港口供配電系統繼電保護的探討

趙海

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

港口供配電系統繼電保護的探討

趙海

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

本文以浙江嘉興乍浦港為實例，根據港區供電現狀，從配電線路繼電保護的基本要求入手，對港內常見供電故障進行分析，并總結出配電線路的勵磁涌流、電流互感器飽和以及所用變保護拒動等3個特殊問題的有效處理方法，促進供配電系統安全運行。

常見故障；勵磁涌流；電流互感器飽和；所用變保護拒動

1 概述

港口供電系統的用電負荷種類復雜，具備點多、線長、面廣等特點，易受港口的鹽霧氣候、粉塵污染等環境影響。設備容易發生短路故障，嚴重損壞相關配電線路，繼而影響整個供電系統安全。繼電保護裝置作為確保供配電系統可靠運行的重要設備，在系統發生短路等故障時，會發出報警信號或者自動切斷線路，以防止供電故障擴大，避免發生大范圍停電?；诖?，本文以浙江嘉興乍浦港為實例，針對10kV配電線路的繼電保護進行探討。

2 供電現狀

乍浦港目前裝卸設備復雜：有散貨裝卸用的裝船機、卸船機、帶式輸送機等；有集裝箱裝卸用的岸橋、電動輪胎吊等；還有雜貨裝卸用的門座式起重機、軌道吊等。港區經過多年的生產運營，發現港內電動機在作業高峰時大量頻繁啟停，對電網造成強烈沖擊，上級線路繼電保護經常誤動作，供電電壓呈現波動現象，嚴重威脅到乍浦港供電系統的安全運行。

3 繼電保護基本原則

供電系統實現安全運行，必須滿足可靠性、選擇性、靈敏性、速動性等四項基本原則，具體如下。

可靠性。即繼電保護裝置整定、調試無誤，內部元件質量可靠、運行得當、系統簡化，以保證系統可靠性。

選擇性。當設備或線路本身發生短路故障，自身斷路器拒動，由鄰近設備保護或鄰近線路保護動作切除故障。

靈敏性。設備或線路在被保護范圍內發生短路故障時，保護裝置有必要的靈敏系數，并滿足最小靈敏度要求。

速動性。發生故障時，保護裝置及時做出響應，盡快切除短路處故障，縮小故障范圍，并減少電力線路和故障設備的損壞程度，提高自動重合閘和備自投的可靠性。

4 港內常見故障分析與對策

4.1 常見故障分析

乍浦港投產至今，存在過電流、電壓超額、電壓驟降、絕緣老化等4種供電故障。

（1）過電流。即為負荷超過電氣設備額定值。此類故障情況在各港區較為常見，造成絕緣導體溫度升高，加速老化，發生短路故障。

（2）電壓超額。即為電壓超過額定值。當發生單相接地故障時，非接地兩相電壓將升高數倍，極可能擊穿絕緣層引起嚴重電力事故。

（3）電壓驟降。在電網電壓急劇下降過程中，線路側電動機由于自啟動產生多倍數級的啟動電流，造成自啟動困難，甚至無法自啟動的現象。

（4）絕緣老化。當電力線路長時間運行后，造成線路的絕緣能力下降，容易因發生一點或兩點線路擊穿而導致電力事故。

4.2 常見故障對策

為提高乍浦港供電系統的可靠性，滿足繼電保護基本原則，并避免過電流、電壓超額、絕緣老化、電壓驟降等4種供電故障的發生，本文對港內變電所的綜合繼電保護整定值的計算，以及保護時間的調整進行闡述，得出相關的繼保整定值和時間。

（1）電流的保護整定原則。各個10kV中心配變電所及分變電所的電流保護，分為過流保護和速斷保護。速斷保護根據短路電流實現；過流保護根據負荷大小而定。

（2）電壓的保護整定原則。主要為電容補償和PT 的開口電壓保護，以及線路過壓和欠壓保護。開口三角的電壓值，在實際運行中，由于電壓互感器的自身誤差，極易產生多次諧波引起的不平衡電壓。因此，整定值應大于不平衡電壓。

（3）保護時間的整定原則。根據負荷重要性、繼保護整定值和實際運行經驗來進行時間整定。

（4）上下級匹配的整定原則。上一級保護的靈敏系數應低于下一級，上一級保護的整定時間應比下一級多一個時間級差Δt。

5 特殊問題及處理方法

5.1 線路勵磁涌流。

線路勵磁涌流是配電線路由于電磁感應產生的常見現象?？胀蹲儔浩鲿r，變壓器鐵芯磁通難以急劇變化，非周期分量造成變壓器的鐵芯飽和。勵磁電流增加明顯，最大可達額定電流的10倍。磁化曲線與勵磁涌流見圖1。

