發電廠繼電保護整定計算原則及整定方法探析

付樹強

（國家能源集團山西河曲發電有限公司， 山西 河曲 036500）

0 引言

電廠電氣設備的正常運作， 一時一刻也離不開繼電保護，換言之，沒有繼電保護的電力系統是不完整的、是不可能運行的。 繼電保護是一項復雜的、系統的工作，整定計算作為其工作的核心，能有效切除故障設備、縮短停電時間、防止事故擴大，對保障設備安全、機組穩定起著至關重要的作用。所謂繼電保護整定計算，就是根據設備參數、系統情況給出合理的定值，并使其滿足可靠性、選擇性、靈敏性、速動性四個基本要求。

1 電廠繼電保護整定計算工作與電網整定計算工作的比較及其自身的特點

電力系統是由發電廠、送變電線路、供配電所和用電等環節組成的電能生產與消費系統， 也可簡單地分為電廠和電網。相應地，根據應用對象繼電保護也分為電網保護（線路保護）和電廠保護（元件保護）。

繼電保護整定計算工作是電廠繼電保護專業的一項重要工作，保護定值整定的正確與否，直接影響保護裝置的保護性能，并關系到被保護設備的安全運行。 影響繼電保護裝置動作正確與否的因素除保護裝置原理、 裝置設計制造水平外，很大程度上取決于正確可靠的整定計算。電廠繼電保護整定計算工作的任務就是對各種短路故障和不正常工況進行模擬計算和分析， 結合保護裝置原理和被保護設備電氣特性， 為電廠各種繼電保護裝置給出整定值[1-2]。

對發電廠而言，發電機、變壓器及廠用電系統繼電保護整定計算的基本任務是，在最初進行保護裝置選型時，可通過整定計算確定其技術規范和要求； 對應用到現場的保護裝置，通過計算給出合理的定值。

2 電廠繼電保護整定計算工作基本思想和基本方法

下面結合河曲電廠一、 二期工程繼電保護整定計算的工作實際，將基本的整定計算步驟簡要介紹如下：

首先需要了解電廠電氣系統的基本情況并建立技術檔案。包括主系統接線圖、廠用電系統接線圖。同時，收集發電機、主變、高壓廠、低壓廠、電抗器、高壓電動機、低壓電動機等不同電氣設備基本參數。 整定計算工作還需要掌握發電廠內所有高、低壓電動機日常機械負荷的性質，并進行統計分類。進行整定計算時，還需要用到設計院竣工圖紙中的電氣設備繼電保護配置圖、 原理與操作控制回路展開圖、廠用系統程控聯鎖圖等。 同時，還要收集電氣設備與汽輪機、鍋爐等相關設備的聯鎖圖。 最后，收集并掌握主設備及廠用設備繼電保護及自動裝置的技術說明書、使用說明書及調度下發的最新系統阻抗。

第二步是繪制全廠電氣設備等效阻抗圖。 阻抗圖一般分為正序、負序和零序阻抗圖三部分。電氣元件負序阻抗的取值可遵循以下原則：對于變壓器、電抗器、架空線路、 電纜線路等靜止電氣元件， 負序電抗與正序電抗相等。而對于汽輪發電機等旋轉電氣元件，負序電抗不等于正序電抗， 其值可從產品手冊里查找或采用X2=1.22Xd"的近似公式計算得出。 電氣元件零序阻抗的取值方法則各不相同， 可參考產品手冊的實測值或采用經驗公式計算得出。

第三步確定并選擇整定計算用的系統運行方式[3]。為提高繼電保護裝置對運行方式變化的適應能力， 必須合理選擇系統的最大和最小運行方式。 根據運行方式確定河曲電廠為大方式選擇為系統最大，四臺機組運行，廠用電由高廠變供電；小方式選擇為系統最小，三臺機全停，廠用電由啟備變供電。

第四步是進行短路故障計算，編制短路電流計算書。短路計算一般采用基于標么值的運算曲線法， 通過人工計算得到各個故障點的短路電流， 在條件允許時可以借助成熟的整定計算軟件進行計算， 最后將兩種方法得到的計算結果進行比較驗證已確保短路電流計算結果的準確性從而得到各個故障點的實際短路電流。

第五步是整定保護定值， 編制定值整定計算書及保護定值通知單[4-5]。 繼電保護裝置的整定值一般可參考整定計算導則、 相關技術規程和保護裝置技術資料給出的計算公式得出。

