鋼鐵企業(yè)配電系統(tǒng)繼電保護配置方案及定值計算的研究

張 強，劉廣文

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司電控所，北京 100176）

引言

近年來，我國的粗鋼產(chǎn)量位居世界第一。鋼鐵企業(yè)作為高耗電行業(yè)，其配電系統(tǒng)所帶負(fù)荷大都是一、二類負(fù)荷，如果出現(xiàn)停電事故，可能造成重大經(jīng)濟損失和人身事故，因此鋼鐵企業(yè)內(nèi)部配電系統(tǒng)對供電安全可靠性有很高的要求［1］。

繼電保護是保障配電系統(tǒng)安全運行的第一道防線［2］，其主要功能是快速、精確、可靠地切除故障元件，將故障的影響限制在最小范圍內(nèi)，并有效防止故障擴大，進而保證整個配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

目前國內(nèi)有相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范作為繼電保護定值整定的依據(jù)，但是鋼鐵企業(yè)的配電系統(tǒng)有其自身的特點。根據(jù)鋼鐵企業(yè)的電網(wǎng)架構(gòu)特征，分析了最適合的繼電保護配置方案，明確各保護定值計算方法及上下級配合的關(guān)系，確保在充分發(fā)揮保護性能的前提下減少整定計算的工作量。

1 鋼鐵企業(yè)典型配電系統(tǒng)

鋼鐵企業(yè)的內(nèi)部電網(wǎng)通常包括配電、發(fā)電和用電三個環(huán)節(jié)，涵蓋了220 kV、110 kV、35 kV、10 kV、0.4 kV等多個電壓等級，其配電網(wǎng)絡(luò)大多以“用電負(fù)荷”為中心進行規(guī)劃，采用“自上而下”的設(shè)計理念，通過多次變壓將電力負(fù)荷送至最終用戶。

以某鋼鐵企業(yè)為例，圖1 為其全廠配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖。該鋼鐵企業(yè)的電源電壓為220 kV，廠區(qū)內(nèi)設(shè)1 座220 kV 總降變電站。第一級配電電壓為110 kV，設(shè)4座110 kV區(qū)域變電站（圖中僅示意出其中1 座），4 座110 kV 區(qū)域變電站分別設(shè)置在廠區(qū)內(nèi)的4處負(fù)荷集中處。配電電壓在110 kV區(qū)域變電站再次降壓至10 kV，然后送至各個車間主電室，從主電室直接送至10 kV 用電負(fù)荷或再次降壓至0.4 kV后送至低壓用電負(fù)荷。

圖1 某鋼鐵企業(yè)配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖

在國內(nèi)無論220 kV 總降變電站是用戶專用變電站還是地區(qū)電網(wǎng)公用變電站，其220 kV 系統(tǒng)和主變系統(tǒng)均受地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度，因此其繼電保護定值大多情況下都會納入地區(qū)電網(wǎng)進行統(tǒng)一管理和維護。以圖1 的配電網(wǎng)絡(luò)圖為例，著重對鋼鐵企業(yè)內(nèi)部110 kV 線路、區(qū)域變電站及主電室等系統(tǒng)和設(shè)備的繼電保護配置方案進行分析，并研究定值計算方法以及上下級配合原則。

2 110 kV線路保護

鋼鐵企業(yè)內(nèi)部由于空間受限，110 kV 的線路通常選用電纜作為輸電介質(zhì)，且大多數(shù)情況為電源帶單一負(fù)荷變電站的供電線路，基本不存在T 接線路的情況。

考慮到110 kV 線路在鋼鐵企業(yè)中的重要性，通常會選用具有全線速動功能的保護，包括線路差動保護、階段式接地距離保護、階段式相間距離保護以及階段式零序電流保護。

對于鋼鐵企業(yè)來說，其內(nèi)部的110 kV 線路包括電源側(cè)線路（即220 kV總降變電站的110 kV出線線路）和受電側(cè)線路（110 kV 區(qū)域變電站的110 kV 進線線路）。

