趙海

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

港口供配電系統(tǒng)繼電保護(hù)的探討

趙海

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

本文以浙江嘉興乍浦港為實(shí)例，根據(jù)港區(qū)供電現(xiàn)狀，從配電線路繼電保護(hù)的基本要求入手，對(duì)港內(nèi)常見供電故障進(jìn)行分析，并總結(jié)出配電線路的勵(lì)磁涌流、電流互感器飽和以及所用變保護(hù)拒動(dòng)等3個(gè)特殊問題的有效處理方法，促進(jìn)供配電系統(tǒng)安全運(yùn)行。

常見故障；勵(lì)磁涌流；電流互感器飽和；所用變保護(hù)拒動(dòng)

1 概述

港口供電系統(tǒng)的用電負(fù)荷種類復(fù)雜，具備點(diǎn)多、線長、面廣等特點(diǎn)，易受港口的鹽霧氣候、粉塵污染等環(huán)境影響。設(shè)備容易發(fā)生短路故障，嚴(yán)重?fù)p壞相關(guān)配電線路，繼而影響整個(gè)供電系統(tǒng)安全。繼電保護(hù)裝置作為確保供配電系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要設(shè)備，在系統(tǒng)發(fā)生短路等故障時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)或者自動(dòng)切斷線路，以防止供電故障擴(kuò)大，避免發(fā)生大范圍停電。基于此，本文以浙江嘉興乍浦港為實(shí)例，針對(duì)10kV配電線路的繼電保護(hù)進(jìn)行探討。

2 供電現(xiàn)狀

乍浦港目前裝卸設(shè)備復(fù)雜：有散貨裝卸用的裝船機(jī)、卸船機(jī)、帶式輸送機(jī)等；有集裝箱裝卸用的岸橋、電動(dòng)輪胎吊等；還有雜貨裝卸用的門座式起重機(jī)、軌道吊等。港區(qū)經(jīng)過多年的生產(chǎn)運(yùn)營，發(fā)現(xiàn)港內(nèi)電動(dòng)機(jī)在作業(yè)高峰時(shí)大量頻繁啟停，對(duì)電網(wǎng)造成強(qiáng)烈沖擊，上級(jí)線路繼電保護(hù)經(jīng)常誤動(dòng)作，供電電壓呈現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅到乍浦港供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3 繼電保護(hù)基本原則

供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行，必須滿足可靠性、選擇性、靈敏性、速動(dòng)性等四項(xiàng)基本原則，具體如下。

可靠性。即繼電保護(hù)裝置整定、調(diào)試無誤，內(nèi)部元件質(zhì)量可靠、運(yùn)行得當(dāng)、系統(tǒng)簡化，以保證系統(tǒng)可靠性。

選擇性。當(dāng)設(shè)備或線路本身發(fā)生短路故障，自身斷路器拒動(dòng)，由鄰近設(shè)備保護(hù)或鄰近線路保護(hù)動(dòng)作切除故障。

靈敏性。設(shè)備或線路在被保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)裝置有必要的靈敏系數(shù)，并滿足最小靈敏度要求。

速動(dòng)性。發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置及時(shí)做出響應(yīng)，盡快切除短路處故障，縮小故障范圍，并減少電力線路和故障設(shè)備的損壞程度，提高自動(dòng)重合閘和備自投的可靠性。

4 港內(nèi)常見故障分析與對(duì)策

4.1 常見故障分析

乍浦港投產(chǎn)至今，存在過電流、電壓超額、電壓驟降、絕緣老化等4種供電故障。

（1）過電流。即為負(fù)荷超過電氣設(shè)備額定值。此類故障情況在各港區(qū)較為常見，造成絕緣導(dǎo)體溫度升高，加速老化，發(fā)生短路故障。

（2）電壓超額。即為電壓超過額定值。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，非接地兩相電壓將升高數(shù)倍，極可能擊穿絕緣層引起嚴(yán)重電力事故。

（3）電壓驟降。在電網(wǎng)電壓急劇下降過程中，線路側(cè)電動(dòng)機(jī)由于自啟動(dòng)產(chǎn)生多倍數(shù)級(jí)的啟動(dòng)電流，造成自啟動(dòng)困難，甚至無法自啟動(dòng)的現(xiàn)象。

