廠用電保護(hù)配置和定值整定原則適應(yīng)性探討

陳朝暉

（浙江浙能臺(tái)州第二發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 臺(tái)州 317109）

0 引言

隨著電力技術(shù)的發(fā)展和火力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，火力發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)與原來(lái)小機(jī)組廠用電系統(tǒng)相比發(fā)生較大的變化，即：廠用電中壓系統(tǒng)除了采用真空斷路器外，還廣泛采用F-C（熔斷器-接觸器）斷路器；廠用電低壓系統(tǒng)廣泛采用帶有電子脫扣器的框架斷路器和塑殼開(kāi)關(guān)；另外，在高壓電動(dòng)機(jī)電源回路中，變頻器和軟啟動(dòng)裝置的應(yīng)用也日趨普遍。而目前廣泛應(yīng)用的微機(jī)保護(hù)裝置在邏輯組態(tài)和保護(hù)類型選擇（如定時(shí)限保護(hù)、反時(shí)限保護(hù)、經(jīng)閉鎖的電流保護(hù)等）上具有強(qiáng)大的邏輯功能和靈活性。面對(duì)一次系統(tǒng)組成的多樣性和復(fù)雜性以及保護(hù)裝置功能靈活強(qiáng)大的新常態(tài)，在保護(hù)類型配置原則和定值整定原則方面出現(xiàn)了多種選擇，因此，容易出現(xiàn)誤配置、誤整定。據(jù)了解，保護(hù)類型配置不當(dāng)，定值整定失配的情況時(shí)有發(fā)生。

以下結(jié)合近幾年各發(fā)電廠發(fā)生的廠用電保護(hù)定值整定誤區(qū)和難點(diǎn)問(wèn)題，針對(duì)各種電氣一次系統(tǒng)運(yùn)行方式及設(shè)備型式和保護(hù)裝置具體功能，進(jìn)行綜合梳理并提出相應(yīng)的保護(hù)類型的配置原則和保護(hù)定值的整定原則具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 6 kV/10 kV F-C斷路器速斷保護(hù)的解決方案

F-C斷路器是具有限流熔斷器和高壓接觸器組合而成的廠用電斷路器，因其價(jià)格便宜、占用空間小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越多被應(yīng)用在廠用電系統(tǒng)上，而早期的廠用電微機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)，原理簡(jiǎn)單，功能單一，為了避免綜合保護(hù)在故障電流大于真空接觸器開(kāi)斷電流的情況下?lián)屜瘸隹冢行┌l(fā)電廠選擇退出變壓器和電動(dòng)機(jī)的速斷保護(hù)，或選擇將速斷保護(hù)帶一定時(shí)限的定時(shí)限延時(shí)出口，這樣既犧牲保護(hù)的快速性又增加保護(hù)整定的復(fù)雜性，同時(shí)也很難正確校核與高壓熔絲配合的合理性。

目前的微機(jī)型綜合保護(hù)，具備強(qiáng)大、靈活的邏輯功能，可經(jīng)過(guò)合理的組態(tài)選擇，使綜合保護(hù)實(shí)現(xiàn)大電流閉鎖速斷保護(hù)出口的功能，即當(dāng)故障電流超過(guò)其整定值，自動(dòng)將綜合保護(hù)跳閘出口回路閉鎖，防止真空接觸器切斷超過(guò)其允許開(kāi)斷的電流。這樣，速斷保護(hù)就可以按常規(guī)投入，動(dòng)作出口采用保護(hù)裝置固有動(dòng)作時(shí)間或延時(shí)0.05～0.1 s，這樣既簡(jiǎn)化保護(hù)的整定計(jì)算，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了無(wú)延時(shí)切除故障的目的。目前國(guó)產(chǎn)主流的廠用電綜合保護(hù)系統(tǒng)，如南瑞PCS/RCS-9000系統(tǒng)、南自PS-690U系列、四方CSC-200系列、金智科技WDZ-5200系列等保護(hù)裝置通過(guò)控制字和過(guò)流閉鎖定值的合理整定均可實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)設(shè)計(jì)導(dǎo)則，TA（電流互感器）的一次額定電流按負(fù)荷電流選擇，F(xiàn)-C斷路器配置的保護(hù)TA一次額定電流都較小，故障情況下容易飽和，而真空接觸器的額定開(kāi)斷電流遠(yuǎn)大于TA飽和電流，因此過(guò)流閉鎖保護(hù)的定值可按不大于TA飽和電流整定。