2.1 電源側(cè)線路保護

（1）系統(tǒng)差動保護

差動保護具有良好的選擇性，作為輸電線路的主保護，能靈敏、快速地切除保護區(qū)內(nèi)的故障［3］。電流差動保護配有分相式電流差動保護和零序電流差動保護。

分相電流差動保護按躲過本線路區(qū)外近端短路時的最大不平衡電流整定，且應(yīng)對本線路發(fā)生的各類金屬性故障均有靈敏度，靈敏度不小于1.5。零序電流差動保護主要是為了切除高阻接地故障，差動定值一般整定為300～600 A［4］。無論是分相電流差動保護還是零序電流差動保護，均要求線路兩側(cè)定值的一次值保持一致。

（2）距離保護

距離保護包括接地距離保護和相間距離保護，通常都為三段式。對于短線路的距離Ⅰ段保護，可以退出運行。

距離Ⅱ段保護，應(yīng)保證本線路末端相間（或接地）故障靈敏度系數(shù)不小于1.5，按可靠躲過下級變電站主變壓器其它側(cè)母線故障整定。整定值可按下式計算：

式中：KK——可靠系數(shù)，KK=0.7～0.8；

KZ——助增系數(shù)；

Zl——線路正序阻抗；

Z′T——下級變壓器正序等值阻抗，動作時限0.3 s。

距離Ⅲ段保護，按可靠躲過本線路的事故過負(fù)荷的最小阻抗整定，且應(yīng)滿足與相鄰上、下級保護間的逐級配合關(guān)系。

式中：KZ——可靠系數(shù)，≤0.7；

Zfh.min——本線路最小負(fù)荷阻抗，動作時間應(yīng)與下級受電側(cè)變壓器復(fù)壓過流時間配合。

（3）零序電流保護

零序電流Ⅰ段保護，按照躲線路末端接地故障最大零序電流整定

式中：KK——可靠系數(shù)；

3Iomax——區(qū)外故障最大零序電流。

零序電流Ⅱ段保護，按照保證本線路末端接地故障靈敏度系數(shù)不小于1.5 整定，且應(yīng)可靠躲過終端變壓器中、低壓側(cè)母線相間短路的最大不平衡電流，此外還要與相鄰線路零序電流Ⅰ段或Ⅱ段配合。動作時限一般設(shè)定為0.3 s。

零序電流Ⅲ段保護，作為保障線路經(jīng)電阻接地故障和相鄰元件接地故障的后備保護，一次定值一般不大于300 A。動作時間應(yīng)與相鄰線路的零序電流Ⅱ段、Ⅲ段配合。

2.2 受電側(cè)線路保護

（1）電流差動保護

受電側(cè)線路的電流差動保護定值與電源側(cè)差動保護的一次定值保持一致即可。

（2）距離保護

距離Ⅰ段保護可以退出運行。作為整個線路的最末端，距離Ⅱ段保護定值可與電源側(cè)保持一致，也可以取消。距離Ⅲ段保護按躲過線路最大負(fù)荷進行整定，并且一次定值應(yīng)大于電源側(cè)距離Ⅲ段保護的一次定值。動作時限也應(yīng)大于電源側(cè)距離Ⅲ段保護的動作時間，并且與本站降壓變壓器（110/10 kV）的高壓側(cè)復(fù)壓過流保護時間配合。

（3）零序電流保護

考慮到電源側(cè)零序電流保護已經(jīng)可以確保線路全長的保護，作為線路末端的零序電流保護，可以簡化為一段式，即零序電流Ⅰ段保護與電源側(cè)的零序電流Ⅱ段保護相配合，同時與本站降壓變壓器的高壓側(cè)零序電流保護配合。

3 區(qū)域變電站及10 kV線路保護

110 kV 區(qū)域變電站作為鋼鐵企業(yè)內(nèi)的二級降壓變電站，主要包括110 kV 配電系統(tǒng)（單母線或雙母線）、降壓變壓器、10 kV（或35 kV）配電系統(tǒng)等。主要的繼電保護設(shè)置包括母線保護、母聯(lián)（分段）保護、主變壓器保護以及10 kV（或35 kV）饋出線路保護等。車間10 kV 主電室為鋼鐵企業(yè)整個配電系統(tǒng)的最末端，其10 kV 母線通常直接向用電負(fù)荷（電動機）或再次降壓至0.4 kV后送至低壓用電負(fù)荷。

3.1 母線保護

110 kV 系統(tǒng)無論是單母線還是雙母線接線方式，均應(yīng)設(shè)置專用母線保護。線路、變壓器組接線可不設(shè)置母線保護，10 kV（或35 kV）母線通常不裝設(shè)專用母線保護，而是利用變壓器的后備保護作為母線的保護［5］。

