大型漿廠保護(hù)整定計算

鄧國平 曹 慧 秦 娟 秦科平 崔煥新，*

（1.中國中輕國際工程有限公司，北京，100020；2.山東貝利工程咨詢有限公司，山東濟(jì)南，250101）

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》[1]，保護(hù)整定計算應(yīng)以合理的運行方式和可能的故障類型為依據(jù)，并需滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的4項基本要求。可靠性是指該動作時應(yīng)動作，不該動作時應(yīng)不動作。選擇性是指首先由故障設(shè)備或者線路本身的保護(hù)切除故障動作，當(dāng)故障設(shè)備或線路本身的保護(hù)或斷路器拒動時，才允許相鄰設(shè)備/線路的保護(hù)或斷路器動作。靈敏性是指在設(shè)備和線路的被保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時，保護(hù)裝置應(yīng)具有必要的靈敏系數(shù)。速動性是指保護(hù)裝置應(yīng)能盡快切除故障。本文探討了大型漿廠用電10 kV 系統(tǒng)的保護(hù)整定計算，以尋求最佳的整定計算方案，使設(shè)備及人員安全得以保證。

1 系統(tǒng)介紹

該系統(tǒng)由一臺10.5 kV 汽輪發(fā)電機經(jīng)限流電抗器向10 kV 廠用電系統(tǒng)母線輸電，再通過10 kV 開關(guān)柜向相應(yīng)的下級設(shè)備供電。10 kV 廠用電母線段設(shè)備主要由變壓器、電動機、10 kV 循環(huán)水開關(guān)柜組成。同時，設(shè)有一臺75 MVA 的121/10.5 kV 升壓變（不在本文討論范圍內(nèi)）與110 kV 變電站相連。該系統(tǒng)配備了小電流接地選線裝置，能夠及時準(zhǔn)確地判定接地回路，快速排除單相接地故障，故各保護(hù)裝置不再設(shè)定單獨的接地故障保護(hù)。電氣主接線如圖1所示。

圖1 電氣主接線圖Fig.1 Electrical overall one line diagram

2 前期準(zhǔn)備工作

2.1 收集設(shè)備的主要參數(shù)，舉例如下。

（1）系統(tǒng)接入點短路容量。

（2）變壓器參數(shù)，如容量、短路阻抗、變比、類型、勵磁涌流等。

（3）電機參數(shù)，如容量、額定電流、啟動電流、允許堵轉(zhuǎn)時間等。

（4）發(fā)電機參數(shù)，如容量、額定電流、電壓等級、阻抗、接地形式等。

（5）限流電抗器主要參數(shù)，如電流、阻抗、容差等。

（6）綜保信息。

（7）電纜的主要參數(shù)，如長度、計算電流等。

2.2 建模計算

利用ETAP 軟件建立模型，根據(jù)IEC 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行短路電流分析，計算各保護(hù)裝置安裝點的最大和最小短路電流。

3 保護(hù)整定計算

3.1 10 kV電動機保護(hù)整定計算

3.1.1 電動機保護(hù)配置

10 kV 電動機采用NSR661RF-D 綜保裝置，其配置的保護(hù)如下。

（1）過流保護(hù)：采用反時限過流保護(hù)，其動作電流應(yīng)大于額定電流，與熱破壞曲線和啟動曲線相配合。

（2）速斷保護(hù)：采用定時限I 段保護(hù)，主要是對電動機的短路提供保護(hù)，其動作電流應(yīng)大于電動機的堵轉(zhuǎn)電流且滿足靈敏性的要求。

（3）過負(fù)荷保護(hù)：采用過負(fù)荷保護(hù)，其動作電流應(yīng)大于額定電流，動作時間應(yīng)大于電機的啟動時間。

（4）過熱保護(hù)：采用過熱保護(hù)段，該保護(hù)是為了防止電動機過熱而設(shè)置的一個模擬電動機發(fā)熱的模型，綜合計及電動機正序和負(fù)序電流的熱效應(yīng)。

（5）低電壓保護(hù)：采用有流閉鎖失壓保護(hù)段，保護(hù)裝置的電壓整定值一般為額定電壓的65%～70%，時限一般是0.5 s。

3.1.2 電動機主要參數(shù)

該10 kV 廠用電母線共有6 臺10 kV 電動機回路，各類型電機主要參數(shù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 電動機參數(shù)表Table 1 Motor parameter list