2 廠用變壓器負(fù)序保護(hù)合理整定方案

早期投運(yùn)的微機(jī)型綜合保護(hù)（比如愛(ài)光MMP-5000，南自的WCB-3）中的負(fù)序保護(hù)，為一段式反時(shí)限負(fù)序保護(hù)，反時(shí)限負(fù)序保護(hù)既作為變壓器的不對(duì)稱保護(hù)也作為變壓器不平衡保護(hù)，負(fù)序電流啟動(dòng)值按躲開(kāi)最大不平衡電流整定，一般整定（0.6～0.8）In（額定電流），反時(shí)限出口時(shí)間與380 V最大負(fù)荷過(guò)載保護(hù)反時(shí)限配合。

目前的主流微機(jī)型綜合保護(hù)，如南瑞PCS/RCS-9000，南自PS 690U、金智科技WDZ-5200系列，都為定時(shí)限負(fù)序保護(hù)。如果負(fù)序保護(hù)仍按一段式配置，則負(fù)序電流啟動(dòng)值和延時(shí)的整定在選擇性、快速性、靈敏性上存在配合的困難。如電流按躲開(kāi)最大不平衡電流整定（0.6～0.8）In整定，出口時(shí)間按與低壓側(cè)速斷保護(hù)配合，整定0.5～0.7 s，快速性和靈敏性得到保證，但存在低壓側(cè)相間故障誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)；如果電流與低壓側(cè)最大負(fù)荷最大動(dòng)作電流配合整定，或變壓器低壓側(cè)出口兩相短路有1.5倍靈敏度整定，其整定值較大，失去負(fù)序保護(hù)有較高靈敏度的優(yōu)勢(shì)；如出口時(shí)間按高壓系統(tǒng)非全相運(yùn)行及高壓母線相鄰設(shè)備非對(duì)稱故障切除最長(zhǎng)時(shí)間配合，則影響保護(hù)的快速性。

因此合理的配置方式是配置二段式負(fù)序過(guò)流保護(hù)。負(fù)序過(guò)流Ⅰ段整定原則應(yīng)以“變壓器低壓側(cè)出口兩相短路有1.5倍靈敏度整定”為主。與“低壓側(cè)最大負(fù)荷動(dòng)作電流配合整定”屬于不同原理保護(hù)間的配合（負(fù)序過(guò)流與過(guò)電流），主要靠時(shí)間配合，定值配合較難，可作為輔助原則進(jìn)行校核。出口時(shí)間按與低壓側(cè)速斷保護(hù)配合，整定0.5～0.7 s。負(fù)序過(guò)流Ⅱ段，作為變壓器不平衡保護(hù)，電流值整定（0.35～0.4）In，出口時(shí)間應(yīng)與高壓系統(tǒng)非全相運(yùn)行及高壓母線相鄰設(shè)備非對(duì)稱故障切除最長(zhǎng)時(shí)間配合，同時(shí)校核與低壓側(cè)負(fù)荷過(guò)載保護(hù)不失配。

3 變壓器中性點(diǎn)接地保護(hù)存在問(wèn)題及合理的解決方案

早期投運(yùn)的380 V電源開(kāi)關(guān)柜配有熔斷器保護(hù)，變壓器中性點(diǎn)接地保護(hù)采用GL-21/5電磁型反時(shí)限出口繼電器，反時(shí)限出口時(shí)間與熔斷器保護(hù)配合。

目前380 V斷路器基本上都配置帶有電子脫扣器保護(hù)功能的框架斷路器，具有短延時(shí)速斷保護(hù)功能，那么廠用變壓器中性點(diǎn)接地保護(hù)出口延時(shí)再選擇反時(shí)限延時(shí)出口，這不僅增加保護(hù)整定的復(fù)雜性，而且也毫無(wú)意義。

另外，根據(jù)導(dǎo)則變壓器中性線接地保護(hù)的電流整定值應(yīng)與下一級(jí)零序過(guò)電流保護(hù)配合，下一級(jí)無(wú)零序電流時(shí)，與下一級(jí)相間保護(hù)的最大動(dòng)作電流配合。目前較多發(fā)電廠的廠用變壓器低壓側(cè)380 V母線聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)和下接最大負(fù)荷MCC饋線電源開(kāi)關(guān)未配置接地保護(hù)，變壓器中性點(diǎn)接地保護(hù)的零序電流定值與380 V母線聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)短延時(shí)速斷保護(hù)電流值配合，電流定值明顯偏大，導(dǎo)致保護(hù)靈敏度降低和保護(hù)范圍縮小。有些發(fā)電廠的變壓器中性點(diǎn)接地保護(hù)零序電流定值則按與下級(jí)的最大負(fù)荷MCC（電動(dòng)機(jī)控制中心）饋線電源開(kāi)關(guān)短延時(shí)速斷保護(hù)配合，當(dāng)380 V母線聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)投入運(yùn)行帶一段母線特殊運(yùn)行方式時(shí)，存在越級(jí)跳閘，擴(kuò)大停電范圍的風(fēng)險(xiǎn)。

