火電機組廠用電保護整定計算問題探討

賀永剛，王利波

（焦作華潤熱電有限公司，河南焦作454001）

火電機組廠用電保護整定計算問題探討

賀永剛，王利波

（焦作華潤熱電有限公司，河南焦作454001）

對火力發電廠廠用電系統中的變壓器、電動機、廠用饋線等電氣設備繼電保護的配置、整定計算進行分析，對常見型式保護的配合整定原則進行了探討。

廠用系統；繼電保護；整定計算

0 引言

廠用電系統是火力發電廠的重要組成部分，廠用電系統運行的可靠性直接關系到機組能否安全穩定運行。由于廠用負荷多、分布廣、工作環境差和操作頻繁等原因，廠用電事故在電廠事故中占有很大的比例。廠用電繼電保護性能的好壞將直接決定廠用電系統運行的可靠性，進而關系到機組的安全穩定運行。

與發變組保護、線路保護一樣，廠用電繼電保護的整定計算是保證保護裝置正確動作、提高可靠性的重要環節。目前，發變組保護、線路保護的整定計算均有相關規程、導則可做參考，而對于廠用系統保護，相關規程只對保護配置及技術性能做出規定，并未涉及整定計算。發電廠中保護裝置類型、配置及生產廠家各不相同，整定計算的出發點也不同，因而保護定值不盡相同。即使同類型、同容量的機組，也存在上述問題。不同的整定計算結果在故障狀態下呈現出的后果有較大差異，對機組安全運行的影響程度也有很大不同。由于整定計算不當，造成繼電保護拒動或誤動而導致事故擴大的事件時有發生。本文對當前火力發電廠廠用電系統繼電保護整定進行了分析探討。

1 高廠變低壓分支過流保護整定

目前，發電廠高壓廠用變壓器（以下簡稱高廠變）低壓分支配置的保護不盡相同。有些電廠裝設有限時速斷及復壓過流保護，有些為兩段式過流保護，有些只裝設了過電流保護。雖然名稱不同，但實際都是帶時限的電流速斷保護，因此整定計算不能簡單地按過電流保護處理。

《火力發電廠廠用電設計技術規定》中規定：“當1臺變壓器供電給2個母線段時還應在各分支上分別裝設過電流保護，帶時限動作于本分支斷路器”[1]。高廠變低壓分支過流保護作為6 kV母線相間短路的主保護、兼顧分支纜差和母線上饋線開關的后備保護，因為相關規定中對動作時限無明確要求，存在廣泛采用微機保護但動作時限卻普遍整定過長的問題，一些電廠整定為2 s或2.5 s，部分電廠整定延時達到了3 s。

GB 1094-2008《電力變壓器》中規定：“變壓器承受短路的耐熱能力應通過計算驗證。除另有規定，用于計算變壓器承受短路耐熱能力電流的持續時間為2 s；要求當每相繞組施加規定持續時間的短路電流I后，其在任何分接位置下的平均溫度應不超過規定的最大值[2]”。

對于具有2個繞組的三相變壓器，對稱短路電流的方均根值I按下式計算：

式中：I為對稱短路電流的方均根值；U為所考慮繞組的額定電壓；Zs為系統短路阻抗；Zt為折算到所考慮繞組的變壓器的短路阻抗。

以1臺額定容量20 MVA、額定變比為15.75/ 6.3 kV，UK%為10.5的雙繞組三相廠用變壓器為例：按文獻2規定方法計算出的對稱短路電流的方均根值I為9.09 kA，而按現場實際接線計算出的低壓側（6 kV側）短路電流為24.01 kA，是標準規定施加短路電流值的2.64倍。如此大的短路電流，當6 kV母線上發生短路或母線上饋線開關近區短路保護或斷路器拒動時，變壓器低壓分支保護經3 s延時動作，加上保護動作至故障切除過程中的各級出口繼電器、開關固有分閘時間及滅弧時間的附加延時，實際短路切除時間遠大于國家標準規定承受短路電流耐熱能力持續時間，使變壓器的熱穩定能力經受嚴峻考驗。對于運行時間長的變壓器，不能保證變壓器本身的安全，會使故障時損壞程度加重，國內因外部短路造成變壓器燒毀損壞的例子屢見不鮮。對于6 kV開關柜，內部短路引弧試驗標準最長耐受時間一般是0.8 s，延時3 s會使短路范圍擴大導致多面開關柜燒毀。

