李 華，徐光會

（1.中國石油華北石化公司；2.華北油田技術(shù)監(jiān)督檢驗處環(huán)境監(jiān)測中心站）

變壓器是電力系統(tǒng)重要的主設(shè)備之一。電能通過各變電站的配電變壓器分配給各用電設(shè)備。為了能確保電力主設(shè)備--變壓器的安全經(jīng)濟(jì)運行，提高其繼電保護(hù)的正確動作率是及其重要的。

華北石化千萬噸擴建區(qū)域，6kV配電變壓器高壓側(cè)采用ABB公司的REF542，設(shè)有瞬時速斷、定時限過流、反時限過流、定時限過負(fù)荷、接地保護(hù)。低壓進(jìn)線開關(guān)主要采用ABB Emax pr122和施耐德的MT系列框架斷路器，都設(shè)有長延時、短延時、與瞬時速斷三段保護(hù)，其中所有變電所的瞬時速斷保護(hù)選擇了OFF形式；變壓器采用反時限過流與短延時速斷兩段保護(hù)。

如果低壓進(jìn)線與變壓器保護(hù)值整定及時限配合不合適，母線及以下范圍發(fā)生短路故障時經(jīng)常出現(xiàn)下面兩種誤動情況：進(jìn)線開關(guān)瞬時速斷與下級斷路器瞬時脫扣同時動作；變壓器反時限過流保護(hù)先于低壓進(jìn)線開關(guān)短延時保護(hù)動作，引發(fā)低壓進(jìn)線低電壓跳閘，同時備自投成功使得故障擴大化。這些越級跳閘事故給石化廠的生產(chǎn)造成很大影響，合理設(shè)置變壓器與低壓進(jìn)線保護(hù)值并使它們很好的配合在化工電氣中已經(jīng)顯得尤為重要。

1 變壓器高壓側(cè)保護(hù)整定

1.1 電流速斷保護(hù)

1.1.1 保護(hù)范圍：高壓電纜、電纜頭、高壓側(cè)套管接線端子機部分一次繞組。

1.1.2 按躲過二次側(cè)最大三相短路電流整定，即二次動作電流

動作時間t1＝0s

1.1.3 保護(hù)靈敏度：

式中 Kk—可靠系數(shù)，取 1.3；

nct—電流互感器變比；

I13min—變壓器一次側(cè)最小三相短路電流，A；

I23max—變壓器二次側(cè)最大三相短路電流，A；

Nt—變壓器的變比，Nt＝15 為 6/0.4kV 變壓器

1.2 定時限過流保護(hù)

1.2.1 保護(hù)范圍：二次側(cè)母線橋、配電盤母線及配出回路部分電纜。

1.2.2 按躲過變壓器最大負(fù)荷尖峰電流整定。

二次動作電流按下式計算：

動作時間t2＝0.7s（與二次側(cè)斷路器短延時脫扣器配合）；

或t2＝0.4s（與二次側(cè)斷路器短延時脫扣器不配合）。

1.2.3 保護(hù)靈敏系數(shù)：

式中I1n—變壓器一次側(cè)額定電流，A；

I23min—變壓器二次側(cè)最小三相短路電流A；

Kgh—變壓器可能的過負(fù)荷系數(shù)，可取 1.5～3.0，推薦取2.0～2.5；

Kk—可靠系數(shù)，取 1.2

Kfh—保護(hù)裝置返回系數(shù)，一般在 0.93～0.98 之間，按所選保護(hù)器確定。

其余符號同前

1.3 反時限過電流保護(hù)

1.3.1 保護(hù)范圍：具有過負(fù)荷、過電流保護(hù)功能，能保護(hù)變壓器一、二次側(cè)及配出回路較長一段電纜線路的相間短路。

1.3.2 整定確定以下三要素

（1）二次動作電流初始值：

（2）選用反時限曲線：IEC曲線VIT，即非常反時限

時間倍乘因子Tp整定：

式中t2—二次側(cè)最大三相短路時，與定時限過流保護(hù)配合的動作時間；可取 t2＝0.8s或 0.5s（分別對應(yīng) 0.7s和 0.4s）

Kk—可靠系數(shù)，取 1.05～1.1

其余符號意義同前。

1.4 過負(fù)荷定時限保護(hù)

