發(fā)電廠低壓廠用電保護(hù)整定配合的探討

黃海兵

（五凌電力五強(qiáng)溪水電廠，湖南 懷化419636）

0 引言

針對(duì)發(fā)電廠低壓用電設(shè)備電壓等級(jí)、設(shè)備類型復(fù)雜，負(fù)荷支路覆蓋面廣，保護(hù)的整定配合也相應(yīng)變得錯(cuò)綜復(fù)雜。400 V廠用變壓器保護(hù)配置在高壓側(cè)斷路器開(kāi)關(guān)保護(hù)模塊內(nèi)，主要有速斷保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、零序保護(hù)，分級(jí)動(dòng)作于發(fā)信、跳400 V負(fù)荷側(cè)開(kāi)關(guān)、跳變壓器高壓側(cè)電源斷路器。400 V進(jìn)線開(kāi)關(guān)保護(hù)一般通過(guò)開(kāi)關(guān)本體保護(hù)模塊配置，根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)，配置速斷、過(guò)流、過(guò)負(fù)荷、接地等，分級(jí)動(dòng)作于跳本體、跳變壓器上級(jí)斷路器。400 V負(fù)荷開(kāi)關(guān)保護(hù)通過(guò)本體自帶的速斷保護(hù)實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)故障的保護(hù)跳閘功能。為實(shí)現(xiàn)低壓廠用電保護(hù)能在各類故障下正確動(dòng)作，不拒動(dòng)、不誤動(dòng)、不越級(jí)，故在整定定值時(shí)，極差配合是必須考慮的問(wèn)題。主要包括400 V廠用變壓器保護(hù)模塊、400 V進(jìn)線開(kāi)關(guān)保護(hù)、400 V負(fù)荷開(kāi)關(guān)保護(hù)、電氣設(shè)備自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)或熔斷器的保護(hù)配合。

由于發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)各系統(tǒng)斷路器、保護(hù)模塊等并非出自同一廠家、同一型號(hào)，開(kāi)關(guān)的技術(shù)參數(shù)及保護(hù)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(hù)的極差配合帶來(lái)困難。要分析清楚各類型保護(hù)特性之間的差異是很困難和繁瑣的，且對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，必要性不大。只需在滿足選擇性的前提下，無(wú)論是經(jīng)過(guò)保護(hù)用電流互感器二次電流的繼電保護(hù)裝置，還是開(kāi)關(guān)本體通過(guò)額定電流倍數(shù)整定的保護(hù)，電流保護(hù)之間的配合，為了在同一可比條件下進(jìn)行校驗(yàn)，其配合電流都應(yīng)歸算為400 V電壓級(jí)的一次電流。

1 額定電流的選擇

（1）額定電流就是在電氣設(shè)備通入額定電壓，正常工作時(shí)所允許通過(guò)的最大電流。三相交流電機(jī)的額定電流計(jì)算公式為：（U=380 V，cosφ為電機(jī)功率因數(shù)，η為電機(jī)的效率。額定功率P、額定電壓U、功率因數(shù)cosφ、電機(jī)效率η等參數(shù)以銘牌標(biāo)識(shí)為準(zhǔn)。）下面選取幾種典型接線方式的典型負(fù)荷進(jìn)行整定計(jì)算的介紹。

1）電動(dòng)機(jī)保護(hù)型額定電流選擇（以單臺(tái)油泵電機(jī)負(fù)荷開(kāi)關(guān)額定電流為例）：電動(dòng)機(jī)保護(hù)主要是保

