繼電保護整定值的計算與分析

謝先進

（貴州省煤田地質局實驗室，貴州 貴陽 550081）

0 引 言

隨著我國城市化進行的不斷推進和經濟發展，我國的電力企業得到了快速發展，電氣設備的容量和參數也在逐年增高。電網能否穩定運行對供電質量有直接影響。電力系統在運行期間一旦出現短路等問題，需要通過繼電器及時切除，以確保電力系統可以穩定運行。為提升繼電保護的有效性，繼電保護裝置需要提升自身性能，因此文章重點對整定值的計算方法進行深入研究。

1 電力系統繼電保護

繼電保護主要采用特定保護裝置對電網運行和各項裝置進行有效保護[1,2]。它能夠對電力系統運行過程中出現的各種突發縱向和橫向的故障進行分析和處理。當電網存在擾動或者運行故障時，繼電保護裝置能夠對這類狀態及時進行判斷，結合實際情況發出指令，包括斷路器跳閘、重合閘關閉以及就電壓電流出現越線情況發出警告等。電力系統一旦出現較大的擾動或者故障時，繼電保護能夠在故障狀態下對元件進行選擇性隔離，確保故障范圍不會擴大，確保周邊的電網能夠穩定運行，同時及時啟動備用電源對裝置進行自動投切或者重合閘，以便第一時間恢復電網的正常運行。

2 繼電保護裝置的組成

電力系統一旦出現元件短路、斷路等故障就會對電氣量造成直接影響，產生對應的變化。除電氣量之外，還有可能出現變壓器錯位、滑檔以及氣體泄漏等問題。無論哪一種量發生變化，繼電保護裝置的組成和觸發原理都不會發生變化。繼電保護裝置包括測量、分析、邏輯以及執行4 部分。現階段應用較為廣泛的為3 段式過流繼電保護裝置，如圖1 所示[3]。

圖1 過流保護裝置動作原理

3 繼電保護整定值的計算與分析

3.1 系統案例

文章結合六盤水市恒鼎實業有限公司的35 kV 清水變電站供電系統對繼電保護整定值進行計算和分析，如圖2 所示。該公司供電系統35 kV 電路共設置2 條，分別為Ⅰ#線路、Ⅱ#線路。它們分別來源不同的上級110 kV 變電站，開關柜分別為301 與305，構成Ⅰ段35 kV 和Ⅱ段35 kV 共2 條母線。采用分列的形式設置母線，設置包括母聯開關柜310、1 號動力變壓器35 kV 與2 號35 kV 動力變壓器，然后分別接入開關柜311 與312。另外，Ⅰ段10 kV、Ⅱ段10 kV的進線開關柜分別為1001、1002。單母線采用分列運行的形式，裝設母聯開關柜1010[4,5]。

圖2 35 kV 變電站一期供電系統

3.2 設備參數

35 kV 供電系統設備參數如表1 所示。

表1 35 kV 供電系統設備參數

以該設備為例，計算分析35 kV 動力變壓器的保護整定值，得出35 kV 供電系統工程進行計算時，通常選取100 MVA 為基準容量。該公司供電系統的最高運行正序阻抗標幺值為0.093 9，運行最小狀態下的正序阻抗標幺值為0.460 7。母線Ⅰ段的最大三相短路電流為16 620.9 A，最小兩相短路電流為42 527.57 A。母線Ⅱ段的最大三相短路電流為11 908.57 A，最小兩相短路電流為4 054.46 A。Ⅰ#線路、Ⅱ#線路的阻抗標幺值均保持在0.001 2，則2 個動力變壓器的阻抗標幺值均能夠處于0.625 6。

3.3 動力變壓器短路電流計算

3.3.1 三相短路故障

35 kV Ⅰ段如出現三相短路故障，Ⅰ#線路動力變壓器高壓側的正序阻抗標幺值計算方式為阻抗標幺值與最高運行狀態下正序阻抗標幺值之和，等于0.095 1，此時故障點存在的三相短路最大電流為16 408.10 A。

10 kV Ⅰ段如果出現三相短路故障，1 號動力變壓器的低壓側正序阻抗標幺值為0.095 1，再上加上1號動力變壓器阻抗標幺值，為0.720 7，由此可以得出故障點的最大三相短路電流為7 629.49 A。

3.3.2 兩相短路故障

Ⅰ段10 kV 如果出現三相短路故障，1 號動力變壓器高壓側的正序阻抗標幺值計算方式為阻抗標幺值與最低運行狀態下的正序阻抗標幺值之和，等于0.461 9，則故障點存在的兩相短路最小電流為2 925.55 A。

Ⅰ段10 kV 如果出現兩相短路故障，1 號動力變壓器低壓側的正序阻抗標幺值計算方式為線路阻抗標幺值與高壓側的正序阻抗標幺值之和，等于1.087 5，則故障點存在的兩相短路最小電流為4 378.63 A。

