380V 框架斷路器保護(hù)整定探討

王 旅

（湖北華電襄陽發(fā)電有限公司，湖北 襄陽 441041）

0 引言

在發(fā)電廠380V 低壓廠用電系統(tǒng)設(shè)計時，一般都設(shè)計成動力中心（PC）和電動機(jī)控制中心（MCC）的供電模式，以實現(xiàn)低壓負(fù)荷的分級管理。采用框架斷路器供電的大功率電動機(jī)和MCC 饋線接于PC上，MCC 上接有中小功率電動機(jī)（額定功率≤55kW）、低壓配電盤、電加熱器和單相負(fù)荷等，它們都采用塑殼斷路器，低壓配電盤一般為廠家自帶?？蚣軘嗦菲鞑捎秒娮用摽燮鳎軞嗦菲鞑捎脽岽?、電磁或電子脫扣器。

1 電氣一次接線和斷路器保護(hù)配置

電氣一次接線如圖1 所示，圖中380V 系統(tǒng)設(shè)計成TN-S 系統(tǒng)，N 線（中性導(dǎo)體）與PE 線（保護(hù)導(dǎo)體）嚴(yán)格分開，系統(tǒng)的PE 線為遍布主廠房的立體網(wǎng)狀接地網(wǎng)，它包括接地引上/下線、電纜橋架、接地干線和支線等，電纜橋架焊接成電氣通路后作為接地網(wǎng)的一部分，電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分與接地支線可靠連接（保護(hù)接地），PE 線的組成材料為鋼導(dǎo)體。380V PC 和變壓器本體位于集控樓6.9m標(biāo)高，380V MCC 位于汽機(jī)房0m，PC 和MCC 上還設(shè)置有PE 母排，PE 母排通過銅電纜和配電柜體分別與電纜橋架和接地支線可靠連接，變壓器中性點就近接入電纜橋架（工作接地）。電動機(jī)采用三相供電，MCC 饋線和低壓配電盤采用三相四線（ABCN）供電，斷路器采用三極斷路器，N 線為直連，電動機(jī)M2和低壓配電盤為MCC 上功率或容量最大的同類設(shè)備。MCC 饋線和低壓配電盤的回路計算電流IB分別由設(shè)計部門和廠家提供，各斷路器額定電流In、電動機(jī)額定電流Ie和IB計算值見表1。

圖1 電氣一次接線

表1 斷路器和設(shè)備技術(shù)參數(shù)

框架斷路器配置有長延時、短延時、瞬時和接地保護(hù)，電流定值為連續(xù)可調(diào)，整定步長為1A。長延時保護(hù)反應(yīng)一次回路過電流，整定項有Ir和tr，Ir為電流定值，tr為對應(yīng)于1.5Ir的跳閘延時。短延時和瞬時保護(hù)反應(yīng)一次回路相間短路故障或單相短路故障（相線對N 線短路），短延時保護(hù)有反時限段和定時限段可選，建議選擇定時限段，因為反時限段整定配合相對困難，Isd2、tsd分別為短延時保護(hù)定時限段電流、時間定值，Ii為瞬時保護(hù)電流定值。接地保護(hù)反應(yīng)一次回路單相接地故障（相線對PE線短路）[1]，保護(hù)采用差值型（基于基爾霍夫電流定律），Ig、tg分別為電流、時間定值，Ig的整定范圍為（0.2～1.0）In。

對于電動機(jī)M2，一次接線型式為塑殼斷路器+接觸器，塑殼斷路器實現(xiàn)短路保護(hù)功能（短延時+瞬時）。抽屜開關(guān)內(nèi)安裝有智能型電動機(jī)保護(hù)/控制器[2]，保護(hù)/控制器接受分散控制系統(tǒng)（distributed control system, DCS）或就地來的電動機(jī)起停信號以控制接觸器的分合閘。同時，保護(hù)/控制器還接受三相電流信號，以實現(xiàn)電動機(jī)過載、斷相和接地保護(hù)功能，保護(hù)動作于接觸器分閘，接地保護(hù)電流定值為幾十安。當(dāng)In確定后，其瞬時保護(hù)電流定值隨即確定，本例為15In=2 250A，該定值為MCC 中最大相過電流保護(hù)定值。