1.4.1 保護(hù)用途：保護(hù)變壓器過負(fù)荷。

1.4.2 按躲過變壓器額定電流整定。

（1）二次動作電流初始值：

（2）動作時間：t4＝15s（或按躲過最大一臺電動機起動時間），保護(hù)動作于發(fā)信號。

式中 Kk—可靠系數(shù)，取 1.05，

其余符號意義同前。

1.5 一次側(cè)接地保護(hù)

1.5.1 保護(hù)特點：

對于中性點不接地系統(tǒng)，對裝置變電所而言，各配出回路整定值相同或基本相同。這是因為：一方面系統(tǒng)總的接地電容電流相同、其值較大，另一方面終端變電所各回路的電纜截面及長度相差不大，回路自身的接地電容電流相差很小。千萬噸項目變電所零序互感器選用50/1A。

1.5.2 保護(hù)范圍：一次側(cè)電纜及變壓器部分一次繞組接地。

1.5.3 整定原則：

零序過流保護(hù)一般通過開關(guān)柜上保護(hù)裝置實現(xiàn)（將零序CT接入保護(hù)器）

按躲過本回路電容電流整定或按滿足靈敏系數(shù)整定。

1）按躲過本回路電容電流，二次動作電流按下式計算：

保護(hù)靈敏系數(shù)：

動作時間：tj＝0.1s～0.15s 報警

2）按靈敏系數(shù)整定，二次動作電流按下式計算：

式中 Kk—可靠系數(shù)，取 4.0～5.

Kfh—返回系數(shù)，同前

Icn—本回路接地電容電流，A

Ic∑—本系統(tǒng)總的接地電容電流或補償后剩余電流，A

Nj—零序電流互感器變比

KL—靈敏系數(shù)，取 1.5

1.6 二次側(cè)接地保護(hù)

對于dyn-11接線變壓器不需要專門設(shè)置此保護(hù)，利用高壓側(cè)的過流保護(hù)能滿

足二次側(cè)接地保護(hù)靈敏度要求。對于Yyn-12接線變壓器需要設(shè)置此保護(hù)，在引出的N母線上裝設(shè)AT。在AT后接地。

2 低壓側(cè)總進(jìn)線開關(guān)

2.1 保護(hù)裝置

框架式斷路器（或稱為空氣斷路器）配套電子式脫扣器（智能型監(jiān)控裝置），一般都具有過載長延時、短路短延時、短路瞬時三段保護(hù)（B類）。

2.2 斷路器基本參數(shù)

2.2.1 框架額定電流等級

根據(jù)框架尺寸大小確定能安裝最大脫扣器額定電流值來分級；每一級框架電流可適合幾個等級不大于框架電流的脫扣器額定電流In。

例如，MT25H1智能型框架式斷路器的框架額定電流是2500A。

MT25H1（含額定電流 In：1250A，1600A，2000A，2500A）

2.2.2 配套智能控制器類型

以MT25H1系列斷路器為例，共有Micrologic 2（基本保護(hù)）、Micrologic 5（選擇性保護(hù)）、Micrologic 6（選擇性保護(hù)＋接地保護(hù)）、Micrologic 7（選擇性＋漏電保護(hù)）等4種類型。

2.2.3 極數(shù) 3p，4p

2.2.4 斷路器短路特性參數(shù)

以MT25H1為例

1）額定極限短路分?jǐn)嗄芰cu 65kA

2）額定運行短路分?jǐn)嗄芰cs 65kA

3）短時（1s）耐受電流 Icw 65kA

4）短路接通能力（峰值）Icm 143kA

5）全分?jǐn)鄷r間ms 25

2.3 保護(hù)功能及其整定

以Micrologic 5型智能控制器為例

2.3.1 過載長延時保護(hù)

