乙烯變電所繼電保護(hù)整定計(jì)算分析

摘? 要：繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它能快速切除故障構(gòu)成了電力系統(tǒng)的第一道防線，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障。電力系統(tǒng)對繼電保護(hù)提出了可靠性、選擇性、靈敏性、速動性的要求，合理的繼電保護(hù)整定計(jì)算是滿足“四性”要求的關(guān)鍵。本文結(jié)合乙烯變電所6kV開關(guān)柜更新改造，對乙烯變電所的繼電保護(hù)整定計(jì)算進(jìn)行分析，保證了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);繼電保護(hù);整定計(jì)算

中圖分類號：TM773? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2021）01-0000-00

1 乙烯變電所概況

乙烯變電所（3#變）為乙烯裝置供電，有4臺容量為2000kVA的變壓器，短路電壓百分值Ud%=7.0，變比為6.0kV/0.4 kV，進(jìn)線電源為雙電源，分別引自總變電所1#總變乙烯變613柜、1#總變乙烯變614柜，每個電源分別采用2根電纜供電，電纜型號為YJV22-6 3×300，電纜長度L=0.85km[1]。進(jìn)線和母聯(lián)開關(guān)采用內(nèi)橋式接線，單母線分段。

2 乙烯變電所短路電流計(jì)算

2.1 確定基準(zhǔn)值

采用標(biāo)準(zhǔn)值方法計(jì)算，6kV取基準(zhǔn)容量Sj=100MVA，基準(zhǔn)電壓Uj=6.3kV。380V取基準(zhǔn)容量Sj=100MVA，基準(zhǔn)電壓Uj=0.4kV。

2.2 1#總變6kV母線處短路電流

系統(tǒng)最大運(yùn)行方式：由振烯線供電，振興站3臺變壓器并列運(yùn)行，中原石化1#總變2臺主變并列運(yùn)行，1#總變6kV母線三相短路時的短路電流 。

系統(tǒng)最小運(yùn)行方式：由振烯線供電，振興站1臺變壓器運(yùn)行，中原石化1#總變1臺主變運(yùn)行，1#總變6kV母線兩相短路時的短路電流為 。

因?yàn)樵跓o限大容量系統(tǒng)中，同一地點(diǎn)的兩相短路電流為三相短路電流的0.866倍。所以最小運(yùn)行方式下1#總變6kV母線三相短路時的短路電流為[2]：

2.3 1#總變6kV母線處系統(tǒng)短路容量

2.4 1#總變6kV母線處系統(tǒng)電抗標(biāo)幺值

2.5 1#總變至乙烯變電纜電抗標(biāo)幺值

經(jīng)查表，6至10kV三芯電纜的電抗平均值X=0.08Ω/km。[3]

2.6 乙烯變電所變壓器的電抗標(biāo)幺值

2.7 乙烯變電所6kV母線的電抗標(biāo)幺值和三相短路電流

2.8 乙烯變電所0.4kV母線的電抗標(biāo)幺值和三相短路電流

3電動機(jī)保護(hù)整定計(jì)算

以乙烯變急冷油循環(huán)泵GA104A電動機(jī)為例，三相異步電動機(jī)型號：YB450M2-4W，額定電壓：6kV，額定功率：500kW，額定電流IrM=58.5A，電流互感器變比na=75/1，零序電流互感器變比na0=50/1，電動機(jī)電纜型號：ZR-YJV22-6/10 3×95，電纜長度0.16km。采用ABB REM615電動機(jī)綜合保護(hù)繼電器，設(shè)置電流速斷保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、單相接地保護(hù)、低電壓保護(hù)。

3.1電流速斷保護(hù)

按躲過電動機(jī)的最大啟動電流整定計(jì)算[4]，其可靠系數(shù)Krel取1.5，電動機(jī)啟動電流倍數(shù)Kst取7，則電流速斷保護(hù)動作電流Iop ：

，取為8.5A，0s。

靈敏度系數(shù)校驗(yàn)：按電動機(jī)入口處最小兩相短路電流一次值校驗(yàn)。

因?yàn)樵跓o限大容量系統(tǒng)中，同一地點(diǎn)的兩相短路電流為三相短路電流的0.866倍。[2]所以GA104A電動機(jī)入口處兩相短路電流值：

靈敏度系數(shù)：

，滿足要求。

3.2過負(fù)荷保護(hù)

按躲過電動機(jī)的額定電流整定計(jì)算，由于過負(fù)荷保護(hù)要考慮電動機(jī)的啟動時間，因此動作時限較長，可利用反時限來改善其保護(hù)特性。