對于低壓配電盤，一次接線型式為塑殼斷路器，保護(hù)功能同電動機(jī)M2，瞬時保護(hù)電流定值為11In=1 760A，短延時保護(hù)電流定值按躲過最大功率電動機(jī)起動電流整定，實際整定約為500A。N 線上未配置電流互感器，故無法實現(xiàn)接地保護(hù)功能。

本文先討論框架斷路器長延時、短延時和瞬時保護(hù)的整定原則，再討論接地保護(hù)的整定原則，從保護(hù)原理和設(shè)計等方面，分析MCC 饋線接地保護(hù)的運(yùn)行性能。

2 大功率電動機(jī)M1 長延時、短延時和瞬時保護(hù)整定

1）長延時保護(hù)動作特性為

式中，I和t分別為實際過電流值和對應(yīng)的跳閘延時。Ir按電動機(jī)額定運(yùn)行時能可靠返回整定，Ir=Krel/Kr×Ie≈1.17Ie=386A，可靠系數(shù)Krel取1.05，返回系數(shù)Kr取0.9。tr整定應(yīng)以電動機(jī)實際過電流能力為準(zhǔn)，文獻(xiàn)[3]對電動機(jī)偶然過電流規(guī)定如下：額定輸出在315kW 及以下和額定電壓在1kV 及以下的多相電動機(jī)，應(yīng)能承受1.5 倍額定電流，歷時不小于2min 的偶然過電流。依據(jù)上述規(guī)定，過電流值I=1.5Ie=497A，對應(yīng)的跳閘延時t=2min=120s，代入式（1）得tr=88s。根據(jù)廠家說明書，tr只能整定為60s 或120s，若整定tr=120s，則1.5Ie下的跳閘延時為163s，這大大超過了電動機(jī)允許運(yùn)行時間。因此，tr只能整定為60s，1.5Ie下的跳閘延時為81s，電動機(jī)過電流能力沒有得到充分發(fā)揮。

2）短延時保護(hù)：Isd2按躲過電動機(jī)起動電流周期分量最大有效值整定，Isd2=KrelKqIe，可靠系數(shù)Krel取1.2，Kq為起動電流倍數(shù)。電動機(jī)起動瞬間和穩(wěn)態(tài)堵轉(zhuǎn)兩種工況下，轉(zhuǎn)差率s均等于1.0，起動電流倍數(shù)應(yīng)等于堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)。堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)可從電動機(jī)出廠試驗報告中獲得，若試驗報告中未提供該數(shù)據(jù)，可參考文獻(xiàn)[4]取Kq=6.0（最大值），Isd2=7.2Ie=2 383A。tsd整定為0.3s，以可靠躲過暫態(tài)峰值電流存在的時間。