動作電流：Ir1＝1.05×1.05I2n（A）

動作時間t1：應(yīng)滿足以下兩個條件

a在一臺變壓器運行時，躲過最大一臺電動機起動時間；

b變壓器二次側(cè)最大三相短路時，動作時間t1≥0.4s

最大一臺電動機起動時二次側(cè)最大負(fù)荷電流Ist

相當(dāng)于過載保護(hù)動作電流的倍數(shù)：K＝I2st÷Ir1在此電流倍數(shù)，動作時間不應(yīng)小于電動機起動時間。式中I2n—變壓器二次側(cè)額定電流，A

Inmax—最大一臺電動機額定電流，A

Kst—電動機起動電流倍數(shù)。

2.3.2 短路短延時保護(hù)

（1）動作電流：可取一次測定時限過流保護(hù)相同定值，即

過負(fù)荷系數(shù) Kgh取 2.1 倍，推薦 2.0～2.5 倍。

（2）動作時間 t2：

對只有定時限的脫扣器

I≥Ir2，t2＝0.4s（有 0.1，0.2，0.3，0.4s共 4 級）

2.3.3 短路瞬時保護(hù)

該保護(hù)功能關(guān)斷（OFF），或按該等級最大值整定（且該值大于二次側(cè)最大三相短路電流），工程設(shè)計中，推薦關(guān)斷。

3 華北石化公司計算實例

千萬噸擴建項目新增火炬設(shè)施改擴建單元，該單元內(nèi)設(shè)配電室，為單層結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)本單元內(nèi)所有用電負(fù)荷的供電?；鹁媾潆娛业牡蛪哼M(jìn)線電源由8＃開閉所供電，電纜ZA-YJV22-1KV 3 根 3＊240＋2＊120mm2，長度為 340 米。

8＃開閉所為該項目新增2面6KV中壓柜，2臺S11-M油浸變壓器 6.3/0.4KV，容量為 1250KVA，阻抗 4.7%。2 臺變壓器目前各帶一個進(jìn)線柜和出線柜（為其他項目預(yù)留備用位置，預(yù)留負(fù)荷中最大電動機容量按160kW考慮），該低壓出線柜為火炬現(xiàn)場配電間提供電源，火炬現(xiàn)場配電間現(xiàn)有總負(fù)荷為100KW，最大電機為45KW，啟動時間預(yù)估為7s。8＃變電所6kV母線短路容量：最大142MVA（13kA），最小 114.6MVA（10.5kA）。

3.1 短路電流計算

3.1.1 變壓器二次側(cè)母線短路電流

取6kV母線短路容量作為變壓器一次側(cè)短路容量，即

一次側(cè)最大三相短路容量S”＝142MVA

一次側(cè)最小三相短路容量S”＝114.6MVA

3.1.2 變壓器一次側(cè)系統(tǒng)阻抗（折算到低壓側(cè)）

（最小方式分別為 1.389mΩ 和.139mΩ）

3.1.3 變壓器阻抗，S11M-1250kvA 油浸變壓器，阻抗 4.7%，ΔPk＝11.5kW，得

3.1.4 變壓器與低壓進(jìn)線不在一層樓上，它們之間連接電纜4根3＊300＋2＊300m2長度為30米，則電纜阻抗，查配四手冊 p210，表 4.2-40 得：