過負(fù)荷保護(hù)動作電流啟動值：Iop=IrM/na=58.5A/（75/1）=0.78A，曲線選擇：IEC Long Time Inverse，時間系數(shù)：K=0.09，其反時限動作時間與電流的大小成反比，動作時間見公式：

式中：I為測量的電流，I>為設(shè)置的啟動值，K為設(shè)置的時間系數(shù)，A=120，B=0.0，C=1.0。

保護(hù)裝置的動作時限按躲過電動機(jī)啟動時間整定，即top≥tst，保護(hù)裝置動作時限top一般為10～15s，應(yīng)在實(shí)際啟動時校驗(yàn)其能否躲過啟動時間。[5]

當(dāng)I/I>=2時，代入公式計(jì)算，t[s]=10.8s，滿足保護(hù)裝置動作時限top一般為10～15s的要求。

當(dāng)電動機(jī)啟動時，取I/I>=7，代入公式計(jì)算，t[s]=1.8s<10s，不滿足保護(hù)裝置動作時限top一般為10～15s的要求。在乙烯變急冷油循環(huán)泵GA104A 電動機(jī)啟動時，也發(fā)生了過負(fù)荷保護(hù)誤動作的情況，與理論計(jì)算的結(jié)果相吻合。當(dāng)電動機(jī)的啟動時間太長而導(dǎo)致過負(fù)荷保護(hù)誤動時，宜在啟動過程中短接過負(fù)荷保護(hù)器件，不能采取提高整定電流的做法，以免運(yùn)行中過負(fù)荷保護(hù)失效[5]。所以在電動機(jī)啟動時，加入了8S的時間閉鎖過負(fù)荷保護(hù)，8S過后自動投入過負(fù)荷保護(hù)，經(jīng)過空載和帶載試運(yùn)，過負(fù)荷保護(hù)都能躲過電動機(jī)的啟動過程，實(shí)踐證明通過增加8s閉鎖過負(fù)荷保護(hù)的方法，保證了繼電保護(hù)的可靠性和靈敏性。

3.3堵轉(zhuǎn)保護(hù)

當(dāng)電動機(jī)在啟動過程中或在運(yùn)行中發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障，電流將急劇增大，容易造成電動機(jī)燒毀事故[5]。

動作電流Iop可取（2～3）IrM/na，取Iop=2.5IrM/na=2.5×58.5A/（75/1）=1.95A。

動作時限tpe，s可取（0.4～0.7）tst，max ，其中tst，max可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，電動機(jī)的啟動時間按15s計(jì)算，tpe，s=0.533×tst，max=0.533×15s=8s。為防止電動機(jī)啟動過程中堵轉(zhuǎn)保護(hù)誤動作，在電動機(jī)啟動期間（按15s算）堵轉(zhuǎn)保護(hù)被閉鎖，啟動15s后自動投入堵轉(zhuǎn)保護(hù)。

3.4單相接地保護(hù)

單相接地電容的計(jì)算：電網(wǎng)中的單相接地電容電流由電力線路和電力設(shè)備（同步發(fā)電機(jī)、大容量同步電動機(jī)及變壓器等）兩部分的電容電流組成。

電纜線路的單相接地電容電流：Ic=0.1Un L[5] ，式中：Un為線路標(biāo)稱電壓，kV;L為線路長度，km;Ic為接地電容電流，A;乙烯變電所6kV電纜線路總的單相接地電容電流等于每條6kV電纜線路的單相接地電容電流之和，為了簡化計(jì)算，可以先計(jì)算出乙烯變電所6kV電纜線路的總長度，經(jīng)計(jì)算L總=6.43km，乙烯變電所6kV電纜線路總的單相接地電容電流Ic=0.1Un L總=0.1×6kV×6.43km=3.858A。

因?yàn)?kV變電所電力設(shè)備增加的接地電容電流附加值百分?jǐn)?shù)為18%[4]，所以乙烯變電所的總單相接地電容電流ICΣ=Ic+Ic×18%=3.858A+3.858A×0.18=4.552A。因?yàn)槌笮屯诫妱訖C(jī)外，其它電動機(jī)的電容電流ICM可忽略不計(jì)。

保護(hù)裝置的一次動作電流Iop按被保護(hù)元件發(fā)生單相接地故障時最小靈敏系數(shù)1.3整定。Iop≤（ICΣ-ICM）/1.3≤（4.552A-0A）/1.3≤3.5A。取2.5A，所以Iop，k=Iop/na0=2.5A/（50/1）=0.05A。