因此，高廠變低壓分支過流保護動作時限的選取，應主要從以下方面考慮：

（1）與6 kV母線饋線開關速斷保護動作時間配合，較其大1個時間級差，滿足保護選擇性的要求。

（2）主要考慮保證變壓器的安全，即考慮變壓器的動穩及熱穩定性能，盡可能縮短保護動作時間。

目前，廠用6 kV系統廣泛采用的真空斷路器分閘時間一般不大于0.06 s，6 kV廠用饋線多為瞬時速斷保護，而微機保護上下級時間級差為0.3～0.4 s，因此，高廠變低壓分支過流保護動作時限即使取其上限，也僅為0.06+0.4=0.46 s，取0.5 s即可。對于6 kV系統一部分采用真空斷路器，另一部分采用真空接觸器加高壓熔斷器的FC回路的情況，因FC回路真空接觸器所用的高壓熔斷器在承受分支過電流保護動作電流時的最大熔斷時間小于0.1 s，則該分支過流保護動作時限只需增加0.1 s。

選擇更短的動作時限，有利于故障時快速切除。但要注意的是，高廠變作為6 kV母線工作電源，存在失壓后會有成組電動機自啟動的情況（主要為母線上饋線短路引起的低電壓），不同于一般用戶，也不同于變電站的降壓或升壓變壓器的運行情況，所以與一般變壓器的整定計算有很大差異。在縮短動作時限的同時，為防止在特殊情況下可能出現的保護誤動，應重新校核保護的電流定值。因為隨著機組運行時間的增加，6 kV廠用系統往往會新增許多負荷（如脫硫、脫硝系統等），遠大于機組設計初期保護整定用的計算負荷，因此要根據現場情況，取實際計算負荷最大的6 kV母線，按躲過該段母線所接電動機最大自啟動電流之和來計算校核電流定值。按此原則整定的高廠變分支過流保護將不會出現誤動情況。

2 高壓電動機“負序過流”保護整定

2010年，某電廠曾出現了一次因6 kV排粉電機接線盒內兩相短路，該電機保護拒動，引起上一級保護高廠變分支速斷越級跳閘及該機組其余6 kV電動機負序保護動作跳閘，最終發展為2臺機組相繼跳閘的事故。此次事故中，故障電動機保護的拒動和非故障電動機負序保護的誤動是事故擴大的主要原因，保護拒動主要是電流互感器（TA）飽和特性不理想所致，保護誤動則存在定值整定不當的問題。

目前火電機組國產6 kV電動機綜合保護裝置較常見的有許繼WDH-820系列、珠海萬利達MMPR-10H2系列、東大金智WDZ-460系列，不同廠家保護配置略有不同，電動機負序保護的主要配置有兩段式負序過流保護或負序定時限、負序反時限保護等。“負序過流”及“負序定時限”保護動作時限一般整定為0.2～0.5 s，高廠變分支電流速斷保護動作延時一般設定為1.5～2.5 s。

對于單元式火電機組，6 kV系統一般設有2段母線，機、爐側輔機均為雙配置，若一段6 kV母線發生短路故障，由保護裝置動作切除此段母線即可，另一段正常母線及所帶輔機可維持機組降負荷運行。而按照這樣的定值整定，在6 kV一段母線及近區兩相短路時，所有電動機負序定時限類保護總是先于高廠變分支電流速斷動作跳閘，使事故擴大引起跳機。為使其在母線及近區兩相短路時不誤動，勢必要延長電動機負序定時限類保護動作時限，使其躲過高廠變低壓分支速斷或過流保護故障切除時間，對電動機帶來的影響分析如下：

電動機中產生負序電流一般有2個原因：電機自身的參數不對稱和所接電網參數不對稱。對于單元機組，當不對稱短路發生在主變壓器高壓側以外或發電機出口附近時，由于發變組保護會快速切除故障，對電動機不會造成較大危害；當電動機所在高壓母線上或母線近區其它電機線路上發生兩相短路時，在非故障的電機回路中會產生較大的負序電流。設A，B兩相短路，短路點在母線上，忽略系統阻抗的影響，此時母線處各相電壓為：

