廠用電保護配置和定值整定原則適應性探討

陳朝暉

（浙江浙能臺州第二發電有限責任公司，浙江 臺州 317109）

0 引言

隨著電力技術的發展和火力發電機組單機容量的不斷增大，火力發電廠廠用電系統與原來小機組廠用電系統相比發生較大的變化，即：廠用電中壓系統除了采用真空斷路器外，還廣泛采用F-C（熔斷器-接觸器）斷路器；廠用電低壓系統廣泛采用帶有電子脫扣器的框架斷路器和塑殼開關；另外，在高壓電動機電源回路中，變頻器和軟啟動裝置的應用也日趨普遍。而目前廣泛應用的微機保護裝置在邏輯組態和保護類型選擇（如定時限保護、反時限保護、經閉鎖的電流保護等）上具有強大的邏輯功能和靈活性。面對一次系統組成的多樣性和復雜性以及保護裝置功能靈活強大的新常態，在保護類型配置原則和定值整定原則方面出現了多種選擇，因此，容易出現誤配置、誤整定。據了解，保護類型配置不當，定值整定失配的情況時有發生。

以下結合近幾年各發電廠發生的廠用電保護定值整定誤區和難點問題，針對各種電氣一次系統運行方式及設備型式和保護裝置具體功能，進行綜合梳理并提出相應的保護類型的配置原則和保護定值的整定原則具有現實意義。

1 6 kV/10 kV F-C斷路器速斷保護的解決方案

F-C斷路器是具有限流熔斷器和高壓接觸器組合而成的廠用電斷路器，因其價格便宜、占用空間小，結構簡單、使用方便等優點越來越多被應用在廠用電系統上，而早期的廠用電微機綜合保護系統，原理簡單，功能單一，為了避免綜合保護在故障電流大于真空接觸器開斷電流的情況下搶先出口，有些發電廠選擇退出變壓器和電動機的速斷保護，或選擇將速斷保護帶一定時限的定時限延時出口，這樣既犧牲保護的快速性又增加保護整定的復雜性，同時也很難正確校核與高壓熔絲配合的合理性。

目前的微機型綜合保護，具備強大、靈活的邏輯功能，可經過合理的組態選擇，使綜合保護實現大電流閉鎖速斷保護出口的功能，即當故障電流超過其整定值，自動將綜合保護跳閘出口回路閉鎖，防止真空接觸器切斷超過其允許開斷的電流。這樣，速斷保護就可以按常規投入，動作出口采用保護裝置固有動作時間或延時0.05～0.1 s，這樣既簡化保護的整定計算，同時又實現了無延時切除故障的目的。目前國產主流的廠用電綜合保護系統，如南瑞PCS/RCS-9000系統、南自PS-690U系列、四方CSC-200系列、金智科技WDZ-5200系列等保護裝置通過控制字和過流閉鎖定值的合理整定均可實現。

根據設計導則，TA（電流互感器）的一次額定電流按負荷電流選擇，F-C斷路器配置的保護TA一次額定電流都較小，故障情況下容易飽和，而真空接觸器的額定開斷電流遠大于TA飽和電流，因此過流閉鎖保護的定值可按不大于TA飽和電流整定。

2 廠用變壓器負序保護合理整定方案

早期投運的微機型綜合保護（比如愛光MMP-5000，南自的WCB-3）中的負序保護，為一段式反時限負序保護，反時限負序保護既作為變壓器的不對稱保護也作為變壓器不平衡保護，負序電流啟動值按躲開最大不平衡電流整定，一般整定（0.6～0.8）In（額定電流），反時限出口時間與380 V最大負荷過載保護反時限配合。

目前的主流微機型綜合保護，如南瑞PCS/RCS-9000，南自PS 690U、金智科技WDZ-5200系列，都為定時限負序保護。如果負序保護仍按一段式配置，則負序電流啟動值和延時的整定在選擇性、快速性、靈敏性上存在配合的困難。如電流按躲開最大不平衡電流整定（0.6～0.8）In整定，出口時間按與低壓側速斷保護配合，整定0.5～0.7 s，快速性和靈敏性得到保證，但存在低壓側相間故障誤動作的風險；如果電流與低壓側最大負荷最大動作電流配合整定，或變壓器低壓側出口兩相短路有1.5倍靈敏度整定，其整定值較大，失去負序保護有較高靈敏度的優勢；如出口時間按高壓系統非全相運行及高壓母線相鄰設備非對稱故障切除最長時間配合，則影響保護的快速性。