動作時限：動作于信號時取0.5s～2.0s，取1.2s。

3.5低電壓保護(hù)

根據(jù)低電壓保護(hù)整定原則：當(dāng)電源電壓短時降低或短時中斷后又恢復(fù)時，為了保證重要電動機(jī)自啟動而需要斷開次要的電動機(jī)，保護(hù)裝置的電壓整定值一般為電動機(jī)額定電壓的65%～70%，時限一般約為0.5s，動作于跳閘;當(dāng)需要自啟動，為了保證人身和設(shè)備安全，在電源電壓長時間消失后需從配電網(wǎng)中自動斷開的電動機(jī)，保護(hù)裝置的電壓整定值一般為電動機(jī)額定電壓的45%～50%，時限一般為9s～10s。

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，該電動機(jī)不需要自啟動，但考慮到乙烯裝置工藝的連續(xù)性要求，低電壓保護(hù)取55V（二次值），時限3s，動作于跳閘。

4變壓器保護(hù)整定計(jì)算

乙烯變電所共有4臺容量為2000kVA的變壓器，短路電壓百分值Ud%=7.0，變壓器連接組別為D，yn11，變比為6.0kV/0.4kV，6.0kV高壓側(cè)額定電流IrT1=192.4A，電流互感器變比na1=250/1，零序電流互感器變比：na0=50/1，0.4kV低壓側(cè)額定電流IrT2=2886.7A，電流互感器變比na2=3000/5，4臺變壓器為同型號、同批次產(chǎn)品，變壓器本體參數(shù)相同，所帶負(fù)荷也大致相同，因此繼電保護(hù)配置也相同。6.0kV高壓側(cè)采用ABB REF615綜合保護(hù)繼電器，設(shè)置電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、接地保護(hù)。

4.1電流速斷保護(hù)

最大運(yùn)行方式下乙烯變電所變壓器0.4kV低壓側(cè)的三相短路電流：

因?yàn)樽儔浩鞯淖儽葹?.0kV/0.4kV，所以最大運(yùn)行方式下乙烯變電所變壓器0.4kV低壓側(cè)三相短路時，流過6.0kV高壓側(cè)的三相短路的電流：

。

電流速斷保護(hù)動作電流：按躲過變壓器0.4kV低壓側(cè)三相短路時，流過保護(hù)裝置的最大短路電流整定，可靠系數(shù)Krel取1.3。

，考慮到上下級配合，取15.2A，0s。

靈敏度系數(shù)校驗(yàn)：按最小運(yùn)行方式下，變壓器6.0kV高壓側(cè)保護(hù)裝置出口處兩相金屬性短路電流校驗(yàn)。

最小運(yùn)行方式下乙烯變電所變壓器6.0kV高壓側(cè)的三相短路電流：

因?yàn)樵跓o限大容量系統(tǒng)中，同一地點(diǎn)的兩相短路電流為三相短路電流的0.866倍[2]。所以最小運(yùn)行方式下乙烯變電所變壓器6.0kV高壓側(cè)保護(hù)裝置出口處兩相金屬性短路電流值：

靈敏度系數(shù)：

，滿足要求。

4.2過電流保護(hù)

反時限過電流保護(hù)動作電流：按躲過變壓器高壓側(cè)額定電流或正常最大負(fù)荷電流整定，可靠系數(shù)Krel取1.2，返回系數(shù)Kr取0.85。

，考慮到與上下級保護(hù)配合，取1.65A。

靈敏度系數(shù)校驗(yàn)：按最小運(yùn)行方式下，變壓器0.4kV低壓側(cè)母線兩相金屬性短路時折算到高壓側(cè)的一次電流校驗(yàn)。

最小運(yùn)行方式下乙烯變電所變壓器0.4kV低壓側(cè)的三相短路電流：

因?yàn)樵跓o限大容量系統(tǒng)中，同一地點(diǎn)的兩相短路電流為三相短路電流的0.866倍[2]。所以最小運(yùn)行方式下變壓器0.4kV低壓側(cè)的兩相短路電流為 。

0.4kV低壓側(cè)母線兩相金屬性短路時折算到6.0kV高壓側(cè)的一次電流。

靈敏度系數(shù)：

，滿足要求。

變壓器0.4kV低壓側(cè)開關(guān)柜此次未進(jìn)行更新，原低壓側(cè)的負(fù)荷也無變化，所以低壓側(cè)的定值不做調(diào)整，變壓器0.4kV低壓側(cè)過電流保護(hù)采用法國IEE公司的ITG7366型繼電器，整定值為1.7IN，0.35s，電流互感器變比na2=3000/5，一次電流整定值I>=1.7×3000A=5100A，動作時限為反時限，其中：T=27，α=1，Σt=0.35，則變壓器0.4kV低壓側(cè)保護(hù)出口處三相短路電流 對應(yīng)的動作時間：

