火電機(jī)組廠用電保護(hù)級(jí)差配合分析及改進(jìn)

（浙江浙能能源技術(shù)有限公司，杭州310014）

火電機(jī)組廠用電保護(hù)級(jí)差配合分析及改進(jìn)

蔡寧寧

（浙江浙能能源技術(shù)有限公司，杭州310014）

以2×300MW火電機(jī)組典型廠用電系統(tǒng)為例，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)機(jī)組運(yùn)行情況，對(duì)廠用電系統(tǒng)保護(hù)的相關(guān)問題進(jìn)行分析與討論，并提出完善建議。

廠用電；保護(hù)；火電機(jī)組；級(jí)差配合

隨著發(fā)電機(jī)組容量的不斷增大，對(duì)廠用繼電保護(hù)的要求也越來越高。雖然目前大型火電機(jī)組廠用電系統(tǒng)的保護(hù)已有了較大進(jìn)步和發(fā)展，但仍存在不少問題，如：廠用電系統(tǒng)后備保護(hù)（過電流保護(hù)）時(shí)限過長；廠用高壓母線無可靠安全的快速保護(hù)；后備保護(hù)定時(shí)限與反時(shí)限間的配合存在交叉，難以滿足選擇性要求等。這些問題都嚴(yán)重影響著機(jī)組設(shè)備的安全與穩(wěn)定運(yùn)行，為此，有必要對(duì)廠用電系統(tǒng)的保護(hù)配置、整定等進(jìn)行梳理分析，并有針對(duì)性地采取改進(jìn)和完善措施。本文以2×300MW典型廠用電系統(tǒng)為例進(jìn)行分析闡述。

1 火電機(jī)組廠用電典型接線及配置

目前300MW火電機(jī)組通常采用2×300MW單元制布置。廠用系統(tǒng)高壓母線采用6kV電壓等級(jí)，各母線通常采用分級(jí)多層接線方式，每臺(tái)機(jī)組配置1臺(tái)高壓廠用變壓器（以下簡稱高壓廠變）帶2段6kV工作母線。2臺(tái)機(jī)組共設(shè)2段6kV公用母線、2段6kV輸煤母線和1臺(tái)全容量高壓啟動(dòng)備用變壓器（以下簡稱高壓啟備變），所有6kV母線上各間隔開關(guān)根據(jù)所帶容量大小分別配置真空斷路器或F＋C（快速熔斷器加接觸器）組合式開關(guān)，小容量負(fù)荷配置F＋C開關(guān)，其余配真空斷路器。接線實(shí)例見圖1。

圖1 典型廠用電系統(tǒng)接線

根據(jù)保護(hù)配置設(shè)計(jì)原則，高壓廠變、高壓啟備變一般配置差動(dòng)、瓦斯主保護(hù)和復(fù)合電壓過電流后備保護(hù)，母線電源進(jìn)線開關(guān)配置過電流保護(hù)，低壓廠變及電動(dòng)機(jī)保護(hù)采用微機(jī)綜合保護(hù)裝置，配置速斷、過流、熱積累、過負(fù)荷等保護(hù)，各段母線間6kV饋線電源電纜配置差動(dòng)保護(hù)。

2 常規(guī)廠用電系統(tǒng)設(shè)備保護(hù)

2.1 過電流保護(hù)時(shí)限設(shè)置

根據(jù)廠用電系統(tǒng)的特點(diǎn)、保護(hù)靈敏度及選擇性配合整定原則，過流保護(hù)電流設(shè)定值按躲母線自啟動(dòng)考慮，并與下級(jí)過流在靈敏度上配合進(jìn)行整定，時(shí)間設(shè)定值按與下級(jí)過流時(shí)間配合，目前微機(jī)型保護(hù)級(jí)差時(shí)間大多選擇Δt=0.3s。

以煤灰電源聯(lián)絡(luò)開關(guān)過電流保護(hù)時(shí)間t1的整定分析為例：通常在煤灰段下接負(fù)荷中，有電動(dòng)機(jī)及低壓變壓器，開關(guān)形式有真空斷路器及F+C混合配置。

