電力系統(tǒng)保護(hù)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)研究

摘 要：電力系統(tǒng)的組成是由變壓器、斷路器及電力纜線所構(gòu)成，而為確保電力系統(tǒng)的可靠度，上述相關(guān)設(shè)備保護(hù)必須有適當(dāng)?shù)囊?guī)劃，以避免任一小事故造成大區(qū)域停電的情形發(fā)生。因此各階段的保護(hù)元件，如高壓斷路器的各類電機(jī)及低壓斷路器的跳脫元件，均必須相互協(xié)調(diào)，以確保下游保護(hù)元件的動(dòng)作時(shí)間必須快于上游保護(hù)元件，即有足夠的協(xié)調(diào)時(shí)距，才能準(zhǔn)確地隔離故障區(qū)域，使事故縮小至最小范圍，并使其他正常區(qū)域可持續(xù)獲得穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；保護(hù)；協(xié)調(diào)；設(shè)計(jì)

1 引言

電力系統(tǒng)保護(hù)協(xié)調(diào)的目的乃在于當(dāng)設(shè)備故障、人為操作錯(cuò)誤或其他外力因素（如地震、風(fēng)災(zāi)、雪災(zāi)或火災(zāi)）造成無預(yù)期跳電事件時(shí)，所采取必要的自動(dòng)控制程序，借以減少設(shè)備損壞，防止人員受到傷害，并將該斷電的范圍及期間作一限制。雖然在設(shè)計(jì)或預(yù)防性維修保養(yǎng)的規(guī)劃上可降低上述的情況發(fā)生，但通常都是在無預(yù)警情況下產(chǎn)生，因此必要的自動(dòng)操作程序是要考量的。而目前高低壓設(shè)備的保護(hù)電機(jī)大部分均以微處理化操作，其跳脫時(shí)間精準(zhǔn)度的控制更為重要，因此在設(shè)計(jì)規(guī)劃階段的時(shí)間設(shè)定，有賴于精確的故障電流計(jì)算及分析，以獲得更可靠的電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)保護(hù)。

2 基本資料需求

2.1 電源端的短路容量

一般高壓系統(tǒng)電力部門公司是不會個(gè)別提供其變電所饋線出口的短路容量，為簡化設(shè)計(jì)，11.4kV系統(tǒng)為250MVA，22.8kV系統(tǒng)為500MVA，69kV以上的特高壓系統(tǒng)則需正式發(fā)文要求電力公司提供，但要注意其所提供的短路容量信息通常為一年有效期。

2.2 負(fù)載端提供的短路容量

一般是以50馬力以上馬達(dá)負(fù)載才考量其對短路電流的提供，而大部分的情況的次暫態(tài)阻抗“Xd”是以20%計(jì)算，即其提供的短路電流為5倍的馬達(dá)額定電流。

2.3 斷路器額定

斷路器額定除了需知道其啟斷容量外，也需知道其投入容量，這與短路容量的X/R比有關(guān)，X/R越大表示衰減越快。但一般若斷路器所要啟斷的短路電流小于其額定80%時(shí)，則不用理會X/R值。若無法滿足上述要求時(shí)，則當(dāng)X/R為10～15時(shí)，以100%的額定為其啟斷容量，其啟斷時(shí)間至少要持續(xù)3～5周期，X/R若小于10，則更需持續(xù)到8周期的時(shí)間。另投入容量必須符合第一周期的短路電流對稱rms值，再乘以1.6倍得到非對稱短路電流rms值。

2.4 簡單的短路電流的計(jì)算

短路電流的計(jì)算一般我們可通過電力系統(tǒng)分析軟件，如ETAP或REDA等軟件，通常需要有復(fù)雜的電氣資料（如電纜、匯流排、斷路器、變壓器等）才能據(jù)以計(jì)算，但在設(shè)計(jì)的初，根本無法提供足夠的信息作進(jìn)一步的短路電流計(jì)算。因此提供一快速短路電流的參考計(jì)算方法，使得在設(shè)計(jì)的初都能獲得90%以上的正確性短路電流計(jì)算。我們可先從電源端的短路容量及變壓器的基本資料，即可獲得變壓器二次側(cè)的短路電流。

3 保護(hù)協(xié)調(diào)曲線的繪制

電力系統(tǒng)的保護(hù)協(xié)調(diào)是從最上游側(cè)的高壓一直串接下來至下游側(cè)保護(hù)設(shè)備，一般會經(jīng)過不同等級的電壓，但為了方便觀察各保護(hù)設(shè)備是否協(xié)調(diào)，一定得將其置于同一電壓基準(zhǔn)上，方可得到一致的協(xié)調(diào)圖。161kV、22.8kV及480V或208V，繪制保護(hù)協(xié)調(diào)曲線圖時(shí)，原則上以161kV電壓為基準(zhǔn)，繪制CB1及CB2的保護(hù)協(xié)調(diào)，另以22.8kV電壓為基準(zhǔn)，再另繪制CB2-CB3-ACB1及CB2-CB4-ACB2的保護(hù)協(xié)調(diào)圖，這可減少同一張協(xié)調(diào)曲線圖中有太多曲線要表示的不方便。

