發電廠低壓廠用電保護整定配合的探討

黃海兵

（五凌電力五強溪水電廠，湖南 懷化419636）

0 引言

針對發電廠低壓用電設備電壓等級、設備類型復雜，負荷支路覆蓋面廣，保護的整定配合也相應變得錯綜復雜。400 V廠用變壓器保護配置在高壓側斷路器開關保護模塊內，主要有速斷保護、過流保護、過負荷保護、零序保護，分級動作于發信、跳400 V負荷側開關、跳變壓器高壓側電源斷路器。400 V進線開關保護一般通過開關本體保護模塊配置，根據負荷性質，配置速斷、過流、過負荷、接地等，分級動作于跳本體、跳變壓器上級斷路器。400 V負荷開關保護通過本體自帶的速斷保護實現瞬時故障的保護跳閘功能。為實現低壓廠用電保護能在各類故障下正確動作，不拒動、不誤動、不越級，故在整定定值時，極差配合是必須考慮的問題。主要包括400 V廠用變壓器保護模塊、400 V進線開關保護、400 V負荷開關保護、電氣設備自動空氣開關或熔斷器的保護配合。

由于發電廠現場各系統斷路器、保護模塊等并非出自同一廠家、同一型號，開關的技術參數及保護模塊的特性曲線存在較大的差異。在一定程度上給低壓保護的極差配合帶來困難。要分析清楚各類型保護特性之間的差異是很困難和繁瑣的，且對于實際應用來說，必要性不大。只需在滿足選擇性的前提下，無論是經過保護用電流互感器二次電流的繼電保護裝置，還是開關本體通過額定電流倍數整定的保護，電流保護之間的配合，為了在同一可比條件下進行校驗，其配合電流都應歸算為400 V電壓級的一次電流。

1 額定電流的選擇

（1）額定電流就是在電氣設備通入額定電壓，正常工作時所允許通過的最大電流。三相交流電機的額定電流計算公式為：（U=380 V，cosφ為電機功率因數，η為電機的效率。額定功率P、額定電壓U、功率因數cosφ、電機效率η等參數以銘牌標識為準。）下面選取幾種典型接線方式的典型負荷進行整定計算的介紹。

1）電動機保護型額定電流選擇（以單臺油泵電機負荷開關額定電流為例）：電動機保護主要是保

廠用電系統的一般倒閘方式：廠用電系統正常的倒閘操作中，在檢查10 kV或0.4 kV廠用系統備用電源自投裝置均已正常投入的情況下，可直接拉開10 kV或0.4 kV開關，并檢查各備用電源自投裝置是否正確動作，未動作的應手動操作，恢復正常運行，沒有配置備用電源自投裝置的母線應手動操作。對于具備失壓脫扣功能的開關因失壓跳閘引起母線失電，也應手動操作恢復送電。400 V母線電壓容許變動范圍為380～420 V，最高不應高于440 V，最低不應低于360 V，其中照明母線的電壓容許變動范圍為 388～412 V。護電機繞組線圈，在電動機出現短路、過壓、堵轉、過載、三相不平衡等異常運行情況或者故障時，給與報警或切斷電源開關。電動機電氣量保護與進線電源電纜無關，故斷路器額定電流選擇以電動機額定電流為參考，二者相同。很多開關元器件對額定電流均可以在0.5～1.0倍范圍內調整，按照后期可擴展性需求，可選電動機額定電流1.0～2.0倍來選取電動機電源斷路器的額定允許電流。

2）配電斷路器線路中僅有電動機時（以MCC馬達控制中心電源為例）：

Im：電動機額定電流；Iz：線路總負荷電流；In：配線斷路器額定電流。

在實際整定中，若線路負荷電流大于電動機額定電流的1.1倍，則配線斷路器額定電流選取應小于2.5倍的線路負荷電流。

3）低壓干線，線路負載中包括電動機（以400 V機組自用電開關及母聯開關為例）

Im：電動機額定電流；Iz為線路總負荷電流；In為配線斷路器額定電流；IL為干線中線性負荷電流 。

目前，電動機啟動多以星三角降壓啟動方式為主，但軟啟動器技術不斷成熟，具備設備體積小、啟動平穩、沖擊小，且可按照需求配置必要的保護功能，得到了廣泛使用。以軟啟勵方式啟動的電動機為例，啟動電流一般按照電動機額定電流的3倍計算并整定。

（2）保護定值整定原則：低壓廠用電斷路器的瞬時或短延時脫扣器的整定電流，應按躲過電動機啟動電流的條件選擇，并按最小短路電流校驗靈敏系數。同時考慮與上一級400 V開關定值相匹配，避免短路故障時越級跳閘。

