繼電保護(hù)整定值的計(jì)算與分析

謝先進(jìn)

（貴州省煤田地質(zhì)局實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550081）

0 引 言

隨著我國城市化進(jìn)行的不斷推進(jìn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國的電力企業(yè)得到了快速發(fā)展，電氣設(shè)備的容量和參數(shù)也在逐年增高。電網(wǎng)能否穩(wěn)定運(yùn)行對供電質(zhì)量有直接影響。電力系統(tǒng)在運(yùn)行期間一旦出現(xiàn)短路等問題，需要通過繼電器及時切除，以確保電力系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。為提升繼電保護(hù)的有效性，繼電保護(hù)裝置需要提升自身性能，因此文章重點(diǎn)對整定值的計(jì)算方法進(jìn)行深入研究。

1 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)

繼電保護(hù)主要采用特定保護(hù)裝置對電網(wǎng)運(yùn)行和各項(xiàng)裝置進(jìn)行有效保護(hù)[1,2]。它能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種突發(fā)縱向和橫向的故障進(jìn)行分析和處理。當(dāng)電網(wǎng)存在擾動或者運(yùn)行故障時，繼電保護(hù)裝置能夠?qū)@類狀態(tài)及時進(jìn)行判斷，結(jié)合實(shí)際情況發(fā)出指令，包括斷路器跳閘、重合閘關(guān)閉以及就電壓電流出現(xiàn)越線情況發(fā)出警告等。電力系統(tǒng)一旦出現(xiàn)較大的擾動或者故障時，繼電保護(hù)能夠在故障狀態(tài)下對元件進(jìn)行選擇性隔離，確保故障范圍不會擴(kuò)大，確保周邊的電網(wǎng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，同時及時啟動備用電源對裝置進(jìn)行自動投切或者重合閘，以便第一時間恢復(fù)電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

2 繼電保護(hù)裝置的組成

電力系統(tǒng)一旦出現(xiàn)元件短路、斷路等故障就會對電氣量造成直接影響，產(chǎn)生對應(yīng)的變化。除電氣量之外，還有可能出現(xiàn)變壓器錯位、滑檔以及氣體泄漏等問題。無論哪一種量發(fā)生變化，繼電保護(hù)裝置的組成和觸發(fā)原理都不會發(fā)生變化。繼電保護(hù)裝置包括測量、分析、邏輯以及執(zhí)行4 部分?，F(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的為3 段式過流繼電保護(hù)裝置，如圖1 所示[3]。

圖1 過流保護(hù)裝置動作原理

3 繼電保護(hù)整定值的計(jì)算與分析

3.1 系統(tǒng)案例

文章結(jié)合六盤水市恒鼎實(shí)業(yè)有限公司的35 kV 清水變電站供電系統(tǒng)對繼電保護(hù)整定值進(jìn)行計(jì)算和分析，如圖2 所示。該公司供電系統(tǒng)35 kV 電路共設(shè)置2 條，分別為Ⅰ#線路、Ⅱ#線路。它們分別來源不同的上級110 kV 變電站，開關(guān)柜分別為301 與305，構(gòu)成Ⅰ段35 kV 和Ⅱ段35 kV 共2 條母線。采用分列的形式設(shè)置母線，設(shè)置包括母聯(lián)開關(guān)柜310、1 號動力變壓器35 kV 與2 號35 kV 動力變壓器，然后分別接入開關(guān)柜311 與312。另外，Ⅰ段10 kV、Ⅱ段10 kV的進(jìn)線開關(guān)柜分別為1001、1002。單母線采用分列運(yùn)行的形式，裝設(shè)母聯(lián)開關(guān)柜1010[4,5]。

圖2 35 kV 變電站一期供電系統(tǒng)

3.2 設(shè)備參數(shù)

35 kV 供電系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)如表1 所示。

表1 35 kV 供電系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

以該設(shè)備為例，計(jì)算分析35 kV 動力變壓器的保護(hù)整定值，得出35 kV 供電系統(tǒng)工程進(jìn)行計(jì)算時，通常選取100 MVA 為基準(zhǔn)容量。該公司供電系統(tǒng)的最高運(yùn)行正序阻抗標(biāo)幺值為0.093 9，運(yùn)行最小狀態(tài)下的正序阻抗標(biāo)幺值為0.460 7。母線Ⅰ段的最大三相短路電流為16 620.9 A，最小兩相短路電流為42 527.57 A。母線Ⅱ段的最大三相短路電流為11 908.57 A，最小兩相短路電流為4 054.46 A。Ⅰ#線路、Ⅱ#線路的阻抗標(biāo)幺值均保持在0.001 2，則2 個動力變壓器的阻抗標(biāo)幺值均能夠處于0.625 6。

