包钢电网继电保护配置原则分析

张 洋，刘艳芬

(1.斯特拉斯克莱德大学，英国格拉斯哥市 G20 9HE；2．内蒙古包钢钢联股份有限公司供电厂，内蒙古包头 014010）

包钢电网继电保护配置原则分析

张 洋1，刘艳芬2

(1.斯特拉斯克莱德大学，英国格拉斯哥市 G20 9HE；2．内蒙古包钢钢联股份有限公司供电厂，内蒙古包头 014010）

在介绍了电网常见故障类型及继电保护任务的基础上，详细分析了包钢电网特点及对继电保护的影响和相应的对策，最后给出了针对包钢电网的各级继电保护配置原则。

电网故障；继电保护；电网特点；配置原则

1 引言

近几年随着包钢生产规模的不断扩大,包钢电网发展迅速,目前运行2座220 kV枢纽变电站，11座110 kV总降压变电站，60座35 kV及10 kV车间变电站，还有2座110 kV总降压变电站正在建设中。同时节能发电机组TRT、CCPP、两机两炉、干熄焦投运后，自发电也快速增长。由于内部电源的出现，包钢电网不再是一个简单的单端电源辐射型配电网，而是成为了一个复杂网络。包钢电网的安全稳定运行对包钢的生产顺行至关重要，而继电保护作为保障电网安全稳定运行的第一道防线，担负着保卫电网和设备安全的重要职责。因此包钢电网各电压等级设备继电保护的选配是一项很重要的工作，也是继电保护起到应有作用的前提和基础。

2 包钢负荷特点及继电保护对策

（1）负荷重。冶金大工业生产需要的用电设备较多且集中，尤其是有很多大型电机拖动的轧机、鼓风机、空压机、氧压机、氮压机、风机、水泵、破碎机、球棒磨机等，最大电机达到36500 kW。由于供电设备通过电流较大，运行中经常会出现接头发热现象。

在继电保护整定计算过程中，由于电网末端短路电流较小而所带负荷较大，有些地方会出现单纯过电流保护灵敏度不满足要求的情况，需要投入复合电压闭锁过电流保护，降低过电流定值，增加低电压和负序电压的闭锁条件，以区别正常运行和故障状态。

（2）冲击性。由于大型电弧炉、大型初轧机、各类型钢轧机、冷、热连轧机等用电设备单机容量大，运行时有功功率和无功功率随时间和工况不断地呈周期性变化，这些冲击性负荷造成电网电压和频率的波动，对电力系统和用电设备都有很大的影响。

冲击性负荷会导致继电保护装置频繁启动，传统电磁式保护装置在电流下降时会自动返回，但微机继电保护装置由于反应更加灵敏，突变量启动功能频繁报警，有些地方不得不牺牲一些灵敏度，放大突变量启动定值。同时为躲开正常运行的最大冲击电流，必须抬高过电流保护定值门槛，但这样保护的灵敏度往往不满足要求，因此，须将单纯的过电流保护改为复合电压闭锁过电流保护或距离保护。

（3）非线性。包钢有很多变流装置和电弧炉等非线性负荷用电设备，非线性负荷引起系统电压波形畸变，产生高次谐波电流，使电能质量变差。高次谐波在电网中会产生谐波损耗，使发、变电和用电设备发热，加速设备绝缘老化，缩短设备使用寿命，影响继电保护和自动装置动作的准确性，对通讯线路和控制信号造成电磁和射频干扰等。

对于由非线性负荷产生并注入系统的谐波必须要加以抑制，具体方法是在为非线性负荷供电的母线上并联高次谐波滤波器。现场设计时一般是将谐波治理和功率因数补偿同时考虑。

3 包钢电网结构特点及继电保护对策

（1）短网。用电设备集中，供电半径小，馈出大多为1 km左右电缆且多根并列运行，线路阻抗小到几乎可以忽略不计，因此即使是电网末端馈出设备故障，都会在包钢电网系统出现大范围的电压下降，使得一些对工作电压较敏感的自动化设备以及辅助低压设备无法正常工作，甚至停机、停炉，严重影响公司生产稳定运行。

