发电厂低压厂用电保护整定配合的探讨

黄海兵

（五凌电力五强溪水电厂，湖南 怀化419636）

0 引言

针对发电厂低压用电设备电压等级、设备类型复杂，负荷支路覆盖面广，保护的整定配合也相应变得错综复杂。400 V厂用变压器保护配置在高压侧断路器开关保护模块内，主要有速断保护、过流保护、过负荷保护、零序保护，分级动作于发信、跳400 V负荷侧开关、跳变压器高压侧电源断路器。400 V进线开关保护一般通过开关本体保护模块配置，根据负荷性质，配置速断、过流、过负荷、接地等，分级动作于跳本体、跳变压器上级断路器。400 V负荷开关保护通过本体自带的速断保护实现瞬时故障的保护跳闸功能。为实现低压厂用电保护能在各类故障下正确动作，不拒动、不误动、不越级，故在整定定值时，极差配合是必须考虑的问题。主要包括400 V厂用变压器保护模块、400 V进线开关保护、400 V负荷开关保护、电气设备自动空气开关或熔断器的保护配合。

由于发电厂现场各系统断路器、保护模块等并非出自同一厂家、同一型号，开关的技术参数及保护模块的特性曲线存在较大的差异。在一定程度上给低压保护的极差配合带来困难。要分析清楚各类型保护特性之间的差异是很困难和繁琐的，且对于实际应用来说，必要性不大。只需在满足选择性的前提下，无论是经过保护用电流互感器二次电流的继电保护装置，还是开关本体通过额定电流倍数整定的保护，电流保护之间的配合，为了在同一可比条件下进行校验，其配合电流都应归算为400 V电压级的一次电流。

1 额定电流的选择

（1）额定电流就是在电气设备通入额定电压，正常工作时所允许通过的最大电流。三相交流电机的额定电流计算公式为：（U=380 V，cosφ为电机功率因数，η为电机的效率。额定功率P、额定电压U、功率因数cosφ、电机效率η等参数以铭牌标识为准。）下面选取几种典型接线方式的典型负荷进行整定计算的介绍。

1）电动机保护型额定电流选择（以单台油泵电机负荷开关额定电流为例）：电动机保护主要是保

厂用电系统的一般倒闸方式：厂用电系统正常的倒闸操作中，在检查10 kV或0.4 kV厂用系统备用电源自投装置均已正常投入的情况下，可直接拉开10 kV或0.4 kV开关，并检查各备用电源自投装置是否正确动作，未动作的应手动操作，恢复正常运行，没有配置备用电源自投装置的母线应手动操作。对于具备失压脱扣功能的开关因失压跳闸引起母线失电，也应手动操作恢复送电。400 V母线电压容许变动范围为380～420 V，最高不应高于440 V，最低不应低于360 V，其中照明母线的电压容许变动范围为 388～412 V。护电机绕组线圈，在电动机出现短路、过压、堵转、过载、三相不平衡等异常运行情况或者故障时，给与报警或切断电源开关。电动机电气量保护与进线电源电缆无关，故断路器额定电流选择以电动机额定电流为参考，二者相同。很多开关元器件对额定电流均可以在0.5～1.0倍范围内调整，按照后期可扩展性需求，可选电动机额定电流1.0～2.0倍来选取电动机电源断路器的额定允许电流。

2）配电断路器线路中仅有电动机时（以MCC马达控制中心电源为例）：

Im：电动机额定电流；Iz：线路总负荷电流；In：配线断路器额定电流。

在实际整定中，若线路负荷电流大于电动机额定电流的1.1倍，则配线断路器额定电流选取应小于2.5倍的线路负荷电流。

3）低压干线，线路负载中包括电动机（以400 V机组自用电开关及母联开关为例）

Im：电动机额定电流；Iz为线路总负荷电流；In为配线断路器额定电流；IL为干线中线性负荷电流 。

目前，电动机启动多以星三角降压启动方式为主，但软启动器技术不断成熟，具备设备体积小、启动平稳、冲击小，且可按照需求配置必要的保护功能，得到了广泛使用。以软启励方式启动的电动机为例，启动电流一般按照电动机额定电流的3倍计算并整定。

（2）保护定值整定原则：低压厂用电断路器的瞬时或短延时脱扣器的整定电流，应按躲过电动机启动电流的条件选择，并按最小短路电流校验灵敏系数。同时考虑与上一级400 V开关定值相匹配，避免短路故障时越级跳闸。