因此合理的配置方式是配置二段式負序過流保護。負序過流Ⅰ段整定原則應以“變壓器低壓側出口兩相短路有1.5倍靈敏度整定”為主。與“低壓側最大負荷動作電流配合整定”屬于不同原理保護間的配合（負序過流與過電流），主要靠時間配合，定值配合較難，可作為輔助原則進行校核。出口時間按與低壓側速斷保護配合，整定0.5～0.7 s。負序過流Ⅱ段，作為變壓器不平衡保護，電流值整定（0.35～0.4）In，出口時間應與高壓系統非全相運行及高壓母線相鄰設備非對稱故障切除最長時間配合，同時校核與低壓側負荷過載保護不失配。

3 變壓器中性點接地保護存在問題及合理的解決方案

早期投運的380 V電源開關柜配有熔斷器保護，變壓器中性點接地保護采用GL-21/5電磁型反時限出口繼電器，反時限出口時間與熔斷器保護配合。

目前380 V斷路器基本上都配置帶有電子脫扣器保護功能的框架斷路器，具有短延時速斷保護功能，那么廠用變壓器中性點接地保護出口延時再選擇反時限延時出口，這不僅增加保護整定的復雜性，而且也毫無意義。

另外，根據導則變壓器中性線接地保護的電流整定值應與下一級零序過電流保護配合，下一級無零序電流時，與下一級相間保護的最大動作電流配合。目前較多發電廠的廠用變壓器低壓側380 V母線聯絡開關和下接最大負荷MCC饋線電源開關未配置接地保護，變壓器中性點接地保護的零序電流定值與380 V母線聯絡開關短延時速斷保護電流值配合，電流定值明顯偏大，導致保護靈敏度降低和保護范圍縮小。有些發電廠的變壓器中性點接地保護零序電流定值則按與下級的最大負荷MCC（電動機控制中心）饋線電源開關短延時速斷保護配合，當380 V母線聯絡開關投入運行帶一段母線特殊運行方式時，存在越級跳閘，擴大停電范圍的風險。

因此合理的方案是380 V母線聯絡斷路器和低壓側最大負荷MCC饋線電源開關均配置零序接地保護，并采用定時限出口，則變壓器中性點接地保護與下一級的最大零序保護動作電流配合，也選擇定時限出口，這樣廠用變壓器中性點接地保護即能保持其較高靈敏度，同時定時限時間整定也較為簡單，并且上下級容易配合，不會造成失配。

4 帶變頻器的高壓電動機保護整定原則

為了節能降耗，目前發電廠廣泛采用電動機變頻調速技術，高壓電動機變頻系統由移相變壓器、變頻器、電動機3個部分設備組成。為確保變頻器元件故障不影響機組發電，大多設置旁路運行模式，接線如圖1所示。因此配置在6 kV/10 kV開關柜上的綜合保護要滿足工頻和變頻2種運行工況下的功能需求。

圖1 帶變頻器的高壓電動機一次接線

電流取自6 kV/10 kV側的綜合保護裝置應設定兩套定值。一套適用工頻運行，作為電動機保護，按常規的電動機保護整定原則整定。另一套適用變頻運行，根據變頻系統設備組成及運行特點，配置相應保護和合理的定值整定。

在變頻運行工況下，三相電壓通過移相變壓器、變頻器送到電動機，其等效阻抗已發生較大的變化，而且變頻器的交-直-交環節中直流隔離作用，綜合保護無法再對電動機起到保護作用，因此保護對象為移相變壓器。對于移相變壓器，由于其結構較為特殊，二次側繞組、抽頭較多，難以配置差動保護，因此由電流速斷保護、過流保護、負序保護構成其主、后備保護，其整定原則也與普通變壓器保護整定原則稍有不同。

電流速斷保護電流定值按躲過變頻器高壓輸入電源開關合閘時的沖擊電流計算。合閘沖擊電流取決于移相變壓器投入時的勵磁涌流以及變頻器內部電容器充電電流，對于帶預充電回路的變壓器，可按4倍變壓器額定電流整定，對于不帶預充電回路變壓器按8倍變壓器額定電流整定。

