感器变比选择

低压侧 （接从发电机出线端母线）nTV1=

=150

高压侧 （系统母线出线）nTV2==1100

发电机二次额定电压为Uhe===100V

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短路电流归算到二次低压侧的处理过程 发电机

发电机出口三相短路电流值为Iout.max=

(3)

==24.8A

相间短路后备保护范围末端两项短路时，流经发电机的最小短路电流为IKH(2)=14900A,换算到互感器低压侧为IKH(2)*=各短路点电流经电流互感器后的二次值如下表 表1 高压110KV侧短路短路值

名称 点最大三相短点最小三相短路电点最小两相短路电流 I1dk.min(2) 8582 3.58 62647 26.13 线路最大三相短路电流 I1xk.max(3) 15490 6.45 113077 47.1 线路最小三相短路电流 I1xk.min(3) 5147 2.14 37573 15.6 线路最小两相短路电流 I1xk.min(2) 4457.3 1.86 32583 13.6 =6.21A

路电流 流 代号 11OKV值 二次值 I1dk.max(3) 20253 8.44 I1dk.min(3) 9910 4.13 归算15.75 147847 72343 二次值 61.6 30.15

表2低压15.75KV侧短路短路值

名称 点最大三相短路电流 点最小三相短路电流 I2dk.min(3) 12983 5.41 94800 点最小两相短路电流 I2dk.min(2) 11243.3 4.68 82076 线路最大三相短路电流 I2xk.max(3) 8523 3.55 62196 线路最小三相短路电流 I2xk.min(3) 8523 3.55 62196 线路最小两相短路电流 I2xk.min(2) 7381 3.08 53962 代号 I2dk.max(3) 110KV值 15403 二次值 归算6.42 112442 15.75值 二次值 46.87 39.5 37.24 25．9 25.9 22.5

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表3零序电流后备保护电流一览表

名称 110KV母线后备15.75KV母线后备保护 保护 最大运行方式 动作时间(s) 动作时间(s) 最大动作电流(A) 经变压器零序故障母线零序经变压器最小 最小运行方式 电流(A) 电流(A) 零序电流(A) 代号 一次值 二次值 tg1 6 td0 5 Idz.0 3250 1.354 Ik.0max 620 0.26 Ix0 903 0.38 IK.0min 1100 0.46

3.1发电机继电保护整定

(1) 最小动作电流的二次值Idz.min

整定原则是保证最大负荷状态下保护不误动，可取Idz.min=（0.1～0.2）Ie (2) 起始制动电流的二次值Iqd

整定原则为该电流不应大于电流互感器二次额定电流Ie，即IqdIe (3) 最大动作电流二次值Idz.max 整定原则为 在最大短路电流下，躲过纵差

保护的最大不平衡电流，及Idz.max=KrelKaperKstKTA Iout.max(3) 式中Krel---可靠性系数，去1.3～1.5

Kape---非周期分量系数，考虑外部短路暂态非周期分量电流对电流互感

器的影响，一般取1.5～2.0

Kst-----电流互感器同型系数，取0.5 KTA----电流互感器比值误差，取0.1 Iout.max(3)-- 发电机出口三相短路电流值

(4) 拐点电流Ｉｇd．Ｉｇd的大小，决定保护开始产生制动作用的电流大小，建议

按躲过外部故障切除后的暂态过程中产生的最大不平衡差流整定，即 Ｉｇd=(0.5～0.8)Ie

(5) 最大制动系数K= KrelKaperKstKTA (6) 差动保护灵敏度校验。按有关技术规程，发电机纵差保护的灵敏度必须满足

机端两相金属性短路时，差动灵敏度系数，即

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Ｋｌｍ=

其中，灵敏系数Klm为机端两相金属性短路时，短路电流与差动保护动作电流之比值，Klm越大，保护动作越灵敏，可靠性就越高。

3.2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

名称 制动系数 启动电流拐点电流（A） (A) Igd 2.154 负序电压速断倍数额定电流(V) U2g 10 (*Ie) Is 6 (a) Ie 3.59 代号 整定值

KZ 0.4 Iqd 1.975 表2发电机单元件横差动保护整定结果 名称 代号 动作电流（A） 动作时间（S） 名称 Idz t1 整定范围 动作电流（A） 动作时间（S） 1.2565 0.5 4收获和体会

从开始接到课程设计要求到任务的完成，再到课程设计说明书的完成，每一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间完成的比较满意的作品。在这周实训里，我学到了很多知识也有很多感受，当然设计过程中也遇到了许许多多的困难，但通过查看相关的资料和书籍，让自己头脑模糊的概念逐渐清晰，使自己课程设计报告书一步一步的完善起来，每一次改进都是我学习的收获。 通过这次设计我学到了很多很多的东西，不仅巩固了以前学过的知识，而且学到了很多在书本上所没学过的知识。而且经过这次课程设计使我懂得了理论与实际想结合时很重要的，只有理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正的学到知识，从而提高提高自己的实际动手能力和独立思考能力。

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5参考文献

[1]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用. 中国电力出版社 1996 [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 [6]西北电力设计院. 电力工程设计手册[M]. 中国电力出版社 [7]刘学军. 继电保护原理（第二版）. 中国电力出版社 2007 [8]许建安. 继电保护整定计算 中国水利水电出版社 2001 [9]牟道槐. 发电厂变电站电气部分[M]. 重庆大学出版社 2003 [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

[13]韩笑 , 电气工程专业毕业设计指南 继电保护分册（第一版第二版）

中国水利水电出版社2003 2008

[14]尹克宁 电力工程 水利电力出版社 1987

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gx9o.html