发电厂继电保护整定计算原则及整定方法探析

2021-04-02付树强

机电产品开发与创新 2021年2期

付树强

（国家能源集团山西河曲发电有限公司，山西河曲 036500）

0 引言

电厂电气设备的正常运作，一时一刻也离不开继电保护，换言之，没有继电保护的电力系统是不完整的、是不可能运行的。继电保护是一项复杂的、系统的工作，整定计算作为其工作的核心，能有效切除故障设备、缩短停电时间、防止事故扩大，对保障设备安全、机组稳定起着至关重要的作用。所谓继电保护整定计算，就是根据设备参数、系统情况给出合理的定值，并使其满足可靠性、选择性、灵敏性、速动性四个基本要求。

1 电厂继电保护整定计算工作与电网整定计算工作的比较及其自身的特点

电力系统是由发电厂、送变电线路、供配电所和用电等环节组成的电能生产与消费系统，也可简单地分为电厂和电网。相应地，根据应用对象继电保护也分为电网保护（线路保护）和电厂保护（元件保护）。

继电保护整定计算工作是电厂继电保护专业的一项重要工作，保护定值整定的正确与否，直接影响保护装置的保护性能，并关系到被保护设备的安全运行。影响继电保护装置动作正确与否的因素除保护装置原理、装置设计制造水平外，很大程度上取决于正确可靠的整定计算。电厂继电保护整定计算工作的任务就是对各种短路故障和不正常工况进行模拟计算和分析，结合保护装置原理和被保护设备电气特性，为电厂各种继电保护装置给出整定值[1-2]。

对发电厂而言，发电机、变压器及厂用电系统继电保护整定计算的基本任务是，在最初进行保护装置选型时，可通过整定计算确定其技术规范和要求；对应用到现场的保护装置，通过计算给出合理的定值。

2 电厂继电保护整定计算工作基本思想和基本方法

下面结合河曲电厂一、二期工程继电保护整定计算的工作实际，将基本的整定计算步骤简要介绍如下：

首先需要了解电厂电气系统的基本情况并建立技术档案。包括主系统接线图、厂用电系统接线图。同时，收集发电机、主变、高压厂、低压厂、电抗器、高压电动机、低压电动机等不同电气设备基本参数。整定计算工作还需要掌握发电厂内所有高、低压电动机日常机械负荷的性质，并进行统计分类。进行整定计算时，还需要用到设计院竣工图纸中的电气设备继电保护配置图、原理与操作控制回路展开图、厂用系统程控联锁图等。同时，还要收集电气设备与汽轮机、锅炉等相关设备的联锁图。最后，收集并掌握主设备及厂用设备继电保护及自动装置的技术说明书、使用说明书及调度下发的最新系统阻抗。

第二步是绘制全厂电气设备等效阻抗图。阻抗图一般分为正序、负序和零序阻抗图三部分。电气元件负序阻抗的取值可遵循以下原则：对于变压器、电抗器、架空线路、电缆线路等静止电气元件，负序电抗与正序电抗相等。而对于汽轮发电机等旋转电气元件，负序电抗不等于正序电抗，其值可从产品手册里查找或采用X2=1.22Xd"的近似公式计算得出。电气元件零序阻抗的取值方法则各不相同，可参考产品手册的实测值或采用经验公式计算得出。

第三步确定并选择整定计算用的系统运行方式[3]。为提高继电保护装置对运行方式变化的适应能力，必须合理选择系统的最大和最小运行方式。根据运行方式确定河曲电厂为大方式选择为系统最大，四台机组运行，厂用电由高厂变供电；小方式选择为系统最小，三台机全停，厂用电由启备变供电。

第四步是进行短路故障计算，编制短路电流计算书。短路计算一般采用基于标么值的运算曲线法，通过人工计算得到各个故障点的短路电流，在条件允许时可以借助成熟的整定计算软件进行计算，最后将两种方法得到的计算结果进行比较验证已确保短路电流计算结果的准确性从而得到各个故障点的实际短路电流。

第五步是整定保护定值，编制定值整定计算书及保护定值通知单[4-5]。继电保护装置的整定值一般可参考整定计算导则、相关技术规程和保护装置技术资料给出的计算公式得出。