由于线路阻抗小，线路首末端短路的短路电流相差无几，在继电保护配合的整定计算过程中，常常会发现电流速断保护没有灵敏度，而提高了灵敏度即保护范围延伸到下一级线路的结果是下一级线路始端故障时，上下两级电流速断保护同时动作跳闸，而上级保护属于越级跳闸，扩大了事故停电范围，除非为保全系统牺牲选择性，否则，这是正常所不允许的。传统的做法是牺牲一些快速性，给上级电流速断保护增加短延时来与下级保护配合。近年来，许多微机保护生产厂纷纷研制了针对中低压配网线路的方向纵联保护，简单、经济，不需要上下级配合，可以实现快速切除故障。

包钢应用的方向纵联保护是闭锁式方向保护，在被保护线路两端各安装一台保护装置，通过光纤进行通讯。系统正常运行时，光纤通道无闭锁信号；而在外部故障时，由检测到短路功率方向为负的一侧装置持续发出闭锁信号，闭锁两侧装置；双端电源线路内部故障时，两侧保护装置均启动，先发闭锁信号，45 ms后停发闭锁信号，这时两侧装置在先收到闭锁信号然后又收不到闭锁信号，而其他动作条件满足的情况下，装置动作出口，切开各自断路器；单端电源线路内部故障时，电源侧保护装置启动后，先发闭锁信号，45 ms后停发闭锁信号，另一侧保护装置因为没有电源，未启动，在收到对侧闭锁信号后转发闭锁信号，30 ms后停发闭锁信号，这样电源侧装置在先收到闭锁信号然后又收不到闭锁信号，而其他动作条件满足的情况下，装置动作出口，切开本侧断路器。

（2）联络线多。包钢是大型连续性生产企业，突然停电会造成人员及重大设备损坏事故，因此对电源的要求很高，一级负荷应有两个独立的电源供电，对特殊重要的一级负荷应由两个独立电源点供电。如果得不到两个独立电源点时，需设立保安电源[2]。包钢电网对内、外部电源供电区域的重要变电站进行了联络，并能辐射到本区域其它重要变电站，实现各区域电源的共享，为包钢安全生产打造了坚强电网。但联络线多对运行管理的要求也高，变电站不同电源点之间要经过同期装置并列，以避免非同期合闸对电网带来的严重后果。

由于联络线既是某一区域变电站的馈出，又是另一区域变电站的电源，在继电保护整定配合上有很多困难。包钢电网的做法是尽量将全网不同电源同一电压等级设备的后备保护时限统一，尽可能增加一级联络线馈出时限。同时将联络线按电压等级及重要性分级管理。

（3）多级串联供电。包钢电网同一电压等级存在多级串联供电结构，由于受电源端保护时限的限制，无法再分出保护时限级差数，基于正常分列运行方式较多的情况，包钢电网将变压器后备过流保护或进线过流保护与母线分段保护整定为同一时限，串联供电变电站甚至取消进线后备保护，以减少保护配合级差数。

对于多级串联供电结构的系统，传统继电保护很难整定，且时限配合困难，因此在35 kV和10 kV馈出线路上应用了微机型的闭锁式方向纵联保护，不需要上下级时限配合，能够实现快速动作。

4 包钢电网继电保护配置原则

（1）110 kV及以上输电线路尽量以纵差保护作为线路的主保护，无需与上下级保护配合，可以实现快速切除线路故障。采用三段式相间距离保护作为相间短路故障的后备保护，采用阶段式零序电流保护作为接地短路故障的后备保护。后备保护需要与上下级保护配合整定。

（2）110 kV主变压器以差动保护和重瓦斯保护作为变压器的主保护，不需要上下级配合，可以瞬时切除变压器故障。采用复合电压闭锁过电流保护、接地零序保护或不接地间隙零序保护、过负荷保护等作为后备保护。

（3）110 kV母线以微机母线差动保护作为母线的主保护，给母线供电的变压器或电源进线的后备保护同时也作为母线的后备保护。

（4）35 kV及10 kV线路推荐采用闭锁式方向纵联保护作为短线路的主保护，带上下级时限配合的过电流保护作为后备保护，在有内部电源联网的局部线路上过电流保护还要校验是否需要增加方向元件。