（1）對(duì)于真空斷路器間隔，如與速斷保護(hù)配合，取t1＝0.3s。

（2）對(duì)于F＋C組合開關(guān)間隔，如與其速斷保護(hù)配合，則根據(jù)F＋C開關(guān)保護(hù)機(jī)理，在F+C回路中，接觸器C作為對(duì)回路正常和過載的后備保護(hù)，當(dāng)電流小于等于真空接觸器額定開斷電流時(shí)，應(yīng)由保護(hù)裝置動(dòng)作跳開接觸器切斷電流；當(dāng)回路電流大于接觸器開斷電流時(shí)，應(yīng)由快速熔斷器F負(fù)責(zé)熔斷。為了確保上述功能順利實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)+C開關(guān)中的速斷電流保護(hù)出口應(yīng)帶延時(shí)，按300MW機(jī)組運(yùn)行中輸煤段母線下接最大熔斷器配置為250A、真空接觸器開斷電流最大考慮4 000A計(jì)，結(jié)合熔斷器特性曲線及回路可能出現(xiàn)的電流，經(jīng)配合后，其延時(shí)時(shí)間一般整定為0.4～0.5s。為此，煤灰電源聯(lián)絡(luò)開關(guān)過電流保護(hù)時(shí)限需取t1＝0.5+Δt=0.8s。如果降低輸煤段母線下接的F+C開關(guān)容量，如熔斷器最大為125A，則其速斷保護(hù)時(shí)限可設(shè)定0.3s，煤灰電源聯(lián)絡(luò)開關(guān)過電流保護(hù)時(shí)限取t1＝0.3+Δt=0.6 s。

（3）煤灰電源聯(lián)絡(luò)開關(guān)如考慮與母線下接開關(guān)過電流保護(hù)配合，則其時(shí)限將更長，目前大多采用反時(shí)限過電流保護(hù)，在配合上存在交叉點(diǎn)。輸煤聯(lián)絡(luò)開關(guān)過流保護(hù)范圍一般不超出下接負(fù)荷開關(guān)自身的速斷范圍，因而無需考慮與下接開關(guān)過流保護(hù)配合。

為保證選擇性，t1可設(shè)定為0.8s，其它各級(jí)電源開關(guān)過流保護(hù)時(shí)限根據(jù)配合要求，逐級(jí)遞增，具體設(shè)置見表1。

表1 煤灰電源開關(guān)過流保護(hù)時(shí)限設(shè)置s

由上述分析可知，當(dāng)選擇時(shí)間級(jí)差為0.3s、煤灰聯(lián)絡(luò)開關(guān)過流保護(hù)（包括其它電源開關(guān)過流保護(hù)）考慮與下接負(fù)荷速斷保護(hù)配合時(shí)，由常規(guī)原則得到的廠用系統(tǒng)6kV電源開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限最快（煤灰段聯(lián)絡(luò)開關(guān)過流），為t1=0.8s，最慢動(dòng)作時(shí)限（6kV工作電源開關(guān)過流）為t4=1.7 s。而高壓電源變壓器（高壓廠變、高壓啟備變）的后備時(shí)限則更長，為2.0s。顯然，保護(hù)時(shí)限過長，尤其是當(dāng)6kV系統(tǒng)工作段母線設(shè)備故障時(shí)，由于大電流沖擊，將造成變壓器及其它一次設(shè)備損傷。

2.2 縮短常規(guī)過電流保護(hù)時(shí)限的措施

（1）首先在整定中考慮電源開關(guān)過電流保護(hù)與下級(jí)電源開關(guān)過電流、下接負(fù)荷開關(guān)速斷保護(hù)在靈敏度及選擇性上配合。

（2）一次設(shè)備開關(guān)柜配置的影響。為縮短廠用電系統(tǒng)最末級(jí)母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)過電流保護(hù)時(shí)限，可考慮煤灰段開關(guān)統(tǒng)一采用真空開關(guān)，或當(dāng)配置熔斷器額定電流大于100A時(shí)采用真空開關(guān)，同時(shí)在整定中注意使聯(lián)絡(luò)開關(guān)過流定值與下接負(fù)荷設(shè)備速斷保護(hù)電流定值在靈敏度上配合，則可將聯(lián)絡(luò)開關(guān)過電流時(shí)限降低到0.3s（采用全真空開關(guān)）或0.6s（在125A以下F+C開關(guān)）。

（3）高壓廠用母線接線方式選擇比較。常規(guī)設(shè)計(jì)中，廠用電系統(tǒng)采用分級(jí)分層接線方式，公用段母線電源取自工作段母線，輸煤段母線電源取自公用段母線，也是造成過電流保護(hù)時(shí)限設(shè)定偏長的原因之一。理論上，將輸煤段工作電源饋線由公用段母線改從工作段母線直接引接，即高壓廠用系統(tǒng)由三級(jí)改為二級(jí)，也可減小相應(yīng)過流保護(hù)時(shí)限級(jí)差，優(yōu)化保護(hù)性能。

常規(guī)設(shè)計(jì)中輸煤段母線為暗備用接線方式，無形中加長了上級(jí)過流保護(hù)時(shí)間，改為明備用方式后，也可減小常規(guī)過流保護(hù)時(shí)限級(jí)差，其缺點(diǎn)是增加了電源開關(guān)間隔和電纜，從而增加投資。