3.1.3 電動機保護(hù)整定計算原則

（1）過流保護(hù)動作電流取1.2 倍額定電流（Ie）；動作時間根據(jù)ETAP軟件時間電流配合曲線選取。

（2）速斷保護(hù)動作電流取1.3倍堵轉(zhuǎn)電流。

（3）過負(fù)荷保護(hù)動作電流取1.05倍Ie，動作時間取1.5倍啟動時間。

（4）過熱保護(hù)負(fù)序電流發(fā)熱系數(shù)一般取6；散熱時間常數(shù)可取1.2～4.5 倍，本文中取4.5，以保證散熱到允許啟動溫度；過熱報警水平一般取0.8。

（5）低電壓動作電壓取70%額定電壓。

3.1.4 電動機定值總結(jié)

電動機定制總結(jié)見表2。

表2 電動機定值Table 2 Motor relay setting

3.1.5 電動機靈敏度校驗

按最小運行方式下，電動機接線端兩相短路時，流過保護(hù)裝置的短路電流校驗，各電動機的速斷保護(hù)靈敏度均大于1.5，故滿足規(guī)范要求。

3.1.6 電動機電流保護(hù)配合曲線

電動機電流保護(hù)配合曲線分別見圖1～圖6。

圖6 給水泵Fig.6 Water supply pump

3.2 10 kV變壓器保護(hù)整定計算

3.2.1 變壓器的保護(hù)配置

10 kV 變壓器采用NSR631RF-D 綜保裝置，其配置的保護(hù)如下。

圖2 細(xì)碎煤機Fig.2 Coal crusher

圖3 二次風(fēng)機Fig.3 Secondary fan

圖4 一次風(fēng)機Fig.4 Primary fan

圖5 引風(fēng)機Fig.5 Induction fan

（1）帶時限過流保護(hù)：采用高壓側(cè)I 段過流保護(hù)段，其動作電流應(yīng)大于變壓器升溫允許的高壓側(cè)最大額定電流，動作時間應(yīng)與0.4 kV開關(guān)柜進(jìn)線保護(hù)的整定值相配合，增加0.1～0.2 s的時差，以保證保護(hù)的選擇性。

（2）定時限速斷保護(hù)：采用高壓側(cè)II段過流保護(hù)段，其動作電流應(yīng)大于0.4 kV開關(guān)柜進(jìn)線保護(hù)的定時限速斷電流，動作時間取0.1～0.2 s的時差，以保證保護(hù)的選擇性。

（3）速斷保護(hù)：采用高壓側(cè)III 段過流保護(hù)段，其動作電流應(yīng)躲過最大穿越性故障電流及勵磁涌流，同時與下級保護(hù)動作曲線相配合。

（4）過負(fù)荷保護(hù)：采用過負(fù)荷告警段，其動作電流應(yīng)大于變壓器的高壓側(cè)額定電流，動作時間應(yīng)大于下級電機的最大啟動時間。

3.2.2 變壓器主要參數(shù)

該10 kV 廠用電母線共有6 臺10 kV 變壓器回路，各類型變壓器主要參數(shù)統(tǒng)計見表3。

表3 變壓器參數(shù)Table 3 Transformer parameter

3.2.3 變壓器的保護(hù)整定計算原則

（1）過流保護(hù)動作電流取1.6 倍Ie；動作時間根據(jù)ETAP軟件時間電流配合曲線選取。

（2）定時限速斷保護(hù)動作電流取1.2 倍下級保護(hù)的短延時定值，動作時間取0.1～0.2 s的級差。

（3）速斷保護(hù)動作電流取1.3 倍最大穿越性故障電流。

（4）過負(fù)荷保護(hù)取1.1倍Ie。

3.2.4 變壓器定值總結(jié)

變壓器定值總結(jié)見表4。

表4 變壓器定值Table 4 Transformer relay setting

3.2.5 變壓器靈敏度校驗

按電力系統(tǒng)最小運行方式下，低壓側(cè)兩相短路時流過高壓側(cè)（保護(hù)安裝處）的短路電流檢驗過流保護(hù)靈敏度，各變壓器過流保護(hù)靈敏度均大于1.3，滿足規(guī)范要求；按系統(tǒng)最小運行方式下，保護(hù)裝置安裝處兩相短路電流檢驗速斷保護(hù)靈敏度，各變壓器速斷保護(hù)靈敏度均大于1.5，滿足規(guī)范要求。