3.4 動力變壓器繼電保護整定值

3.4.1 動力變壓器性能參數

1 號35 kV 動力變壓器、2 號35 kV 動力變壓器的性能參數具體如表2 所示。

表2 動力變壓器性能參數

3.4.2 差動保護計算過程

高壓側二次額定電流Ieh為1.72 A，低壓側二次額定電流Iel為3.44 A。

差動速斷電流的整定值計算原則：如果動力變壓器出現較大內部故障，為避免出現保護延時或者電流互感器飽和的情況，整定值的計算應當遵循躲過變壓器初始勵磁涌流、最大不平衡電流或者非同期合閘電流數據，一般高于高壓側額定電流的倍。通過動力變壓器的具體容量結合系統電抗的大小對因數K進行判定，對于功率在6 300 ～31 500 kVA 的動力變壓器，通常K可取4.5 ～7。

速斷的靈敏度校驗整定值計算原則：靈敏度校驗整定值不能低于1.2，以此為基礎按照穩定狀態下的兩相短路對整定值進行校驗，校驗靈敏度Ksen為2.02，大于1.2。

差動速斷電流取動力變壓器高壓側額定電流的7倍，可以看出靈敏度校驗整定值的計算能夠符合要求。原本差動保護裝置的型號選用SEL587，通過改進技術后更改為ISA-387G。繼電保護的整定值通常采用原有型號的數據，但繼電保護裝置如果是2 種型號就會存在運算差異性的問題，增加誤動風險。新的整定值可以在原有基礎上增加1.732 倍。操作過程中需要注意變更繼電保護的整定值結果。

3.4.3 動力變壓器高壓側過流保護整定值計算

取動力變壓器的高壓側復壓，退出過流Ⅰ段方向元件，投入電壓元件。設定電壓互感器額定電壓為100 V，復壓閉鎖的低電壓整定值設定為Uop。在躲過正常運行狀態的條件下，對最低線電壓進行整定值計算，可以得出Uop為70 V。

設電壓互感器額定電壓為57.7 V，復壓閉鎖的負序電壓整定值設定為U2op，在正常運行狀態的條件下，對最大不平衡相電壓進行整定值計算，可以得出U2op為40.39 V。設定可靠度因數為1.3，返回因數為0.95，過流保護整定值為Iop，在躲過動力變壓器正常運行狀態的條件下，對高壓側額定電流進行整定值計算，可以得出Iop為282 A。

整定值的靈敏度校驗確定不能小于1.2，以此為基礎對高壓側的整定值靈敏度校驗標準進行設定，對最小兩相短路的電流整定值進行校驗，靈敏度Ksen1為5.08 A。高壓側的整定值能夠滿足過流保護540 A整定值的要求，動作時間控制在0.7 s 以內。如果電流值超過規程要求，將無法復壓閉鎖，因此需要先進行復壓元件的投入以提升靈敏度，則過流保護的整定值需要變更為282 A，動作時間控制在0.7 s 以內。

3.5 動力變壓器低壓側過流保護整定值

取動力變壓器的低壓側復壓，退出過流Ⅰ段方向元件，投入電壓元件。設定復壓閉鎖的低電壓整定值為70 V，復壓閉鎖的負序電壓整定值為40.39 V。過流段過流保護整定值設為Iop1，按照動力變壓器的最小低壓側對10 kV 母線的故障整定值進行計算，靈敏度因數設為1.5，可得出Iop1為2 919.08 A。

對下級的出線速斷保護整定值計算，設定配合因數為1.05。當下級的最大過流速斷保護整定值為2 133.33 A 時，能夠得出Iop1為2 240 A。通過動力變壓器低壓側電流互感器變比后，過流保護整定值Iop1為11.2 A。

過流Ⅱ段的整定值計算結合下級速斷的最長時間，得出過留時間為0.4 s，跳動力變壓器低壓側。設過流Ⅱ段的過流保護整定值為Iop2，計算條件為躲過動力變壓器的低壓側額定電流，得出Iop2為940 A，過流Ⅱ段保護動作時間為0.7 s，跳動力變壓器低壓側。

過流Ⅰ段的過流保護整定值為2 240 A，動作時間在0.4 s 以內，過流Ⅱ段的過流保護整定值為940 A，動作時間在0.7 s 以內，通過投入復壓閉鎖能夠有效滿足規程的相關要求。

4 結 論

綜上所述，應當加強對繼電保護整定值計算軟件的研究和開發，通過完善繼電保護整定值計算管理軟件系統，節省計算工作量，有助于技術人員對整定值進行合理選擇。在整定值計算軟件和基礎數據平臺的基礎上，采用一體化實施對繼電保護整定值計算進行統一建模和原則設置，最大限度提升繼電保護工作效率。電力系統逐漸網絡化轉型，繼電保護整定值計算軟件也開始朝著網絡化方向發展，是電力系統未來需要加強研究的重要課題。