110 kV 母線保護應(yīng)保證母線短路故障在母聯(lián)斷路器跳閘前后有足夠的靈敏度，并躲過母線上任一回路的最大負(fù)荷電流。

式中：KK——可靠系數(shù)；

ILmax——母線上任一回路的最大負(fù)荷電流。

3.2 母聯(lián)（分段）保護

無論是110 kV 還是10 kV（或35 kV）的母聯(lián)（分段）開關(guān)，均采用充電過電流保護。充電保護定值應(yīng)保證母線故障時，靈敏系數(shù)不低于1.5。

Ki——母聯(lián)（分段）回路電流互感器變比。充電過電流保護通常為瞬時動作，在母聯(lián)（分段）開關(guān)閉合3 s后自動退出。

3.3 主變壓器保護

主變壓器作為110 kV 變電站內(nèi)的主要設(shè)備，保護設(shè)置以容量為依據(jù)，主保護一般為縱聯(lián)差動保護（對于重要性高的變壓器，保護還可雙重化配置）。后備保護包括高壓側(cè)、低壓側(cè)復(fù)合電壓啟動的過電流保護、高壓側(cè)零序電流保護、高壓側(cè)間隙保護和非電量保護等。除非電量保護外，如果其它的電氣保護采用雙重化配置時，可選用主后一體的保護裝置；如果采用單套保護裝置，則應(yīng)為變壓器分別配置差動保護裝置、高后備保護裝置和低后備保護裝置。

（1）縱聯(lián)差動保護

縱聯(lián)差動保護作為變壓器的主保護，主要反映變壓器繞組內(nèi)部、套管及引出線的相間短路故障以及變壓器繞組間匝間短路故障［6］，其本質(zhì)是將變壓器各端的電氣量（矢量電流）進行比較，通過比較結(jié)果以判斷故障在變壓器范圍內(nèi)還是在范圍外，如果在范圍內(nèi)則切斷變壓器各側(cè)斷路器，如果在范圍外則不動作。

目前，國內(nèi)各主流廠家針對110 kV 變壓器多采用單折線斜率的縱聯(lián)差動保護裝置，其動作特性圖見圖2。

圖2中縱軸為動作電流Iop，橫軸為制動電流Ires。折線ACD 的左上方為動作區(qū)，右下方為制動區(qū)。在實際計算中，如果裝置生產(chǎn)廠家將動作特性中的拐點值、折線斜率等進行固化，那則以裝置的固化值為準(zhǔn)。如果沒有固化，則可按以下算法進行計算。

圖2 變壓器縱聯(lián)差動保護動作特性圖

式中：Iop.min——最小動作電流；

Ires.0——起始制動電流；

Iop.max——差動速斷電流；

Ie——基準(zhǔn)側(cè)額定電流，S=0.5為折線斜率。

（2）復(fù)合電壓啟動的過電流保護

復(fù)合電壓啟動的過電流保護（簡稱“復(fù)壓過流保護”）可以作為變壓器相間短路故障的后備保護，宜在變壓器的高壓側(cè)和低壓側(cè)均設(shè)置。其電流整定值可按躲過變壓器額定電流整定。

式中：Krel——可靠系數(shù)，取1.2～1.3；

Kr——為返回系數(shù)，取0.85～0.95；

Ie——變壓器額定電流。

低電壓動作定值按躲過電機自啟動條件整定，負(fù)序電壓定值按躲過正常運行時出現(xiàn)的不平衡電壓整定。

式中：Uop——低電壓定值；

Uop.2——負(fù)序電壓定值；

Un——額定電壓二次值。

對于電流整定值的靈敏度系數(shù)Ksen，可按下式（9）計算。

對于變壓器低壓側(cè)的復(fù)壓過流保護，應(yīng)作為所有出線的后備保護，因此取所有饋出線回路末端兩相短路電流的最小值；對于變壓器高壓側(cè)的復(fù)壓過流保護，應(yīng)作為變壓器低壓側(cè)母線短路的后備保護，因此取變壓器低壓側(cè)母線兩相最小短路電流的穿越值。要求靈敏度系數(shù)Ksen≥1.3。

