陳 鑫

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 211102)

江蘇省電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的某燃機(jī)發(fā)電廠即將進(jìn)入倒送電階段。在對(duì)電廠的高壓起備變保護(hù)進(jìn)行整定時(shí)，發(fā)現(xiàn)起備變的過流保護(hù)在與相鄰線路零序保護(hù)的配合上存在問題。該燃機(jī)電廠工程為新建3臺(tái)E級(jí)燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，3臺(tái)燃機(jī)發(fā)電機(jī)和3臺(tái)汽機(jī)發(fā)電機(jī)均采用發(fā)電機(jī)－變壓器單元接線的形式，用220kV電纜接入廠內(nèi)220kV GIS配電裝置。220kV系統(tǒng)為雙母線接線方式。每臺(tái)機(jī)組設(shè)置1臺(tái)高壓廠用工作變壓器，其高壓側(cè)電源直接引接于汽機(jī)發(fā)電機(jī)出口，不設(shè)斷路器。高壓起動(dòng)備用變壓器接在220kV母線上。

1 電氣接線及參數(shù)

電廠的電氣主接線如圖1所示。

圖1中：燃機(jī)發(fā)電機(jī)的額定功率180 MW，功率因數(shù)0.85，次暫態(tài)電抗13.9%；燃機(jī)主變的額定容量205 MV·A，短路阻抗 20%，接線方式為Yn／△11；汽機(jī)發(fā)電機(jī)的額定功率100 MW，功率因數(shù)0.85，次暫態(tài)電抗16.3%；汽機(jī)主變的額定容量100 MV·A，短路阻抗20%，接線方式為Yn／△11；起備變的額定容量14 MV·A，短路阻抗10%；零序阻抗實(shí)測(cè)值為 323.7 Ω／相，接線方式為 Yn／△11；高廠變的額定容量14 MV·A，短路阻抗10%，接線方式為△／△0。

系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。其基準(zhǔn)值SB=100 MV·A，UB=230kV，系統(tǒng)的負(fù)序阻抗近似認(rèn)為與正序阻抗相同。

表1 系統(tǒng)參數(shù)表

2 線路側(cè)單相接地短路電流計(jì)算

要分析220kV線路側(cè)單相接地對(duì)起備變過流及零序保護(hù)的影響，必須要計(jì)算單相接地時(shí)短路電流的大小及分布。對(duì)于本工程，短路電流計(jì)算有如下假設(shè)：

（1）短路前，所有電源的次暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)均取為額定電壓，即標(biāo)么值為1，且同相位。這樣相當(dāng)于短路前，整個(gè)回路為空載狀態(tài)，短路點(diǎn)處的電壓為1。

（2）高廠變低壓側(cè)帶有部分6kV電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，由于該6kV負(fù)荷距短路點(diǎn)較遠(yuǎn)，短路瞬間6kV電動(dòng)機(jī)倒送出的短路電流可以忽略不計(jì)。短路后，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，可以將6kV負(fù)荷當(dāng)作X=1.2（以負(fù)荷本身的容量為基準(zhǔn)值）的恒定阻抗支路接入，再加上高廠變自身的正序（負(fù)序）阻抗，則高廠變分支正序（負(fù)序）阻抗將比它并聯(lián)分支的阻抗大近67倍，可以視為開路。同時(shí)，由于高廠變接線方式為△／△0，零序電流不能流通，故零序網(wǎng)絡(luò)中也不包括高廠變支路。由上可見，在220kV線路側(cè)單相接地時(shí)，高廠變支路可以忽略不計(jì)。