（4）廠用系統(tǒng)各級(jí)常規(guī)過電流保護(hù)時(shí)間級(jí)差選擇。對(duì)于相鄰的上、下兩級(jí)保護(hù)，為保證其選擇性，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間必須有級(jí)差。過電流保護(hù)時(shí)間級(jí)差Δt的選擇原則為：

Δt=上級(jí)保護(hù)時(shí)間誤差+下級(jí)保護(hù)時(shí)間誤差+被保護(hù)斷路器跳閘時(shí)間+裕度時(shí)間

目前廠用系統(tǒng)母線電源開關(guān)均配置真空開關(guān)，其分閘時(shí)間約為40ms，開斷時(shí)間≤60ms；微機(jī)保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)限精度高，誤差小于1.5%，絕對(duì)值誤差≤40ms；裕度時(shí)間根據(jù)保護(hù)配置水平可取50ms。當(dāng)定時(shí)限延時(shí)段過流保護(hù)間配合時(shí)，綜合上述因素，可考慮整定時(shí)間級(jí)差為0.2～0.25s。如以0.2s級(jí)差計(jì)算，工作段母線過流保護(hù)可由2.0s縮短到1.6s。

綜上分析可知，過電流保護(hù)作為廠用電系統(tǒng)設(shè)備（主要是母線設(shè)備）的主要保護(hù)，由于其自身固有特點(diǎn)及廠用電系統(tǒng)接線方式，決定了保護(hù)時(shí)間隨系統(tǒng)層數(shù)遞增而不斷加長。對(duì)高壓廠變（包括啟備變）及工作段母線等廠用電源較高層級(jí)設(shè)備，若過流保護(hù)時(shí)限整定過長，將不能真正有效地起到保護(hù)設(shè)備的作用。因此需要更有效的快速母線保護(hù)設(shè)備以速動(dòng)或短延時(shí)來切除故障，對(duì)機(jī)組及設(shè)備起到較好的保護(hù)作用。

3 閉鎖式快速過電流保護(hù)原理

為解決母線故障保護(hù)動(dòng)作時(shí)間過長的問題，提出“閉鎖式快速過流保護(hù)”設(shè)想，可以將所有母線故障切除時(shí)間控制在0.6s內(nèi)，并對(duì)某300MW機(jī)組廠用電系統(tǒng)實(shí)施改造，原理如圖2所示。

圖2 閉鎖式快速過電流保護(hù)邏輯

（1）以6kV母線1A段母線故障為例。在6kV工作1A段工作電源開關(guān)過流保護(hù)中增加以下邏輯：6kV工作1A段工作電源開關(guān)過流啟動(dòng)，同時(shí)6kV公用A段工作電源饋線開關(guān)過流未動(dòng)，經(jīng)延時(shí)t出口跳6kV工作1A段工作電源開關(guān)。其延時(shí)時(shí)限只需與本母線所接負(fù)荷速斷保護(hù)配合即可。一般來說，對(duì)于負(fù)荷間隔為全真空斷路器的母線，時(shí)間整定t=Δt=0.3s，負(fù)荷間隔包含F(xiàn)+C間隔的母線，時(shí)間整定約為t=t1＝2Δt= 0.6s。

以此類推，可以在所有母線的工作、備用電源開關(guān)中增加“閉鎖式快速過流保護(hù)”。即讓“閉鎖式快速過流保護(hù)”作為母線故障的主保護(hù)，而常規(guī)過流保護(hù)為后備保護(hù)，可大大提高母線故障保護(hù)速度。

（2）全真空斷路器間隔配置可縮短所有廠用電源母線閉鎖式快速過流保護(hù)的時(shí)限，對(duì)設(shè)備安全意義重大。所以在目前真空斷路器與F+C價(jià)格相差不大的情況下，如果空間布置許可，建議廠用負(fù)荷間隔按全真空斷路器設(shè)計(jì)。

（3）為解決高壓廠變、啟備變后備復(fù)合電壓過流保護(hù)時(shí)限過長問題，同樣可用增設(shè)“閉鎖式快速復(fù)合電壓過流保護(hù)”來使動(dòng)作時(shí)限整定在1個(gè)級(jí)差范圍內(nèi)（即0.3s左右），有效保護(hù)變壓器不因主保護(hù)拒動(dòng)而遭受長時(shí)間的大電流沖擊，避免設(shè)備損壞事件發(fā)生。高壓廠變閉鎖式快速復(fù)合電壓過流保護(hù)邏輯如圖3所示。

