包鋼電網(wǎng)繼電保護配置原則分析

張 洋，劉艷芬

(1.斯特拉斯克萊德大學，英國格拉斯哥市 G20 9HE；2．內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司供電廠，內(nèi)蒙古包頭 014010）

包鋼電網(wǎng)繼電保護配置原則分析

張 洋1，劉艷芬2

(1.斯特拉斯克萊德大學，英國格拉斯哥市 G20 9HE；2．內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司供電廠，內(nèi)蒙古包頭 014010）

在介紹了電網(wǎng)常見故障類型及繼電保護任務的基礎(chǔ)上，詳細分析了包鋼電網(wǎng)特點及對繼電保護的影響和相應的對策，最后給出了針對包鋼電網(wǎng)的各級繼電保護配置原則。

電網(wǎng)故障；繼電保護；電網(wǎng)特點；配置原則

1 引言

近幾年隨著包鋼生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大,包鋼電網(wǎng)發(fā)展迅速,目前運行2座220 kV樞紐變電站，11座110 kV總降壓變電站，60座35 kV及10 kV車間變電站，還有2座110 kV總降壓變電站正在建設(shè)中。同時節(jié)能發(fā)電機組TRT、CCPP、兩機兩爐、干熄焦投運后，自發(fā)電也快速增長。由于內(nèi)部電源的出現(xiàn)，包鋼電網(wǎng)不再是一個簡單的單端電源輻射型配電網(wǎng)，而是成為了一個復雜網(wǎng)絡。包鋼電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行對包鋼的生產(chǎn)順行至關(guān)重要，而繼電保護作為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的第一道防線，擔負著保衛(wèi)電網(wǎng)和設(shè)備安全的重要職責。因此包鋼電網(wǎng)各電壓等級設(shè)備繼電保護的選配是一項很重要的工作，也是繼電保護起到應有作用的前提和基礎(chǔ)。

2 包鋼負荷特點及繼電保護對策

（1）負荷重。冶金大工業(yè)生產(chǎn)需要的用電設(shè)備較多且集中，尤其是有很多大型電機拖動的軋機、鼓風機、空壓機、氧壓機、氮壓機、風機、水泵、破碎機、球棒磨機等，最大電機達到36500 kW。由于供電設(shè)備通過電流較大，運行中經(jīng)常會出現(xiàn)接頭發(fā)熱現(xiàn)象。

在繼電保護整定計算過程中，由于電網(wǎng)末端短路電流較小而所帶負荷較大，有些地方會出現(xiàn)單純過電流保護靈敏度不滿足要求的情況，需要投入復合電壓閉鎖過電流保護，降低過電流定值，增加低電壓和負序電壓的閉鎖條件，以區(qū)別正常運行和故障狀態(tài)。

（2）沖擊性。由于大型電弧爐、大型初軋機、各類型鋼軋機、冷、熱連軋機等用電設(shè)備單機容量大，運行時有功功率和無功功率隨時間和工況不斷地呈周期性變化，這些沖擊性負荷造成電網(wǎng)電壓和頻率的波動，對電力系統(tǒng)和用電設(shè)備都有很大的影響。

沖擊性負荷會導致繼電保護裝置頻繁啟動，傳統(tǒng)電磁式保護裝置在電流下降時會自動返回，但微機繼電保護裝置由于反應更加靈敏，突變量啟動功能頻繁報警，有些地方不得不犧牲一些靈敏度，放大突變量啟動定值。同時為躲開正常運行的最大沖擊電流，必須抬高過電流保護定值門檻，但這樣保護的靈敏度往往不滿足要求，因此，須將單純的過電流保護改為復合電壓閉鎖過電流保護或距離保護。