c1＝0.0618×30/4＝0.464mΩ

Xc1＝0.0751×30/4＝0.563mΩ

總的電阻 R＝0.112＋1.177＋0.464＝1.753mΩ （1.78）

總的電抗 X＝1.121＋5.90＋0.563＝7.584mΩ （7.852）

總的阻抗 Z＝√（1.7532＋7.5842）＝7.784mΩ （8.05）

變壓器二次側(cè)母線短路電流最大值 Ik1max＝（1.05×380）/1.732×7.784＝29.595kA

變壓器二次側(cè)母線短路電流最小值 Ik1max＝（1.05×380）/1.732×8.05＝28.617kA

3.1.5 火炬設(shè)施配電間母線短路電流

該配電間每段電源電纜ZA-YJV22-1KV 3根3＊240＋2＊120mm2，長度為 340m，查配四手冊 p213，表 4.2-46 得：

Rc2＝0.0774×340/3＝8.772mΩ

Xc2＝0.0716×340/3＝8.115mΩ

總的電阻 R＝1.753＋8.772＝10.525mΩ

總的電抗 X＝7.584＋8.115＝15.699mΩ

總的阻抗 Z＝√（10.5252＋15.6992）＝18.90mΩ

Ikmax＝（1.05×380）/1.732×18.90＝12.19kA （Imin＝12.10≈Ikma）

3.2 火炬項目變壓器高壓側(cè)保護(hù)整定

全密封變壓器 S11-M-1250/6.3，1250kVA，6.3 2.5% /0.4kV，4.7%，I1n/I2n＝114.6/1804.3A，電流互感器 200/1A，D，yn，變壓器一次側(cè)最大（最?。┒搪冯娏?13（10.5）kA。6kV 側(cè)為不接地系統(tǒng)，二次側(cè)母線最大（最?。┤喽搪冯娏?9.59kA（28.62kA）。

（1）電流速斷50

一次動作電流 I11＝（1.3×I23max）÷Nt＝1.3×29590÷15.75＝2442.3A

二次動作電流 I12＝2442.3÷200＝12.21A 取 12A

動作時間 t1＝0s

保護(hù)靈敏度：

KL＝0.866×10500÷（12×200）＝3.79＞2.0 滿足要求。

（2）定時限過流 51-1

一次動作電流

I21＝1.2×2.1×114.6÷0.95＝304 A

二次動作電流 I22＝304÷200＝1.52A 取 1.5A

一次動作電流 I21＝1.5×200＝300A

動作時間 t2＝0.7s

保護(hù)靈敏度：

KL＝（0.866×26880）÷（25×10×20）＝4.65＞1.5 滿足要求。

（3）反時限過負(fù)荷（過電流）51-2

一次動作電流

I31＝1.1×114.6÷0.95＝132.69

1）二次動作電流 I32＝132.69÷200＝0.66A 取 0.7A（一次側(cè)140A）

2）選用IEC曲線VIT，即非常反時限（或極端反時限EI），動作特性為：

3）時間因子Tp

Tp＝0.7｛［（29590÷15.75）÷0.7×200）］-1｝/13.5＝0.64s

取 Tp＝0.75s（保護(hù)裝置時間整定步長：0.01s）

校驗1：二次側(cè)最大短路時，與定時限過流保護(hù)是否配合：

t＝｛13.5/［（29590÷15.75）÷140-1］｝×0.75＝0.82s＞0.7s滿足要求。

校驗2：躲過最大一臺電動機起動時間，二次側(cè)最大電動機P＝160kW，

Inm＝292A，Ks＝7，預(yù)期起動時間 12s，該電機起動時變壓器最大負(fù)荷電流：

I1st＝（1.05×114.6-0.8×292÷15.75）＋7×292÷15.75＝235.28 A（折算到一次測）

t＝13.5÷［（235.28/140）-1］×0.75＝14.9s＞12s 滿足要求。

（4）過負(fù)荷定時限保護(hù)

1）二次動作電流 I42＝1.05×114.6÷（0.95×200）＝0.63A，取0.6A

2）動作時間 t4＝14s（躲過最大一臺電動機起動時間tst＝12s）

（5）單相接地保護(hù)

3.3 火炬項目低壓側(cè)保護(hù)整定計算

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

8＃開閉所內(nèi)新增配電變壓器 S11-M-1250/6.3，1250kVA，（6.3±2×2.5%）/0.4kV，4.7%，I1n/I2n＝114.55/1804.3A，電流互感器200/1A，D，yn，一次側(cè)最大（最小）短路電流 13（10.5）kA。6kV側(cè)為不接地系統(tǒng)，二次側(cè)母線最大（最?。┤喽搪冯娏?9.595kA（28.617kA）。配出柜為現(xiàn)場火炬配電間提供電源，火炬配電間母線最大三相短路電路為12.19KA（最小12.10kA）。