因此合理的方案是380 V母線聯(lián)絡(luò)斷路器和低壓側(cè)最大負(fù)荷MCC饋線電源開(kāi)關(guān)均配置零序接地保護(hù)，并采用定時(shí)限出口，則變壓器中性點(diǎn)接地保護(hù)與下一級(jí)的最大零序保護(hù)動(dòng)作電流配合，也選擇定時(shí)限出口，這樣廠用變壓器中性點(diǎn)接地保護(hù)即能保持其較高靈敏度，同時(shí)定時(shí)限時(shí)間整定也較為簡(jiǎn)單，并且上下級(jí)容易配合，不會(huì)造成失配。

4 帶變頻器的高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)整定原則

為了節(jié)能降耗，目前發(fā)電廠廣泛采用電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)，高壓電動(dòng)機(jī)變頻系統(tǒng)由移相變壓器、變頻器、電動(dòng)機(jī)3個(gè)部分設(shè)備組成。為確保變頻器元件故障不影響機(jī)組發(fā)電，大多設(shè)置旁路運(yùn)行模式，接線如圖1所示。因此配置在6 kV/10 kV開(kāi)關(guān)柜上的綜合保護(hù)要滿足工頻和變頻2種運(yùn)行工況下的功能需求。

圖1 帶變頻器的高壓電動(dòng)機(jī)一次接線

電流取自6 kV/10 kV側(cè)的綜合保護(hù)裝置應(yīng)設(shè)定兩套定值。一套適用工頻運(yùn)行，作為電動(dòng)機(jī)保護(hù)，按常規(guī)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)整定原則整定。另一套適用變頻運(yùn)行，根據(jù)變頻系統(tǒng)設(shè)備組成及運(yùn)行特點(diǎn)，配置相應(yīng)保護(hù)和合理的定值整定。

在變頻運(yùn)行工況下，三相電壓通過(guò)移相變壓器、變頻器送到電動(dòng)機(jī)，其等效阻抗已發(fā)生較大的變化，而且變頻器的交-直-交環(huán)節(jié)中直流隔離作用，綜合保護(hù)無(wú)法再對(duì)電動(dòng)機(jī)起到保護(hù)作用，因此保護(hù)對(duì)象為移相變壓器。對(duì)于移相變壓器，由于其結(jié)構(gòu)較為特殊，二次側(cè)繞組、抽頭較多，難以配置差動(dòng)保護(hù)，因此由電流速斷保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、負(fù)序保護(hù)構(gòu)成其主、后備保護(hù)，其整定原則也與普通變壓器保護(hù)整定原則稍有不同。

電流速斷保護(hù)電流定值按躲過(guò)變頻器高壓輸入電源開(kāi)關(guān)合閘時(shí)的沖擊電流計(jì)算。合閘沖擊電流取決于移相變壓器投入時(shí)的勵(lì)磁涌流以及變頻器內(nèi)部電容器充電電流，對(duì)于帶預(yù)充電回路的變壓器，可按4倍變壓器額定電流整定，對(duì)于不帶預(yù)充電回路變壓器按8倍變壓器額定電流整定。

由于移相隔離變壓器的低壓側(cè)單個(gè)繞組短路歸算到高壓側(cè)呈現(xiàn)出很大的短路阻抗，此時(shí)，流過(guò)高壓側(cè)的短路電流不太可能達(dá)到電流速斷保護(hù)的定值，因此，電流速斷保護(hù)對(duì)于移相隔離變壓器低壓側(cè)單繞組短路基本沒(méi)有靈敏度，只能保護(hù)高壓側(cè)電纜及移相隔離變壓器高壓繞組，則還需要配置靈敏度較高的過(guò)流保護(hù)，電流定值按躲開(kāi)10 kV母線電壓突然降低變頻器瞬時(shí)停運(yùn)后自恢復(fù)過(guò)程中變壓器的最大電流計(jì)算，一般不超過(guò)1.5倍變壓器額定電流，同時(shí)校驗(yàn)變壓器低壓側(cè)故障有靈敏度，出口延時(shí)按移相隔離變壓器合閘沖擊電流的持續(xù)時(shí)間整定，一般不超過(guò)0.5 s。