3.2.6 變壓器電流保護(hù)配合曲線

變壓器電流保護(hù)配合曲線分別見圖7～圖11。

圖7 1#廠用變Fig.7 No.1 transformer

圖8 3#廠用變Fig.8 No.3 transformer

圖9 1#輸煤變Fig.9 No.1 coal handling transformer

圖10 脫硫變Fig.10 FGD transformer

圖11 1#污泥干化變Fig.11 No.1 sludge drying transformer

3.3 10 kV循環(huán)水開關(guān)柜饋線回路保護(hù)整定計算

3.3.1 循環(huán)水開關(guān)柜饋線回路保護(hù)配置

10 kV 開關(guān)柜饋線回路采用NSR612RF-D 綜保裝置，其配置的保護(hù)如下。

（1）帶時限過流保護(hù)：采用I 段過流保護(hù)段，其動作電流應(yīng)大于循環(huán)水開關(guān)柜的長期允許負(fù)荷電流，動作時間應(yīng)與下級保護(hù)的過流保護(hù)最大延時值相配合，增加0.2 s的時差，以保證保護(hù)的選擇性。

（2）速斷保護(hù)：采用II段過流保護(hù)段，其動作電流應(yīng)躲過可能出現(xiàn)的最大短時負(fù)荷電流，同時與下級保護(hù)動作曲線相配合。

（3）過負(fù)荷保護(hù)：采用過負(fù)荷告警段，其動作電流應(yīng)大于開關(guān)柜的長期允許負(fù)荷電流，動作時間應(yīng)大于下級電機的最大啟動時間。

（4）電流差動保護(hù)：采用分相差動保護(hù)段。該裝置采用經(jīng)典的分相縱差保護(hù)，當(dāng)差動電流大于0.3 倍制動電流且大于差動保護(hù)電流定值時，差動保護(hù)動作。

（5）三相一次重合閘：采用重合閘段。在無放電條件下，開關(guān)處于合位且合后時，經(jīng)10 s充電，充電完畢后重合閘投入。

（6）相電流后加速保護(hù)：采用相電流后加速保護(hù)段，在開關(guān)由跳位變合位或開關(guān)在跳位由無流到有流的3 s 內(nèi)無論手動或者自動重合閘，后加速保護(hù)均有效。后加速保護(hù)動作以后閉鎖重合閘。

3.3.2 循環(huán)水開關(guān)柜饋線回路主要參數(shù)

該10 kV 廠用電母線共有1 回10 kV 循環(huán)水開關(guān)柜饋線回路，其信息如下：10 kV 循環(huán)水段長期最大負(fù)荷電流為556 A，短時最大負(fù)荷電流為910 A。

3.3.3 循環(huán)水開關(guān)柜饋線回路保護(hù)整定計算原則

（1）過流保護(hù)動作電流取1.4 倍長期最大負(fù)荷電流；動作時間根據(jù)ETAP 軟件時間電流配合曲線選取。

（2）速斷保護(hù)動作電流取1.1 倍下級保護(hù)的瞬時定值，時間取0.2 s的級差。

（3）過負(fù)荷保護(hù)取1.25倍長期最大負(fù)荷電流。

（4）電流差動保護(hù)啟動電流定值應(yīng)大于最大不平衡電流，根據(jù)工程經(jīng)驗取10%最大三相短路電流；CT斷線差動電流定值取1.2倍負(fù)荷電流。

（5）重合閘動作時間應(yīng)大于檢同期和檢無壓時間；重合閘同期角度應(yīng)小于合閘沖擊電流允許值所對應(yīng)的角度。

（6）電流后加速保護(hù)動作電流取1.1 倍最大短時負(fù)荷電流。

3.3.4 循環(huán)水開關(guān)柜饋線回路定值總結(jié)10 kV開關(guān)柜饋線定值總結(jié)見表5。

表5 10 kV饋線定值Table 5 10 kV feeder relay setting

3.3.5 循環(huán)水開關(guān)柜饋線回路靈敏度校驗

按最小運行方式下，線路末端兩相短路電流檢驗過流保護(hù)靈敏度，過流保護(hù)靈敏度大于1.3，滿足規(guī)范要求；按系統(tǒng)最小運行方式下，線路始端兩相短路電流檢驗速斷保護(hù)靈敏度，速斷保護(hù)靈敏度大于1.5，滿足規(guī)范要求。