廠用電系統(tǒng)的一般倒閘方式：廠用電系統(tǒng)正常的倒閘操作中，在檢查10 kV或0.4 kV廠用系統(tǒng)備用電源自投裝置均已正常投入的情況下，可直接拉開(kāi)10 kV或0.4 kV開(kāi)關(guān)，并檢查各備用電源自投裝置是否正確動(dòng)作，未動(dòng)作的應(yīng)手動(dòng)操作，恢復(fù)正常運(yùn)行，沒(méi)有配置備用電源自投裝置的母線應(yīng)手動(dòng)操作。對(duì)于具備失壓脫扣功能的開(kāi)關(guān)因失壓跳閘引起母線失電，也應(yīng)手動(dòng)操作恢復(fù)送電。400 V母線電壓容許變動(dòng)范圍為380～420 V，最高不應(yīng)高于440 V，最低不應(yīng)低于360 V，其中照明母線的電壓容許變動(dòng)范圍為 388～412 V。護(hù)電機(jī)繞組線圈，在電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)短路、過(guò)壓、堵轉(zhuǎn)、過(guò)載、三相不平衡等異常運(yùn)行情況或者故障時(shí)，給與報(bào)警或切斷電源開(kāi)關(guān)。電動(dòng)機(jī)電氣量保護(hù)與進(jìn)線電源電纜無(wú)關(guān)，故斷路器額定電流選擇以電動(dòng)機(jī)額定電流為參考，二者相同。很多開(kāi)關(guān)元器件對(duì)額定電流均可以在0.5～1.0倍范圍內(nèi)調(diào)整，按照后期可擴(kuò)展性需求，可選電動(dòng)機(jī)額定電流1.0～2.0倍來(lái)選取電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)時(shí)（以MCC馬達(dá)控制中心電源為例）：

Im：電動(dòng)機(jī)額定電流；Iz：線路總負(fù)荷電流；In：配線斷路器額定電流。

在實(shí)際整定中，若線路負(fù)荷電流大于電動(dòng)機(jī)額定電流的1.1倍，則配線斷路器額定電流選取應(yīng)小于2.5倍的線路負(fù)荷電流。

3）低壓干線，線路負(fù)載中包括電動(dòng)機(jī)（以400 V機(jī)組自用電開(kāi)關(guān)及母聯(lián)開(kāi)關(guān)為例）

Im：電動(dòng)機(jī)額定電流；Iz為線路總負(fù)荷電流；In為配線斷路器額定電流；IL為干線中線性負(fù)荷電流 。

目前，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)多以星三角降壓?jiǎn)?dòng)方式為主，但軟啟動(dòng)器技術(shù)不斷成熟，具備設(shè)備體積小、啟動(dòng)平穩(wěn)、沖擊小，且可按照需求配置必要的保護(hù)功能，得到了廣泛使用。以軟啟勵(lì)方式啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)為例，啟動(dòng)電流一般按照電動(dòng)機(jī)額定電流的3倍計(jì)算并整定。

（2）保護(hù)定值整定原則：低壓廠用電斷路器的瞬時(shí)或短延時(shí)脫扣器的整定電流，應(yīng)按躲過(guò)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的條件選擇，并按最小短路電流校驗(yàn)靈敏系數(shù)。同時(shí)考慮與上一級(jí)400 V開(kāi)關(guān)定值相匹配，避免短路故障時(shí)越級(jí)跳閘。

（3）低壓廠用電短路電流計(jì)算條件

1）忽略發(fā)電機(jī)及主變阻抗，發(fā)電機(jī)出口作為無(wú)窮大系統(tǒng)來(lái)考慮（發(fā)電機(jī)及主變阻抗遠(yuǎn)小于高壓廠用變、公用變及機(jī)組自用變阻抗）。

2）忽略高壓廠用變至10 kV開(kāi)關(guān)的電纜阻抗，忽略10 kV開(kāi)關(guān)至公用廠用變開(kāi)關(guān)的電纜阻抗，忽略400 V電纜阻抗。

3）公用廠用變和機(jī)組自用變?yōu)槿嗳?，零序電抗無(wú)實(shí)測(cè)參數(shù)，按0.8倍正序電抗計(jì)算。

4）明確公用廠用變、高壓廠用變、機(jī)組自用變的基礎(chǔ)參數(shù)。

2 斷路器與相鄰電器保護(hù)的配合原則

（1）瞬時(shí)速斷過(guò)流保護(hù)是不帶延時(shí)，達(dá)到整定值以最快速度切除故障，用于嚴(yán)重短路故障的切除，單一電動(dòng)機(jī)斷路器一般按照額定電流的8～10倍整定。進(jìn)線電源斷路器瞬時(shí)速斷保護(hù)整定電流，應(yīng)以大于直接連接的負(fù)荷側(cè)斷路器進(jìn)線處的短路電流的1.15倍整定。不考慮延時(shí)動(dòng)作。

（2）進(jìn)線電源斷路器的短延時(shí)電流整定，以應(yīng)大于下級(jí)斷路器的短延時(shí)整定電流的1.25 倍整定。在下一級(jí)延時(shí)基礎(chǔ)上增加保證選擇性的時(shí)間間隔，一般取 0.3～0.5 s。