3.3.1 變壓器二次側(cè)進(jìn)線斷路器整定

選用施耐德 MT25H1/3P 5.0E 2500A

3.3.1.1 過載長延時（反時限特性）

脫扣器額定電流In＝2500A

1.1 動作電流：Ir＝1.05×1.05×1804.3＝1989.2 A＝0.7957In

取 Ir＝0.8 In＝0.8×2500＝2000A （整定范圍 Ir1＝0.4～1.0In步長10A）

1.2 動作時間：

該斷路器過載保護(hù)為反時限特性，遵循I2t＝K的規(guī)律。

預(yù)選施耐德樣本中6Ir1時，動作時間4.0s這一檔，則

K＝（6×2000）2×4＝57600×104A2.s

1.2.1 校驗a二次側(cè)最大三相短路時，動作時間不應(yīng)小于0.4s，即

變壓器二次側(cè)最大三相短路電流為：

Ik1max＝29595÷2000＝14.798Ir1

在此電流下，該保護(hù)動作時間為：

t＝K/（14.798Ir1）2＝57600×104/（29595）2＝0.657s

考慮動作時間最大可能有-20%的誤差（樣本數(shù)據(jù)），則動作時間：

t＝0.657-0.2×0.657＝0.525s＞0.4 s

在二次側(cè)發(fā)生短路時，短延時保護(hù)先于過載保護(hù)跳閘，所以，滿足配合要求。

1.2.2 校驗 b 最大一臺電動機起動時（160KW，292A，起動電流倍數(shù)7，預(yù)期起動時間12s），長延時保護(hù)動作時間應(yīng)躲過起動時間。

要考慮該變壓器今后負(fù)荷發(fā)展：即考慮一臺變壓器運行時接近滿載、再有最大一臺電動機（160kW）起動時，過載保護(hù)不應(yīng)該誤動作（時間躲過），此時最大電流按下式計算：

Imax＝（1804.3-0.8×292）＋7×292＝3614.4A＝1.81Ir

驗算大電機啟動時保護(hù)的動作時間：

t＝K/（1.81Ir）2＝57600×104/（3614.4）2＝44.09s

考慮 20%的負(fù)誤差或后，t＝44.09-0.2×44.09＝35.3s＞14.4s

大電機啟動時，過載保護(hù)不會誤動作。

結(jié)論：過載長延時整定值：

Ir＝0.8In＝2000A；6Ir，4.0s

（注意：此值應(yīng)與一次側(cè)定時限過負(fù)荷保護(hù)盡量一致）

2短路短延時

2.1 動作電流按可能出現(xiàn)的最大尖峰電流整定，即

Isd＝1.05×（1804.3-0.8×292＋7×292）＝3795.4A≈1.898Ir

取 Isd＝2.0Ir＝4000A

靈敏度 KL＝0.866×28617÷4000＝6.2＞1.3 滿足要求

注意：此定值應(yīng)與一次側(cè)定時限過流保護(hù)定值相同（或非常接近）。

2.2 動作時間：

定時限：tsd＝0.4s，定時限；反時限關(guān)斷。

3 短路瞬時

該保護(hù)功能關(guān)斷（OFF）

3.3.2 變壓器二次側(cè)母線分段斷路器整定

1過載長延時

1.1 動作電流 Ir＝0.8In＝2000A；

1.2 動作時間 6Ir，4.0s

2 短路短延時

2.1 動作電流 Isd＝2.0Ir＝4000A

2.2 動作時間 tsd＝0.2s

3 短路瞬時

該保護(hù)功能關(guān)斷（OFF）

3.3.3 火炬配電間進(jìn)線斷路器整定

選用施耐德 MT10H1/3P 5.0E 1000A，該配電間最大電機 45KW，Ie＝82A

1 過載長延時（反時限特性）

額定電流In＝1000A，現(xiàn)階段最大負(fù)荷100KW。雖然目前負(fù)荷很小，但電源電纜允許載流量達(dá)到 IZ＝3×483×0.65＝942A，為了不封鎖電纜容量并為以后發(fā)展留有余地。

