乙烯變電所繼電保護整定計算分析

摘? 要：繼電保護是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它能快速切除故障構成了電力系統(tǒng)的第一道防線，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供了強有力的保障。電力系統(tǒng)對繼電保護提出了可靠性、選擇性、靈敏性、速動性的要求，合理的繼電保護整定計算是滿足“四性”要求的關鍵。本文結合乙烯變電所6kV開關柜更新改造，對乙烯變電所的繼電保護整定計算進行分析，保證了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

關鍵詞：電力系統(tǒng);繼電保護;整定計算

中圖分類號：TM773? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2021）01-0000-00

1 乙烯變電所概況

乙烯變電所（3#變）為乙烯裝置供電，有4臺容量為2000kVA的變壓器，短路電壓百分值Ud%=7.0，變比為6.0kV/0.4 kV，進線電源為雙電源，分別引自總變電所1#總變乙烯變613柜、1#總變乙烯變614柜，每個電源分別采用2根電纜供電，電纜型號為YJV22-6 3×300，電纜長度L=0.85km[1]。進線和母聯(lián)開關采用內橋式接線，單母線分段。

2 乙烯變電所短路電流計算

2.1 確定基準值

采用標準值方法計算，6kV取基準容量Sj=100MVA，基準電壓Uj=6.3kV。380V取基準容量Sj=100MVA，基準電壓Uj=0.4kV。

2.2 1#總變6kV母線處短路電流

系統(tǒng)最大運行方式：由振烯線供電，振興站3臺變壓器并列運行，中原石化1#總變2臺主變并列運行，1#總變6kV母線三相短路時的短路電流 。

系統(tǒng)最小運行方式：由振烯線供電，振興站1臺變壓器運行，中原石化1#總變1臺主變運行，1#總變6kV母線兩相短路時的短路電流為 。

因為在無限大容量系統(tǒng)中，同一地點的兩相短路電流為三相短路電流的0.866倍。所以最小運行方式下1#總變6kV母線三相短路時的短路電流為[2]：

2.3 1#總變6kV母線處系統(tǒng)短路容量

2.4 1#總變6kV母線處系統(tǒng)電抗標幺值

2.5 1#總變至乙烯變電纜電抗標幺值

經查表，6至10kV三芯電纜的電抗平均值X=0.08Ω/km。[3]

2.6 乙烯變電所變壓器的電抗標幺值

2.7 乙烯變電所6kV母線的電抗標幺值和三相短路電流

2.8 乙烯變電所0.4kV母線的電抗標幺值和三相短路電流

3電動機保護整定計算

以乙烯變急冷油循環(huán)泵GA104A電動機為例，三相異步電動機型號：YB450M2-4W，額定電壓：6kV，額定功率：500kW，額定電流IrM=58.5A，電流互感器變比na=75/1，零序電流互感器變比na0=50/1，電動機電纜型號：ZR-YJV22-6/10 3×95，電纜長度0.16km。采用ABB REM615電動機綜合保護繼電器，設置電流速斷保護、過負荷保護、堵轉保護、單相接地保護、低電壓保護。

3.1電流速斷保護

按躲過電動機的最大啟動電流整定計算[4]，其可靠系數Krel取1.5，電動機啟動電流倍數Kst取7，則電流速斷保護動作電流Iop ：

，取為8.5A，0s。

靈敏度系數校驗：按電動機入口處最小兩相短路電流一次值校驗。

因為在無限大容量系統(tǒng)中，同一地點的兩相短路電流為三相短路電流的0.866倍。[2]所以GA104A電動機入口處兩相短路電流值：

靈敏度系數：

，滿足要求。

3.2過負荷保護

按躲過電動機的額定電流整定計算，由于過負荷保護要考慮電動機的啟動時間，因此動作時限較長，可利用反時限來改善其保護特性。

過負荷保護動作電流啟動值：Iop=IrM/na=58.5A/（75/1）=0.78A，曲線選擇：IEC Long Time Inverse，時間系數：K=0.09，其反時限動作時間與電流的大小成反比，動作時間見公式：

式中：I為測量的電流，I>為設置的啟動值，K為設置的時間系數，A=120，B=0.0，C=1.0。

保護裝置的動作時限按躲過電動機啟動時間整定，即top≥tst，保護裝置動作時限top一般為10～15s，應在實際啟動時校驗其能否躲過啟動時間。[5]