3.3.6 循環(huán)水開關(guān)柜饋線回路電流保護(hù)配合曲線

循環(huán)水開關(guān)柜饋線回路電流保護(hù)配合曲線見圖12。

圖12 10 kV饋線-循環(huán)水Fig.12 10 kV feeder-circulating water

3.4 10 kV廠用電進(jìn)線回路保護(hù)整定計算

3.4.1 廠用電進(jìn)線回路保護(hù)配置

10 kV 廠用電進(jìn)線回路采用NSR612RF-DA 綜保裝置，其配置的保護(hù)如下。

（1）帶時限過流保護(hù)：采用I 段過流保護(hù)段，其動作電流應(yīng)大于長期允許負(fù)荷電流且小于電抗器的額定電流，動作時間應(yīng)與下級保護(hù)的過流保護(hù)最大延時值相配合，增加0.2 s 的時差，以保證保護(hù)的選擇性。

（2）速斷保護(hù)：采用II段過流保護(hù)段，其動作電流應(yīng)躲過可能出現(xiàn)的最大短時負(fù)荷電流，同時與下級保護(hù)動作曲線相配合。

（3）過負(fù)荷保護(hù)：采用過負(fù)荷保護(hù)段，其動作電流應(yīng)大于的長期允許負(fù)荷電流，動作時間應(yīng)大于下級電機的最大啟動時間。

3.4.2 廠用電進(jìn)線回路保護(hù)整定計算原則

（1）過流保護(hù)動作電流取1.2 倍長期最大負(fù)荷電流；動作時間根據(jù)ETAP 軟件時間電流配合曲線選取。

（2）速斷保護(hù)動作電流取1.1 倍下級保護(hù)的瞬時定值，動作時間取0.2 s的級差。

（3）過負(fù)荷保護(hù)取1.05倍長期最大負(fù)荷電流。

3.4.3 廠用電進(jìn)線回路定值總結(jié)

廠用電進(jìn)線定值總結(jié)見表6。

表6 10 kV廠用進(jìn)線綜保定值Table 6 10 kV incomer relay setting

3.4.4 廠用電進(jìn)線回路靈敏度校驗

按最小運行方式下，保護(hù)裝置安裝處兩相短路電流檢驗速斷保護(hù)靈敏度，過流保護(hù)靈敏度大于1.3，速斷保護(hù)靈敏度大于1.5，滿足規(guī)范要求。

3.4.5 廠用電進(jìn)線回路電流保護(hù)配合曲線

10 kV用電進(jìn)線回路電流保護(hù)配合曲線見圖13。

圖13 10 kV廠用電進(jìn)線Fig.13 10 kV incomer

3.5 限流電抗器差動保護(hù)整定計算

3.5.1 限流電抗器差動保護(hù)配置

電抗器只配備了差動保護(hù)，該差動保護(hù)由差動電流速斷保護(hù)和比率差動保護(hù)組成。差動速斷保護(hù)作為差動保護(hù)范圍內(nèi)嚴(yán)重故障的保護(hù)，CT 斷線時不閉鎖差動速斷保護(hù)；比率差動保護(hù)經(jīng)CT 斷線元件閉鎖，其定值應(yīng)躲過正常運行時的不平衡電流。

3.5.2 限流電抗器差動保護(hù)整定計算原則

（1）差動速斷保護(hù)取1.3 倍電抗器的最大涌入電流（計為8倍額定電流）。

（2）比率差動保護(hù)取1.1 倍不平衡電流（計為20%額定電流），其制動斜率取0.5。

3.5.3 限流電抗器差動定值總結(jié)

限流電抗器定值總結(jié)見表7。

表7 限流電抗器定值Table 7 Reactor relay setting

3.6 發(fā)電機保護(hù)整定計算

3.6.1 發(fā)電機保護(hù)配置

發(fā)電機采用NSR-376EAA/B 綜保裝置，其配置的保護(hù)如下。

（1）差動保護(hù)：采用NSR-376EAA 的差動速斷保護(hù)段及比率差動保護(hù)段。其中差動速斷保護(hù)為快速切除區(qū)內(nèi)嚴(yán)重故障而設(shè)，當(dāng)任一相差流大于整定值時，該保護(hù)瞬時動作。

（2）定子接地保護(hù)：采用NSR-376EAA 的基波零序電壓定子接地保護(hù)段和三次諧波電壓定子接地保護(hù)段，定子接地保護(hù)動作于定子單相接地故障，經(jīng)整定延時動作與信號或跳閘。