3.3 動力變壓器短路電流計(jì)算

3.3.1 三相短路故障

35 kV Ⅰ段如出現(xiàn)三相短路故障，Ⅰ#線路動力變壓器高壓側(cè)的正序阻抗標(biāo)幺值計(jì)算方式為阻抗標(biāo)幺值與最高運(yùn)行狀態(tài)下正序阻抗標(biāo)幺值之和，等于0.095 1，此時故障點(diǎn)存在的三相短路最大電流為16 408.10 A。

10 kV Ⅰ段如果出現(xiàn)三相短路故障，1 號動力變壓器的低壓側(cè)正序阻抗標(biāo)幺值為0.095 1，再上加上1號動力變壓器阻抗標(biāo)幺值，為0.720 7，由此可以得出故障點(diǎn)的最大三相短路電流為7 629.49 A。

3.3.2 兩相短路故障

Ⅰ段10 kV 如果出現(xiàn)三相短路故障，1 號動力變壓器高壓側(cè)的正序阻抗標(biāo)幺值計(jì)算方式為阻抗標(biāo)幺值與最低運(yùn)行狀態(tài)下的正序阻抗標(biāo)幺值之和，等于0.461 9，則故障點(diǎn)存在的兩相短路最小電流為2 925.55 A。

Ⅰ段10 kV 如果出現(xiàn)兩相短路故障，1 號動力變壓器低壓側(cè)的正序阻抗標(biāo)幺值計(jì)算方式為線路阻抗標(biāo)幺值與高壓側(cè)的正序阻抗標(biāo)幺值之和，等于1.087 5，則故障點(diǎn)存在的兩相短路最小電流為4 378.63 A。

3.4 動力變壓器繼電保護(hù)整定值

3.4.1 動力變壓器性能參數(shù)

1 號35 kV 動力變壓器、2 號35 kV 動力變壓器的性能參數(shù)具體如表2 所示。

表2 動力變壓器性能參數(shù)

3.4.2 差動保護(hù)計(jì)算過程

高壓側(cè)二次額定電流Ieh為1.72 A，低壓側(cè)二次額定電流Iel為3.44 A。

差動速斷電流的整定值計(jì)算原則：如果動力變壓器出現(xiàn)較大內(nèi)部故障，為避免出現(xiàn)保護(hù)延時或者電流互感器飽和的情況，整定值的計(jì)算應(yīng)當(dāng)遵循躲過變壓器初始勵磁涌流、最大不平衡電流或者非同期合閘電流數(shù)據(jù)，一般高于高壓側(cè)額定電流的倍。通過動力變壓器的具體容量結(jié)合系統(tǒng)電抗的大小對因數(shù)K進(jìn)行判定，對于功率在6 300 ～31 500 kVA 的動力變壓器，通常K可取4.5 ～7。

速斷的靈敏度校驗(yàn)整定值計(jì)算原則：靈敏度校驗(yàn)整定值不能低于1.2，以此為基礎(chǔ)按照穩(wěn)定狀態(tài)下的兩相短路對整定值進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)靈敏度Ksen為2.02，大于1.2。

差動速斷電流取動力變壓器高壓側(cè)額定電流的7倍，可以看出靈敏度校驗(yàn)整定值的計(jì)算能夠符合要求。原本差動保護(hù)裝置的型號選用SEL587，通過改進(jìn)技術(shù)后更改為ISA-387G。繼電保護(hù)的整定值通常采用原有型號的數(shù)據(jù)，但繼電保護(hù)裝置如果是2 種型號就會存在運(yùn)算差異性的問題，增加誤動風(fēng)險(xiǎn)。新的整定值可以在原有基礎(chǔ)上增加1.732 倍。操作過程中需要注意變更繼電保護(hù)的整定值結(jié)果。