1.1 動作電流：Ir＝0.8In＝800A

1.2 動作時間：

過載保護(hù)為反時限特性，遵循 I2t＝K ，即 t＝K/I2。

如果預(yù)選 6Ir時，2.0s，則

K＝（6×800）2×2＝4608×104A2.s

1.2.1 校驗a電源電纜末端三相短路時（即配電間母線），動作時間不應(yīng)小于 0.2s，即

當(dāng)線路末端最大三相短路時：IK＝12.19kA＝12190A＝15.24Ir

此時動作時間；

t＝K/（15.24Ir）2＝4608×104/（12190）2＝0.31s＞0.2s滿足要求1.2.2 校驗 b

最大一臺電動機起動時（45KW Ie＝82A），動作時間應(yīng)躲過起動時間

即

Imax＝（800-0.8×82）＋7x82＝1308.4A＝1.636Ir，

動作時間

t＝K÷（Imax）2＝4608×104÷（1308.4）2＝26.9s

考慮 20%的負(fù)誤差或后，t＝26.9-0.2×26.9＝21.5s＞1.2×7＝8.4s 滿足要求

結(jié)論：動作電流：Ir＝0.8In＝800A

動作時間：6Ir時，2 s

2 短路短延時

2.1 動作電流：

Isd＝1.2［（800-0.8×82）＋7x82］＝1570A＝1.963Ir

取Isd＝2.0Ir＝1600A（樣本中有這一檔，整定范圍1.5Ir～10Ir）

靈敏度 KL＝0.866×12100÷1600＝6.55＞1.3 滿足要求

2.2 動作時間：tsd＝0.2s 定時限

3 短路瞬時

該保護(hù)功能關(guān)斷（OFF）。

3.3.4 8＃ 開閉所火炬配出線斷路器整定

選用施耐德 MT10H1/3P 5.0E 1000A，該配電間最大電機 45KW Ie＝82A

1 過載長延時（反時限特性）

額定電流 In＝1000A，

1.1 動作電流：Ir＝0.8In＝800A

1.2 動作時間：6Ir時，2s

2 短路短延時

2.1 動作電流 Isd＝2.0Ir＝1600A

2.2 動作時間：tsd＝0.2s

靈敏度校驗：

線路末端短路時，

KL＝0.866×12100÷1600＝6.55＞1.3

滿足要求

線路首端短路時，

KL＝0.866×28610÷1600＝15.48＞1.3

滿足要求

3 短路瞬時

該保護(hù)功能關(guān)斷（OFF）。

3.3.5 火炬配電間分段斷路器整定

1 過載長延時（反時限特性）

額定電流 In＝1000A，

1.1 動作電流：Ir＝0.8In＝800A

1.2 動作時間：6Ir時，2s

2 短路短延時

2.1 動作電流 Isd＝2.0Ir＝1600A

2.2 動作時間：t2＝0.1s

3 短路瞬時

該保護(hù)功能關(guān)斷。

4 附表

表1 2×1250kvA變壓器、火炬配電等八個空氣斷路器整定值一覽表

5 小結(jié)

①變壓器高壓側(cè)保護(hù)裝置的整定值，與低壓進(jìn)線斷路器的整定值應(yīng)該相差很?。ㄕ鬯愕酵粋?cè)后），因為短路時流過同一電流；

②變壓器高壓側(cè)過負(fù)荷定時限保護(hù)與低壓進(jìn)線斷路器的過載長延時保護(hù)整定值相差很小或是同一數(shù)值；

③低壓各級斷路器的整定通過時間的配合實現(xiàn)保護(hù)的選擇性。