电厂起备变保护与相邻线路保护配合的研究

陈 鑫

(江苏省电力设计院，江苏 南京 211102)

江苏省电力设计院设计的某燃机发电厂即将进入倒送电阶段。在对电厂的高压起备变保护进行整定时，发现起备变的过流保护在与相邻线路零序保护的配合上存在问题。该燃机电厂工程为新建3台E级燃气－蒸汽联合循环热电联产机组，3台燃机发电机和3台汽机发电机均采用发电机－变压器单元接线的形式，用220kV电缆接入厂内220kV GIS配电装置。220kV系统为双母线接线方式。每台机组设置1台高压厂用工作变压器，其高压侧电源直接引接于汽机发电机出口，不设断路器。高压起动备用变压器接在220kV母线上。

1 电气接线及参数

电厂的电气主接线如图1所示。

图1中：燃机发电机的额定功率180 MW，功率因数0.85，次暂态电抗13.9%；燃机主变的额定容量205 MV·A，短路阻抗 20%，接线方式为Yn／△11；汽机发电机的额定功率100 MW，功率因数0.85，次暂态电抗16.3%；汽机主变的额定容量100 MV·A，短路阻抗20%，接线方式为Yn／△11；起备变的额定容量14 MV·A，短路阻抗10%；零序阻抗实测值为 323.7 Ω／相，接线方式为 Yn／△11；高厂变的额定容量14 MV·A，短路阻抗10%，接线方式为△／△0。

系统参数如表1所示。其基准值SB=100 MV·A，UB=230kV，系统的负序阻抗近似认为与正序阻抗相同。

表1 系统参数表

2 线路侧单相接地短路电流计算

要分析220kV线路侧单相接地对起备变过流及零序保护的影响，必须要计算单相接地时短路电流的大小及分布。对于本工程，短路电流计算有如下假设：

（1）短路前，所有电源的次暂态电动势均取为额定电压，即标么值为1，且同相位。这样相当于短路前，整个回路为空载状态，短路点处的电压为1。

（2）高厂变低压侧带有部分6kV电动机负荷，由于该6kV负荷距短路点较远，短路瞬间6kV电动机倒送出的短路电流可以忽略不计。短路后，根据文献[1]，可以将6kV负荷当作X=1.2（以负荷本身的容量为基准值）的恒定阻抗支路接入，再加上高厂变自身的正序（负序）阻抗，则高厂变分支正序（负序）阻抗将比它并联分支的阻抗大近67倍，可以视为开路。同时，由于高厂变接线方式为△／△0，零序电流不能流通，故零序网络中也不包括高厂变支路。由上可见，在220kV线路侧单相接地时，高厂变支路可以忽略不计。

（3）对于起备变而言，在220kV线路上发生单相接地时，起备变低压侧所带6kV负荷距短路点较远，并且由于异步电动机倒送的短路电流衰减很快，同样可不记入异步电动机倒送的短路电流。由于此处需计算短路电流在起备变高压侧的分布，为了尽量减少误差，在此考虑起备变支路的正序（负序）阻抗，而不是也将其视为开路。经查看厂用电负荷统计，起备变低压侧分别给3个分支供电（3个分支不同时工作），其中最大一段的计算负荷为13617.8kV·A。则可将6kV负荷当作X=1.2（基准容量取14 MV·A）的恒定阻抗支路接入。则当基准容量取为100 MV·A时，该恒定电抗的正序、负序电抗为。由于起备变为YNd11接线，零序电流在起备变低压侧三角形绕组内形成环流，6kV负荷内没有零序电流流通，故零序网络仅包括起备变的零序阻抗，不包括负荷。