（5）35 kV及10 kV变压器采用差动保护和重瓦斯保护作为变压器的主保护，不需要上下级配合，可以瞬时切除变压器故障。采用过电流保护、过负荷保护等作为后备保护。若过电流保护灵敏度不够，则采用复合电压闭锁过电流保护。

（6）终端变压器及电动机是高压电网最末端的设备，一般不需要与下级保护相配合，只要躲过变压器的励磁涌流或电动机的正常启动电流即可以实现电流速断保护。小容量变压器一般以电流速断保护作为主保护，以动作时限为0.4 s的过电流保护作为后备保护；电动机一般以电流速断保护作为主保护，大容量电动机安装差动保护为主保护，以过电流保护和低电压保护等作为后备保护，其中过电流保护根据启动方式的不同，可以采用反时限过电流保护或定时限过电流保护。

（7）目前35 kV及10 kV母线没有专门的保护装置，故障要靠主变压器低压侧的后备保护或进线过流保护来切除。近年来随着电网规模的不断扩大，节能发电机组的投运以及大型电动机的应用，企业中低压母线的短路容量也越来越大。由于母线短路故障电流增大、持续时间又长，后备保护延时长等原因，使不少本可以快速消除的故障未及时切除，造成配电装置严重烧毁，引起大范围停电，扩大了事故，造成了严重经济损失。针对这种情况，包钢与微机保护生产厂共同合作研发了一种新的微机型过流闭锁式不完全母差保护装置，原理简单，动作速度快，能可靠保护中低压系统母线各种类型的故障，下一阶段准备在尾矿供电系统试用，并逐步推广。

5 结论

包钢电网在确定继电保护配置方案时，按照选择性、速动性、灵敏性和可靠性这四个基本要求，兼顾电网实际情况，分清主次，在确保灵敏度的前提下，进行最优化配置，并尽量采用投资少、维护费用较低和简单的保护装置。近几年的运行结果证明这一配置方案是合理、有效的。

[1]贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理[M].北京：水利电力出版社，1991.

[2]钢铁企业电力设计手册编委会.钢铁企业电力设计手册（上册）[M].北京：冶金工业出版社，1996.

表5 容量为2000 kVA变压器不同负载率时的运行损耗

（4）空载或轻载设备及时停电

在该企业每年的例行检修及每月的生产任务完成后的设备维修期间，大部分变压器空载运行；公辅区的一部分水泵、空压机等处于轻载运行状态。轻载或空载运行的电气设备本身存在铜损和铁损等损耗，浪费了不少电能。为了节能降耗，在保证安全可靠的前提下，下发通知，要求相关单位将轻载或空载运行的电气设备停电。落实此方案后，每月可节约用电2.75万kW·h电左右，按0.75元/kW·h计算，每年可节约电费约24.75万元。

4 精细化管理措施落实后的效果

从技术、工艺、管理等三方面采取多种降低电能消耗的精细化管理措施后，2010年～2013年，该企业吨钢电费支出呈逐年下降趋势，具体见表6。

表6 某企业近几年吨钢电费情况

5 结论

降低电能消耗的精细化管理措施有：水泵工频运行改变频运行、T8型照明灯管改T5型照明灯管等技术节能措施；调整生产工艺、按“躲峰”原则组织生产等降低电费的工艺措施；降低“提光”比例系数、提高供电系统功率因数、调整部分变压器运行方式、空载或轻载设备及时停电等降耗的管理措施。综合运用这些措施，某大型钢铁冷轧企业的吨钢电费成本近几年呈逐渐下降之势，取得了良好的经济效益和社会效益，为节能降耗、低碳环保做出了贡献。

收稿日期：2013－12－30

作者简介：聂加余（1964－），男，研究生学历，工程师，现从事工厂供电系统技术管理工作。

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

张洋（1991－），女，曾就读于上海电力大学，毕业于英国斯特拉斯克莱德大学电力电子及电气工程专业，本科学历，学士学位，研究方向为power engineering.