（3）對(duì)于起備變而言，在220kV線路上發(fā)生單相接地時(shí)，起備變低壓側(cè)所帶6kV負(fù)荷距短路點(diǎn)較遠(yuǎn)，并且由于異步電動(dòng)機(jī)倒送的短路電流衰減很快，同樣可不記入異步電動(dòng)機(jī)倒送的短路電流。由于此處需計(jì)算短路電流在起備變高壓側(cè)的分布，為了盡量減少誤差，在此考慮起備變支路的正序（負(fù)序）阻抗，而不是也將其視為開路。經(jīng)查看廠用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)，起備變低壓側(cè)分別給3個(gè)分支供電（3個(gè)分支不同時(shí)工作），其中最大一段的計(jì)算負(fù)荷為13617.8kV·A。則可將6kV負(fù)荷當(dāng)作X=1.2（基準(zhǔn)容量取14 MV·A）的恒定阻抗支路接入。則當(dāng)基準(zhǔn)容量取為100 MV·A時(shí)，該恒定電抗的正序、負(fù)序電抗為。由于起備變?yōu)閅Nd11接線，零序電流在起備變低壓側(cè)三角形繞組內(nèi)形成環(huán)流，6kV負(fù)荷內(nèi)沒有零序電流流通，故零序網(wǎng)絡(luò)僅包括起備變的零序阻抗，不包括負(fù)荷。

綜上所述，基準(zhǔn)值取SB=100 MV·A，UB=230kV，變壓器變比為平均額定電壓比，則220kV線路單相接地時(shí)，正序和負(fù)序及零序阻抗圖如圖2所示。

圖2 正序和負(fù)序及零序阻抗圖

為計(jì)算短路電流在起備變支路中的分布，先將除起備變支路外的其他回路化簡(jiǎn)，如圖3所示。最終的三序網(wǎng)圖如圖4所示。

根據(jù)單相接地短路的規(guī)律，可以得到單相接地短路時(shí)從短路點(diǎn)流出的三序電流為：

圖4 最終三序網(wǎng)圖

經(jīng)計(jì)算，可得流過起備變高壓側(cè)各相電流的幅值（有名值）為：

短路點(diǎn)處的負(fù)序電壓（標(biāo)么值）為：

3 起備變復(fù)合電壓過流保護(hù)動(dòng)作電流的計(jì)算

起備變復(fù)合電壓過流保護(hù)的動(dòng)作電流應(yīng)按躲過起備變的額定電流進(jìn)行整定[2]。

起備變額定電流：

復(fù)合電壓過流保護(hù)的動(dòng)作電流：

此處配合系數(shù)K1為1.1，可靠系數(shù)Kk為1.2，返回系數(shù)Kh為0.85，復(fù)合電壓過流保護(hù)的動(dòng)作電流為：

一般負(fù)序電壓的整定值U2op=0.06Ue，而上述計(jì)算得到單相接地時(shí)，負(fù)序電壓為0.304Ue。因此，負(fù)序電壓元件會(huì)動(dòng)作。

4 起備變過流保護(hù)與線路零序保護(hù)的配合

從上述計(jì)算可以看出，當(dāng)線路側(cè)靠近220kV母線處發(fā)生單相接地短路時(shí)，流過起備變的短路電流將要大于起備變復(fù)合電壓過流保護(hù)的動(dòng)作電流值，而且負(fù)序電壓元件同樣會(huì)啟動(dòng)，如不采取措施，起備變的復(fù)合電壓過流保護(hù)將無選擇性的動(dòng)作。

對(duì)于上述情況，可以采取2個(gè)措施，一是起備變過流保護(hù)采用延時(shí)與220kV線路的零序保護(hù)進(jìn)行配合，二是起備變過流保護(hù)增加方向元件。如起備變過流保護(hù)采用延時(shí)與220kV線路的零序保護(hù)相配合，根據(jù)調(diào)度部門給出的信息，延時(shí)將達(dá)5.1 s，而起備變過流保護(hù)與其低壓側(cè)保護(hù)相配合時(shí)的延時(shí)最多也僅為1.2 s，故只能考慮增加方向元件。方向元件的方向由220kV母線指向起備變，這樣當(dāng)反方向（線路側(cè)）發(fā)生短路時(shí)能可靠地閉鎖不動(dòng)作。