（3）低压厂用电短路电流计算条件

1）忽略发电机及主变阻抗，发电机出口作为无穷大系统来考虑（发电机及主变阻抗远小于高压厂用变、公用变及机组自用变阻抗）。

2）忽略高压厂用变至10 kV开关的电缆阻抗，忽略10 kV开关至公用厂用变开关的电缆阻抗，忽略400 V电缆阻抗。

3）公用厂用变和机组自用变为三相三柱式，零序电抗无实测参数，按0.8倍正序电抗计算。

4）明确公用厂用变、高压厂用变、机组自用变的基础参数。

2 断路器与相邻电器保护的配合原则

（1）瞬时速断过流保护是不带延时，达到整定值以最快速度切除故障，用于严重短路故障的切除，单一电动机断路器一般按照额定电流的8～10倍整定。进线电源断路器瞬时速断保护整定电流，应以大于直接连接的负荷侧断路器进线处的短路电流的1.15倍整定。不考虑延时动作。

（2）进线电源断路器的短延时电流整定，以应大于下级断路器的短延时整定电流的1.25 倍整定。在下一级延时基础上增加保证选择性的时间间隔，一般取 0.3～0.5 s。

（3）与上级熔断器的配合：断路器过流脱扣器的特性低于上级熔断器熔化特性（短延时时间≥70 ms） 。

（4）与下级熔断器的配合：断路器速断过流保护，与熔断器延时部分完全独立，且有一段延时，延时时间不低于0.1 s。

（5）断路器长延时过电流保护的特性，及断路器过载保护。应低于保护对象的长期额定电流运行允许的热累积效应，以确保负荷长时间安全稳定运行，一般取额定负荷电流的1.1～1.3倍计算并整定。

（6）上下级断路器配置的保护装置，保护特性曲线在各自本身的保护范围以外不得相交。

（7）当低压用电设备进线电源配置有备自投功能时，必须设置低电压保护，当主用电源故障跳闸备用电源自投时，重要负荷能在尽可能短的时间内恢复送电。

（8）400 V变压器高压侧断路器的延时过流保护动作时间整定，应比400 V变压器低压侧负荷开关动作时间递增一个时间梯度，保证故障切除时的选择性，通常取 0.3～0.5 s。

3 低压断路器保护的配合

低压厂用电400 V开关额定电流一般按变压器额定电流设置。经验值可按此原则整定：过流保护电流定值按2倍额定电流设置，延时整定为0.5 s，速断保护电流定值按4倍额定电流设置。

按照低压断路器配置的保护种类，极差配合主要考虑以下几种情况。

（1）当低压断路器上级电源开关配置有短延时电流保护时，应与下一级断路器的瞬时（或延时） 电流保护相配合，极差系数kp一般按不小于1.25倍整定。

（2）当低压断路器上级电源开关配置有瞬时速断保护时，为保证选择性，上下级整定时应考虑可靠系数，一般按大于1.15倍整定。其上一级的动作电流整定值，应大于下一级断路器出口最大计算短路电流。

（3）长延时的保护要确保上级的曲线在下级曲线的上方，保证下级在上级之前动作，防止断路器的越级跳闸。

4 短延时保护电流及时间的整定

（1）短延时是为保证保护的选择性而设置的，为防止支路发生故障联跳上级开关而设置。其延时时间根据开关实际分合时间整定，下级开关发生故障时，开关在20 ms～0.1 s内跳开，切除故障，防止越级跳闸。考虑开关机构误差，可取0.3 s。

（2）电动机电源开关：

与下级油泵电动机断路器速断保护配合，整定公式为：Ir2≥1.1×1.35×k×Im

其中，k：电动机启动电流倍数，Im：电动机额定电流，1.35为防止误动的可靠系数，时间取0.1 s～0.5 s。

（3）低压干线进线开关，负荷中包括电动机

整定公式为：Ir2≥ 1.1（IL+1.35×k×Im）

其中，k：电动机启动电流倍数；IL：干线中线性负荷电流；Im：电动机额定电流。时间取0.1～0.5 s。

5 瞬时速断电流的整定

（1）电动机电源开关瞬时速断电流整定

电动机电源开关整定公式为：Ir3=k×kL×k2×Im

其中，k：电动机启动电流倍数。kL：可靠系数，考虑电动机启动电流误差及瞬动误差，一般取1.2，k2：电动机启动电流峰值系数，考虑瞬动机构动作电流为峰值电流，取1.7～2。由于大功率电动机一般采用减压启动器或者星三角转化启动，启动电流会大幅度减小，一般达不到6～10倍，故电动机电源开关瞬时速断电流一般取5倍额定电流。