5 帶軟啟動(dòng)裝置的高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)整定原則

發(fā)電廠中對(duì)于啟動(dòng)頻繁的輸煤皮帶機(jī)一般配有軟啟動(dòng)裝置，而軟啟動(dòng)裝置內(nèi)部具有電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能，因此在保護(hù)整定計(jì)算中須考慮與軟啟動(dòng)保護(hù)功能配合。結(jié)合某發(fā)電廠1臺(tái)10 kV電壓等級(jí)帶軟啟動(dòng)裝置的輸煤皮帶電動(dòng)機(jī)的整定實(shí)例，介紹其整定經(jīng)驗(yàn)。

輸煤皮帶機(jī)電源回路配帶摩托托尼的MVC Plus電氣軟啟動(dòng)裝置，在啟動(dòng)時(shí)過(guò)流Ⅱ段保護(hù)和過(guò)負(fù)荷保護(hù)均動(dòng)作出口。保護(hù)定值整定情況為速斷保護(hù)整定為8.4In，0 s出口，過(guò)流Ⅱ段保護(hù)電流整定值1.8In，過(guò)負(fù)荷保護(hù)電流整定值1.16In，根據(jù)電動(dòng)機(jī)廠提供電動(dòng)機(jī)直起時(shí)最大啟動(dòng)時(shí)間5 s，過(guò)流Ⅱ段和過(guò)負(fù)荷保護(hù)出口時(shí)間按躲開(kāi)電動(dòng)機(jī)最長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間整定，整定為7 s。

MVC Plus軟啟動(dòng)裝置是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)上的交流正弦波電壓來(lái)工作的，同時(shí)通過(guò)改變SCR（可控硅）的導(dǎo)通角來(lái)限制流過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流，從而使電動(dòng)機(jī)加速或者減速的，一旦電動(dòng)機(jī)達(dá)到全速，軟起動(dòng)部分就被接觸器旁路掉，接線如圖2所示。

軟啟動(dòng)裝置的工作模式是具有限流功能的電壓斜坡模式，也就是設(shè)定“初始電壓”定值，確保電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子從靜止到轉(zhuǎn)動(dòng)，然后電壓逐漸地平滑上升，再是設(shè)定的“斜坡時(shí)間”和“限流值”定值，決定了從初始電壓到限流值之間的曲線斜率，設(shè)置較長(zhǎng)的“斜坡時(shí)間”將延長(zhǎng)MVC Plus達(dá)到“限流值”的時(shí)間，如果電動(dòng)機(jī)在軟啟斜坡結(jié)束前達(dá)到全速運(yùn)行，軟啟動(dòng)將自動(dòng)結(jié)束斜坡，把全壓加到電動(dòng)機(jī)上。如果電動(dòng)機(jī)在斜坡時(shí)間結(jié)束前沒(méi)有達(dá)到全速運(yùn)行，電流限流設(shè)定將會(huì)按照限流值調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，如圖3所示。

圖2 帶軟啟動(dòng)裝置的高壓電動(dòng)機(jī)一次接線

圖3 軟啟過(guò)程

查輸煤皮帶機(jī)軟啟動(dòng)裝置的設(shè)置值：“斜坡時(shí)間”為8 s，“限流值”為4In，那么可以看出電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)7 s后，此時(shí)電動(dòng)機(jī)電流還維持在4In，大于過(guò)流Ⅱ段和過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作值。后通過(guò)多次帶載啟動(dòng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)過(guò)程中電流處在限流值4In的持續(xù)時(shí)間取決于帶載負(fù)荷的輕重，重負(fù)荷下持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，輕負(fù)荷下持續(xù)時(shí)間短。由此可見(jiàn)，裝有軟啟動(dòng)裝置的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間不能按廠家提供的全電壓直啟的最大啟動(dòng)時(shí)間取值，應(yīng)躲開(kāi)軟啟動(dòng)裝置中的“斜坡電壓”時(shí)間+“限流值”持續(xù)時(shí)間。

另外，速斷保護(hù)電流值也應(yīng)根據(jù)軟啟動(dòng)設(shè)定的“限流值”適當(dāng)降低，躲開(kāi)電動(dòng)機(jī)及外部故障時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大反饋電流。

6 結(jié)語(yǔ)

一個(gè)合理正確的保護(hù)定值整定，需要合理的保護(hù)配置及依據(jù)《廠用電繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》，綜合考慮一次系統(tǒng)接線、開(kāi)關(guān)型式、負(fù)荷性質(zhì)、系統(tǒng)可能的運(yùn)行方式變化及其系統(tǒng)中各保護(hù)承擔(dān)的保護(hù)范圍，根據(jù)理論和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)合理取舍，方能完成。以上梳理近幾年困擾廠用電保護(hù)定值整定的難點(diǎn)問(wèn)題，并提出與之相適應(yīng)的保護(hù)模型配置和保護(hù)定值整定原則，以避免定值鑒定失效。

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