電廠起備變保護與相鄰線路保護配合的研究

陳 鑫

(江蘇省電力設(shè)計院，江蘇 南京 211102)

江蘇省電力設(shè)計院設(shè)計的某燃機發(fā)電廠即將進(jìn)入倒送電階段。在對電廠的高壓起備變保護進(jìn)行整定時，發(fā)現(xiàn)起備變的過流保護在與相鄰線路零序保護的配合上存在問題。該燃機電廠工程為新建3臺E級燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組，3臺燃機發(fā)電機和3臺汽機發(fā)電機均采用發(fā)電機－變壓器單元接線的形式，用220kV電纜接入廠內(nèi)220kV GIS配電裝置。220kV系統(tǒng)為雙母線接線方式。每臺機組設(shè)置1臺高壓廠用工作變壓器，其高壓側(cè)電源直接引接于汽機發(fā)電機出口，不設(shè)斷路器。高壓起動備用變壓器接在220kV母線上。

1 電氣接線及參數(shù)

電廠的電氣主接線如圖1所示。

圖1中：燃機發(fā)電機的額定功率180 MW，功率因數(shù)0.85，次暫態(tài)電抗13.9%；燃機主變的額定容量205 MV·A，短路阻抗 20%，接線方式為Yn／△11；汽機發(fā)電機的額定功率100 MW，功率因數(shù)0.85，次暫態(tài)電抗16.3%；汽機主變的額定容量100 MV·A，短路阻抗20%，接線方式為Yn／△11；起備變的額定容量14 MV·A，短路阻抗10%；零序阻抗實測值為 323.7 Ω／相，接線方式為 Yn／△11；高廠變的額定容量14 MV·A，短路阻抗10%，接線方式為△／△0。

系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。其基準(zhǔn)值SB=100 MV·A，UB=230kV，系統(tǒng)的負(fù)序阻抗近似認(rèn)為與正序阻抗相同。

表1 系統(tǒng)參數(shù)表

2 線路側(cè)單相接地短路電流計算

要分析220kV線路側(cè)單相接地對起備變過流及零序保護的影響，必須要計算單相接地時短路電流的大小及分布。對于本工程，短路電流計算有如下假設(shè)：

（1）短路前，所有電源的次暫態(tài)電動勢均取為額定電壓，即標(biāo)么值為1，且同相位。這樣相當(dāng)于短路前，整個回路為空載狀態(tài)，短路點處的電壓為1。

（2）高廠變低壓側(cè)帶有部分6kV電動機負(fù)荷，由于該6kV負(fù)荷距短路點較遠(yuǎn)，短路瞬間6kV電動機倒送出的短路電流可以忽略不計。短路后，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，可以將6kV負(fù)荷當(dāng)作X=1.2（以負(fù)荷本身的容量為基準(zhǔn)值）的恒定阻抗支路接入，再加上高廠變自身的正序（負(fù)序）阻抗，則高廠變分支正序（負(fù)序）阻抗將比它并聯(lián)分支的阻抗大近67倍，可以視為開路。同時，由于高廠變接線方式為△／△0，零序電流不能流通，故零序網(wǎng)絡(luò)中也不包括高廠變支路。由上可見，在220kV線路側(cè)單相接地時，高廠變支路可以忽略不計。

（3）對于起備變而言，在220kV線路上發(fā)生單相接地時，起備變低壓側(cè)所帶6kV負(fù)荷距短路點較遠(yuǎn)，并且由于異步電動機倒送的短路電流衰減很快，同樣可不記入異步電動機倒送的短路電流。由于此處需計算短路電流在起備變高壓側(cè)的分布，為了盡量減少誤差，在此考慮起備變支路的正序（負(fù)序）阻抗，而不是也將其視為開路。經(jīng)查看廠用電負(fù)荷統(tǒng)計，起備變低壓側(cè)分別給3個分支供電（3個分支不同時工作），其中最大一段的計算負(fù)荷為13617.8kV·A。則可將6kV負(fù)荷當(dāng)作X=1.2（基準(zhǔn)容量取14 MV·A）的恒定阻抗支路接入。則當(dāng)基準(zhǔn)容量取為100 MV·A時，該恒定電抗的正序、負(fù)序電抗為。由于起備變?yōu)閅Nd11接線，零序電流在起備變低壓側(cè)三角形繞組內(nèi)形成環(huán)流，6kV負(fù)荷內(nèi)沒有零序電流流通，故零序網(wǎng)絡(luò)僅包括起備變的零序阻抗，不包括負(fù)荷。

綜上所述，基準(zhǔn)值取SB=100 MV·A，UB=230kV，變壓器變比為平均額定電壓比，則220kV線路單相接地時，正序和負(fù)序及零序阻抗圖如圖2所示。