3 河曲電廠繼電保護整定計算工作取得的經驗

下面簡要介紹一下河曲電廠繼電保護整定計算工作中積累的幾點經驗：

一是關于雙電纜接線其零序電流互感器二次繞組接線方式不同對零序保護定值整定的影響。某電廠2013 年2 月25 日22：55：57 #4 爐B 吸風機電機電纜C 相發生接地故障， 發變組保護4B 分支零序過流I 段保護動作，#4 機組10kV4B 段母線進線開關跳閘，4B 段母線失電，機組非停。 測量#4 機10kV B 段母線絕緣合格，#4B 引風機電纜絕緣不合格。檢查#4B 引風機電機本機接線盒，發現接線盒內C 相電纜終端絕緣護套有對地放電灼傷痕跡，護套有一處絕緣開裂，接線盒內三相接線柱電纜附近均有弧光放電痕跡。測量#4B 引風機電機絕緣合格。機組跳閘原因初步確定，處理故障電纜后，啟動#4 爐A 引風機等設備，#4 機組于26 日08：59 并網。 此次事故雖說存在4B 吸風機電機電纜絕緣故障故障點但是開關的保護裝置越級跳閘導致機組非停，需要重點檢查、分析保護裝置的可靠性及保護定值的正確、合理性?，F場核實保護裝置定值與定值單整定一致，#4 爐B 引風機接地保護定值和#4 發變組保護高廠變B 分支零序過流I 段定值分別為 （以下電流定值均為一次值）：#4 爐B 引風機接地保護：動作值40A，動作延時0.4s；高廠變B 分支零序過流I段：動作值80A，動作延時0.7s，符合《廠用電繼電保護整定計算導則（DL/T 1502-2016）》7.8.2 的規定，上下級接地零序保護定值從動作值和動作延時均可實現上下級的可靠配合， 定值整定正確。 校驗保護裝置保護裝置動作正確， 進一步檢查發現該廠#4 爐B 引風機電機功率為7200kW，單根3×185mm2電纜截面積不能滿足要求，因此采用了兩根電纜并聯接線方式， 每根電纜上各裝設了一只零序電流互感器，其二次繞組聯接方式為串聯方式。根據《DL/T 5153-2002《火力發電廠廠用電設計技術規定》中9.2.4 的說明：雙電纜接線其零序電流互感器二次繞組接線方式可分為串聯、并聯兩種方式。以得到最大的零序輸出容量為條件， 當負載阻抗等于零序電流互感器的內阻抗時，串聯、并聯是一樣的，若負載阻抗大于內阻抗，則以串聯為大，反之，以并聯為大。 一般情況下負載阻抗都大于內阻抗，所以條文規定了以串聯方式接入繼電器。該廠實際情況是： 經過實際測量零序電流互感器實際內阻抗為：1.1Ω，外阻抗為：0.2Ω，負載阻抗遠遠小于內阻抗，因此兩只零序電流互感器二次繞組設計為串聯方式與現場實際不適宜。 現場以零序電流互感器二次繞組串聯接線方式加量測試，實際偏差（電流值均為一次值）。以零序電流互感器二次繞組并聯接線方式加量測試， 實際值與保護裝置采樣基本一致。因此，采用串聯接線方式造成采樣不準確，#4 爐B 引風機電機開關零序保護未能準確動作，造成越級跳閘。

二是過去由于設計的原因中壓廠用電母線普遍未設置母線快速動作的主保護， 而是由進線開關的后備保護（如高廠變后備保護）兼顧，高廠變分支限時速斷0.3s 動作，分支復合過壓電流時間為1.3s，主廠房中壓母線發生任何故障都需要延時0.3s 切除。 鑒于中壓母線的重要地位，母線發生故障時，其短路電流所產生的電弧及其大量的高溫，使開關柜內氣體急劇膨脹，在極短時間內達到頂峰，嚴重危及人身和設備安全，所以建議通過技改逐步配置中壓母線弧光保護，并按照《廠用電繼電保護整定計算導則（DL/T 1502-2016）》8.4 之規定電流定值按躲過母線正常運行時電源進線的最大負荷電流整定Iop=（1.1-1.3）Ie，其中，Ie—母線正常運行時電源進線的最大負荷電流二次值，動作時間不需要和其他保護相配合，可取0～20ms，出口方式： 動作于跳所接母線分支斷路器 （或進線斷路器）、閉鎖快切。

三是：關于FC 回路大電流閉鎖跳閘出口功能投退的建議，按照《廠用電繼電保護整定計算導則（DL/T 1502-2016）》5.2.4 之規定閉鎖電流整定值Iart=IbrkFC/（Krelna）其中：na—電流互感器變化；Krel—可靠系數取1.3～1.5：IbrkFC—接觸器允許斷開電流。在實際應用中發現使用FC 開關的負荷功率、容量一般都比較小，以ABB VSC 真空接觸器及東大金智WDZ-430EX 電動機綜合保護裝置組合為例，接觸器允許斷開短路電流為6000A， 同時小負載開關配置CT 變比也較小，以CT 變比為50/1 為例，按照《導則》的規定閉鎖電流整定值應為92.3-80A（二次值），實際保護裝置的定值上限為24A，導致保護定值無法整定，如按照保護裝置上限整定FC 大電流閉鎖電流一次值為1200A 遠遠小于接觸器允許斷開短路電流6000A， 再加上使用FC 開關CT 的準確等級一般為10P20， 在出現大的故障電流時（中壓母線三相短路電流可達20 多kA）CT可能已經飽和無法保證二次輸出的準確性從而也無法保證保護裝置動作的準確性，綜合上述考慮建議將FC 大電流閉鎖跳閘出口功能退出， 在出現相間短路故障大的故障電流時依靠熔斷器的快速熔斷來切除故障。

5 結論

鑒于正確、 合理的整定計算是提高大型發電機組繼電保護應用水平和保證其正確動作的關鍵和重要環節，結合河曲電廠繼電保護整定計算實工作踐， 還需要在今后的工作中加強學習、不斷總結工作經驗、提高整定計算水平，從而最大限度的發揮保護裝置性能，提高保護正確動作率水平。