3 河曲电厂继电保护整定计算工作取得的经验

下面简要介绍一下河曲电厂继电保护整定计算工作中积累的几点经验：

一是关于双电缆接线其零序电流互感器二次绕组接线方式不同对零序保护定值整定的影响。某电厂2013 年2 月25 日22：55：57 #4 炉B 吸风机电机电缆C 相发生接地故障，发变组保护4B 分支零序过流I 段保护动作，#4 机组10kV4B 段母线进线开关跳闸，4B 段母线失电，机组非停。测量#4 机10kV B 段母线绝缘合格，#4B 引风机电缆绝缘不合格。检查#4B 引风机电机本机接线盒，发现接线盒内C 相电缆终端绝缘护套有对地放电灼伤痕迹，护套有一处绝缘开裂，接线盒内三相接线柱电缆附近均有弧光放电痕迹。测量#4B 引风机电机绝缘合格。机组跳闸原因初步确定，处理故障电缆后，启动#4 炉A 引风机等设备，#4 机组于26 日08：59 并网。此次事故虽说存在4B 吸风机电机电缆绝缘故障故障点但是开关的保护装置越级跳闸导致机组非停，需要重点检查、分析保护装置的可靠性及保护定值的正确、合理性。现场核实保护装置定值与定值单整定一致，#4 炉B 引风机接地保护定值和#4 发变组保护高厂变B 分支零序过流I 段定值分别为（以下电流定值均为一次值）：#4 炉B 引风机接地保护：动作值40A，动作延时0.4s；高厂变B 分支零序过流I段：动作值80A，动作延时0.7s，符合《厂用电继电保护整定计算导则（DL/T 1502-2016）》7.8.2 的规定，上下级接地零序保护定值从动作值和动作延时均可实现上下级的可靠配合，定值整定正确。校验保护装置保护装置动作正确，进一步检查发现该厂#4 炉B 引风机电机功率为7200kW，单根3×185mm2电缆截面积不能满足要求，因此采用了两根电缆并联接线方式，每根电缆上各装设了一只零序电流互感器，其二次绕组联接方式为串联方式。根据《DL/T 5153-2002《火力发电厂厂用电设计技术规定》中9.2.4 的说明：双电缆接线其零序电流互感器二次绕组接线方式可分为串联、并联两种方式。以得到最大的零序输出容量为条件，当负载阻抗等于零序电流互感器的内阻抗时，串联、并联是一样的，若负载阻抗大于内阻抗，则以串联为大，反之，以并联为大。一般情况下负载阻抗都大于内阻抗，所以条文规定了以串联方式接入继电器。该厂实际情况是：经过实际测量零序电流互感器实际内阻抗为：1.1Ω，外阻抗为：0.2Ω，负载阻抗远远小于内阻抗，因此两只零序电流互感器二次绕组设计为串联方式与现场实际不适宜。现场以零序电流互感器二次绕组串联接线方式加量测试，实际偏差（电流值均为一次值）。以零序电流互感器二次绕组并联接线方式加量测试，实际值与保护装置采样基本一致。因此，采用串联接线方式造成采样不准确，#4 炉B 引风机电机开关零序保护未能准确动作，造成越级跳闸。

二是过去由于设计的原因中压厂用电母线普遍未设置母线快速动作的主保护，而是由进线开关的后备保护（如高厂变后备保护）兼顾，高厂变分支限时速断0.3s 动作，分支复合过压电流时间为1.3s，主厂房中压母线发生任何故障都需要延时0.3s 切除。鉴于中压母线的重要地位，母线发生故障时，其短路电流所产生的电弧及其大量的高温，使开关柜内气体急剧膨胀，在极短时间内达到顶峰，严重危及人身和设备安全，所以建议通过技改逐步配置中压母线弧光保护，并按照《厂用电继电保护整定计算导则（DL/T 1502-2016）》8.4 之规定电流定值按躲过母线正常运行时电源进线的最大负荷电流整定Iop=（1.1-1.3）Ie，其中，Ie—母线正常运行时电源进线的最大负荷电流二次值，动作时间不需要和其他保护相配合，可取0～20ms，出口方式：动作于跳所接母线分支断路器（或进线断路器）、闭锁快切。

三是：关于FC 回路大电流闭锁跳闸出口功能投退的建议，按照《厂用电继电保护整定计算导则（DL/T 1502-2016）》5.2.4 之规定闭锁电流整定值Iart=IbrkFC/（Krelna）其中：na—电流互感器变化；Krel—可靠系数取1.3～1.5：IbrkFC—接触器允许断开电流。在实际应用中发现使用FC 开关的负荷功率、容量一般都比较小，以ABB VSC 真空接触器及东大金智WDZ-430EX 电动机综合保护装置组合为例，接触器允许断开短路电流为6000A，同时小负载开关配置CT 变比也较小，以CT 变比为50/1 为例，按照《导则》的规定闭锁电流整定值应为92.3-80A（二次值），实际保护装置的定值上限为24A，导致保护定值无法整定，如按照保护装置上限整定FC 大电流闭锁电流一次值为1200A 远远小于接触器允许断开短路电流6000A，再加上使用FC 开关CT 的准确等级一般为10P20，在出现大的故障电流时（中压母线三相短路电流可达20 多kA）CT可能已经饱和无法保证二次输出的准确性从而也无法保证保护装置动作的准确性，综合上述考虑建议将FC 大电流闭锁跳闸出口功能退出，在出现相间短路故障大的故障电流时依靠熔断器的快速熔断来切除故障。