大型漿廠保護整定計算

鄧國平 曹 慧 秦 娟 秦科平 崔煥新，*

（1.中國中輕國際工程有限公司，北京，100020；2.山東貝利工程咨詢有限公司，山東濟南，250101）

根據《工業與民用供配電設計手冊》[1]，保護整定計算應以合理的運行方式和可能的故障類型為依據，并需滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的4項基本要求。可靠性是指該動作時應動作，不該動作時應不動作。選擇性是指首先由故障設備或者線路本身的保護切除故障動作，當故障設備或線路本身的保護或斷路器拒動時，才允許相鄰設備/線路的保護或斷路器動作。靈敏性是指在設備和線路的被保護范圍內發生故障時，保護裝置應具有必要的靈敏系數。速動性是指保護裝置應能盡快切除故障。本文探討了大型漿廠用電10 kV 系統的保護整定計算，以尋求最佳的整定計算方案，使設備及人員安全得以保證。

1 系統介紹

該系統由一臺10.5 kV 汽輪發電機經限流電抗器向10 kV 廠用電系統母線輸電，再通過10 kV 開關柜向相應的下級設備供電。10 kV 廠用電母線段設備主要由變壓器、電動機、10 kV 循環水開關柜組成。同時，設有一臺75 MVA 的121/10.5 kV 升壓變（不在本文討論范圍內）與110 kV 變電站相連。該系統配備了小電流接地選線裝置，能夠及時準確地判定接地回路，快速排除單相接地故障，故各保護裝置不再設定單獨的接地故障保護。電氣主接線如圖1所示。