（3）非線性。包鋼有很多變流裝置和電弧爐等非線性負荷用電設(shè)備，非線性負荷引起系統(tǒng)電壓波形畸變，產(chǎn)生高次諧波電流，使電能質(zhì)量變差。高次諧波在電網(wǎng)中會產(chǎn)生諧波損耗，使發(fā)、變電和用電設(shè)備發(fā)熱，加速設(shè)備絕緣老化，縮短設(shè)備使用壽命，影響繼電保護和自動裝置動作的準確性，對通訊線路和控制信號造成電磁和射頻干擾等。

對于由非線性負荷產(chǎn)生并注入系統(tǒng)的諧波必須要加以抑制，具體方法是在為非線性負荷供電的母線上并聯(lián)高次諧波濾波器?，F(xiàn)場設(shè)計時一般是將諧波治理和功率因數(shù)補償同時考慮。

3 包鋼電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點及繼電保護對策

（1）短網(wǎng)。用電設(shè)備集中，供電半徑小，饋出大多為1 km左右電纜且多根并列運行，線路阻抗小到幾乎可以忽略不計，因此即使是電網(wǎng)末端饋出設(shè)備故障，都會在包鋼電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)大范圍的電壓下降，使得一些對工作電壓較敏感的自動化設(shè)備以及輔助低壓設(shè)備無法正常工作，甚至停機、停爐，嚴重影響公司生產(chǎn)穩(wěn)定運行。

由于線路阻抗小，線路首末端短路的短路電流相差無幾，在繼電保護配合的整定計算過程中，常常會發(fā)現(xiàn)電流速斷保護沒有靈敏度，而提高了靈敏度即保護范圍延伸到下一級線路的結(jié)果是下一級線路始端故障時，上下兩級電流速斷保護同時動作跳閘，而上級保護屬于越級跳閘，擴大了事故停電范圍，除非為保全系統(tǒng)犧牲選擇性，否則，這是正常所不允許的。傳統(tǒng)的做法是犧牲一些快速性，給上級電流速斷保護增加短延時來與下級保護配合。近年來，許多微機保護生產(chǎn)廠紛紛研制了針對中低壓配網(wǎng)線路的方向縱聯(lián)保護，簡單、經(jīng)濟，不需要上下級配合，可以實現(xiàn)快速切除故障。

包鋼應用的方向縱聯(lián)保護是閉鎖式方向保護，在被保護線路兩端各安裝一臺保護裝置，通過光纖進行通訊。系統(tǒng)正常運行時，光纖通道無閉鎖信號；而在外部故障時，由檢測到短路功率方向為負的一側(cè)裝置持續(xù)發(fā)出閉鎖信號，閉鎖兩側(cè)裝置；雙端電源線路內(nèi)部故障時，兩側(cè)保護裝置均啟動，先發(fā)閉鎖信號，45 ms后停發(fā)閉鎖信號，這時兩側(cè)裝置在先收到閉鎖信號然后又收不到閉鎖信號，而其他動作條件滿足的情況下，裝置動作出口，切開各自斷路器；單端電源線路內(nèi)部故障時，電源側(cè)保護裝置啟動后，先發(fā)閉鎖信號，45 ms后停發(fā)閉鎖信號，另一側(cè)保護裝置因為沒有電源，未啟動，在收到對側(cè)閉鎖信號后轉(zhuǎn)發(fā)閉鎖信號，30 ms后停發(fā)閉鎖信號，這樣電源側(cè)裝置在先收到閉鎖信號然后又收不到閉鎖信號，而其他動作條件滿足的情況下，裝置動作出口，切開本側(cè)斷路器。

（2）聯(lián)絡線多。包鋼是大型連續(xù)性生產(chǎn)企業(yè)，突然停電會造成人員及重大設(shè)備損壞事故，因此對電源的要求很高，一級負荷應有兩個獨立的電源供電，對特殊重要的一級負荷應由兩個獨立電源點供電。如果得不到兩個獨立電源點時，需設(shè)立保安電源[2]。包鋼電網(wǎng)對內(nèi)、外部電源供電區(qū)域的重要變電站進行了聯(lián)絡，并能輻射到本區(qū)域其它重要變電站，實現(xiàn)各區(qū)域電源的共享，為包鋼安全生產(chǎn)打造了堅強電網(wǎng)。但聯(lián)絡線多對運行管理的要求也高，變電站不同電源點之間要經(jīng)過同期裝置并列，以避免非同期合閘對電網(wǎng)帶來的嚴重后果。

