電廠起備變保護與相鄰線路保護配合的研究

陳 鑫

(江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102)

江蘇省電力設計院設計的某燃機發電廠即將進入倒送電階段。在對電廠的高壓起備變保護進行整定時，發現起備變的過流保護在與相鄰線路零序保護的配合上存在問題。該燃機電廠工程為新建3臺E級燃氣－蒸汽聯合循環熱電聯產機組，3臺燃機發電機和3臺汽機發電機均采用發電機－變壓器單元接線的形式，用220kV電纜接入廠內220kV GIS配電裝置。220kV系統為雙母線接線方式。每臺機組設置1臺高壓廠用工作變壓器，其高壓側電源直接引接于汽機發電機出口，不設斷路器。高壓起動備用變壓器接在220kV母線上。

1 電氣接線及參數

電廠的電氣主接線如圖1所示。

圖1中：燃機發電機的額定功率180 MW，功率因數0.85，次暫態電抗13.9%；燃機主變的額定容量205 MV·A，短路阻抗 20%，接線方式為Yn／△11；汽機發電機的額定功率100 MW，功率因數0.85，次暫態電抗16.3%；汽機主變的額定容量100 MV·A，短路阻抗20%，接線方式為Yn／△11；起備變的額定容量14 MV·A，短路阻抗10%；零序阻抗實測值為 323.7 Ω／相，接線方式為 Yn／△11；高廠變的額定容量14 MV·A，短路阻抗10%，接線方式為△／△0。

系統參數如表1所示。其基準值SB=100 MV·A，UB=230kV，系統的負序阻抗近似認為與正序阻抗相同。

表1 系統參數表

2 線路側單相接地短路電流計算

要分析220kV線路側單相接地對起備變過流及零序保護的影響，必須要計算單相接地時短路電流的大小及分布。對于本工程，短路電流計算有如下假設：

（1）短路前，所有電源的次暫態電動勢均取為額定電壓，即標么值為1，且同相位。這樣相當于短路前，整個回路為空載狀態，短路點處的電壓為1。

（2）高廠變低壓側帶有部分6kV電動機負荷，由于該6kV負荷距短路點較遠，短路瞬間6kV電動機倒送出的短路電流可以忽略不計。短路后，根據文獻[1]，可以將6kV負荷當作X=1.2（以負荷本身的容量為基準值）的恒定阻抗支路接入，再加上高廠變自身的正序（負序）阻抗，則高廠變分支正序（負序）阻抗將比它并聯分支的阻抗大近67倍，可以視為開路。同時，由于高廠變接線方式為△／△0，零序電流不能流通，故零序網絡中也不包括高廠變支路。由上可見，在220kV線路側單相接地時，高廠變支路可以忽略不計。

（3）對于起備變而言，在220kV線路上發生單相接地時，起備變低壓側所帶6kV負荷距短路點較遠，并且由于異步電動機倒送的短路電流衰減很快，同樣可不記入異步電動機倒送的短路電流。由于此處需計算短路電流在起備變高壓側的分布，為了盡量減少誤差，在此考慮起備變支路的正序（負序）阻抗，而不是也將其視為開路。經查看廠用電負荷統計，起備變低壓側分別給3個分支供電（3個分支不同時工作），其中最大一段的計算負荷為13617.8kV·A。則可將6kV負荷當作X=1.2（基準容量取14 MV·A）的恒定阻抗支路接入。則當基準容量取為100 MV·A時，該恒定電抗的正序、負序電抗為。由于起備變為YNd11接線，零序電流在起備變低壓側三角形繞組內形成環流，6kV負荷內沒有零序電流流通，故零序網絡僅包括起備變的零序阻抗，不包括負荷。