圖1 磁化曲線與勵磁涌流

通常10kV配電線路中大部分為變壓器負荷，當線路投入運行時，變壓器負荷引起的勵磁涌流匯集迭加，引起電磁暫態現象。當采用二段式電流保護時，電流速斷動作電流取較小值。當采用三段式電流保護時，瞬時電流速斷保護須兼顧靈敏度要求，動作電流相應取較小值。因此，線路勵磁涌流值有可能大于整定值，造成繼電保護產生誤動作。這種情況在線路側變壓器負荷少、容量小且系統阻抗大的時候不太明顯，不夠引起重視。另外，由于勵磁涌流含大量高次諧波，故線路保護可利用諧波特點防止保護誤動作。就10kV配電線路的繼電保護來說，改造保護裝置會造成保護裝置的實用性降低。由于勵磁涌流隨時間而衰減，故在電流速斷保護加入短延時，以防止勵磁涌流引起的保護誤動作。綜上所述，10kV線路保護主要采用二段式保護（過電流、限時電流速斷）。乍浦港供電系統設計中，10kV線路保護即采用二段式電流保護。

5.2 電流互感器飽和

10kV 線路出口處短路電流與系統規模和運行方式是密切相關的。當電力系統范圍擴大，10kV系統短路電流將增大，電流值高達電流互感器一次額定電流的上百倍，因此，原先正常運行的電流互感器極易呈現飽和狀態；另外，由于短路故障處于一個暫態過程，短路電流中的非周期分量會產生電流震蕩，峰值和波谷相差較大，更容易加速電流互感器飽和，二次側電流急劇降低，保護裝置拒動，只能由后備保護來切除，因而延長了故障時間，使得故障范圍擴大。電流互感器二次側在故障前后的波形對比圖詳見圖2。

圖2 電流互感器二次側在故障前后的波形對比圖

目前港口總變主要是35/10.5kV或20/10.5kV的降壓站，最大運行方式下的短路電流較大，電流互感器若變比較小，可能在供電系統發生短路故障時出現飽和。為解決這一問題，除了需提高主變壓器的短路阻抗和容量外，還要提高保護用電流互感器的準確極限值，或者提高電流互感器變比值。保護用電流互感器的準確度等級一般選用5P、10P等級；而測量用電流互感器，不管是何變比，通常采用5P10型，測量精度為5%，準確極限值為10。乍浦港供電系統設計中，保護用電流互感器的準確度等級選用5P等級，測量用電流互感器選用5P10型。

5.3 所用變保護拒動

一般變電所設計中，所用變保護的容量較小，通常選擇30～100kVA（乍浦港變電所選用80kVA），并安裝于10kV開關柜內，因此高壓側短路電流與系統短路電流相差不大，低壓側出口的短路電流值劇增，對所用變保護以及10kV配電線路構成威脅。常規而言，一般采用熔斷器對其實現保護，隨著電力系統擴張，短路電流增大，保護可靠性降低。故而乍浦港變電所內的所用變，均采用斷路器保護，但卻帶來了電流互感器飽和的問題。所用變保護的一次額定電流往往較小，此時，保護與計量往往合用一組，互感器變比取偏小值，原因是為了保證計量精度。當高壓側發生短路故障時，短路保護主要靠后備開關保護動作來實現；但如果是低壓側發生短路故障，短路電流則偏小，后備保護開關拒動，故障難以及時切除。為避免發生所用變保護拒動的情況，乍浦港變電所設計中對電流互感器進行合理配置，并將計量與保護分開獨立設置：在高壓側裝設保護用電流互感器，實現對所用變保護的短路保護；在低壓側裝設計量用電流互感器，以確保計量的準確度達到要求。

6 結語

目前，國內港口大多存在過電流、電壓超額、電壓驟降、絕緣老化等供電故障，還有配電線路勵磁涌流、電流互感器飽和以及所用變保護拒動等問題，嚴重影響供電系統安全運行。本文通過對繼電保護整定值計算和時間調整的實例分析，闡述港區供電設計中如何做到滿足供電系統速動性、可靠性、靈敏性和選擇性四項原則，利于變電所事故動作分析，減少事故隱患，促進港口供電系統安全運行。

[1]梁蕾，趙久濤，劉漢武. 10kV配電線路繼電保護的研究. 科技創新導報，2010.

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