當I/I>=2時，代入公式計算，t[s]=10.8s，滿足保護裝置動作時限top一般為10～15s的要求。

當電動機啟動時，取I/I>=7，代入公式計算，t[s]=1.8s<10s，不滿足保護裝置動作時限top一般為10～15s的要求。在乙烯變急冷油循環(huán)泵GA104A 電動機啟動時，也發(fā)生了過負荷保護誤動作的情況，與理論計算的結果相吻合。當電動機的啟動時間太長而導致過負荷保護誤動時，宜在啟動過程中短接過負荷保護器件，不能采取提高整定電流的做法，以免運行中過負荷保護失效[5]。所以在電動機啟動時，加入了8S的時間閉鎖過負荷保護，8S過后自動投入過負荷保護，經過空載和帶載試運，過負荷保護都能躲過電動機的啟動過程，實踐證明通過增加8s閉鎖過負荷保護的方法，保證了繼電保護的可靠性和靈敏性。

3.3堵轉保護

當電動機在啟動過程中或在運行中發(fā)生堵轉故障，電流將急劇增大，容易造成電動機燒毀事故[5]。

動作電流Iop可取（2～3）IrM/na，取Iop=2.5IrM/na=2.5×58.5A/（75/1）=1.95A。

動作時限tpe，s可取（0.4～0.7）tst，max ，其中tst，max可根據經驗值，電動機的啟動時間按15s計算，tpe，s=0.533×tst，max=0.533×15s=8s。為防止電動機啟動過程中堵轉保護誤動作，在電動機啟動期間（按15s算）堵轉保護被閉鎖，啟動15s后自動投入堵轉保護。

3.4單相接地保護

單相接地電容的計算：電網中的單相接地電容電流由電力線路和電力設備（同步發(fā)電機、大容量同步電動機及變壓器等）兩部分的電容電流組成。

電纜線路的單相接地電容電流：Ic=0.1Un L[5] ，式中：Un為線路標稱電壓，kV;L為線路長度，km;Ic為接地電容電流，A;乙烯變電所6kV電纜線路總的單相接地電容電流等于每條6kV電纜線路的單相接地電容電流之和，為了簡化計算，可以先計算出乙烯變電所6kV電纜線路的總長度，經計算L總=6.43km，乙烯變電所6kV電纜線路總的單相接地電容電流Ic=0.1Un L總=0.1×6kV×6.43km=3.858A。

因為6kV變電所電力設備增加的接地電容電流附加值百分數為18%[4]，所以乙烯變電所的總單相接地電容電流ICΣ=Ic+Ic×18%=3.858A+3.858A×0.18=4.552A。因為除大型同步電動機外，其它電動機的電容電流ICM可忽略不計。

保護裝置的一次動作電流Iop按被保護元件發(fā)生單相接地故障時最小靈敏系數1.3整定。Iop≤（ICΣ-ICM）/1.3≤（4.552A-0A）/1.3≤3.5A。取2.5A，所以Iop，k=Iop/na0=2.5A/（50/1）=0.05A。

動作時限：動作于信號時取0.5s～2.0s，取1.2s。

3.5低電壓保護

根據低電壓保護整定原則：當電源電壓短時降低或短時中斷后又恢復時，為了保證重要電動機自啟動而需要斷開次要的電動機，保護裝置的電壓整定值一般為電動機額定電壓的65%～70%，時限一般約為0.5s，動作于跳閘;當需要自啟動，為了保證人身和設備安全，在電源電壓長時間消失后需從配電網中自動斷開的電動機，保護裝置的電壓整定值一般為電動機額定電壓的45%～50%，時限一般為9s～10s。

根據生產工藝要求，該電動機不需要自啟動，但考慮到乙烯裝置工藝的連續(xù)性要求，低電壓保護取55V（二次值），時限3s，動作于跳閘。

4變壓器保護整定計算

乙烯變電所共有4臺容量為2000kVA的變壓器，短路電壓百分值Ud%=7.0，變壓器連接組別為D，yn11，變比為6.0kV/0.4kV，6.0kV高壓側額定電流IrT1=192.4A，電流互感器變比na1=250/1，零序電流互感器變比：na0=50/1，0.4kV低壓側額定電流IrT2=2886.7A，電流互感器變比na2=3000/5，4臺變壓器為同型號、同批次產品，變壓器本體參數相同，所帶負荷也大致相同，因此繼電保護配置也相同。6.0kV高壓側采用ABB REF615綜合保護繼電器，設置電流速斷保護、過電流保護、接地保護。