綜上所述，基準值取SB=100 MV·A，UB=230kV，變壓器變比為平均額定電壓比，則220kV線路單相接地時，正序和負序及零序阻抗圖如圖2所示。

圖2 正序和負序及零序阻抗圖

為計算短路電流在起備變支路中的分布，先將除起備變支路外的其他回路化簡，如圖3所示。最終的三序網圖如圖4所示。

根據單相接地短路的規律，可以得到單相接地短路時從短路點流出的三序電流為：

圖4 最終三序網圖

經計算，可得流過起備變高壓側各相電流的幅值（有名值）為：

短路點處的負序電壓（標么值）為：

3 起備變復合電壓過流保護動作電流的計算

起備變復合電壓過流保護的動作電流應按躲過起備變的額定電流進行整定[2]。

起備變額定電流：

復合電壓過流保護的動作電流：

此處配合系數K1為1.1，可靠系數Kk為1.2，返回系數Kh為0.85，復合電壓過流保護的動作電流為：

一般負序電壓的整定值U2op=0.06Ue，而上述計算得到單相接地時，負序電壓為0.304Ue。因此，負序電壓元件會動作。

4 起備變過流保護與線路零序保護的配合

從上述計算可以看出，當線路側靠近220kV母線處發生單相接地短路時，流過起備變的短路電流將要大于起備變復合電壓過流保護的動作電流值，而且負序電壓元件同樣會啟動，如不采取措施，起備變的復合電壓過流保護將無選擇性的動作。

對于上述情況，可以采取2個措施，一是起備變過流保護采用延時與220kV線路的零序保護進行配合，二是起備變過流保護增加方向元件。如起備變過流保護采用延時與220kV線路的零序保護相配合，根據調度部門給出的信息，延時將達5.1 s，而起備變過流保護與其低壓側保護相配合時的延時最多也僅為1.2 s，故只能考慮增加方向元件。方向元件的方向由220kV母線指向起備變，這樣當反方向（線路側）發生短路時能可靠地閉鎖不動作。

5 起備變零序保護與線路零序保護的配合

起備變零序保護如圖5所示。

圖5 起備變零序保護示意圖

從圖5可以看出，如果起備變的零序保護電流取自起備變高壓側中性點零序電流互感器（－TA0），則無論單相接地發生在220kV線路上 （圖中處，起備變保護區外），還是發生在220kV母線與起備變高壓側之間（圖中處，起備變保護區內），起備變保護裝置測得的零序電流的大小和方向都是一樣的，即對于起備變區內、區外的單相接地故障沒有選擇性。如果起備變的零序保護電流取自起備變高壓側電流互感器（－TA1）的自產零序電流，則區外故障時（），零序電流方向指向母線，且零序電流為整個零序電流在起備變分配的部分；區內故障時（），零序電流方向指向變壓器，該零序電流為整個零序電流在系統分配的部分。由于系統的零序阻抗為0.010853，起備變的零序阻抗為0.6119，兩者相差近56倍，則上述兩種情況下零序電流相差近56倍。由此可見，當起備變的零序保護電流采用起備變高壓側電流互感器的自產零序電流時，零序電流保護具有很好的選擇性和很高的靈敏度，沒有必要采用帶方向的零序電流保護。

6 起備變零序保護整定計算

如上所述，起備變零序保護的動作電流取自起備變高壓側三相電流互感器的自產零序電流，組成不帶方向的二階段零序過電流保護[3]。

（1）起備變零序保護I段。動作電流按躲過高壓側母線單相接地短路電流計算：

式（1）中：3I0.OP.1為起備變零序保護I段動作電流整定值；Krel為可靠系數， 取 1.2～1.3；K0.bar為起備變高壓側零序電流分支系數；為高壓側母線單相接地時最大3倍零序電流值。根據上文，可以得到：

轉為有名值為：

靈敏度校驗：

將各數據代入式（2），得：

由于起備變零序保護I段按躲過高壓側母線單相接地計算，同時考慮該保護與線路零序保護I段配合，其動作時間可以整定為0.3～0.4 s。

（2）起備變零序保護II段。起備變零序保護II段的動作電流整定值需與相鄰線路零序保護II段或者末段相配合，其保護動作時間也需在線路零序保護II段或者末段的動作時間上加一級級差，此處不再展開討論。

7 結束語

從上述討論可以看出，由于220kV系統為中性點有效接地系統，單相接地電流很大，對于Yn／△接線的起備變而言，雖然其零序阻抗相對于系統而言很大，但仍然會流過較大的零序電流，再加上正序、負序電流，則在起備變高壓側流過的短路電流會超過根據起備變額定電流整定的過流保護動作值。解決的辦法可以對起備變過流保護加延時或者加裝方向元件，具體采用哪種方案視工程的具體情況而定。對于Yn／△接線的起備變高壓側零序保護而言，取自高壓側電流互感器的自產零序電流能夠反映區內、區外故障，具有很好的選擇性和很高的靈敏度，在通常情況下，沒有必要采用帶方向的零序電流保護。

[1]劉萬順.電力系統故障分析（第二版）[M].北京：中國電力出版社，1998.

[2]能源部西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊2[M].北京：中國電力出版社，1991.

[3]高春如.大型發電機組繼電保護整定計算與運行技術（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2006.