劉珊，桑振海，石爽，馬力

（1. 西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院電氣設(shè)計(jì)分院，陜西西安 710065；2. 青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司

工程建設(shè)分公司，青海西寧 810016）

水電廠廠用電繼電保護(hù)系統(tǒng)是電站繼電保護(hù)的重要內(nèi)容，但常常沒(méi)有得到應(yīng)有的重視，尤其對(duì)于大型水電廠廠用電系統(tǒng)，合理的配置廠用電繼電保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)電站的安全運(yùn)行具有重要意義。文章結(jié)合大型水電廠廠用電接線特點(diǎn)及整定計(jì)算要求，針對(duì)廠用電主、后備保護(hù)配置方案進(jìn)行了闡述和探討。

1 大型發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)整定計(jì)算的運(yùn)行工況分析

大型發(fā)電廠廠用電電源至少為兩個(gè)電源[1]，除廠電外，還有一個(gè)外來(lái)電源，接線通常采用兩級(jí)電壓供電，高壓廠用電壓一般采用10 kV或6 kV，通過(guò)廠高變直接與發(fā)電機(jī)出口斷路器連接，低壓廠用電壓為0.4 kV，通過(guò)設(shè)置機(jī)組自用變、全廠公用變及照明變、壩區(qū)變等與廠用10 kV或6 kV母線連接，兩級(jí)廠用電接線均采用分段環(huán)形接線，正常運(yùn)行方式采用各段母線分列運(yùn)行，僅當(dāng)某回電源故障時(shí)采用一路電源供電、分段開關(guān)聯(lián)絡(luò)運(yùn)行的方式。

結(jié)合分析了大型發(fā)電廠廠用電接線及運(yùn)行方式，歸結(jié)廠用電繼電保護(hù)系統(tǒng)整定計(jì)算對(duì)應(yīng)的接線方式可化簡(jiǎn)為如圖1（a）所示，針對(duì)不同運(yùn)行方式廠高變及廠低變電流速斷靈敏度校核對(duì)應(yīng)用圖通常分別為如圖1（b）及圖1（c）所示[2]。

2 大型水電廠廠用電系統(tǒng)保護(hù)配置中遇到的主要問(wèn)題及解決方案

2.1 廠用變壓器主保護(hù)的配置方案

圖1 各種運(yùn)行方式下的廠用電繼電保護(hù)系統(tǒng)整定計(jì)算用圖Fig. 1 Setting calculation diagram for each operation modes of power plant protection system

廠高變、廠低變主保護(hù)的配置方案廣泛采用電流差動(dòng)及電流速斷保護(hù)[3]。針對(duì)廠低變及容量不足6.3 MV·A的廠高變主保護(hù)配置方案的選擇，關(guān)鍵點(diǎn)在于電流速斷靈敏度能否滿足要求，對(duì)此文章進(jìn)行了詳細(xì)論述。

2.1.1 分析計(jì)算

首先，以某電廠廠低變主保護(hù)配置為例說(shuō)明廠低變速斷靈敏度不足時(shí)未設(shè)置差動(dòng)保護(hù)而帶來(lái)的問(wèn)題：

1）主設(shè)備參數(shù)。某電廠廠高變、廠低變及外來(lái)變參數(shù)如表1所示。

表1 某電廠廠高變、廠低變及外來(lái)變參數(shù)表Tab. 1 Parameters table of a power plant service transformer

2）阻抗標(biāo)幺值計(jì)算[4]

3）繪制等值阻抗圖（圖2）[4]

圖2 某水電廠廠用低壓變壓器整定計(jì)算用等值阻抗圖Fig. 2 Equivalent impedance chart for setting calculation of hydropower plants service transformer

4）電流速斷整定計(jì)算[4]

①躲過(guò)外部短路時(shí)流過(guò)保護(hù)安裝處的最大短路電流[5]：

②躲過(guò)變壓器勵(lì)磁涌流[5]：

綜上可得，電流速斷的定值取為10 A。

③靈敏度校驗(yàn)[5]

式中，Idmin為廠低變高壓側(cè)保護(hù)安裝處發(fā)生兩相最小短路電流，由圖2可得：

5）針對(duì)廠低變主保護(hù)配置并結(jié)合上述工況，解決方案為：

①當(dāng)滿足條件2.7K2X3

②當(dāng)不滿足上述條件而未設(shè)置電流差動(dòng)時(shí)，配置時(shí)限速斷[6]，定值計(jì)算以保證靈敏度為原則加以短延時(shí)，即犧牲保護(hù)的速動(dòng)性來(lái)保證保護(hù)的選擇性。此時(shí)應(yīng)注意兩個(gè)方面，一是廠用電保護(hù)時(shí)限的整體配合；二是采用時(shí)限速斷后由于后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間增長(zhǎng)一個(gè)級(jí)差，需注意考核一次主設(shè)備的額定短時(shí)耐受電流能力[7]。通過(guò)幾個(gè)電站的實(shí)際數(shù)據(jù)，在這種工況下設(shè)置時(shí)限電流速斷時(shí)，廠高變后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間基本在2 s以內(nèi)，且考慮后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)短路電流的衰減，一般來(lái)說(shuō)主設(shè)備額定短時(shí)耐受能力能夠滿足要求。