復(fù)壓過流保護的動作原則是盡量縮小切除的范圍，因此對于單側(cè)電源的降壓變壓器低壓側(cè)來說，通常設(shè)兩段保護，第一段先以t1時間斷開低壓母聯(lián)（分段）斷路器，第二段以t2=t1+Δt的時間斷開變壓器低壓側(cè)斷路器（其中t1應(yīng)與饋出線回路的過電流保護動作時限相配合，Δt為動作時間級差）。對于變壓器高壓側(cè)來說，可只設(shè)一段保護，即以t3=t2+Δt的時間斷開變壓器各側(cè)斷路器。

（3）高壓側(cè)接地故障后備保護

對于110/10 kV的變壓器，其高壓側(cè)中性點處通常會配置接地開關(guān)及放電間隙，因此其高壓側(cè)接地故障的后備保護包括了高壓側(cè)零序電流保護和高壓側(cè)間隙保護。

高壓側(cè)零序電流保護應(yīng)與變電站受電側(cè)110 kV 線路的零序電流保護配合，其一次動作值和動作時限通常小于受電線路零序電流保護的定值。

當(dāng)主變壓器高壓側(cè)中性點不接地時（不常見），間隙保護可作為接地故障保護。間隙電流保護的整定值與變壓器的零序阻抗、間隙電弧電阻等因素有關(guān)，通常一次值取100 A。間隙零序電壓定值設(shè)為180 V。間隙保護動作時間按躲過暫態(tài)過電壓時間整定，通常為0.3～0.5 s［6］。

3.4 10 kV饋出線路保護

變壓器低壓側(cè)常有35 kV、6 kV 及3 kV，這里只討論較多電壓等級的10 kV。

10 kV 饋出線路由110 kV 區(qū)域變電站送至車間10 kV 主電室，通常均為電纜線路，可設(shè)置階段式電流保護作為主保護。但是由于這部分10 kV 饋出線路并非是整個配電系統(tǒng)的末端線路，因此為了與下級配電線路做配合，電流保護動作需帶有延時，無法做到全線速動。為了保證10 kV 線路故障時可以無時限切除，可以增設(shè)電流差動保護作為主保護。電流差動保護的整定原則與110 kV 線路的差動保護類似。

階段式電流保護作為后備保護，可設(shè)一段或兩段。

式中：KK——可靠系數(shù)，KK≥1.1；

兩段電流保護的動作時間分別為tⅠ=+Δt，tⅡ=+Δt。和分別是下級車間主電室10 kV受電回路的兩段電流保護動作時限，Δt為動作時間級差。

3.5 10 kV受電線路保護

10 kV 受電線路由上級110 kV 區(qū)域變電站送至車間，其保護除了對線路本身進行保護之外，還作為車間內(nèi)10 kV電動機或變壓器的遠(yuǎn)后備保護。

10 kV 可設(shè)電流差動保護為主保護，階段式電流保護為后備保護。電流差動保護定值與上級饋出線路差動保護的一次定值保持一致即可。階段式電流保護作為后備保護，可設(shè)一段或兩段。

式中：KK——可靠系數(shù)，KK≥1.1～1.2；

Ijf——本車間主電室最大尖峰負(fù)荷電流（穩(wěn)定負(fù)荷電流與最大一臺發(fā)電機啟動電流之和）；

Kr——返回系數(shù)，Kr=0.85～0.95。

一段電流保護定值應(yīng)保證本線路末端故障時，靈敏系數(shù)不小于1.5。二段電流保護值保證在相鄰回路末端故障時，靈敏系數(shù)不小于1.2。

兩段電流保護的動作時間分別為tⅠ=+Δt，tⅡ=+Δt。和分別是車間主電室10 kV相鄰回路的兩段電流保護動作時限，Δt為動作時間級差。

3.6 多級保護配合

鋼鐵企業(yè)配電系統(tǒng)從電源端到最終的負(fù)荷端，涵蓋的電壓等級比較多，如果上下級之間的定值和動作時間配合出現(xiàn)問題，很容易造成繼電保護的誤動作或越級動作，擴大故障范圍。

圖3為根據(jù)上述繼電保護配置的多級保護動作時間配合序列圖。從最末端的10 kV 受電線路斷路器開始，動作時間逐級增加Δt（0.3 s），直至110 kV線路的兩側(cè)斷路器。10 kV 受電線路兩段電流保護動作時間分別為0.3 s、0.8 s，仍然為10 kV 終端變壓器或電動機回路預(yù)留了一級Δt（0.3 s）的時間。