由于移相隔離變壓器的低壓側單個繞組短路歸算到高壓側呈現出很大的短路阻抗，此時，流過高壓側的短路電流不太可能達到電流速斷保護的定值，因此，電流速斷保護對于移相隔離變壓器低壓側單繞組短路基本沒有靈敏度，只能保護高壓側電纜及移相隔離變壓器高壓繞組，則還需要配置靈敏度較高的過流保護，電流定值按躲開10 kV母線電壓突然降低變頻器瞬時停運后自恢復過程中變壓器的最大電流計算，一般不超過1.5倍變壓器額定電流，同時校驗變壓器低壓側故障有靈敏度，出口延時按移相隔離變壓器合閘沖擊電流的持續時間整定，一般不超過0.5 s。

5 帶軟啟動裝置的高壓電動機保護整定原則

發電廠中對于啟動頻繁的輸煤皮帶機一般配有軟啟動裝置，而軟啟動裝置內部具有電動機保護功能，因此在保護整定計算中須考慮與軟啟動保護功能配合。結合某發電廠1臺10 kV電壓等級帶軟啟動裝置的輸煤皮帶電動機的整定實例，介紹其整定經驗。

輸煤皮帶機電源回路配帶摩托托尼的MVC Plus電氣軟啟動裝置，在啟動時過流Ⅱ段保護和過負荷保護均動作出口。保護定值整定情況為速斷保護整定為8.4In，0 s出口，過流Ⅱ段保護電流整定值1.8In，過負荷保護電流整定值1.16In，根據電動機廠提供電動機直起時最大啟動時間5 s，過流Ⅱ段和過負荷保護出口時間按躲開電動機最長啟動時間整定，整定為7 s。

MVC Plus軟啟動裝置是通過改變電動機上的交流正弦波電壓來工作的，同時通過改變SCR（可控硅）的導通角來限制流過電動機的電流，從而使電動機加速或者減速的，一旦電動機達到全速，軟起動部分就被接觸器旁路掉，接線如圖2所示。

軟啟動裝置的工作模式是具有限流功能的電壓斜坡模式，也就是設定“初始電壓”定值，確保電動機轉子從靜止到轉動，然后電壓逐漸地平滑上升，再是設定的“斜坡時間”和“限流值”定值，決定了從初始電壓到限流值之間的曲線斜率，設置較長的“斜坡時間”將延長MVC Plus達到“限流值”的時間，如果電動機在軟啟斜坡結束前達到全速運行，軟啟動將自動結束斜坡，把全壓加到電動機上。如果電動機在斜坡時間結束前沒有達到全速運行，電流限流設定將會按照限流值調節輸出轉矩，如圖3所示。

圖2 帶軟啟動裝置的高壓電動機一次接線

圖3 軟啟過程

查輸煤皮帶機軟啟動裝置的設置值：“斜坡時間”為8 s，“限流值”為4In，那么可以看出電動機在啟動7 s后，此時電動機電流還維持在4In，大于過流Ⅱ段和過負荷保護動作值。后通過多次帶載啟動測試，發現啟動過程中電流處在限流值4In的持續時間取決于帶載負荷的輕重，重負荷下持續時間長，輕負荷下持續時間短。由此可見，裝有軟啟動裝置的電動機，電動機啟動時間不能按廠家提供的全電壓直啟的最大啟動時間取值，應躲開軟啟動裝置中的“斜坡電壓”時間+“限流值”持續時間。

另外，速斷保護電流值也應根據軟啟動設定的“限流值”適當降低，躲開電動機及外部故障時電動機的最大反饋電流。

6 結語

一個合理正確的保護定值整定，需要合理的保護配置及依據《廠用電繼電保護整定計算導則》，綜合考慮一次系統接線、開關型式、負荷性質、系統可能的運行方式變化及其系統中各保護承擔的保護范圍，根據理論和經驗數據合理取舍，方能完成。以上梳理近幾年困擾廠用電保護定值整定的難點問題，并提出與之相適應的保護模型配置和保護定值整定原則，以避免定值鑒定失效。

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