由于聯(lián)絡線既是某一區(qū)域變電站的饋出，又是另一區(qū)域變電站的電源，在繼電保護整定配合上有很多困難。包鋼電網(wǎng)的做法是盡量將全網(wǎng)不同電源同一電壓等級設(shè)備的后備保護時限統(tǒng)一，盡可能增加一級聯(lián)絡線饋出時限。同時將聯(lián)絡線按電壓等級及重要性分級管理。

（3）多級串聯(lián)供電。包鋼電網(wǎng)同一電壓等級存在多級串聯(lián)供電結(jié)構(gòu)，由于受電源端保護時限的限制，無法再分出保護時限級差數(shù)，基于正常分列運行方式較多的情況，包鋼電網(wǎng)將變壓器后備過流保護或進線過流保護與母線分段保護整定為同一時限，串聯(lián)供電變電站甚至取消進線后備保護，以減少保護配合級差數(shù)。

對于多級串聯(lián)供電結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，傳統(tǒng)繼電保護很難整定，且時限配合困難，因此在35 kV和10 kV饋出線路上應用了微機型的閉鎖式方向縱聯(lián)保護，不需要上下級時限配合，能夠?qū)崿F(xiàn)快速動作。

4 包鋼電網(wǎng)繼電保護配置原則

（1）110 kV及以上輸電線路盡量以縱差保護作為線路的主保護，無需與上下級保護配合，可以實現(xiàn)快速切除線路故障。采用三段式相間距離保護作為相間短路故障的后備保護，采用階段式零序電流保護作為接地短路故障的后備保護。后備保護需要與上下級保護配合整定。

（2）110 kV主變壓器以差動保護和重瓦斯保護作為變壓器的主保護，不需要上下級配合，可以瞬時切除變壓器故障。采用復合電壓閉鎖過電流保護、接地零序保護或不接地間隙零序保護、過負荷保護等作為后備保護。

（3）110 kV母線以微機母線差動保護作為母線的主保護，給母線供電的變壓器或電源進線的后備保護同時也作為母線的后備保護。

（4）35 kV及10 kV線路推薦采用閉鎖式方向縱聯(lián)保護作為短線路的主保護，帶上下級時限配合的過電流保護作為后備保護，在有內(nèi)部電源聯(lián)網(wǎng)的局部線路上過電流保護還要校驗是否需要增加方向元件。

（5）35 kV及10 kV變壓器采用差動保護和重瓦斯保護作為變壓器的主保護，不需要上下級配合，可以瞬時切除變壓器故障。采用過電流保護、過負荷保護等作為后備保護。若過電流保護靈敏度不夠，則采用復合電壓閉鎖過電流保護。

（6）終端變壓器及電動機是高壓電網(wǎng)最末端的設(shè)備，一般不需要與下級保護相配合，只要躲過變壓器的勵磁涌流或電動機的正常啟動電流即可以實現(xiàn)電流速斷保護。小容量變壓器一般以電流速斷保護作為主保護，以動作時限為0.4 s的過電流保護作為后備保護；電動機一般以電流速斷保護作為主保護，大容量電動機安裝差動保護為主保護，以過電流保護和低電壓保護等作為后備保護，其中過電流保護根據(jù)啟動方式的不同，可以采用反時限過電流保護或定時限過電流保護。