（3）低壓廠用電短路電流計算條件

1）忽略發電機及主變阻抗，發電機出口作為無窮大系統來考慮（發電機及主變阻抗遠小于高壓廠用變、公用變及機組自用變阻抗）。

2）忽略高壓廠用變至10 kV開關的電纜阻抗，忽略10 kV開關至公用廠用變開關的電纜阻抗，忽略400 V電纜阻抗。

3）公用廠用變和機組自用變為三相三柱式，零序電抗無實測參數，按0.8倍正序電抗計算。

4）明確公用廠用變、高壓廠用變、機組自用變的基礎參數。

2 斷路器與相鄰電器保護的配合原則

（1）瞬時速斷過流保護是不帶延時，達到整定值以最快速度切除故障，用于嚴重短路故障的切除，單一電動機斷路器一般按照額定電流的8～10倍整定。進線電源斷路器瞬時速斷保護整定電流，應以大于直接連接的負荷側斷路器進線處的短路電流的1.15倍整定。不考慮延時動作。

（2）進線電源斷路器的短延時電流整定，以應大于下級斷路器的短延時整定電流的1.25 倍整定。在下一級延時基礎上增加保證選擇性的時間間隔，一般取 0.3～0.5 s。

（3）與上級熔斷器的配合：斷路器過流脫扣器的特性低于上級熔斷器熔化特性（短延時時間≥70 ms） 。

（4）與下級熔斷器的配合：斷路器速斷過流保護，與熔斷器延時部分完全獨立，且有一段延時，延時時間不低于0.1 s。

（5）斷路器長延時過電流保護的特性，及斷路器過載保護。應低于保護對象的長期額定電流運行允許的熱累積效應，以確保負荷長時間安全穩定運行，一般取額定負荷電流的1.1～1.3倍計算并整定。

（6）上下級斷路器配置的保護裝置，保護特性曲線在各自本身的保護范圍以外不得相交。

（7）當低壓用電設備進線電源配置有備自投功能時，必須設置低電壓保護，當主用電源故障跳閘備用電源自投時，重要負荷能在盡可能短的時間內恢復送電。

（8）400 V變壓器高壓側斷路器的延時過流保護動作時間整定，應比400 V變壓器低壓側負荷開關動作時間遞增一個時間梯度，保證故障切除時的選擇性，通常取 0.3～0.5 s。

3 低壓斷路器保護的配合

低壓廠用電400 V開關額定電流一般按變壓器額定電流設置。經驗值可按此原則整定：過流保護電流定值按2倍額定電流設置，延時整定為0.5 s，速斷保護電流定值按4倍額定電流設置。

按照低壓斷路器配置的保護種類，極差配合主要考慮以下幾種情況。

（1）當低壓斷路器上級電源開關配置有短延時電流保護時，應與下一級斷路器的瞬時（或延時） 電流保護相配合，極差系數kp一般按不小于1.25倍整定。

（2）當低壓斷路器上級電源開關配置有瞬時速斷保護時，為保證選擇性，上下級整定時應考慮可靠系數，一般按大于1.15倍整定。其上一級的動作電流整定值，應大于下一級斷路器出口最大計算短路電流。

（3）長延時的保護要確保上級的曲線在下級曲線的上方，保證下級在上級之前動作，防止斷路器的越級跳閘。

4 短延時保護電流及時間的整定

（1）短延時是為保證保護的選擇性而設置的，為防止支路發生故障聯跳上級開關而設置。其延時時間根據開關實際分合時間整定，下級開關發生故障時，開關在20 ms～0.1 s內跳開，切除故障，防止越級跳閘。考慮開關機構誤差，可取0.3 s。

（2）電動機電源開關：

與下級油泵電動機斷路器速斷保護配合，整定公式為：Ir2≥1.1×1.35×k×Im

其中，k：電動機啟動電流倍數，Im：電動機額定電流，1.35為防止誤動的可靠系數，時間取0.1 s～0.5 s。

（3）低壓干線進線開關，負荷中包括電動機

整定公式為：Ir2≥ 1.1（IL+1.35×k×Im）

其中，k：電動機啟動電流倍數；IL：干線中線性負荷電流；Im：電動機額定電流。時間取0.1～0.5 s。

5 瞬時速斷電流的整定

（1）電動機電源開關瞬時速斷電流整定

電動機電源開關整定公式為：Ir3=k×kL×k2×Im

其中，k：電動機啟動電流倍數。kL：可靠系數，考慮電動機啟動電流誤差及瞬動誤差，一般取1.2，k2：電動機啟動電流峰值系數，考慮瞬動機構動作電流為峰值電流，取1.7～2。由于大功率電動機一般采用減壓啟動器或者星三角轉化啟動，啟動電流會大幅度減小，一般達不到6～10倍，故電動機電源開關瞬時速斷電流一般取5倍額定電流。