（3）與上級(jí)熔斷器的配合：斷路器過(guò)流脫扣器的特性低于上級(jí)熔斷器熔化特性（短延時(shí)時(shí)間≥70 ms） 。

（4）與下級(jí)熔斷器的配合：斷路器速斷過(guò)流保護(hù)，與熔斷器延時(shí)部分完全獨(dú)立，且有一段延時(shí)，延時(shí)時(shí)間不低于0.1 s。

（5）斷路器長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流保護(hù)的特性，及斷路器過(guò)載保護(hù)。應(yīng)低于保護(hù)對(duì)象的長(zhǎng)期額定電流運(yùn)行允許的熱累積效應(yīng)，以確保負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間安全穩(wěn)定運(yùn)行，一般取額定負(fù)荷電流的1.1～1.3倍計(jì)算并整定。

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

（7）當(dāng)?shù)蛪河秒娫O(shè)備進(jìn)線電源配置有備自投功能時(shí)，必須設(shè)置低電壓保護(hù)，當(dāng)主用電源故障跳閘備用電源自投時(shí)，重要負(fù)荷能在盡可能短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)送電。

（8）400 V變壓器高壓側(cè)斷路器的延時(shí)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間整定，應(yīng)比400 V變壓器低壓側(cè)負(fù)荷開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間遞增一個(gè)時(shí)間梯度，保證故障切除時(shí)的選擇性，通常取 0.3～0.5 s。

3 低壓斷路器保護(hù)的配合

低壓廠用電400 V開(kāi)關(guān)額定電流一般按變壓器額定電流設(shè)置。經(jīng)驗(yàn)值可按此原則整定：過(guò)流保護(hù)電流定值按2倍額定電流設(shè)置，延時(shí)整定為0.5 s，速斷保護(hù)電流定值按4倍額定電流設(shè)置。

按照低壓斷路器配置的保護(hù)種類，極差配合主要考慮以下幾種情況。

（1）當(dāng)?shù)蛪簲嗦菲魃霞?jí)電源開(kāi)關(guān)配置有短延時(shí)電流保護(hù)時(shí)，應(yīng)與下一級(jí)斷路器的瞬時(shí)（或延時(shí)） 電流保護(hù)相配合，極差系數(shù)kp一般按不小于1.25倍整定。

（2）當(dāng)?shù)蛪簲嗦菲魃霞?jí)電源開(kāi)關(guān)配置有瞬時(shí)速斷保護(hù)時(shí)，為保證選擇性，上下級(jí)整定時(shí)應(yīng)考慮可靠系數(shù)，一般按大于1.15倍整定。其上一級(jí)的動(dòng)作電流整定值，應(yīng)大于下一級(jí)斷路器出口最大計(jì)算短路電流。

（3）長(zhǎng)延時(shí)的保護(hù)要確保上級(jí)的曲線在下級(jí)曲線的上方，保證下級(jí)在上級(jí)之前動(dòng)作，防止斷路器的越級(jí)跳閘。

4 短延時(shí)保護(hù)電流及時(shí)間的整定

（1）短延時(shí)是為保證保護(hù)的選擇性而設(shè)置的，為防止支路發(fā)生故障聯(lián)跳上級(jí)開(kāi)關(guān)而設(shè)置。其延時(shí)時(shí)間根據(jù)開(kāi)關(guān)實(shí)際分合時(shí)間整定，下級(jí)開(kāi)關(guān)發(fā)生故障時(shí)，開(kāi)關(guān)在20 ms～0.1 s內(nèi)跳開(kāi)，切除故障，防止越級(jí)跳閘。考慮開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)誤差，可取0.3 s。

（2）電動(dòng)機(jī)電源開(kāi)關(guān)：

與下級(jí)油泵電動(dòng)機(jī)斷路器速斷保護(hù)配合，整定公式為：Ir2≥1.1×1.35×k×Im

其中，k：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)，Im：電動(dòng)機(jī)額定電流，1.35為防止誤動(dòng)的可靠系數(shù)，時(shí)間取0.1 s～0.5 s。

（3）低壓干線進(jìn)線開(kāi)關(guān)，負(fù)荷中包括電動(dòng)機(jī)