3）瞬時保護(hù)：Ii按電動機(jī)起動電流周期分量最大有效值的（2.0～2.5）倍整定，本例整定Ii=2.0KqIe=3 972A。

3 MCC 饋線長延時、短延時和瞬時保護(hù)整定

1）長延時保護(hù)：MCC 饋線的回路計算電流IB，在設(shè)計階段是根據(jù)MCC 各類負(fù)荷的額定電流或計算電流得出的，計算時考慮了負(fù)荷的工作方式，即連續(xù)運(yùn)行或間斷運(yùn)行，間斷運(yùn)行設(shè)備的負(fù)荷電流按50%考慮，IB取所有負(fù)荷電流之和。一次電纜相線的標(biāo)稱截面是根據(jù)IB進(jìn)行選擇的，即負(fù)荷電流達(dá)到IB時，一次電纜不會過載。由于沒有考慮各類負(fù)荷電流的相位關(guān)系，再加上廠家提供的低壓配電盤的計算電流普遍偏大，使得IB比實測最大負(fù)荷電流大很多。600MW 機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時，與機(jī)組負(fù)荷有關(guān)的鍋爐/汽機(jī)MCC 饋線，其負(fù)荷電流實測值見表2。從表2 可以看出，最大負(fù)荷電流僅為45%IB。負(fù)荷電流超過最大值有兩種工況：①MCC 大功率電動機(jī)嚴(yán)重堵轉(zhuǎn)運(yùn)行（s≈1.0），如漿液循環(huán)泵在漿液凝固后起動困難（轉(zhuǎn)速上不去），出現(xiàn)這種工況不應(yīng)使本保護(hù)越級動作；②MCC 母線較長時間低電壓運(yùn)行，但該工況很少出現(xiàn)。MCC 不同負(fù)荷的過電流能力各不相同，有些負(fù)荷不存在過電流現(xiàn)象，如電加熱器、照明回路等，要想得到整個MCC 的綜合過電流能力，很不現(xiàn)實，也沒有必要。此外，長延時保護(hù)動作于跳閘，其造成的損失將大于回路短時過電流，因為MCC 的負(fù)荷多為參與生產(chǎn)過程的重要負(fù)荷，一旦失電將造成機(jī)組降負(fù)荷或停機(jī)。基于以上兩點，建議將長延時保護(hù)退出，Ir可按1.2IB整定，該定值也是設(shè)計部門給出的推薦值，tr整定至最大。

表2 MCC 饋線最大負(fù)荷電流實測值

2）短延時保護(hù)：Isd2按與MCC 最大相過電流保護(hù)定值Idmax相配合整定，即

式中：可靠系數(shù)Krel取1.2；∑Ifh為除最大相過電流設(shè)備外其余負(fù)荷電流之和。對于本例，Idmax=2 250A。根據(jù)前面分析，∑Ifh取IB/2 是合適的，Isd2=3 060A，tsd可整定為0.4s。

3）瞬時保護(hù)：當(dāng)MCC 負(fù)荷斷路器（如本例QF3）出口發(fā)生相間短路時，負(fù)荷斷路器和MCC 饋線的瞬時保護(hù)將同時動作，保護(hù)失去選擇性，故將其退出。

4 接地保護(hù)整定

當(dāng)設(shè)備發(fā)生單相接地時，單相接地電流id（瞬時值）通過接地網(wǎng)流回變壓器中性點，id主要由接地網(wǎng)中設(shè)備安裝處和變壓器中性點之間的PE 線阻抗ZPE決定。id很難精確求出，一方面PE 線由鋼導(dǎo)體組成，鋼導(dǎo)體屬于鐵磁材料，其阻抗（包括電阻和內(nèi)電抗）與通過的電流大小有關(guān)，而阻抗又反過來影響電流，另一方面接地網(wǎng)為復(fù)雜的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，id流通的路徑很難確定。文獻(xiàn)[5]對穿鋼管帶PE線的電力電纜進(jìn)行了接地故障電流測試，測試方案中，PE 線、鋼管和扁鋼模擬了接地故障電流的返回通路。與測試方案不同的是，現(xiàn)場電纜是不帶PE線的，且只在少數(shù)需要保護(hù)電纜的地方穿鋼管，鋼管不流通電流，這樣扁鋼的阻抗可等效為ZPE，流過扁鋼的電流可等效為id，根據(jù)測試結(jié)果，流過扁鋼的電流在219.2～230.9A 之間。PC 和MCC 的設(shè)備，一般都遠(yuǎn)離變壓器中性點，從距離上看要大于測試扁鋼的長度，發(fā)生接地故障時，id的有效值應(yīng)在數(shù)百安左右。

大功率電動機(jī)M1：接地保護(hù)主要反應(yīng)定子繞組絕緣受損后對定子鐵心的短路故障，定子鐵心通過電動機(jī)基座與接地網(wǎng)連接。保護(hù)測量電流取三相電流的相量和，用瞬時值表示為ig=iA+iB+iC，ig為保護(hù)測量電流的瞬時值，iA、iB、iC為三相電流的瞬時值，單相接地時有ig=id。接地保護(hù)無須與其他保護(hù)相配合，Ig一般可整定為幾十安，實際整定Ig=0.2In=126A，tg=0.3s，以躲過電動機(jī)起動工況。