圖3 多級保護動作時間配合序列圖

10 kV 饋出線路兩段電流保護動作時間分別為0.6 s、1.1 s。區(qū)域變電站主變壓器低壓側(cè)過電流保護第1 段1.4 s 跳開母聯(lián)（分段）開關(guān)，第2 段1.7 s 跳開變壓器低壓側(cè)開關(guān)，高壓側(cè)過電流保護2.0 s 跳開主變各側(cè)開關(guān)。110 kV 線路距離保護Ⅲ段分別經(jīng)2.3 s、2.6 s 跳開受電側(cè)和電源側(cè)開關(guān)。整體繼電保護配合通過設(shè)定不同的動作時間，盡量保證配電系統(tǒng)任一點發(fā)生短路故障時，先斷開離故障點最近的開關(guān)以切除故障，確保故障范圍不擴大。

4 中壓系統(tǒng)單相接地故障保護

鋼鐵企業(yè)中壓配電系統(tǒng)（10 kV 或35 kV）的中性點接地方式通常包括中性點不接地、中性點經(jīng)消弧線圈接地和中性點經(jīng)電阻接地3種方式。其幾乎全部采用電纜供電，一旦發(fā)生電纜故障則多為永久性故障，由單相接地故障發(fā)展為相間故障的幾率很大［7］。根據(jù)不同的中性點接地方式，可配置不同的單相接地故障的保護。

4.1 中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地

對于中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地的配電系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障時，其接地電流比較小，對于大部分回路，允許帶故障運行一段時間。但是對于電動機回路，當(dāng)單相接地電流超過10 A 時，需要跳閘切除故障。

基于這些特點，針對中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地的中壓配電系統(tǒng)，首先應(yīng)該對每個回路都設(shè)置小電流接地選線系統(tǒng)，用于發(fā)生在單相接地故障時能夠快速準(zhǔn)確的判斷出發(fā)生故障的回路。其次，對于電動機回路，還需要設(shè)置零序電流保護，當(dāng)零序電流超過10 A時，動作于本回路跳閘。

4.2 中性點經(jīng)低電阻接地

中性點經(jīng)低電阻接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時，其接地電流比較大，一般為100～1 000 A［7］，需要迅速對故障進行切除。

以圖1中的典型配電系統(tǒng)為例，當(dāng)其10 kV系統(tǒng)為中性點經(jīng)低電阻接地系統(tǒng)時，單相接地故障從下至上可設(shè)三級零序電流保護。第一級零序電流保護設(shè)在配電系統(tǒng)的最末端，即車間配電室的10 kV饋出線回路，可設(shè)兩段零序電流保護

式中：IopⅠ、IopⅡ——兩段零序電流保護的整定值；

KsenⅠ、KsenⅡ——兩段保護的靈敏系數(shù)系數(shù)，KsenⅠ=3、KsenⅡ=6。

兩段保護的動作時間可分別設(shè)為=0.2 s、=0.2s，動作與跳開本回路斷路器。

第二級零序電流保護設(shè)在上級區(qū)域變電站的10kV 饋出線回路，兩段保護的整定值與式（12）相同，動作時間+Δt=0.5+0.3=0.8 s，動作與跳開本回路斷路器。

第三級零序電流保護設(shè)在上級區(qū)域變電站的10kV接地變壓器回路。

式中：Iop——接地變壓器回路的零序電流定值；

IopⅡ——下級零序電流保護Ⅱ段的整定值，即式（12）的計算值；

KK——可靠系數(shù)，KK=1.1。

接地變壓器回路的零序電流保護分兩段跳閘，第Ⅰ段跳母聯(lián)或分段斷路器，動作時間+Δt=0.8+0.3=1.1 s，第Ⅱ段跳接地變壓器和主變壓器回路斷路器，動作時間+Δt=1.1 +0.3=1.4 s。

5 結(jié)束語

鋼鐵企業(yè)配電系統(tǒng)的繼電保護旨在保護整個企業(yè)配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，其合理的配置方案和準(zhǔn)確的定值設(shè)定可以有效地切除故障。

基于典型的鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，對繼電保護配置方案、定值計算方法以及上下級配合原則等進行了分析和探討，并給出了適合鋼鐵企業(yè)配電系統(tǒng)的建議，確保充分發(fā)揮繼電保護功能并減少整定計算的工作量。