4.1電流速斷保護

最大運行方式下乙烯變電所變壓器0.4kV低壓側的三相短路電流：

因為變壓器的變比為6.0kV/0.4kV，所以最大運行方式下乙烯變電所變壓器0.4kV低壓側三相短路時，流過6.0kV高壓側的三相短路的電流：

。

電流速斷保護動作電流：按躲過變壓器0.4kV低壓側三相短路時，流過保護裝置的最大短路電流整定，可靠系數Krel取1.3。

，考慮到上下級配合，取15.2A，0s。

靈敏度系數校驗：按最小運行方式下，變壓器6.0kV高壓側保護裝置出口處兩相金屬性短路電流校驗。

最小運行方式下乙烯變電所變壓器6.0kV高壓側的三相短路電流：

因為在無限大容量系統(tǒng)中，同一地點的兩相短路電流為三相短路電流的0.866倍[2]。所以最小運行方式下乙烯變電所變壓器6.0kV高壓側保護裝置出口處兩相金屬性短路電流值：

靈敏度系數：

，滿足要求。

4.2過電流保護

反時限過電流保護動作電流：按躲過變壓器高壓側額定電流或正常最大負荷電流整定，可靠系數Krel取1.2，返回系數Kr取0.85。

，考慮到與上下級保護配合，取1.65A。

靈敏度系數校驗：按最小運行方式下，變壓器0.4kV低壓側母線兩相金屬性短路時折算到高壓側的一次電流校驗。

最小運行方式下乙烯變電所變壓器0.4kV低壓側的三相短路電流：

因為在無限大容量系統(tǒng)中，同一地點的兩相短路電流為三相短路電流的0.866倍[2]。所以最小運行方式下變壓器0.4kV低壓側的兩相短路電流為 。

0.4kV低壓側母線兩相金屬性短路時折算到6.0kV高壓側的一次電流。

靈敏度系數：

，滿足要求。

變壓器0.4kV低壓側開關柜此次未進行更新，原低壓側的負荷也無變化，所以低壓側的定值不做調整，變壓器0.4kV低壓側過電流保護采用法國IEE公司的ITG7366型繼電器，整定值為1.7IN，0.35s，電流互感器變比na2=3000/5，一次電流整定值I>=1.7×3000A=5100A，動作時限為反時限，其中：T=27，α=1，Σt=0.35，則變壓器0.4kV低壓側保護出口處三相短路電流 對應的動作時間：

變壓器6.0kV高壓側過電流保護正常反時限時間常數Top，set按與下一級反時限保護特性配合整定，時間級差Δt=1.0s，6.0kV高壓側過電流保護整定值Iop=1.65A，計算到0.4kV低壓側的過電流保護一次電流整定值Iop2=Iop×na1×6.0kV/0.4kV=1.65A×250/1×6.0kV/0.4kV=6187.5A，則時間常數：

，取0.65

過電流保護整定值：啟動值：1.65A，曲線選擇：IEC Normal Inverse，時間常數：0.65。

4.3單相接地保護

整定計算原則同電動機單相接地保護，整定值：0.05A，動作于信號1.2s。

5進線保護整定計算

乙烯變電所有兩條電源進線，進線和母聯(lián)開關采用內橋式接線，單母線分段，進線電流互感器變比na=1500/1，差動互感器變比nad=1500/1。保護采用ABB REF615綜合保護繼電器、ABB RED615差動保護繼電器，設置電流速斷保護、過電流保護、差動保護。

5.1電流速斷保護

電流速斷保護動作電流：按與下一級（變壓器）電流速斷保護配合整定，變壓器電流速斷保護一次電流值Iop，T=15.2A×250/1=3800A，配合系數Kco取1.42。

，考慮到與上下級的配合，取3.6A，0.9s。

靈敏度系數校驗：按最小運行方式下，母線兩相金屬性短路電流校驗。

最小運行方式下乙烯變電所6.0kV母線處的三相短路電流：

因為在無限大容量系統(tǒng)中，同一地點的兩相短路電流為三相短路電流的0.866倍。[2]所以最小運行方式下乙烯變電所6.0kV母線處兩相短路電流：

靈敏度系數：

，滿足要求。

5.2過電流保護

反時限過電流保護動作電流：按躲過線路額定電流或正常最大負荷電流整定，按一條進線帶兩段母線運行時，電動機（N-1）開1備，2臺變壓器滿負荷，經計算線路額定電流IL=920A，可靠系數Krel取1.1，返回系數Kr取0.95。

，取0.71A。

靈敏度系數校驗：按最小運行方式下，母線兩相短路時流過保護裝置安裝處的短路電流校驗。

最小運行方式下乙烯變電所6.0kV母線處的三相短路電流：

因為在無限大容量系統(tǒng)中，同一地點的兩相短路電流為三相短路電流的0.866倍。[2]所以最小運行方式下乙烯變電所6.0kV母線處兩相短路電流：

靈敏度系數：

，滿足要求。

反時限過電流保護時間常數整定計算原則同變壓器，過電流保護整定值：啟動值：0.71A ，考慮到與變壓器過流保護配合，曲線選擇：IEC Very Inverse，時間常數：1.13。