（2）低壓干線電源開關瞬時速斷電流整定

低壓干線進線開關，線路中包括電動機，整定公式為：Ir3≥ 1.1×（IL+k2×k×Im）

其中，k2：電動機啟動峰值電流倍數取1.7～2；k：電動機啟動電流倍數；IL：干線中線性負荷電流；Im：電動機額定電流。

6 兩進線一母聯結構的400V備自投裝置整定

400 V公用廠用、機組自用電、照明電正常運行方式為分段運行，并投入備自投裝置。廠用電正常倒換以備用電源自動投入為主，手動倒換時，應先停后送，不得使機組自用電兩段母線同時失壓，倒換后應仔細檢查重要負荷的運行情況。

發電廠部分重要負荷，即使短時斷電，也會造成嚴重后果，可能導致部分輔助設備停運，發電機控制油、控制氣、冷卻水等系統中斷，嚴重的直接造成非計劃停運或設備損壞。故一般配置兩電源開關一母聯開關的供電結構。一路電源因故障跳閘，備自投自動動作合上母聯，迅速恢復供電。3個電源開關的保護配合亦至關重要，直接影響著電源恢復可靠性。

（1）主要邏輯功能

1）母聯分段備自投功能：正常時單母分段運行，母聯斷開，當兩母線任意一段故障，備自投將母聯自動投入。

2）進線備自投功能：正常時，兩條進線電源一條工作一條備用，母聯合閘，當工作電源故障跳開，備自投將備用電源自動合上。

3）倒廠用電方式：正常時，兩條進線電源一條工作一條備用，母聯合閘，當母聯開關跳開，備自投將備用電源自動合上。

4）后加速保護功能：當投入線路有故障電流時，加速跳開，防止誤投故障母線。

5）裝置可實時監視查看兩進線與母聯開關電流電壓量。

6）裝置采樣精度要求：采樣準確度：電壓U精度≤±1%，電流I精度≤±1%，整定允許誤差α≤±2.5%。

7）進線電源及母聯斷路器電壓監視繼電器定值一般按以下數值整定。過壓閾值255 V（相電壓），欠壓閾值180 V（相電壓），不平衡閾值12%，相應延時調節響應1.5 s。3個開關可保持一致。

（2）主要保護定值整定原則

1）工作母線低電壓啟動條件：U≤65%Un，可整定，延時可整定，一般取0.3～0.5 s。即持續低壓超過定值，并達到延時，視為進線電源斷電。

2）兩進線開關按照負荷特性及容量整定。

3）母聯開關過流保護定值按照兩進線定值整定。兩段母線所接負荷基本按照平衡原則配置。故母聯電源保護選取兩進線較大的定值。

4）備用電源投入延時整定：可按照具體負荷情況整定備用電源合閘時間，保證外部故障完全消除，母線電壓完全恢復，有利于設備自啟動和防止二次沖擊。一般在進線電源動作時間上遞增0.2～0.5 s，補償開關合閘時間。

5）開關經保護跳閘后不能自動復歸。若某一進線開關經開關保護模塊跳閘，此開關故障報警燈不會自動復歸，防止一次設備故障未消除前帶故障合上進線開關，須在專業人員現場檢查，確認一次故障消除后，手動復歸保護模塊報警。防止備自投投到故障元件上，導致事故擴大。

7 某廠保護配置實例

（1）公用廠用變壓器電流速斷保護：由電流繼電器組成兩相星形接線作為變壓器內部短路的主保護，保護瞬時動作，跳開變壓器高、低壓側開關。

（2）過流保護：由電流繼電器組的兩相三繼電器接線，作為變壓器內部及400 V出線短路的后備保護，保護分兩段時限，I段時限跳400 V母聯開關，II段時限動作于變壓器高、低壓側開關。

（3）零序保護：由零序電流繼電器接于變壓器低壓側中性點處電流互感器上，作為400 V側接地故障的保護，繼電器動作時間與動作電流成反時限特性，動作后作用于變壓器高、低壓側開關。

（4）過負荷保護：采用一個電流繼電器監視變壓器過負荷，保護延時動作，發信號。

8 保護的選擇性校驗

定值整定完成后，均要求進行選擇性校驗。要求在不允許越級跳閘的情況下，盡可能快地切除故障，保證選擇性的同時，確保其快速性。不論各級斷路器配置何種形式的保護，必須校驗相互間的曲線配合，在下級斷路器或用電設備保護的首端（上級的末端）可能發生的最大短路電流處的任何短路故障或過流均允許上級曲線與下級曲線相交，并留有適當的時間間隔，避免可能引起非選擇性動作，導致越級跳閘。

9 結論

從總原則講，低壓廠用電上下級保護配合，應是上級的同類型保護與下級的同類型保護之間的配合。例如，上一級的限時速斷保護與下一級的速斷保護配合，上一級的短延時過流保護應與下一級的短延時過流保護配合。依據上述原則整定并校驗低壓廠用電保護，可滿足廠用電間的極差配合。