變壓器6.0kV高壓側(cè)過電流保護(hù)正常反時限時間常數(shù)Top，set按與下一級反時限保護(hù)特性配合整定，時間級差Δt=1.0s，6.0kV高壓側(cè)過電流保護(hù)整定值Iop=1.65A，計(jì)算到0.4kV低壓側(cè)的過電流保護(hù)一次電流整定值Iop2=Iop×na1×6.0kV/0.4kV=1.65A×250/1×6.0kV/0.4kV=6187.5A，則時間常數(shù)：

，取0.65

過電流保護(hù)整定值：啟動值：1.65A，曲線選擇：IEC Normal Inverse，時間常數(shù)：0.65。

4.3單相接地保護(hù)

整定計(jì)算原則同電動機(jī)單相接地保護(hù)，整定值：0.05A，動作于信號1.2s。

5進(jìn)線保護(hù)整定計(jì)算

乙烯變電所有兩條電源進(jìn)線，進(jìn)線和母聯(lián)開關(guān)采用內(nèi)橋式接線，單母線分段，進(jìn)線電流互感器變比na=1500/1，差動互感器變比nad=1500/1。保護(hù)采用ABB REF615綜合保護(hù)繼電器、ABB RED615差動保護(hù)繼電器，設(shè)置電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、差動保護(hù)。

5.1電流速斷保護(hù)

電流速斷保護(hù)動作電流：按與下一級（變壓器）電流速斷保護(hù)配合整定，變壓器電流速斷保護(hù)一次電流值Iop，T=15.2A×250/1=3800A，配合系數(shù)Kco取1.42。

，考慮到與上下級的配合，取3.6A，0.9s。

靈敏度系數(shù)校驗(yàn)：按最小運(yùn)行方式下，母線兩相金屬性短路電流校驗(yàn)。

最小運(yùn)行方式下乙烯變電所6.0kV母線處的三相短路電流：

因?yàn)樵跓o限大容量系統(tǒng)中，同一地點(diǎn)的兩相短路電流為三相短路電流的0.866倍。[2]所以最小運(yùn)行方式下乙烯變電所6.0kV母線處兩相短路電流：

靈敏度系數(shù)：

，滿足要求。

5.2過電流保護(hù)

反時限過電流保護(hù)動作電流：按躲過線路額定電流或正常最大負(fù)荷電流整定，按一條進(jìn)線帶兩段母線運(yùn)行時，電動機(jī)（N-1）開1備，2臺變壓器滿負(fù)荷，經(jīng)計(jì)算線路額定電流IL=920A，可靠系數(shù)Krel取1.1，返回系數(shù)Kr取0.95。

，取0.71A。

靈敏度系數(shù)校驗(yàn)：按最小運(yùn)行方式下，母線兩相短路時流過保護(hù)裝置安裝處的短路電流校驗(yàn)。

最小運(yùn)行方式下乙烯變電所6.0kV母線處的三相短路電流：

因?yàn)樵跓o限大容量系統(tǒng)中，同一地點(diǎn)的兩相短路電流為三相短路電流的0.866倍。[2]所以最小運(yùn)行方式下乙烯變電所6.0kV母線處兩相短路電流：

靈敏度系數(shù)：

，滿足要求。

反時限過電流保護(hù)時間常數(shù)整定計(jì)算原則同變壓器，過電流保護(hù)整定值：啟動值：0.71A ，考慮到與變壓器過流保護(hù)配合，曲線選擇：IEC Very Inverse，時間常數(shù)：1.13。

5.3差動保護(hù)

線路額定電流：按一條進(jìn)線帶兩段母線運(yùn)行，按電動機(jī)（N-1）開1備，4臺變壓器滿負(fù)荷運(yùn)行。經(jīng)計(jì)算線路額定電流IL=1451.6A，則線路二次額定電流IL2=IL/nad=1451.6A/（1500/1）=0.968A。