5 起備變零序保護(hù)與線路零序保護(hù)的配合

起備變零序保護(hù)如圖5所示。

圖5 起備變零序保護(hù)示意圖

從圖5可以看出，如果起備變的零序保護(hù)電流取自起備變高壓側(cè)中性點(diǎn)零序電流互感器（－TA0），則無論單相接地發(fā)生在220kV線路上 （圖中處，起備變保護(hù)區(qū)外），還是發(fā)生在220kV母線與起備變高壓側(cè)之間（圖中處，起備變保護(hù)區(qū)內(nèi)），起備變保護(hù)裝置測(cè)得的零序電流的大小和方向都是一樣的，即對(duì)于起備變區(qū)內(nèi)、區(qū)外的單相接地故障沒有選擇性。如果起備變的零序保護(hù)電流取自起備變高壓側(cè)電流互感器（－TA1）的自產(chǎn)零序電流，則區(qū)外故障時(shí)（），零序電流方向指向母線，且零序電流為整個(gè)零序電流在起備變分配的部分；區(qū)內(nèi)故障時(shí)（），零序電流方向指向變壓器，該零序電流為整個(gè)零序電流在系統(tǒng)分配的部分。由于系統(tǒng)的零序阻抗為0.010853，起備變的零序阻抗為0.6119，兩者相差近56倍，則上述兩種情況下零序電流相差近56倍。由此可見，當(dāng)起備變的零序保護(hù)電流采用起備變高壓側(cè)電流互感器的自產(chǎn)零序電流時(shí)，零序電流保護(hù)具有很好的選擇性和很高的靈敏度，沒有必要采用帶方向的零序電流保護(hù)。

6 起備變零序保護(hù)整定計(jì)算

如上所述，起備變零序保護(hù)的動(dòng)作電流取自起備變高壓側(cè)三相電流互感器的自產(chǎn)零序電流，組成不帶方向的二階段零序過電流保護(hù)[3]。

（1）起備變零序保護(hù)I段。動(dòng)作電流按躲過高壓側(cè)母線單相接地短路電流計(jì)算：

式（1）中：3I0.OP.1為起備變零序保護(hù)I段動(dòng)作電流整定值；Krel為可靠系數(shù)， 取 1.2～1.3；K0.bar為起備變高壓側(cè)零序電流分支系數(shù)；為高壓側(cè)母線單相接地時(shí)最大3倍零序電流值。根據(jù)上文，可以得到：

轉(zhuǎn)為有名值為：

靈敏度校驗(yàn)：

將各數(shù)據(jù)代入式（2），得：

由于起備變零序保護(hù)I段按躲過高壓側(cè)母線單相接地計(jì)算，同時(shí)考慮該保護(hù)與線路零序保護(hù)I段配合，其動(dòng)作時(shí)間可以整定為0.3～0.4 s。

（2）起備變零序保護(hù)II段。起備變零序保護(hù)II段的動(dòng)作電流整定值需與相鄰線路零序保護(hù)II段或者末段相配合，其保護(hù)動(dòng)作時(shí)間也需在線路零序保護(hù)II段或者末段的動(dòng)作時(shí)間上加一級(jí)級(jí)差，此處不再展開討論。

7 結(jié)束語

從上述討論可以看出，由于220kV系統(tǒng)為中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)，單相接地電流很大，對(duì)于Yn／△接線的起備變而言，雖然其零序阻抗相對(duì)于系統(tǒng)而言很大，但仍然會(huì)流過較大的零序電流，再加上正序、負(fù)序電流，則在起備變高壓側(cè)流過的短路電流會(huì)超過根據(jù)起備變額定電流整定的過流保護(hù)動(dòng)作值。解決的辦法可以對(duì)起備變過流保護(hù)加延時(shí)或者加裝方向元件，具體采用哪種方案視工程的具體情況而定。對(duì)于Yn／△接線的起備變高壓側(cè)零序保護(hù)而言，取自高壓側(cè)電流互感器的自產(chǎn)零序電流能夠反映區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障，具有很好的選擇性和很高的靈敏度，在通常情況下，沒有必要采用帶方向的零序電流保護(hù)。

[1]劉萬順.電力系統(tǒng)故障分析（第二版）[M].北京：中國電力出版社，1998.

[2]能源部西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)2[M].北京：中國電力出版社，1991.

[3]高春如.大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)整定計(jì)算與運(yùn)行技術(shù)（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2006.