3.1 特高壓斷路器

依照電力部門最基本要求，當(dāng)兩次側(cè)發(fā)生三相短路故障時(shí)，CB1必須在0.5秒內(nèi)（30周期）清除故障，但電力部門最寬應(yīng)可延至65周期（1.08秒）。而本分析是以0.6秒作為設(shè)計(jì)計(jì)算如下：22.8kV匯流排的三相短路故障電流為10.2KA，換算161kV側(cè)為“10.2KA×22.8kV/161kV=1444A161KV”的保護(hù)電機(jī)的曲線，若電力部門要求為標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)性，可依據(jù)IEC60255-3的標(biāo)準(zhǔn)曲線定義公式及各曲線參數(shù)。

3.2 主高壓斷路器

因TR1變壓器的二次側(cè)額定電流為50000kVA/（■×22.8）=1266.1A，再乘1.25倍為變壓器可超載部分，則為1582.6A。若I=1582.6/2000=0.79，取0.8In。所以，I>=0.8×2000=1600A。為保持在TR1主變壓器發(fā)生三相短路電流時(shí)，與CB1的保護(hù)協(xié)調(diào)至少有0.2～0.25秒的CTI，以0.25秒計(jì)算，則CB2須在0.59-0.25=0.34秒清除故障。

3.3 低壓斷路器（ACB1）

ACB1為3000kVA高壓變壓器的二次側(cè)保護(hù)開關(guān)，該ACB另有提供跳脫元件作為跳脫ACB用，其設(shè)定以不低1.25倍額定電流作為變壓器過電流保護(hù)，因此長延時(shí)的設(shè)定電流為3000/（■×0.48）×1.25=4150A，長延時(shí)設(shè)定值，依廠牌的不同，有不同的選擇設(shè)定，假設(shè)僅能選擇0.92，則長延時(shí)電流=5000×0.92=4600A。

長延時(shí)的時(shí)間設(shè)定一般有0.5～30秒的時(shí)間，該設(shè)定基本上是6倍的上述長延時(shí)電流設(shè)定值的跳脫時(shí)間，且伴隨有另外二點(diǎn)（如1.5及7.2倍）的相對應(yīng)時(shí)間，以供繪制ACB保護(hù)協(xié)調(diào)的長延時(shí)曲線（反時(shí)性直線曲線）。現(xiàn)以M/G的Micrologic 6.0的跳脫元件為參數(shù)，其長延時(shí)可供選擇。先選擇1.0秒作為長延時(shí)的時(shí)間設(shè)定，待變壓器的高壓斷路器保護(hù)曲線決定，再檢驗(yàn)相互間的協(xié)調(diào)。另再?zèng)Q定瞬時(shí)的設(shè)定，由于二次側(cè)480V匯流排的三相短路故障電流經(jīng)前述計(jì)算為46.6KA，因此瞬時(shí)的電流值要小于46.6KA，即Ii=46600/5000=9.32，取8倍AT值（Im），換算到高壓側(cè)Ii=8×5000×0.48/22.8=842A。另設(shè)定短延時(shí)為3倍長延時(shí)始動(dòng)設(shè)定（Ir）=■×4600=13800A，換算至22.8kV側(cè)，則為290.5A，短延時(shí)的時(shí)間設(shè)定為0.2秒。

3.4 高壓斷路器

就斷路器CB3及CB4而言，其所接的高壓變壓器分別為TR2及TR3，首先檢驗(yàn)斷路器CB3，TR2變壓器容量為3000kVA，一次側(cè)額定電流=3000/（■×22.8）=76A，再乘以1.5倍作為可超載的部分，則為114A，因此CT比可采用200/5，導(dǎo)線為60mm2的交連PE電纜，則始動(dòng)電流I>的設(shè)定值為114/200=0.57。另與前述ACB跳脫元件瞬跳值>CTI要大于0.4秒，即使其跳脫時(shí)間至少大于0.6秒。

3.5 電力纜線

斷路器CB3至TR2變壓器間的60mm 2XLPE纜線做檢驗(yàn)，其耐短路電流曲線比保護(hù)的電機(jī)曲線要高，表示在TR2高壓側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)（短路電流為10200A），保護(hù)的電機(jī)曲線的跳脫時(shí)間為0.1秒，比該纜線在此故障電流發(fā)生時(shí)可耐0.6秒還要短，即表示此電機(jī)對纜線的保護(hù)有足夠的協(xié)調(diào)時(shí)間。

4 結(jié)束語

本文的電力系統(tǒng)保護(hù)協(xié)調(diào)是以過電流保護(hù)（50/51）做檢驗(yàn)，除了上述章節(jié)的基本了解外，再配合工程師常用的辦公室軟件，可很容易將協(xié)調(diào)曲線圖表現(xiàn)出來。因在電子化技術(shù)的發(fā)展下，各廠商的電機(jī)或跳脫元件均可提供非常準(zhǔn)確的跳脫時(shí)間公式，另在繪圖軟件工具上，MS Excel提供一套非常方便的雙對數(shù)曲線繪制能力軟件，兩者的配合可將各電機(jī)及跳脫元件間的協(xié)調(diào)表現(xiàn)快速地反應(yīng)出來，可節(jié)省甚多錯(cuò)誤嘗試的時(shí)間，也可準(zhǔn)確地將協(xié)調(diào)時(shí)距計(jì)算出來，以避免人為對對數(shù)軸的誤讀。

參考文獻(xiàn)

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