由對稱分量法，求得此時的負序電壓為：

式中：E1為系統電勢，可認為E1=UN，且由于Z2= ZSC，因此在電動機回路產生的負序電流為：

式中：Z2為電動機的負序阻抗；ZSC為電動機的短路阻抗；IST為電動機的啟動電流。

由此可見，發生在電動機所在高壓母線或其附近的兩相短路，流入非故障電機的負序電流接近正常啟動電流IST的一半。

在電動機微機保護中，相間故障有差動、速斷保護作為主保護快速動作，而對于斷相故障，電流速斷按躲過電動機的啟動電流整定，斷線時啟動電流只有正常啟動電流的0.866倍，所以不會動作，反時限過電流保護對電動機的嚴重過負荷狀態有較好的保護性能，各廠家以不同的保護算法來躲過電動機的啟動過程，斷線情況下啟動時不會動作，電動機輕載運行中如果發生一相斷線，其電流是電機正常空載電流的倍，此時也不會動作。所以，電動機在單相斷線時其它保護均不會動作，而負序過流保護對這類斷線故障反應比較靈敏，因此，電動機的負序過流保護實際上應是斷相（線）等不對稱故障的主保護，主要負責對電動機發生的各種斷相（線）、匝間及不對稱故障進行保護，其動作時限滿足電動機的t短時允許值，不再考慮與其它保護的時限配合。

綜上所述，電動機負序保護主要用于對電動機不對稱運行的異常狀態提供保護，應從保護機組安全運行的角度出發，根據電動機不對稱故障時的短時允許值，合理整定動作時限，使其既能躲過母線及近區兩相短路時的故障切除時間，又能在電動機不對稱運行異常狀態時提供保護。在高廠變低壓分支速斷過流保護延時由2～2.5 s改為0.6 s后，電動機負序過流保護動作時限的整定應為[4]：

式中：Top·max為切除區外高壓廠用系統短路保護的最長動作時間；Δt為時間級差，取0.4 s。

3 低壓電動機零序保護整定

380 V廠用系統一般為中性點直接接地系統，規定要求對容量為100 kW以上的電動機應裝設單相接地短路保護，對于55 kW及以上的電動機，當相間短路保護不能滿足單相接地短路的靈敏性時，應另裝接地短路保護。6 kV變壓器低壓側一般配置反時限零序過流保護，作為整個低壓系統的接地故障后備保護。

電動機及其引線發生金屬性接地故障時，速斷保護會瞬時動作切除故障。但速斷保護不能替代零序保護，在電纜偏長的情況下，短路電流可能達不到動作值，速斷保護靈敏度不能滿足，此時需由零序保護動作于開關跳閘。而部分電廠380 V電機零序保護動作時限整定為0.5～0.8 s，時間較長，與6 kV變壓器低壓側零序過流保護反時限特性失去配合，會發生變壓器零序反時限保護先于380 V電機零序保護動作的現象，造成保護越級跳閘。

作為廠用電系統末級負荷，380 V電動機零序保護在動作電流正確整定的前提下，在動作時間上不宜設置延時，以避免上述情況下變壓器低壓零序保護越級跳閘，同時保證故障時快速跳閘，降低設備損壞程度。

4 6 kV變壓器短路保護整定

6 kV低壓廠用變壓器廣泛采用干式變壓器，容量一般在2 MVA以下。國產6 kV變壓器保護裝置較常見的有許繼WCB-820系列、珠海萬利達MTPR-10Hb系列、東大金智WDZ-440系列，不同廠家的變壓器速斷和過流保護有不同的形式：有的是兩段過流保護；有的是三段定時限復合電壓閉鎖過電流保護；有的是速斷和過流保護，雖然叫法不同，但具體到低壓變壓器保護上，原理及作用是相同的。

目前，部分整定部門對6 kV變壓器速斷保護設置了0.2 s延時。理由是保護下級還有380 V母線進線開關保護和母線上負荷開關保護，需考慮此類保護及相應斷路器的固有動作時間（約為0.06 s）要大于下級保護1個時間級差，用動作時限來保證選擇性。另一個原因是，速斷保護電流定值按躲過變壓器勵磁涌流整定，保護范圍已延伸至下級母線，單從電流定值來看，并不能保證選擇性，所以電流速斷保護增設0.2 s延時。這種情況已存在多年，導致的后果是使保護快速性降低，故障時切除短路電流時間較長，加重了變壓器損壞程度，并使6 kV母線電壓下降過低（低于50%額定電壓），引起一系列廠用負荷跳閘。