（7）目前35 kV及10 kV母線沒有專門的保護裝置，故障要靠主變壓器低壓側(cè)的后備保護或進線過流保護來切除。近年來隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，節(jié)能發(fā)電機組的投運以及大型電動機的應用，企業(yè)中低壓母線的短路容量也越來越大。由于母線短路故障電流增大、持續(xù)時間又長，后備保護延時長等原因，使不少本可以快速消除的故障未及時切除，造成配電裝置嚴重燒毀，引起大范圍停電，擴大了事故，造成了嚴重經(jīng)濟損失。針對這種情況，包鋼與微機保護生產(chǎn)廠共同合作研發(fā)了一種新的微機型過流閉鎖式不完全母差保護裝置，原理簡單，動作速度快，能可靠保護中低壓系統(tǒng)母線各種類型的故障，下一階段準備在尾礦供電系統(tǒng)試用，并逐步推廣。

5 結(jié)論

包鋼電網(wǎng)在確定繼電保護配置方案時，按照選擇性、速動性、靈敏性和可靠性這四個基本要求，兼顧電網(wǎng)實際情況，分清主次，在確保靈敏度的前提下，進行最優(yōu)化配置，并盡量采用投資少、維護費用較低和簡單的保護裝置。近幾年的運行結(jié)果證明這一配置方案是合理、有效的。

[1]賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護原理[M].北京：水利電力出版社，1991.

[2]鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊編委會.鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊（上冊）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

表5 容量為2000 kVA變壓器不同負載率時的運行損耗

（4）空載或輕載設(shè)備及時停電

在該企業(yè)每年的例行檢修及每月的生產(chǎn)任務完成后的設(shè)備維修期間，大部分變壓器空載運行；公輔區(qū)的一部分水泵、空壓機等處于輕載運行狀態(tài)。輕載或空載運行的電氣設(shè)備本身存在銅損和鐵損等損耗，浪費了不少電能。為了節(jié)能降耗，在保證安全可靠的前提下，下發(fā)通知，要求相關(guān)單位將輕載或空載運行的電氣設(shè)備停電。落實此方案后，每月可節(jié)約用電2.75萬kW·h電左右，按0.75元/kW·h計算，每年可節(jié)約電費約24.75萬元。

4 精細化管理措施落實后的效果

從技術(shù)、工藝、管理等三方面采取多種降低電能消耗的精細化管理措施后，2010年～2013年，該企業(yè)噸鋼電費支出呈逐年下降趨勢，具體見表6。

表6 某企業(yè)近幾年噸鋼電費情況

5 結(jié)論

降低電能消耗的精細化管理措施有：水泵工頻運行改變頻運行、T8型照明燈管改T5型照明燈管等技術(shù)節(jié)能措施；調(diào)整生產(chǎn)工藝、按“躲峰”原則組織生產(chǎn)等降低電費的工藝措施；降低“提光”比例系數(shù)、提高供電系統(tǒng)功率因數(shù)、調(diào)整部分變壓器運行方式、空載或輕載設(shè)備及時停電等降耗的管理措施。綜合運用這些措施，某大型鋼鐵冷軋企業(yè)的噸鋼電費成本近幾年呈逐漸下降之勢，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，為節(jié)能降耗、低碳環(huán)保做出了貢獻。

收稿日期：2013－12－30

作者簡介：聶加余（1964－），男，研究生學歷，工程師，現(xiàn)從事工廠供電系統(tǒng)技術(shù)管理工作。

Analysis of Protective Relaying Configuration Princip le of Grid Power

ZHANG Yang1，LIU Yanfen2
(1.The University of Strathclyde-Glasgow G20 9HE,UK;2.The Power Supply Plant of Baotou Iron＆ Steel (Group)Co.，Baotou，Inner Mongolia 014010,China）

Based on an introduction of common fault types and tasks of relay protection, this essay analyzed the characteristics of the power grid of Baotou Steel,their effects on relay protection and relevant countermeasures and finally put forward configuration principles for all levels of the protective relay.

grid fault;protective relay;characteristics of power grid;configuration principle

TM774

B

1006-6764(2014)03-0013-03

2014－01－02

張洋（1991－），女，曾就讀于上海電力大學，畢業(yè)于英國斯特拉斯克萊德大學電力電子及電氣工程專業(yè)，本科學歷，學士學位，研究方向為power engineering.