MCC 饋線：接地保護(hù)反應(yīng)一次電纜相線絕緣受損后對鎧裝鋼帶的短路故障，以及MCC 母線對配電柜體的短路故障，鎧裝鋼帶兩端和配電柜體均可靠接地，如有可能還可作為下級負(fù)荷接地故障的后備。對于三極斷路器，接地保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)配置還應(yīng)增加N 線電流，保護(hù)測量電流取三相電流與N 線電流的相量和，用瞬時值表示為ig=iA+iB+iC+iN，iN為N線電流的瞬時值，單相接地時有ig=id。若基建設(shè)計時未將N 線電流引入控制器，則ig=iA+iB+iC，這將對保護(hù)運(yùn)行性能產(chǎn)生影響。單相接地時，ig=id–iN，接地保護(hù)有可能拒動。單相短路時，ig等于單相短路電流，接地保護(hù)能可靠動作，但反應(yīng)的故障類型錯誤。當(dāng)下級負(fù)荷發(fā)生單相短路時，若單相短路保護(hù)定值大于Ig，就有可能造成MCC 饋線因接地保護(hù)誤動而越級跳閘。因此，N 線電流必須引入控制器，否則接地保護(hù)應(yīng)退出運(yùn)行，從目前掌握的工程資料來看，存在N 線電流未引入控制器的設(shè)計方案。受單相接地電流的限制，低壓配電盤的相過電流保護(hù)（包括瞬時保護(hù)和短延時保護(hù)）不能兼作單相接地保護(hù)，這樣MCC 饋線接地保護(hù)就不能作為低壓配電盤接地故障的后備。有兩種方案供選擇：①MCC饋線接地保護(hù)退出運(yùn)行；②低壓配電盤另配置接地保護(hù)。建議采用第一種方案，因為一次電纜和MCC母線很少發(fā)生接地故障。二十世紀(jì)末投運(yùn)的發(fā)電廠，MCC 的負(fù)荷沒有配置保護(hù)/控制器或接地保護(hù)，MCC 饋線接地保護(hù)只能退出運(yùn)行。

5 保護(hù)整定簡要分析

大功率電動機(jī) M1長延時保護(hù)整定中，Ir≈1.17Ie，依據(jù)電動機(jī)偶然過電流規(guī)定和保護(hù)動作特性，，可得tr=88s，建議廠家增加tr=90s 的定值選項，以充分發(fā)揮電動機(jī)的過電流能力。

380V 各級斷路器的保護(hù)配置已十分完善，在系統(tǒng)短路電流相差不大的情況下，要使所有保護(hù)都滿足選擇性要求十分困難，本例MCC 饋線瞬時保護(hù)退出就屬于此類情況。為滿足現(xiàn)場運(yùn)行需要，建議斷路器廠家增加單一保護(hù)投退功能。

本例根據(jù)其他測試方案，推測出現(xiàn)場單相接地電流的量級，單相接地電流除與接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與焊接工藝和PE 線材質(zhì)有關(guān)，焊接工藝影響過渡電阻，PE 線材質(zhì)與測試扁鋼材質(zhì)不同，相應(yīng)的阻抗特性也不同。測試部門應(yīng)進(jìn)行單相接地電流實測，以校核接地保護(hù)定值是否滿足靈敏度要求。對于低壓配電盤，不建議配置接地保護(hù)，若檢修人員誤將N 線接地，系統(tǒng)就變成了局部TN-C 系統(tǒng)，N 線與PE 線并聯(lián)，內(nèi)部某支路發(fā)生單相短路時有ig=id，接地保護(hù)誤動將使停電范圍擴(kuò)大。

6 結(jié)論

對于MCC 饋線，受機(jī)組安全性和保護(hù)選擇性的要求，長延時和瞬時保護(hù)退出運(yùn)行，當(dāng)安裝工藝和檢修維護(hù)到位時，也不建議投入接地保護(hù)。MCC作為電源與設(shè)備的過渡連接，其保護(hù)配置應(yīng)力求簡化。