整定公式為：Ir2≥ 1.1（IL+1.35×k×Im）

其中，k：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)；IL：干線中線性負(fù)荷電流；Im：電動(dòng)機(jī)額定電流。時(shí)間取0.1～0.5 s。

5 瞬時(shí)速斷電流的整定

（1）電動(dòng)機(jī)電源開(kāi)關(guān)瞬時(shí)速斷電流整定

電動(dòng)機(jī)電源開(kāi)關(guān)整定公式為：Ir3=k×kL×k2×Im

其中，k：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)。kL：可靠系數(shù)，考慮電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流誤差及瞬動(dòng)誤差，一般取1.2，k2：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流峰值系數(shù)，考慮瞬動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作電流為峰值電流，取1.7～2。由于大功率電動(dòng)機(jī)一般采用減壓?jiǎn)?dòng)器或者星三角轉(zhuǎn)化啟動(dòng)，啟動(dòng)電流會(huì)大幅度減小，一般達(dá)不到6～10倍，故電動(dòng)機(jī)電源開(kāi)關(guān)瞬時(shí)速斷電流一般取5倍額定電流。

（2）低壓干線電源開(kāi)關(guān)瞬時(shí)速斷電流整定

低壓干線進(jìn)線開(kāi)關(guān)，線路中包括電動(dòng)機(jī)，整定公式為：Ir3≥ 1.1×（IL+k2×k×Im）

其中，k2：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)峰值電流倍數(shù)取1.7～2；k：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)；IL：干線中線性負(fù)荷電流；Im：電動(dòng)機(jī)額定電流。

6 兩進(jìn)線一母聯(lián)結(jié)構(gòu)的400V備自投裝置整定

400 V公用廠用、機(jī)組自用電、照明電正常運(yùn)行方式為分段運(yùn)行，并投入備自投裝置。廠用電正常倒換以備用電源自動(dòng)投入為主，手動(dòng)倒換時(shí)，應(yīng)先停后送，不得使機(jī)組自用電兩段母線同時(shí)失壓，倒換后應(yīng)仔細(xì)檢查重要負(fù)荷的運(yùn)行情況。

發(fā)電廠部分重要負(fù)荷，即使短時(shí)斷電，也會(huì)造成嚴(yán)重后果，可能導(dǎo)致部分輔助設(shè)備停運(yùn)，發(fā)電機(jī)控制油、控制氣、冷卻水等系統(tǒng)中斷，嚴(yán)重的直接造成非計(jì)劃停運(yùn)或設(shè)備損壞。故一般配置兩電源開(kāi)關(guān)一母聯(lián)開(kāi)關(guān)的供電結(jié)構(gòu)。一路電源因故障跳閘，備自投自動(dòng)動(dòng)作合上母聯(lián)，迅速恢復(fù)供電。3個(gè)電源開(kāi)關(guān)的保護(hù)配合亦至關(guān)重要，直接影響著電源恢復(fù)可靠性。

（1）主要邏輯功能

1）母聯(lián)分段備自投功能：正常時(shí)單母分段運(yùn)行，母聯(lián)斷開(kāi)，當(dāng)兩母線任意一段故障，備自投將母聯(lián)自動(dòng)投入。

2）進(jìn)線備自投功能：正常時(shí)，兩條進(jìn)線電源一條工作一條備用，母聯(lián)合閘，當(dāng)工作電源故障跳開(kāi)，備自投將備用電源自動(dòng)合上。

3）倒廠用電方式：正常時(shí)，兩條進(jìn)線電源一條工作一條備用，母聯(lián)合閘，當(dāng)母聯(lián)開(kāi)關(guān)跳開(kāi)，備自投將備用電源自動(dòng)合上。

4）后加速保護(hù)功能：當(dāng)投入線路有故障電流時(shí)，加速跳開(kāi)，防止誤投故障母線。

5）裝置可實(shí)時(shí)監(jiān)視查看兩進(jìn)線與母聯(lián)開(kāi)關(guān)電流電壓量。

6）裝置采樣精度要求：采樣準(zhǔn)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(jìn)線電源及母聯(lián)斷路器電壓監(jiān)視繼電器定值一般按以下數(shù)值整定。過(guò)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(yīng)延時(shí)調(diào)節(jié)響應(yīng)1.5 s。3個(gè)開(kāi)關(guān)可保持一致。