（4）絕緣老化。當(dāng)電力線路長時(shí)間運(yùn)行后，造成線路的絕緣能力下降，容易因發(fā)生一點(diǎn)或兩點(diǎn)線路擊穿而導(dǎo)致電力事故。

4.2 常見故障對(duì)策

為提高乍浦港供電系統(tǒng)的可靠性，滿足繼電保護(hù)基本原則，并避免過電流、電壓超額、絕緣老化、電壓驟降等4種供電故障的發(fā)生，本文對(duì)港內(nèi)變電所的綜合繼電保護(hù)整定值的計(jì)算，以及保護(hù)時(shí)間的調(diào)整進(jìn)行闡述，得出相關(guān)的繼保整定值和時(shí)間。

（1）電流的保護(hù)整定原則。各個(gè)10kV中心配變電所及分變電所的電流保護(hù)，分為過流保護(hù)和速斷保護(hù)。速斷保護(hù)根據(jù)短路電流實(shí)現(xiàn)；過流保護(hù)根據(jù)負(fù)荷大小而定。

（2）電壓的保護(hù)整定原則。主要為電容補(bǔ)償和PT 的開口電壓保護(hù)，以及線路過壓和欠壓保護(hù)。開口三角的電壓值，在實(shí)際運(yùn)行中，由于電壓互感器的自身誤差，極易產(chǎn)生多次諧波引起的不平衡電壓。因此，整定值應(yīng)大于不平衡電壓。

（3）保護(hù)時(shí)間的整定原則。根據(jù)負(fù)荷重要性、繼保護(hù)整定值和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行時(shí)間整定。

（4）上下級(jí)匹配的整定原則。上一級(jí)保護(hù)的靈敏系數(shù)應(yīng)低于下一級(jí)，上一級(jí)保護(hù)的整定時(shí)間應(yīng)比下一級(jí)多一個(gè)時(shí)間級(jí)差Δt。

5 特殊問題及處理方法

5.1 線路勵(lì)磁涌流。

線路勵(lì)磁涌流是配電線路由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生的常見現(xiàn)象。空投變壓器時(shí)，變壓器鐵芯磁通難以急劇變化，非周期分量造成變壓器的鐵芯飽和。勵(lì)磁電流增加明顯，最大可達(dá)額定電流的10倍。磁化曲線與勵(lì)磁涌流見圖1。

圖1 磁化曲線與勵(lì)磁涌流

通常10kV配電線路中大部分為變壓器負(fù)荷，當(dāng)線路投入運(yùn)行時(shí)，變壓器負(fù)荷引起的勵(lì)磁涌流匯集迭加，引起電磁暫態(tài)現(xiàn)象。當(dāng)采用二段式電流保護(hù)時(shí)，電流速斷動(dòng)作電流取較小值。當(dāng)采用三段式電流保護(hù)時(shí)，瞬時(shí)電流速斷保護(hù)須兼顧靈敏度要求，動(dòng)作電流相應(yīng)取較小值。因此，線路勵(lì)磁涌流值有可能大于整定值，造成繼電保護(hù)產(chǎn)生誤動(dòng)作。這種情況在線路側(cè)變壓器負(fù)荷少、容量小且系統(tǒng)阻抗大的時(shí)候不太明顯，不夠引起重視。另外，由于勵(lì)磁涌流含大量高次諧波，故線路保護(hù)可利用諧波特點(diǎn)防止保護(hù)誤動(dòng)作。就10kV配電線路的繼電保護(hù)來說，改造保護(hù)裝置會(huì)造成保護(hù)裝置的實(shí)用性降低。由于勵(lì)磁涌流隨時(shí)間而衰減，故在電流速斷保護(hù)加入短延時(shí)，以防止勵(lì)磁涌流引起的保護(hù)誤動(dòng)作。綜上所述，10kV線路保護(hù)主要采用二段式保護(hù)（過電流、限時(shí)電流速斷）。乍浦港供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，10kV線路保護(hù)即采用二段式電流保護(hù)。