圖3 高壓廠變閉鎖式快速復(fù)合電壓過流保護(hù)邏輯

以1號(hào)高壓廠變?yōu)槔?號(hào)高壓廠變復(fù)合電壓過流保護(hù)啟動(dòng)和6kV工作1A及1B段工作電源開關(guān)過流均未啟動(dòng)，經(jīng)延時(shí)全停出口，時(shí)限與1號(hào)高壓廠變差動(dòng)和速斷保護(hù)配合即可，取Δt= 0.3s，大大縮短了廠變后備保護(hù)時(shí)限。同理，可在啟備變復(fù)合電壓過流保護(hù)中采用“閉鎖式快速復(fù)合電壓過流保護(hù)”。

（4）“閉鎖式快速復(fù)合電壓過流保護(hù)”雖然能提高保護(hù)的速動(dòng)性，但與常規(guī)母線差動(dòng)保護(hù)相比，其時(shí)間仍然偏長0.3～0.6s，故障情況下對(duì)設(shè)備仍可能造成危害；與此同時(shí)，該保護(hù)由于受下級(jí)過電流保護(hù)元件閉鎖，相互牽制且回路相對(duì)復(fù)雜。

4 總結(jié)及建議

為改善大型發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)保護(hù)性能，保證機(jī)組及設(shè)備安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，可進(jìn)行如下優(yōu)化改進(jìn)工作：

（1）在所有母線的工作、備用電源開關(guān)中增加“閉鎖式快速過流保護(hù)”，可以保證任一段母線設(shè)備在母線范圍內(nèi)的故障動(dòng)作時(shí)間為0.3～0.6s；高壓廠變、高壓啟備變加裝“閉鎖式快速復(fù)合電壓過流保護(hù)”，可實(shí)現(xiàn)變壓器內(nèi)部故障后備時(shí)限0.3s的快速保護(hù)功能。

（2）母線下接各負(fù)荷間隔開關(guān)在條件許可時(shí)統(tǒng)一選擇真空開關(guān)，可將煤灰聯(lián)絡(luò)開關(guān)等常規(guī)過電流時(shí)限縮短到0.3s，所有閉鎖式過電流保護(hù)時(shí)限縮短至0.3s，仍能保證保護(hù)的選擇性。

（3）改變輸煤段母線電源暗備用方式為明備用，可減小常規(guī)過流保護(hù)時(shí)限1個(gè)級(jí)差Δt。

（4）輸煤段工作電源饋線由原公用段改為工作段引接，減少了廠用母線串聯(lián)級(jí)數(shù)，常規(guī)過流保護(hù)時(shí)限縮短0.3s，對(duì)工作段母線及高壓廠變（包括高壓啟備變）后備過流保護(hù)的作用尤為明顯。

（5）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際對(duì)廠用系統(tǒng)各級(jí)過電流保護(hù)時(shí)間級(jí)差進(jìn)行整定，當(dāng)上下級(jí)均配置微機(jī)型定時(shí)限過流、高壓真空開關(guān)時(shí)，理論上可調(diào)整到0.2s，可相應(yīng)縮短保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。

（6）從國外引進(jìn)的電弧光保護(hù)是通過感應(yīng)電弧光并附加輔助電流判據(jù)組成高壓開關(guān)柜母線故障保護(hù)，理論上該保護(hù)能快速（100ms內(nèi)）動(dòng)作并切除故障?；」獗Ｗo(hù)在廠用母線上安裝簡單，容易實(shí)現(xiàn)，作為替代母線速動(dòng)保護(hù)，具有一定優(yōu)勢，值得關(guān)注和推廣。

[1]GB/T 14285-2006繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[2]DL/T 478-2010繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置通用技術(shù)條件[S].北京：中國電力出版社，2011.

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[4]崔家佩，孟慶炎，陳永芳，等.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置整定計(jì)算[M].北京：中國電力出版社，1993.

[5]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)[M].北京：中國電力出版社，2006.

（本文編輯：龔皓）

Analysis and Improvement on Protection Stage Difference Cooperation ofAuxiliary Power System for Thermal Power Units

CAI Ning-ning
（Zhejiang Energy Technology Co.，Ltd，Hangzhou 310014，China）

Illustrated with the case of the typical auxiliary power system for 2×300MW thermal power units, the analysis and discussion on the problems of auxiliary power system protection are performed based on the actual operation of the units in the system.And the suggestions on improvement are also put forward.

auxiliary power；protection；thermal power units；stage difference cooperation

TM762

：B

：1007-1881（2012）06-0073-04

2012-02-21

蔡寧寧（1963-），女，浙江臺(tái)州人，工程師，從事發(fā)電廠電氣專業(yè)技術(shù)管理工作。