圖1 電氣主接線圖Fig.1 Electrical overall one line diagram

2 前期準備工作

2.1 收集設備的主要參數，舉例如下。

（1）系統接入點短路容量。

（2）變壓器參數，如容量、短路阻抗、變比、類型、勵磁涌流等。

（3）電機參數，如容量、額定電流、啟動電流、允許堵轉時間等。

（4）發電機參數，如容量、額定電流、電壓等級、阻抗、接地形式等。

（5）限流電抗器主要參數，如電流、阻抗、容差等。

（6）綜保信息。

（7）電纜的主要參數，如長度、計算電流等。

2.2 建模計算

利用ETAP 軟件建立模型，根據IEC 標準進行短路電流分析，計算各保護裝置安裝點的最大和最小短路電流。

3 保護整定計算

3.1 10 kV電動機保護整定計算

3.1.1 電動機保護配置

10 kV 電動機采用NSR661RF-D 綜保裝置，其配置的保護如下。

（1）過流保護：采用反時限過流保護，其動作電流應大于額定電流，與熱破壞曲線和啟動曲線相配合。

（2）速斷保護：采用定時限I 段保護，主要是對電動機的短路提供保護，其動作電流應大于電動機的堵轉電流且滿足靈敏性的要求。

（3）過負荷保護：采用過負荷保護，其動作電流應大于額定電流，動作時間應大于電機的啟動時間。

（4）過熱保護：采用過熱保護段，該保護是為了防止電動機過熱而設置的一個模擬電動機發熱的模型，綜合計及電動機正序和負序電流的熱效應。

（5）低電壓保護：采用有流閉鎖失壓保護段，保護裝置的電壓整定值一般為額定電壓的65%～70%，時限一般是0.5 s。

3.1.2 電動機主要參數

該10 kV 廠用電母線共有6 臺10 kV 電動機回路，各類型電機主要參數統計如表1所示。

表1 電動機參數表Table 1 Motor parameter list

3.1.3 電動機保護整定計算原則

（1）過流保護動作電流取1.2 倍額定電流（Ie）；動作時間根據ETAP軟件時間電流配合曲線選取。

（2）速斷保護動作電流取1.3倍堵轉電流。

（3）過負荷保護動作電流取1.05倍Ie，動作時間取1.5倍啟動時間。

（4）過熱保護負序電流發熱系數一般取6；散熱時間常數可取1.2～4.5 倍，本文中取4.5，以保證散熱到允許啟動溫度；過熱報警水平一般取0.8。

（5）低電壓動作電壓取70%額定電壓。

3.1.4 電動機定值總結

電動機定制總結見表2。

表2 電動機定值Table 2 Motor relay setting

3.1.5 電動機靈敏度校驗

按最小運行方式下，電動機接線端兩相短路時，流過保護裝置的短路電流校驗，各電動機的速斷保護靈敏度均大于1.5，故滿足規范要求。

3.1.6 電動機電流保護配合曲線

電動機電流保護配合曲線分別見圖1～圖6。

圖6 給水泵Fig.6 Water supply pump

3.2 10 kV變壓器保護整定計算

3.2.1 變壓器的保護配置

10 kV 變壓器采用NSR631RF-D 綜保裝置，其配置的保護如下。

圖2 細碎煤機Fig.2 Coal crusher

圖3 二次風機Fig.3 Secondary fan

圖4 一次風機Fig.4 Primary fan

圖5 引風機Fig.5 Induction fan

（1）帶時限過流保護：采用高壓側I 段過流保護段，其動作電流應大于變壓器升溫允許的高壓側最大額定電流，動作時間應與0.4 kV開關柜進線保護的整定值相配合，增加0.1～0.2 s的時差，以保證保護的選擇性。

（2）定時限速斷保護：采用高壓側II段過流保護段，其動作電流應大于0.4 kV開關柜進線保護的定時限速斷電流，動作時間取0.1～0.2 s的時差，以保證保護的選擇性。

（3）速斷保護：采用高壓側III 段過流保護段，其動作電流應躲過最大穿越性故障電流及勵磁涌流，同時與下級保護動作曲線相配合。

（4）過負荷保護：采用過負荷告警段，其動作電流應大于變壓器的高壓側額定電流，動作時間應大于下級電機的最大啟動時間。

3.2.2 變壓器主要參數

該10 kV 廠用電母線共有6 臺10 kV 變壓器回路，各類型變壓器主要參數統計見表3。

表3 變壓器參數Table 3 Transformer parameter

3.2.3 變壓器的保護整定計算原則

（1）過流保護動作電流取1.6 倍Ie；動作時間根據ETAP軟件時間電流配合曲線選取。

（2）定時限速斷保護動作電流取1.2 倍下級保護的短延時定值，動作時間取0.1～0.2 s的級差。

（3）速斷保護動作電流取1.3 倍最大穿越性故障電流。

（4）過負荷保護取1.1倍Ie。

3.2.4 變壓器定值總結

變壓器定值總結見表4。

表4 變壓器定值Table 4 Transformer relay setting

3.2.5 變壓器靈敏度校驗

按電力系統最小運行方式下，低壓側兩相短路時流過高壓側（保護安裝處）的短路電流檢驗過流保護靈敏度，各變壓器過流保護靈敏度均大于1.3，滿足規范要求；按系統最小運行方式下，保護裝置安裝處兩相短路電流檢驗速斷保護靈敏度，各變壓器速斷保護靈敏度均大于1.5，滿足規范要求。

3.2.6 變壓器電流保護配合曲線

變壓器電流保護配合曲線分別見圖7～圖11。

圖7 1#廠用變Fig.7 No.1 transformer

圖8 3#廠用變Fig.8 No.3 transformer

圖9 1#輸煤變Fig.9 No.1 coal handling transformer

圖10 脫硫變Fig.10 FGD transformer

圖11 1#污泥干化變Fig.11 No.1 sludge drying transformer

3.3 10 kV循環水開關柜饋線回路保護整定計算

3.3.1 循環水開關柜饋線回路保護配置

10 kV 開關柜饋線回路采用NSR612RF-D 綜保裝置，其配置的保護如下。

（1）帶時限過流保護：采用I 段過流保護段，其動作電流應大于循環水開關柜的長期允許負荷電流，動作時間應與下級保護的過流保護最大延時值相配合，增加0.2 s的時差，以保證保護的選擇性。

（2）速斷保護：采用II段過流保護段，其動作電流應躲過可能出現的最大短時負荷電流，同時與下級保護動作曲線相配合。

（3）過負荷保護：采用過負荷告警段，其動作電流應大于開關柜的長期允許負荷電流，動作時間應大于下級電機的最大啟動時間。

（4）電流差動保護：采用分相差動保護段。該裝置采用經典的分相縱差保護，當差動電流大于0.3 倍制動電流且大于差動保護電流定值時，差動保護動作。

（5）三相一次重合閘：采用重合閘段。在無放電條件下，開關處于合位且合后時，經10 s充電，充電完畢后重合閘投入。

（6）相電流后加速保護：采用相電流后加速保護段，在開關由跳位變合位或開關在跳位由無流到有流的3 s 內無論手動或者自動重合閘，后加速保護均有效。后加速保護動作以后閉鎖重合閘。