（2）低压干线电源开关瞬时速断电流整定

低压干线进线开关，线路中包括电动机，整定公式为：Ir3≥ 1.1×（IL+k2×k×Im）

其中，k2：电动机启动峰值电流倍数取1.7～2；k：电动机启动电流倍数；IL：干线中线性负荷电流；Im：电动机额定电流。

6 两进线一母联结构的400V备自投装置整定

400 V公用厂用、机组自用电、照明电正常运行方式为分段运行，并投入备自投装置。厂用电正常倒换以备用电源自动投入为主，手动倒换时，应先停后送，不得使机组自用电两段母线同时失压，倒换后应仔细检查重要负荷的运行情况。

发电厂部分重要负荷，即使短时断电，也会造成严重后果，可能导致部分辅助设备停运，发电机控制油、控制气、冷却水等系统中断，严重的直接造成非计划停运或设备损坏。故一般配置两电源开关一母联开关的供电结构。一路电源因故障跳闸，备自投自动动作合上母联，迅速恢复供电。3个电源开关的保护配合亦至关重要，直接影响着电源恢复可靠性。

（1）主要逻辑功能

1）母联分段备自投功能：正常时单母分段运行，母联断开，当两母线任意一段故障，备自投将母联自动投入。

2）进线备自投功能：正常时，两条进线电源一条工作一条备用，母联合闸，当工作电源故障跳开，备自投将备用电源自动合上。

3）倒厂用电方式：正常时，两条进线电源一条工作一条备用，母联合闸，当母联开关跳开，备自投将备用电源自动合上。

4）后加速保护功能：当投入线路有故障电流时，加速跳开，防止误投故障母线。

5）装置可实时监视查看两进线与母联开关电流电压量。

6）装置采样精度要求：采样准确度：电压U精度≤±1%，电流I精度≤±1%，整定允许误差α≤±2.5%。

7）进线电源及母联断路器电压监视继电器定值一般按以下数值整定。过压阈值255 V（相电压），欠压阈值180 V（相电压），不平衡阈值12%，相应延时调节响应1.5 s。3个开关可保持一致。

（2）主要保护定值整定原则

1）工作母线低电压启动条件：U≤65%Un，可整定，延时可整定，一般取0.3～0.5 s。即持续低压超过定值，并达到延时，视为进线电源断电。

2）两进线开关按照负荷特性及容量整定。

3）母联开关过流保护定值按照两进线定值整定。两段母线所接负荷基本按照平衡原则配置。故母联电源保护选取两进线较大的定值。

4）备用电源投入延时整定：可按照具体负荷情况整定备用电源合闸时间，保证外部故障完全消除，母线电压完全恢复，有利于设备自启动和防止二次冲击。一般在进线电源动作时间上递增0.2～0.5 s，补偿开关合闸时间。

5）开关经保护跳闸后不能自动复归。若某一进线开关经开关保护模块跳闸，此开关故障报警灯不会自动复归，防止一次设备故障未消除前带故障合上进线开关，须在专业人员现场检查，确认一次故障消除后，手动复归保护模块报警。防止备自投投到故障元件上，导致事故扩大。

7 某厂保护配置实例

（1）公用厂用变压器电流速断保护：由电流继电器组成两相星形接线作为变压器内部短路的主保护，保护瞬时动作，跳开变压器高、低压侧开关。

（2）过流保护：由电流继电器组的两相三继电器接线，作为变压器内部及400 V出线短路的后备保护，保护分两段时限，I段时限跳400 V母联开关，II段时限动作于变压器高、低压侧开关。

（3）零序保护：由零序电流继电器接于变压器低压侧中性点处电流互感器上，作为400 V侧接地故障的保护，继电器动作时间与动作电流成反时限特性，动作后作用于变压器高、低压侧开关。

（4）过负荷保护：采用一个电流继电器监视变压器过负荷，保护延时动作，发信号。

8 保护的选择性校验

定值整定完成后，均要求进行选择性校验。要求在不允许越级跳闸的情况下，尽可能快地切除故障，保证选择性的同时，确保其快速性。不论各级断路器配置何种形式的保护，必须校验相互间的曲线配合，在下级断路器或用电设备保护的首端（上级的末端）可能发生的最大短路电流处的任何短路故障或过流均允许上级曲线与下级曲线相交，并留有适当的时间间隔，避免可能引起非选择性动作，导致越级跳闸。

9 结论

从总原则讲，低压厂用电上下级保护配合，应是上级的同类型保护与下级的同类型保护之间的配合。例如，上一级的限时速断保护与下一级的速断保护配合，上一级的短延时过流保护应与下一级的短延时过流保护配合。依据上述原则整定并校验低压厂用电保护，可满足厂用电间的极差配合。