圖2 正序和負(fù)序及零序阻抗圖

為計算短路電流在起備變支路中的分布，先將除起備變支路外的其他回路化簡，如圖3所示。最終的三序網(wǎng)圖如圖4所示。

根據(jù)單相接地短路的規(guī)律，可以得到單相接地短路時從短路點流出的三序電流為：

圖4 最終三序網(wǎng)圖

經(jīng)計算，可得流過起備變高壓側(cè)各相電流的幅值（有名值）為：

短路點處的負(fù)序電壓（標(biāo)么值）為：

3 起備變復(fù)合電壓過流保護動作電流的計算

起備變復(fù)合電壓過流保護的動作電流應(yīng)按躲過起備變的額定電流進(jìn)行整定[2]。

起備變額定電流：

復(fù)合電壓過流保護的動作電流：

此處配合系數(shù)K1為1.1，可靠系數(shù)Kk為1.2，返回系數(shù)Kh為0.85，復(fù)合電壓過流保護的動作電流為：

一般負(fù)序電壓的整定值U2op=0.06Ue，而上述計算得到單相接地時，負(fù)序電壓為0.304Ue。因此，負(fù)序電壓元件會動作。

4 起備變過流保護與線路零序保護的配合

從上述計算可以看出，當(dāng)線路側(cè)靠近220kV母線處發(fā)生單相接地短路時，流過起備變的短路電流將要大于起備變復(fù)合電壓過流保護的動作電流值，而且負(fù)序電壓元件同樣會啟動，如不采取措施，起備變的復(fù)合電壓過流保護將無選擇性的動作。

對于上述情況，可以采取2個措施，一是起備變過流保護采用延時與220kV線路的零序保護進(jìn)行配合，二是起備變過流保護增加方向元件。如起備變過流保護采用延時與220kV線路的零序保護相配合，根據(jù)調(diào)度部門給出的信息，延時將達(dá)5.1 s，而起備變過流保護與其低壓側(cè)保護相配合時的延時最多也僅為1.2 s，故只能考慮增加方向元件。方向元件的方向由220kV母線指向起備變，這樣當(dāng)反方向（線路側(cè)）發(fā)生短路時能可靠地閉鎖不動作。

5 起備變零序保護與線路零序保護的配合

起備變零序保護如圖5所示。

圖5 起備變零序保護示意圖

從圖5可以看出，如果起備變的零序保護電流取自起備變高壓側(cè)中性點零序電流互感器（－TA0），則無論單相接地發(fā)生在220kV線路上 （圖中處，起備變保護區(qū)外），還是發(fā)生在220kV母線與起備變高壓側(cè)之間（圖中處，起備變保護區(qū)內(nèi)），起備變保護裝置測得的零序電流的大小和方向都是一樣的，即對于起備變區(qū)內(nèi)、區(qū)外的單相接地故障沒有選擇性。如果起備變的零序保護電流取自起備變高壓側(cè)電流互感器（－TA1）的自產(chǎn)零序電流，則區(qū)外故障時（），零序電流方向指向母線，且零序電流為整個零序電流在起備變分配的部分；區(qū)內(nèi)故障時（），零序電流方向指向變壓器，該零序電流為整個零序電流在系統(tǒng)分配的部分。由于系統(tǒng)的零序阻抗為0.010853，起備變的零序阻抗為0.6119，兩者相差近56倍，則上述兩種情況下零序電流相差近56倍。由此可見，當(dāng)起備變的零序保護電流采用起備變高壓側(cè)電流互感器的自產(chǎn)零序電流時，零序電流保護具有很好的選擇性和很高的靈敏度，沒有必要采用帶方向的零序電流保護。

6 起備變零序保護整定計算

如上所述，起備變零序保護的動作電流取自起備變高壓側(cè)三相電流互感器的自產(chǎn)零序電流，組成不帶方向的二階段零序過電流保護[3]。

（1）起備變零序保護I段。動作電流按躲過高壓側(cè)母線單相接地短路電流計算：

式（1）中：3I0.OP.1為起備變零序保護I段動作電流整定值；Krel為可靠系數(shù)， 取 1.2～1.3；K0.bar為起備變高壓側(cè)零序電流分支系數(shù)；為高壓側(cè)母線單相接地時最大3倍零序電流值。根據(jù)上文，可以得到：

轉(zhuǎn)為有名值為：

靈敏度校驗：

將各數(shù)據(jù)代入式（2），得：

由于起備變零序保護I段按躲過高壓側(cè)母線單相接地計算，同時考慮該保護與線路零序保護I段配合，其動作時間可以整定為0.3～0.4 s。

（2）起備變零序保護II段。起備變零序保護II段的動作電流整定值需與相鄰線路零序保護II段或者末段相配合，其保護動作時間也需在線路零序保護II段或者末段的動作時間上加一級級差，此處不再展開討論。

7 結(jié)束語

從上述討論可以看出，由于220kV系統(tǒng)為中性點有效接地系統(tǒng)，單相接地電流很大，對于Yn／△接線的起備變而言，雖然其零序阻抗相對于系統(tǒng)而言很大，但仍然會流過較大的零序電流，再加上正序、負(fù)序電流，則在起備變高壓側(cè)流過的短路電流會超過根據(jù)起備變額定電流整定的過流保護動作值。解決的辦法可以對起備變過流保護加延時或者加裝方向元件，具體采用哪種方案視工程的具體情況而定。對于Yn／△接線的起備變高壓側(cè)零序保護而言，取自高壓側(cè)電流互感器的自產(chǎn)零序電流能夠反映區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障，具有很好的選擇性和很高的靈敏度，在通常情況下，沒有必要采用帶方向的零序電流保護。

[1]劉萬順.電力系統(tǒng)故障分析（第二版）[M].北京：中國電力出版社，1998.

[2]能源部西北電力設(shè)計院.電力工程電氣設(shè)計手冊2[M].北京：中國電力出版社，1991.

[3]高春如.大型發(fā)電機組繼電保護整定計算與運行技術(shù)（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2006.