最小動作電流：可取（0.3～0.5）IL2，取0.35A。

拐點(diǎn)電流：第一拐點(diǎn)可取（0.8～1.0）IL2，取0.8A。第二拐點(diǎn)可取（2.0～4.0）IL2，取2.0A。

斜率：第一拐點(diǎn)斜率可取0.4～0.5，取0.5。第二拐點(diǎn)斜率可取0.6～0.7，取0.7。

差動速斷動作電流：可取（4～6）IL2，取4.1A。

靈敏度系數(shù)校驗(yàn)：按最小運(yùn)行方式下，線路末端兩相短路電流校驗(yàn)。

最小運(yùn)行方式下1#總變至乙烯變電所線路末端的三相短路電流：

因?yàn)閮上喽搪冯娏鞯扔谌喽搪冯娏鞯?.866倍。[4]所以最小運(yùn)行方式下1#總變至乙烯變電所線路末端的兩相短路電流：

當(dāng)發(fā)生線路末端的兩相短路時，根據(jù)差動保護(hù)設(shè)定參數(shù)，對應(yīng)的制動電流二次值：

對應(yīng)的差動動作電流二次值Id，op=0.35A+0.5×（2-0.8）A+0.7×（4.53-2）A=2.721A

1#總變至乙烯變電所線路末端的兩相短路電流二次值：

靈敏度系數(shù)：

，滿足要求。

6母聯(lián)保護(hù)整定計(jì)算

母聯(lián)電流互感器變比na=1500/1，保護(hù)采用ABB REF615綜合保護(hù)繼電器，設(shè)置電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)。

6.1電流速斷保護(hù)

整定計(jì)算原則同進(jìn)線電流速斷保護(hù)，考慮到與上下級的配合，取3.2A，0.5s。

6.2過電流保護(hù)

反時限過電流保護(hù)動作電流：按躲過線路額定電流或正常最大負(fù)荷電流整定，按電動機(jī)（N-1）開1備，2臺變壓器滿負(fù)荷，經(jīng)計(jì)算母線額定電流IL=710A，可靠系數(shù)Krel取1.1，返回系數(shù)Kr取0.95。

，取0.55A。

靈敏度系數(shù)校驗(yàn)：按最小運(yùn)行方式下，母線兩相短路時流過保護(hù)裝置安裝處的短路電流校驗(yàn)。

最小運(yùn)行方式下乙烯變電所6.0kV母線處的三相短路電流：

因?yàn)樵跓o限大容量系統(tǒng)中，同一地點(diǎn)的兩相短路電流為三相短路電流的0.866倍[2]。所以最小運(yùn)行方式下乙烯變電所6.0kV母線處兩相短路電流：

靈敏度系數(shù)：

，滿足要求。

反時限過電流保護(hù)時間常數(shù)整定計(jì)算原則同變壓器，過電流保護(hù)整定值：啟動值：0.55A，考慮到上下級過流保護(hù)配合，曲線選擇：IEC Very Inverse，時間常數(shù)：0.8。

7結(jié)語

電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，繼電保護(hù)發(fā)揮著極為重要的作用，繼電保護(hù)整定計(jì)算要充分考慮電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、保護(hù)裝置的特性、保護(hù)定值的上下級配合等因素，計(jì)算結(jié)果要滿足繼電保護(hù)“四性”的要求，從而確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]孫金祥，孫偉森，李新平.中原乙烯全廠供用電系統(tǒng)繼電保護(hù)方案[M].濮陽：中國石化中原石油化工有限責(zé)任公司，1996：6.

[2]劉介才.工廠供電（第6版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015：58.

[3]中國電力工程顧問集團(tuán)有限公司.電力工程設(shè)計(jì)手冊（火力發(fā)電廠電氣一次設(shè)計(jì)）[M].北京：中國電力出版社，2018：109.

[4]DL/T 1502-2016廠用電繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則[S].北京：國家能源局，2016：16-37.

[5]中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院.工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊（第四版）[M].北京：中國電力出版社，2016：302-303+516-601+1091.

Calculation and Analysis of Relay Protection Setting in Ethylene Substation

SHI Shutian

（China Petrochemical Zhongyuan Petrochemical Co.LTD.，Puyang? Henan? 457000）

Abstract： Relay protection is an important part of the power system， it can quickly remove the fault constitutes the first line of defense of the power system， for the safe and stable operation of the power system to provide a strong guarantee， power system puts forward the requirements of reliability， selectivity， sensitivity and quickness for relay protection， reasonable relay protection setting is the key to meet the "four" requirements. Combined with the renovation of 6kV switchgear of ethylene substation， this paper analyzes the relay protection setting calculation of ethylene substation， and ensures the safe and stable operation of the power system.

Keywords： power system;relay protection;calculation and analysis

收稿日期：2020-12-10

作者簡介：史書天（1988—），男，漢族，吉林榆樹人，本科，工程師，從事化工廠電氣工作。