因此，速斷保護應無時限動作。《火力發電廠廠用電設計技術規定》中要求：“低壓廠用變壓器電流速斷保護，用于保護變壓器繞組內及引出線上的相間短路故障，應瞬時動作于變壓器各側斷路器跳閘”。取消動作時限后，保護電流定值如果還按躲過變壓器勵磁涌流原則整定，保護范圍已延伸至下級母線，顯然不能保證選擇性，因為母線上短路時，變壓器速斷保護和母線進線開關保護同為零時限，有可能越級動作。所以，為保證選擇性，應按躲過變壓器低壓側母線三相短路及變壓器勵磁涌流中的較大值來整定。按此原則可以保證選擇性和投運瞬間不會誤動，但保護存在死區，不能保護變壓器的全部范圍。

死區位于被保護區末端，短路電流相對較小，發生故障概率較變壓器全部電纜線路低，可合理整定后備保護，使其保護范圍覆蓋速斷保護死區。具有三段定時限過流保護或兩段過流保護功能的保護裝置，可按以下原則整定：

（1）Ⅰ段用作瞬時速斷保護，作為6 kV變壓器高壓側及其電纜相間短路的主保護，電流定值按躲過變壓器低壓母線三相短路整定，零時限動作[5]。

（2）Ⅱ段用作限時速斷保護，作為變壓器及相鄰元件短路故障的后備保護，并為Ⅰ段瞬時速斷保護死區提供保護。動作電流按躲過低壓廠變所帶電動機可能出現的最大自啟動電流計算，自啟動電流可實測或通過計算得出。保護范圍延伸至低壓母線，動作時限與380 V母線饋線過流保護動作時間配合，可取0.2 s動作。

（3）Ⅲ段整定為定時限過流保護，其動作時限如按躲過電動機自啟動時間，則動作時間較長，作為短路的后備保護已無意義，可用作變壓器嚴重過負荷保護，按躲過變壓器正常過負荷電流和允許的最長時間計算。

5 結語

廠用系統存在電氣設備種類多、供電環節多、不同電壓等級中性點接地方式不同的特點，其保護的整定計算本身并不復雜，但要做到整定合理，使保護在各種工況下效果最佳，則要圍繞選擇性、快速性、靈敏性、可靠性進行系統、綜合考慮，通過計算、反復修正，選擇最佳整定值。

（1）高廠變分支過流保護，以往2.5～3 s以上的動作時限整定原則不宜再用，而應在與6 kV母線饋線開關速斷保護動作時間配合、滿足選擇性的前提下，著重考慮變壓器安全及防止事故擴大，縮短保護動作時間。

（2）在6 kV母線及其近區兩相短路時，無故障的高壓電機負序保護先于高廠變分支短路保護動作，不僅無意義，還會引起事故擴大造成機組跳閘。其整定原則應為：根據電動機不對稱故障時短時允許值，合理整定動作時限，使其既能躲過母線及近區兩相短路時的故障切除時間，又能在電機不對稱運行的異常狀態下提供保護。

（3）380 V電動機是低壓廠用系統的末級負荷，其零序保護在動作時間上不應設置延時。

（4）連接在6 kV母線上的低壓廠變短路時會引起母線電壓降低過多，因此速斷保護應無時限動作，由此產生的動作死區可由后備保護彌補。

[1]DL/T 5153-2002火力發電廠廠用電設計技術規程[S].北京：中國電力出版社，2002.

[2]GB 1094-2008電力變壓器第5部分承受短路的能力[S].北京：中國標準出版社，2008.

[3]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用[M].北京：中國電力出版社，2005.

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

[5]國家電力調度通信中心.電力系統繼電保護規定匯編[G].北京：中國電力出版社，2000.

（本文編輯：徐晗）

Discussion on Protection Setting and Calculation of Auxiliary Power for Thermal Power Generating Units

HE Yong-gang，WANG Li-Bo
（Jiaozuo Huarun Thermal Power Co.，Ltd，Jiaozuo Henan 454001，China）

This paper analyzes relay protection configuration and setting and calculation of high and low-voltage transformers，motors and auxiliary feeder lines，and it discusses setting coordination principle of common typed protection.

auxiliary power system；relay protection；setting calculation

TM645.2

：B

：1007-1881（2013）02-0062-04

2012-08-10

賀永剛（1973-），男，河南原陽人，工程師，主要從事電力系統繼電保護研究及應用工作。