3.3.2 循環水開關柜饋線回路主要參數

該10 kV 廠用電母線共有1 回10 kV 循環水開關柜饋線回路，其信息如下：10 kV 循環水段長期最大負荷電流為556 A，短時最大負荷電流為910 A。

3.3.3 循環水開關柜饋線回路保護整定計算原則

（1）過流保護動作電流取1.4 倍長期最大負荷電流；動作時間根據ETAP 軟件時間電流配合曲線選取。

（2）速斷保護動作電流取1.1 倍下級保護的瞬時定值，時間取0.2 s的級差。

（3）過負荷保護取1.25倍長期最大負荷電流。

（4）電流差動保護啟動電流定值應大于最大不平衡電流，根據工程經驗取10%最大三相短路電流；CT斷線差動電流定值取1.2倍負荷電流。

（5）重合閘動作時間應大于檢同期和檢無壓時間；重合閘同期角度應小于合閘沖擊電流允許值所對應的角度。

（6）電流后加速保護動作電流取1.1 倍最大短時負荷電流。

3.3.4 循環水開關柜饋線回路定值總結10 kV開關柜饋線定值總結見表5。

表5 10 kV饋線定值Table 5 10 kV feeder relay setting

3.3.5 循環水開關柜饋線回路靈敏度校驗

按最小運行方式下，線路末端兩相短路電流檢驗過流保護靈敏度，過流保護靈敏度大于1.3，滿足規范要求；按系統最小運行方式下，線路始端兩相短路電流檢驗速斷保護靈敏度，速斷保護靈敏度大于1.5，滿足規范要求。

3.3.6 循環水開關柜饋線回路電流保護配合曲線

循環水開關柜饋線回路電流保護配合曲線見圖12。

圖12 10 kV饋線-循環水Fig.12 10 kV feeder-circulating water

3.4 10 kV廠用電進線回路保護整定計算

3.4.1 廠用電進線回路保護配置

10 kV 廠用電進線回路采用NSR612RF-DA 綜保裝置，其配置的保護如下。

（1）帶時限過流保護：采用I 段過流保護段，其動作電流應大于長期允許負荷電流且小于電抗器的額定電流，動作時間應與下級保護的過流保護最大延時值相配合，增加0.2 s 的時差，以保證保護的選擇性。

（2）速斷保護：采用II段過流保護段，其動作電流應躲過可能出現的最大短時負荷電流，同時與下級保護動作曲線相配合。

（3）過負荷保護：采用過負荷保護段，其動作電流應大于的長期允許負荷電流，動作時間應大于下級電機的最大啟動時間。

3.4.2 廠用電進線回路保護整定計算原則

（1）過流保護動作電流取1.2 倍長期最大負荷電流；動作時間根據ETAP 軟件時間電流配合曲線選取。

（2）速斷保護動作電流取1.1 倍下級保護的瞬時定值，動作時間取0.2 s的級差。

（3）過負荷保護取1.05倍長期最大負荷電流。

3.4.3 廠用電進線回路定值總結

廠用電進線定值總結見表6。

表6 10 kV廠用進線綜保定值Table 6 10 kV incomer relay setting

3.4.4 廠用電進線回路靈敏度校驗

按最小運行方式下，保護裝置安裝處兩相短路電流檢驗速斷保護靈敏度，過流保護靈敏度大于1.3，速斷保護靈敏度大于1.5，滿足規范要求。

3.4.5 廠用電進線回路電流保護配合曲線

10 kV用電進線回路電流保護配合曲線見圖13。

圖13 10 kV廠用電進線Fig.13 10 kV incomer

3.5 限流電抗器差動保護整定計算

3.5.1 限流電抗器差動保護配置

電抗器只配備了差動保護，該差動保護由差動電流速斷保護和比率差動保護組成。差動速斷保護作為差動保護范圍內嚴重故障的保護，CT 斷線時不閉鎖差動速斷保護；比率差動保護經CT 斷線元件閉鎖，其定值應躲過正常運行時的不平衡電流。