5.3差動保護

線路額定電流：按一條進線帶兩段母線運行，按電動機（N-1）開1備，4臺變壓器滿負荷運行。經計算線路額定電流IL=1451.6A，則線路二次額定電流IL2=IL/nad=1451.6A/（1500/1）=0.968A。

最小動作電流：可取（0.3～0.5）IL2，取0.35A。

拐點電流：第一拐點可取（0.8～1.0）IL2，取0.8A。第二拐點可取（2.0～4.0）IL2，取2.0A。

斜率：第一拐點斜率可取0.4～0.5，取0.5。第二拐點斜率可取0.6～0.7，取0.7。

差動速斷動作電流：可取（4～6）IL2，取4.1A。

靈敏度系數校驗：按最小運行方式下，線路末端兩相短路電流校驗。

最小運行方式下1#總變至乙烯變電所線路末端的三相短路電流：

因為兩相短路電流等于三相短路電流的0.866倍。[4]所以最小運行方式下1#總變至乙烯變電所線路末端的兩相短路電流：

當發(fā)生線路末端的兩相短路時，根據差動保護設定參數，對應的制動電流二次值：

對應的差動動作電流二次值Id，op=0.35A+0.5×（2-0.8）A+0.7×（4.53-2）A=2.721A

1#總變至乙烯變電所線路末端的兩相短路電流二次值：

靈敏度系數：

，滿足要求。

6母聯(lián)保護整定計算

母聯(lián)電流互感器變比na=1500/1，保護采用ABB REF615綜合保護繼電器，設置電流速斷保護、過電流保護。

6.1電流速斷保護

整定計算原則同進線電流速斷保護，考慮到與上下級的配合，取3.2A，0.5s。

6.2過電流保護

反時限過電流保護動作電流：按躲過線路額定電流或正常最大負荷電流整定，按電動機（N-1）開1備，2臺變壓器滿負荷，經計算母線額定電流IL=710A，可靠系數Krel取1.1，返回系數Kr取0.95。

，取0.55A。

靈敏度系數校驗：按最小運行方式下，母線兩相短路時流過保護裝置安裝處的短路電流校驗。

最小運行方式下乙烯變電所6.0kV母線處的三相短路電流：

因為在無限大容量系統(tǒng)中，同一地點的兩相短路電流為三相短路電流的0.866倍[2]。所以最小運行方式下乙烯變電所6.0kV母線處兩相短路電流：

靈敏度系數：

，滿足要求。

反時限過電流保護時間常數整定計算原則同變壓器，過電流保護整定值：啟動值：0.55A，考慮到上下級過流保護配合，曲線選擇：IEC Very Inverse，時間常數：0.8。

7結語

電力系統(tǒng)在運行過程中，繼電保護發(fā)揮著極為重要的作用，繼電保護整定計算要充分考慮電網的結構、保護裝置的特性、保護定值的上下級配合等因素，計算結果要滿足繼電保護“四性”的要求，從而確保電力系統(tǒng)的安全運行。

參考文獻

[1]孫金祥，孫偉森，李新平.中原乙烯全廠供用電系統(tǒng)繼電保護方案[M].濮陽：中國石化中原石油化工有限責任公司，1996：6.

[2]劉介才.工廠供電（第6版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015：58.

[3]中國電力工程顧問集團有限公司.電力工程設計手冊（火力發(fā)電廠電氣一次設計）[M].北京：中國電力出版社，2018：109.

[4]DL/T 1502-2016廠用電繼電保護整定計算導則[S].北京：國家能源局，2016：16-37.

[5]中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究總院.工業(yè)與民用供配電設計手冊（第四版）[M].北京：中國電力出版社，2016：302-303+516-601+1091.

Calculation and Analysis of Relay Protection Setting in Ethylene Substation

SHI Shutian

（China Petrochemical Zhongyuan Petrochemical Co.LTD.，Puyang? Henan? 457000）

Abstract： Relay protection is an important part of the power system， it can quickly remove the fault constitutes the first line of defense of the power system， for the safe and stable operation of the power system to provide a strong guarantee， power system puts forward the requirements of reliability， selectivity， sensitivity and quickness for relay protection， reasonable relay protection setting is the key to meet the "four" requirements. Combined with the renovation of 6kV switchgear of ethylene substation， this paper analyzes the relay protection setting calculation of ethylene substation， and ensures the safe and stable operation of the power system.

Keywords： power system;relay protection;calculation and analysis

收稿日期：2020-12-10

作者簡介：史書天（1988—），男，漢族，吉林榆樹人，本科，工程師，從事化工廠電氣工作。