（3）轉(zhuǎn)子接地保護(hù)：采用NSR-376EAA 的轉(zhuǎn)子1點接地保護(hù)段和轉(zhuǎn)子2點接地保護(hù)段，采用乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，該保護(hù)主要反應(yīng)勵磁回路的1 點或2 點接地故障。

（4）負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)：采用NSR-376EAB 的負(fù)序過負(fù)荷定時限保護(hù)段。負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)主要針對發(fā)電機的不對稱過負(fù)荷、非全相運行以及外部不對稱故障引起的負(fù)序過流，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子表層過熱的異常工況，也可兼作系統(tǒng)不對稱故障的后備保護(hù)。

（5）頻率異常保護(hù)：采用NSR-376EAB 的頻率異常保護(hù)低頻I 段。低頻運行會使汽輪機產(chǎn)生低頻共振，造成汽輪機葉片的疲勞損傷，這種不可逆的疲勞損傷累計到一定限度會發(fā)生葉片及其拉金的斷裂事故，后果嚴(yán)重。

（6）發(fā)電機復(fù)壓過流保護(hù)：采用NSR-376EAB 的發(fā)電機復(fù)壓過流保護(hù)段。復(fù)壓過流保護(hù)主要作為發(fā)電機的相間后備保護(hù)。

（7）勵磁變復(fù)壓過流保護(hù)：采用NSR-376EAB 的勵磁變復(fù)壓過流保護(hù)段，其原理同發(fā)電機復(fù)壓過流段。

3.6.2 發(fā)電機保護(hù)整定計算原則

（1）差動速斷保護(hù)取5倍發(fā)電機額定電流。

（2）比率差動啟動電流應(yīng)大于最大不平衡電流（計為20%額定電流），制動系數(shù)取0.5，拐點電流取額定電流。

（3）定子接地保護(hù)，其基波零序電壓告警值取30%開口三角額定電壓，低動作值取1.2 倍告警值，高動作值取1.5 倍告警值；因3 次諧波一般不會超過基波的10%，故并網(wǎng)前3 次諧波電壓取8%，并網(wǎng)后取10%。

（4）轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，其動作值根據(jù)工程經(jīng)驗選取，均動作于告警。

（5）逆功率保護(hù)，動作功率取1%額定功率。

（6）負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)，其動作電流取1.2 倍長期允許運行負(fù)序電流（計為10%額定電流）。

（7）頻率異常保護(hù)，其整定值取95%額定頻率。

（8）發(fā)電機復(fù)壓過流保護(hù)，I段動作電流取110%發(fā)電機額定電流，II 段動作電流取600%發(fā)電機額定電流，低電壓定值取70%額定電壓，負(fù)序電壓取6%額定電壓。

（9）勵磁變復(fù)壓過流保護(hù)，過流保護(hù)（安裝于低壓側(cè)）取200%變壓器額定電流，速斷過流（安裝于高壓側(cè)）取1400%變壓器額定電流，低電壓定值取70% 額定電壓，負(fù)序電壓取6% 額定電壓。

3.6.3 發(fā)電機定值總結(jié)

發(fā)電機定值總結(jié)見表8。

表8 發(fā)電機定值Table 8 Generator relay setting

3.6.4 發(fā)電機靈敏度校驗

按最小運行方式下，保護(hù)裝置安裝處兩相短路電流檢驗速斷保護(hù)靈敏度，過流保護(hù)靈敏度大于1.3，速斷保護(hù)靈敏度大于1.5，滿足規(guī)范要求。

3.6.5 發(fā)電機電流保護(hù)配合曲線

發(fā)電機電流保護(hù)配合曲線見圖14。

圖14 發(fā)電機Fig.14 Generator

4 結(jié)語

繼電保護(hù)整定應(yīng)該根據(jù)具體的項目實際，并在滿足4 項基本要求的前提下，尋求一個最優(yōu)的方案。如選擇性優(yōu)先，則可適當(dāng)增加相鄰保護(hù)的時間差值；如靈敏性優(yōu)先，則可選擇較低的可靠系數(shù)；如速動性優(yōu)先，則可整定較低的動作時間；如可靠性優(yōu)先，則應(yīng)選擇盡可能簡單的保護(hù)方案。同時，由于各種保護(hù)裝置適應(yīng)電力系統(tǒng)運行變化的能力有限，所以繼電保護(hù)整定也不是一成不變的。隨著電力系統(tǒng)運行情況的變化，繼電保護(hù)整定值也應(yīng)全部或者部分做出相應(yīng)的調(diào)整，以滿足新的運行需求。