5.2 電流互感器飽和

10kV 線路出口處短路電流與系統(tǒng)規(guī)模和運(yùn)行方式是密切相關(guān)的。當(dāng)電力系統(tǒng)范圍擴(kuò)大，10kV系統(tǒng)短路電流將增大，電流值高達(dá)電流互感器一次額定電流的上百倍，因此，原先正常運(yùn)行的電流互感器極易呈現(xiàn)飽和狀態(tài)；另外，由于短路故障處于一個(gè)暫態(tài)過程，短路電流中的非周期分量會(huì)產(chǎn)生電流震蕩，峰值和波谷相差較大，更容易加速電流互感器飽和，二次側(cè)電流急劇降低，保護(hù)裝置拒動(dòng)，只能由后備保護(hù)來切除，因而延長了故障時(shí)間，使得故障范圍擴(kuò)大。電流互感器二次側(cè)在故障前后的波形對(duì)比圖詳見圖2。

圖2 電流互感器二次側(cè)在故障前后的波形對(duì)比圖

目前港口總變主要是35/10.5kV或20/10.5kV的降壓站，最大運(yùn)行方式下的短路電流較大，電流互感器若變比較小，可能在供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)出現(xiàn)飽和。為解決這一問題，除了需提高主變壓器的短路阻抗和容量外，還要提高保護(hù)用電流互感器的準(zhǔn)確極限值，或者提高電流互感器變比值。保護(hù)用電流互感器的準(zhǔn)確度等級(jí)一般選用5P、10P等級(jí)；而測量用電流互感器，不管是何變比，通常采用5P10型，測量精度為5%，準(zhǔn)確極限值為10。乍浦港供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，保護(hù)用電流互感器的準(zhǔn)確度等級(jí)選用5P等級(jí)，測量用電流互感器選用5P10型。

5.3 所用變保護(hù)拒動(dòng)

一般變電所設(shè)計(jì)中，所用變保護(hù)的容量較小，通常選擇30～100kVA（乍浦港變電所選用80kVA），并安裝于10kV開關(guān)柜內(nèi)，因此高壓側(cè)短路電流與系統(tǒng)短路電流相差不大，低壓側(cè)出口的短路電流值劇增，對(duì)所用變保護(hù)以及10kV配電線路構(gòu)成威脅。常規(guī)而言，一般采用熔斷器對(duì)其實(shí)現(xiàn)保護(hù)，隨著電力系統(tǒng)擴(kuò)張，短路電流增大，保護(hù)可靠性降低。故而乍浦港變電所內(nèi)的所用變，均采用斷路器保護(hù)，但卻帶來了電流互感器飽和的問題。所用變保護(hù)的一次額定電流往往較小，此時(shí)，保護(hù)與計(jì)量往往合用一組，互感器變比取偏小值，原因是為了保證計(jì)量精度。當(dāng)高壓側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，短路保護(hù)主要靠后備開關(guān)保護(hù)動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)；但如果是低壓側(cè)發(fā)生短路故障，短路電流則偏小，后備保護(hù)開關(guān)拒動(dòng)，故障難以及時(shí)切除。為避免發(fā)生所用變保護(hù)拒動(dòng)的情況，乍浦港變電所設(shè)計(jì)中對(duì)電流互感器進(jìn)行合理配置，并將計(jì)量與保護(hù)分開獨(dú)立設(shè)置：在高壓側(cè)裝設(shè)保護(hù)用電流互感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)所用變保護(hù)的短路保護(hù)；在低壓側(cè)裝設(shè)計(jì)量用電流互感器，以確保計(jì)量的準(zhǔn)確度達(dá)到要求。

6 結(jié)語

目前，國內(nèi)港口大多存在過電流、電壓超額、電壓驟降、絕緣老化等供電故障，還有配電線路勵(lì)磁涌流、電流互感器飽和以及所用變保護(hù)拒動(dòng)等問題，嚴(yán)重影響供電系統(tǒng)安全運(yùn)行。本文通過對(duì)繼電保護(hù)整定值計(jì)算和時(shí)間調(diào)整的實(shí)例分析，闡述港區(qū)供電設(shè)計(jì)中如何做到滿足供電系統(tǒng)速動(dòng)性、可靠性、靈敏性和選擇性四項(xiàng)原則，利于變電所事故動(dòng)作分析，減少事故隱患，促進(jìn)港口供電系統(tǒng)安全運(yùn)行。

[1]梁蕾，趙久濤，劉漢武. 10kV配電線路繼電保護(hù)的研究. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010.

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