（2）主要保護(hù)定值整定原則

1）工作母線低電壓?jiǎn)?dòng)條件：U≤65%Un，可整定，延時(shí)可整定，一般取0.3～0.5 s。即持續(xù)低壓超過(guò)定值，并達(dá)到延時(shí)，視為進(jìn)線電源斷電。

2）兩進(jìn)線開(kāi)關(guān)按照負(fù)荷特性及容量整定。

3）母聯(lián)開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)定值按照兩進(jìn)線定值整定。兩段母線所接負(fù)荷基本按照平衡原則配置。故母聯(lián)電源保護(hù)選取兩進(jìn)線較大的定值。

4）備用電源投入延時(shí)整定：可按照具體負(fù)荷情況整定備用電源合閘時(shí)間，保證外部故障完全消除，母線電壓完全恢復(fù)，有利于設(shè)備自啟動(dòng)和防止二次沖擊。一般在進(jìn)線電源動(dòng)作時(shí)間上遞增0.2～0.5 s，補(bǔ)償開(kāi)關(guān)合閘時(shí)間。

5）開(kāi)關(guān)經(jīng)保護(hù)跳閘后不能自動(dòng)復(fù)歸。若某一進(jìn)線開(kāi)關(guān)經(jīng)開(kāi)關(guān)保護(hù)模塊跳閘，此開(kāi)關(guān)故障報(bào)警燈不會(huì)自動(dòng)復(fù)歸，防止一次設(shè)備故障未消除前帶故障合上進(jìn)線開(kāi)關(guān)，須在專業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)檢查，確認(rèn)一次故障消除后，手動(dòng)復(fù)歸保護(hù)模塊報(bào)警。防止備自投投到故障元件上，導(dǎo)致事故擴(kuò)大。

7 某廠保護(hù)配置實(shí)例

（1）公用廠用變壓器電流速斷保護(hù)：由電流繼電器組成兩相星形接線作為變壓器內(nèi)部短路的主保護(hù)，保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作，跳開(kāi)變壓器高、低壓側(cè)開(kāi)關(guān)。

（2）過(guò)流保護(hù)：由電流繼電器組的兩相三繼電器接線，作為變壓器內(nèi)部及400 V出線短路的后備保護(hù)，保護(hù)分兩段時(shí)限，I段時(shí)限跳400 V母聯(lián)開(kāi)關(guān)，II段時(shí)限動(dòng)作于變壓器高、低壓側(cè)開(kāi)關(guān)。

（3）零序保護(hù)：由零序電流繼電器接于變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)處電流互感器上，作為400 V側(cè)接地故障的保護(hù)，繼電器動(dòng)作時(shí)間與動(dòng)作電流成反時(shí)限特性，動(dòng)作后作用于變壓器高、低壓側(cè)開(kāi)關(guān)。

（4）過(guò)負(fù)荷保護(hù)：采用一個(gè)電流繼電器監(jiān)視變壓器過(guò)負(fù)荷，保護(hù)延時(shí)動(dòng)作，發(fā)信號(hào)。

8 保護(hù)的選擇性校驗(yàn)

定值整定完成后，均要求進(jìn)行選擇性校驗(yàn)。要求在不允許越級(jí)跳閘的情況下，盡可能快地切除故障，保證選擇性的同時(shí)，確保其快速性。不論各級(jí)斷路器配置何種形式的保護(hù)，必須校驗(yàn)相互間的曲線配合，在下級(jí)斷路器或用電設(shè)備保護(hù)的首端（上級(jí)的末端）可能發(fā)生的最大短路電流處的任何短路故障或過(guò)流均允許上級(jí)曲線與下級(jí)曲線相交，并留有適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔，避免可能引起非選擇性動(dòng)作，導(dǎo)致越級(jí)跳閘。

9 結(jié)論

從總原則講，低壓廠用電上下級(jí)保護(hù)配合，應(yīng)是上級(jí)的同類型保護(hù)與下級(jí)的同類型保護(hù)之間的配合。例如，上一級(jí)的限時(shí)速斷保護(hù)與下一級(jí)的速斷保護(hù)配合，上一級(jí)的短延時(shí)過(guò)流保護(hù)應(yīng)與下一級(jí)的短延時(shí)過(guò)流保護(hù)配合。依據(jù)上述原則整定并校驗(yàn)低壓廠用電保護(hù)，可滿足廠用電間的極差配合。