其次，分析廠高變差動(dòng)設(shè)置的必要性：

1）容量不足6.3 MV·A的廠高變電流速斷靈敏度分析。發(fā)電機(jī)機(jī)端引接的廠用電源電源側(cè)阻抗可忽略，廠用變短路阻抗按6%考慮、水電廠機(jī)組的Xd取0.2，則廠用變低壓側(cè)三相短路電流為：

最小運(yùn)行方式通常按一臺(tái)機(jī)組供給短路電流考慮，廠高變高壓側(cè)保護(hù)安裝處兩相短路電流為：

此外，對(duì)于電廠采用三圈變的主變壓器時(shí)，需引起重視，防止由于系統(tǒng)運(yùn)行方式變化大而使得廠高變電流速斷靈敏度無(wú)法滿足要求。

2）廠高變主保護(hù)配置的解決方案為。容量不足6.3 MV·A的廠高變，通常廠高變電流速斷保護(hù)。對(duì)于存在運(yùn)行方式變化大的運(yùn)行工況下的廠高變，需進(jìn)行定量化計(jì)算進(jìn)行保護(hù)配置方案的確定。

2.1.2 結(jié)論

廠用兩級(jí)變壓器主保護(hù)配置在考慮滿足保護(hù)四性要求時(shí)，應(yīng)結(jié)合主設(shè)備自身要求進(jìn)行分析，在主設(shè)備承受能力范圍內(nèi)，在確保保護(hù)的選擇性、靈敏性時(shí)保護(hù)快速性可以結(jié)合具體工程具體分析，不必一概而論均設(shè)置差動(dòng)保護(hù)。

2.2 10 kV（6 kV）母線保護(hù)及廠用高壓變壓器后備保護(hù)配置方案及整定計(jì)算

2.2.1 10 kV（6 kV）母線保護(hù)及廠用高壓變壓器相間后備保護(hù)配置方案

筆者認(rèn)為，廠高變高壓側(cè)設(shè)置兩段三時(shí)限過(guò)流保護(hù)作為廠高變及10 kV（6 kV）母線的后備保護(hù)，10 kV（6 kV）分段及進(jìn)線開關(guān)處不設(shè)置保護(hù)裝置。主要原因分析如下：

如圖3所示，10 kV（6 kV）分段及進(jìn)線開關(guān)處設(shè)置保護(hù)裝置作為母線主保護(hù)同時(shí)兼做相鄰饋線的遠(yuǎn)后備保護(hù)，對(duì)廠用系統(tǒng)存在一定特殊性：廠用系統(tǒng)10 kV（6 kV）出線通常距離很短，如果進(jìn)線、分段設(shè)置保護(hù)裝置則存在其定值與10 kV（6 kV）出線保護(hù)定值難以區(qū)分的實(shí)際問(wèn)題，因此進(jìn)線、分段無(wú)法設(shè)置快速主保護(hù)，而只能設(shè)置時(shí)限速斷和過(guò)流保護(hù)，可由廠高變高壓側(cè)兩段三時(shí)限過(guò)流保護(hù)兼做，同時(shí)通常廠高變保護(hù)隨發(fā)變組保護(hù)裝置構(gòu)成雙重化配置[8]，且進(jìn)線、分段處保護(hù)裝置取消的同時(shí)減少了廠用繼電保護(hù)系統(tǒng)時(shí)限和動(dòng)作電流配合的復(fù)雜性，可靠性得到提高。

圖3 水電廠廠用電系統(tǒng)接線圖Fig. 3 Hydropower plant service power diagram

2.2.2 廠用高壓變壓器相間后備保護(hù)整定計(jì)算

按遠(yuǎn)后備原則[9]，廠高變過(guò)流保護(hù)應(yīng)采用兩段式保護(hù)，一段為時(shí)限速斷保護(hù)，用于保證10 kV（6 kV）母線短路時(shí)能快速靈敏的切除故障，二段為過(guò)流保護(hù)，作為廠高變、10 kV（6 kV）母線及出線故障的后備保護(hù)。

廠高變過(guò)流I段與10 kV（6 kV）出線速斷保護(hù)配合，可按最小運(yùn)行方式下相鄰母線發(fā)生兩相短路故障時(shí)有1.5倍靈敏度進(jìn)行校驗(yàn)；廠高變過(guò)流I段與10 kV（6 kV）出線過(guò)流保護(hù)配合，需對(duì)10 kV（6 kV）出線末端故障有必要靈敏度以避免故障范圍的擴(kuò)大化。

廠高變過(guò)流保護(hù)動(dòng)作出口采用以第一時(shí)限跳分段開關(guān)、第二時(shí)限跳低壓側(cè)開關(guān)、第三時(shí)限跳廠高變各側(cè)開關(guān)的出口方式。

保護(hù)動(dòng)作時(shí)限的級(jí)差可選擇0.3 s，考慮廠用電母線經(jīng)常為分列運(yùn)行，對(duì)于跳分段開關(guān)保護(hù)時(shí)限的級(jí)差可以設(shè)置為0.2 s。