综上所述，基准值取SB=100 MV·A，UB=230kV，变压器变比为平均额定电压比，则220kV线路单相接地时，正序和负序及零序阻抗图如图2所示。

图2 正序和负序及零序阻抗图

为计算短路电流在起备变支路中的分布，先将除起备变支路外的其他回路化简，如图3所示。最终的三序网图如图4所示。

根据单相接地短路的规律，可以得到单相接地短路时从短路点流出的三序电流为：

图4 最终三序网图

经计算，可得流过起备变高压侧各相电流的幅值（有名值）为：

短路点处的负序电压（标么值）为：

3 起备变复合电压过流保护动作电流的计算

起备变复合电压过流保护的动作电流应按躲过起备变的额定电流进行整定[2]。

起备变额定电流：

复合电压过流保护的动作电流：

此处配合系数K1为1.1，可靠系数Kk为1.2，返回系数Kh为0.85，复合电压过流保护的动作电流为：

一般负序电压的整定值U2op=0.06Ue，而上述计算得到单相接地时，负序电压为0.304Ue。因此，负序电压元件会动作。

4 起备变过流保护与线路零序保护的配合

从上述计算可以看出，当线路侧靠近220kV母线处发生单相接地短路时，流过起备变的短路电流将要大于起备变复合电压过流保护的动作电流值，而且负序电压元件同样会启动，如不采取措施，起备变的复合电压过流保护将无选择性的动作。

对于上述情况，可以采取2个措施，一是起备变过流保护采用延时与220kV线路的零序保护进行配合，二是起备变过流保护增加方向元件。如起备变过流保护采用延时与220kV线路的零序保护相配合，根据调度部门给出的信息，延时将达5.1 s，而起备变过流保护与其低压侧保护相配合时的延时最多也仅为1.2 s，故只能考虑增加方向元件。方向元件的方向由220kV母线指向起备变，这样当反方向（线路侧）发生短路时能可靠地闭锁不动作。

5 起备变零序保护与线路零序保护的配合

起备变零序保护如图5所示。

图5 起备变零序保护示意图

从图5可以看出，如果起备变的零序保护电流取自起备变高压侧中性点零序电流互感器（－TA0），则无论单相接地发生在220kV线路上 （图中处，起备变保护区外），还是发生在220kV母线与起备变高压侧之间（图中处，起备变保护区内），起备变保护装置测得的零序电流的大小和方向都是一样的，即对于起备变区内、区外的单相接地故障没有选择性。如果起备变的零序保护电流取自起备变高压侧电流互感器（－TA1）的自产零序电流，则区外故障时（），零序电流方向指向母线，且零序电流为整个零序电流在起备变分配的部分；区内故障时（），零序电流方向指向变压器，该零序电流为整个零序电流在系统分配的部分。由于系统的零序阻抗为0.010853，起备变的零序阻抗为0.6119，两者相差近56倍，则上述两种情况下零序电流相差近56倍。由此可见，当起备变的零序保护电流采用起备变高压侧电流互感器的自产零序电流时，零序电流保护具有很好的选择性和很高的灵敏度，没有必要采用带方向的零序电流保护。

6 起备变零序保护整定计算

如上所述，起备变零序保护的动作电流取自起备变高压侧三相电流互感器的自产零序电流，组成不带方向的二阶段零序过电流保护[3]。

（1）起备变零序保护I段。动作电流按躲过高压侧母线单相接地短路电流计算：

式（1）中：3I0.OP.1为起备变零序保护I段动作电流整定值；Krel为可靠系数， 取 1.2～1.3；K0.bar为起备变高压侧零序电流分支系数；为高压侧母线单相接地时最大3倍零序电流值。根据上文，可以得到：

转为有名值为：

灵敏度校验：

将各数据代入式（2），得：

由于起备变零序保护I段按躲过高压侧母线单相接地计算，同时考虑该保护与线路零序保护I段配合，其动作时间可以整定为0.3～0.4 s。

（2）起备变零序保护II段。起备变零序保护II段的动作电流整定值需与相邻线路零序保护II段或者末段相配合，其保护动作时间也需在线路零序保护II段或者末段的动作时间上加一级级差，此处不再展开讨论。

7 结束语

从上述讨论可以看出，由于220kV系统为中性点有效接地系统，单相接地电流很大，对于Yn／△接线的起备变而言，虽然其零序阻抗相对于系统而言很大，但仍然会流过较大的零序电流，再加上正序、负序电流，则在起备变高压侧流过的短路电流会超过根据起备变额定电流整定的过流保护动作值。解决的办法可以对起备变过流保护加延时或者加装方向元件，具体采用哪种方案视工程的具体情况而定。对于Yn／△接线的起备变高压侧零序保护而言，取自高压侧电流互感器的自产零序电流能够反映区内、区外故障，具有很好的选择性和很高的灵敏度，在通常情况下，没有必要采用带方向的零序电流保护。

[1]刘万顺.电力系统故障分析（第二版）[M].北京：中国电力出版社，1998.

[2]能源部西北电力设计院.电力工程电气设计手册2[M].北京：中国电力出版社，1991.

[3]高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2006.