3.4.3 動力變壓器高壓側(cè)過流保護(hù)整定值計(jì)算

取動力變壓器的高壓側(cè)復(fù)壓，退出過流Ⅰ段方向元件，投入電壓元件。設(shè)定電壓互感器額定電壓為100 V，復(fù)壓閉鎖的低電壓整定值設(shè)定為Uop。在躲過正常運(yùn)行狀態(tài)的條件下，對最低線電壓進(jìn)行整定值計(jì)算，可以得出Uop為70 V。

設(shè)電壓互感器額定電壓為57.7 V，復(fù)壓閉鎖的負(fù)序電壓整定值設(shè)定為U2op，在正常運(yùn)行狀態(tài)的條件下，對最大不平衡相電壓進(jìn)行整定值計(jì)算，可以得出U2op為40.39 V。設(shè)定可靠度因數(shù)為1.3，返回因數(shù)為0.95，過流保護(hù)整定值為Iop，在躲過動力變壓器正常運(yùn)行狀態(tài)的條件下，對高壓側(cè)額定電流進(jìn)行整定值計(jì)算，可以得出Iop為282 A。

整定值的靈敏度校驗(yàn)確定不能小于1.2，以此為基礎(chǔ)對高壓側(cè)的整定值靈敏度校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定，對最小兩相短路的電流整定值進(jìn)行校驗(yàn)，靈敏度Ksen1為5.08 A。高壓側(cè)的整定值能夠滿足過流保護(hù)540 A整定值的要求，動作時間控制在0.7 s 以內(nèi)。如果電流值超過規(guī)程要求，將無法復(fù)壓閉鎖，因此需要先進(jìn)行復(fù)壓元件的投入以提升靈敏度，則過流保護(hù)的整定值需要變更為282 A，動作時間控制在0.7 s 以內(nèi)。

3.5 動力變壓器低壓側(cè)過流保護(hù)整定值

取動力變壓器的低壓側(cè)復(fù)壓，退出過流Ⅰ段方向元件，投入電壓元件。設(shè)定復(fù)壓閉鎖的低電壓整定值為70 V，復(fù)壓閉鎖的負(fù)序電壓整定值為40.39 V。過流段過流保護(hù)整定值設(shè)為Iop1，按照動力變壓器的最小低壓側(cè)對10 kV 母線的故障整定值進(jìn)行計(jì)算，靈敏度因數(shù)設(shè)為1.5，可得出Iop1為2 919.08 A。

對下級的出線速斷保護(hù)整定值計(jì)算，設(shè)定配合因數(shù)為1.05。當(dāng)下級的最大過流速斷保護(hù)整定值為2 133.33 A 時，能夠得出Iop1為2 240 A。通過動力變壓器低壓側(cè)電流互感器變比后，過流保護(hù)整定值Iop1為11.2 A。

過流Ⅱ段的整定值計(jì)算結(jié)合下級速斷的最長時間，得出過留時間為0.4 s，跳動力變壓器低壓側(cè)。設(shè)過流Ⅱ段的過流保護(hù)整定值為Iop2，計(jì)算條件為躲過動力變壓器的低壓側(cè)額定電流，得出Iop2為940 A，過流Ⅱ段保護(hù)動作時間為0.7 s，跳動力變壓器低壓側(cè)。

過流Ⅰ段的過流保護(hù)整定值為2 240 A，動作時間在0.4 s 以內(nèi)，過流Ⅱ段的過流保護(hù)整定值為940 A，動作時間在0.7 s 以內(nèi)，通過投入復(fù)壓閉鎖能夠有效滿足規(guī)程的相關(guān)要求。

4 結(jié) 論

綜上所述，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對繼電保護(hù)整定值計(jì)算軟件的研究和開發(fā)，通過完善繼電保護(hù)整定值計(jì)算管理軟件系統(tǒng)，節(jié)省計(jì)算工作量，有助于技術(shù)人員對整定值進(jìn)行合理選擇。在整定值計(jì)算軟件和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺的基礎(chǔ)上，采用一體化實(shí)施對繼電保護(hù)整定值計(jì)算進(jìn)行統(tǒng)一建模和原則設(shè)置，最大限度提升繼電保護(hù)工作效率。電力系統(tǒng)逐漸網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)型，繼電保護(hù)整定值計(jì)算軟件也開始朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，是電力系統(tǒng)未來需要加強(qiáng)研究的重要課題。