2.3 0.4 kV系統(tǒng)保護(hù)及廠用低壓變壓器后備保護(hù)配置方案及整定計(jì)算

通常0.4 kV開關(guān)本體設(shè)置過(guò)流保護(hù)，其配合關(guān)系難以保證，僅對(duì)于廠低變供電給兩個(gè)分支時(shí)，為保證保護(hù)動(dòng)作的選擇性，應(yīng)投入各分支上開關(guān)本體的過(guò)流保護(hù)、速斷不投；對(duì)于廠低變無(wú)分支接線時(shí)，廠低變進(jìn)線、分段開關(guān)本體的過(guò)流保護(hù)可不予投入，而采用廠低變速斷、過(guò)流保護(hù)，過(guò)流保護(hù)可設(shè)置一段三時(shí)限的方式，跳閘出口與廠高變描述相同。

水電廠0.4 kV系統(tǒng)，采用中性點(diǎn)直接接地方式，因此設(shè)置零序過(guò)流保護(hù)，保護(hù)出口方式與過(guò)流保護(hù)相同。

當(dāng)廠用系統(tǒng)整體配合時(shí)限較長(zhǎng)時(shí)，可以結(jié)合具體工程分析，采用廠用變過(guò)流保護(hù)設(shè)置兩時(shí)限的方式，即第一時(shí)限跳分段或低壓側(cè)進(jìn)線開關(guān)，第二時(shí)限跳變壓器各側(cè)開關(guān)。

3 廠用電繼電保護(hù)系統(tǒng)解決方案

1）大型水電廠容量不足6.3 MV·A廠高變主保護(hù)配置，通常配置廠高變電流速斷保護(hù)，僅當(dāng)存在運(yùn)行方式變化大的運(yùn)行工況時(shí)，需進(jìn)行定量化計(jì)算進(jìn)行保護(hù)配置方案的確定。

2）大型水電廠廠低變主保護(hù)配置方案可采用：當(dāng)滿足條件2.7K2X3

3）廠高變相間后備設(shè)置兩段式三時(shí)限或兩段式兩時(shí)限過(guò)流保護(hù)。

4）廠低變相間后備設(shè)置一段式三時(shí)限或一段式兩時(shí)限過(guò)流保護(hù)。

5）僅當(dāng)廠低變供給兩個(gè)分支時(shí)，0.4 kV開關(guān)本體的過(guò)流保護(hù)投入。

6）廠高變接地保護(hù)設(shè)置零序電壓保護(hù)，廠低變接地保護(hù)設(shè)置三時(shí)限或兩時(shí)限零序電流保護(hù)。

7）廠高變、廠低變速斷或時(shí)限速斷保護(hù)動(dòng)作出口跳變壓器各側(cè)開關(guān)，過(guò)流保護(hù)采用一時(shí)限跳分段開關(guān)、二時(shí)限跳低壓側(cè)進(jìn)線開關(guān)、三時(shí)限跳變壓器各側(cè)開關(guān)，同時(shí)二時(shí)限與三時(shí)限動(dòng)作出口閉鎖備自投裝置；當(dāng)廠用系統(tǒng)配合時(shí)限過(guò)長(zhǎng)時(shí)，過(guò)流保護(hù)可采用兩時(shí)限方式，一時(shí)限跳分段或低壓側(cè)進(jìn)線開關(guān)、二時(shí)限跳變壓器各側(cè)開關(guān)，同時(shí)一時(shí)限動(dòng)作出口閉鎖備自投裝置[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

在大型電廠廠用電系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)工作中，對(duì)廠用電系統(tǒng)設(shè)備的特性、運(yùn)行方式有非常細(xì)致的了解，并結(jié)合主接線形式以及機(jī)組的容量大小，同時(shí)充分考慮到電廠與電網(wǎng)的配合，針對(duì)保護(hù)裝置特點(diǎn)，方可提出對(duì)電廠安全生產(chǎn)更有利的廠用電系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)方案。

[1] 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì). DL/T 5164—2002 水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)規(guī)程[S]. 北京：中國(guó)電力出版社，2003.

[2] 賀家李. 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[3] 高春如. 發(fā)電廠廠用電及工業(yè)用電系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計(jì)算[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2012.

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[5] 中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì). DL/T 5177-2013 水力發(fā)電廠繼電保護(hù)設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S]. 北京：中國(guó)電力出版社，2013.

[6] 王明婷，鮑忠偉，賈超. 變壓器時(shí)限速斷保護(hù)的應(yīng)用[J].電工技術(shù)，2011（10）: 63-64.WANG Mingting，BAO Zhongwei，JIA Chao. Application time limit relay protection of transformer[J]. Electro Technical，2011（10）: 63-64（in Chinese）.

[7] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB1094.5電力變壓器 第5部分 承受短路的能力[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[8] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB14285繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[9] 中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)DL/T 584—2007 3～110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程[S]. 北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[10] 中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì). DL/T 5155—2002 220～500 kV變電所所用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S]. 北京：中國(guó)電力出版社，2002.