3.5.2 限流電抗器差動保護整定計算原則

（1）差動速斷保護取1.3 倍電抗器的最大涌入電流（計為8倍額定電流）。

（2）比率差動保護取1.1 倍不平衡電流（計為20%額定電流），其制動斜率取0.5。

3.5.3 限流電抗器差動定值總結

限流電抗器定值總結見表7。

表7 限流電抗器定值Table 7 Reactor relay setting

3.6 發電機保護整定計算

3.6.1 發電機保護配置

發電機采用NSR-376EAA/B 綜保裝置，其配置的保護如下。

（1）差動保護：采用NSR-376EAA 的差動速斷保護段及比率差動保護段。其中差動速斷保護為快速切除區內嚴重故障而設，當任一相差流大于整定值時，該保護瞬時動作。

（2）定子接地保護：采用NSR-376EAA 的基波零序電壓定子接地保護段和三次諧波電壓定子接地保護段，定子接地保護動作于定子單相接地故障，經整定延時動作與信號或跳閘。

（3）轉子接地保護：采用NSR-376EAA 的轉子1點接地保護段和轉子2點接地保護段，采用乒乓式轉子接地保護，該保護主要反應勵磁回路的1 點或2 點接地故障。

（4）負序過負荷保護：采用NSR-376EAB 的負序過負荷定時限保護段。負序過負荷保護主要針對發電機的不對稱過負荷、非全相運行以及外部不對稱故障引起的負序過流，從而導致轉子表層過熱的異常工況，也可兼作系統不對稱故障的后備保護。

（5）頻率異常保護：采用NSR-376EAB 的頻率異常保護低頻I 段。低頻運行會使汽輪機產生低頻共振，造成汽輪機葉片的疲勞損傷，這種不可逆的疲勞損傷累計到一定限度會發生葉片及其拉金的斷裂事故，后果嚴重。

（6）發電機復壓過流保護：采用NSR-376EAB 的發電機復壓過流保護段。復壓過流保護主要作為發電機的相間后備保護。

（7）勵磁變復壓過流保護：采用NSR-376EAB 的勵磁變復壓過流保護段，其原理同發電機復壓過流段。

3.6.2 發電機保護整定計算原則

（1）差動速斷保護取5倍發電機額定電流。

（2）比率差動啟動電流應大于最大不平衡電流（計為20%額定電流），制動系數取0.5，拐點電流取額定電流。

（3）定子接地保護，其基波零序電壓告警值取30%開口三角額定電壓，低動作值取1.2 倍告警值，高動作值取1.5 倍告警值；因3 次諧波一般不會超過基波的10%，故并網前3 次諧波電壓取8%，并網后取10%。

（4）轉子接地保護，其動作值根據工程經驗選取，均動作于告警。

（5）逆功率保護，動作功率取1%額定功率。

（6）負序過負荷保護，其動作電流取1.2 倍長期允許運行負序電流（計為10%額定電流）。

（7）頻率異常保護，其整定值取95%額定頻率。

（8）發電機復壓過流保護，I段動作電流取110%發電機額定電流，II 段動作電流取600%發電機額定電流，低電壓定值取70%額定電壓，負序電壓取6%額定電壓。

（9）勵磁變復壓過流保護，過流保護（安裝于低壓側）取200%變壓器額定電流，速斷過流（安裝于高壓側）取1400%變壓器額定電流，低電壓定值取70% 額定電壓，負序電壓取6% 額定電壓。

3.6.3 發電機定值總結

發電機定值總結見表8。

表8 發電機定值Table 8 Generator relay setting

3.6.4 發電機靈敏度校驗

按最小運行方式下，保護裝置安裝處兩相短路電流檢驗速斷保護靈敏度，過流保護靈敏度大于1.3，速斷保護靈敏度大于1.5，滿足規范要求。

3.6.5 發電機電流保護配合曲線

發電機電流保護配合曲線見圖14。

圖14 發電機Fig.14 Generator

4 結語

繼電保護整定應該根據具體的項目實際，并在滿足4 項基本要求的前提下，尋求一個最優的方案。如選擇性優先，則可適當增加相鄰保護的時間差值；如靈敏性優先，則可選擇較低的可靠系數；如速動性優先，則可整定較低的動作時間；如可靠性優先，則應選擇盡可能簡單的保護方案。同時，由于各種保護裝置適應電力系統運行變化的能力有限，所以繼電保護整定也不是一成不變的。隨著電力系統運行情況的變化，繼電保護整定值也應全部或者部分做出相應的調整，以滿足新的運行需求。