火電機組廠用電保護級差配合分析及改進

（浙江浙能能源技術有限公司，杭州310014）

火電機組廠用電保護級差配合分析及改進

蔡寧寧

（浙江浙能能源技術有限公司，杭州310014）

以2×300MW火電機組典型廠用電系統為例，結合系統內機組運行情況，對廠用電系統保護的相關問題進行分析與討論，并提出完善建議。

廠用電；保護；火電機組；級差配合

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

1 火電機組廠用電典型接線及配置

目前300MW火電機組通常采用2×300MW單元制布置。廠用系統高壓母線采用6kV電壓等級，各母線通常采用分級多層接線方式，每臺機組配置1臺高壓廠用變壓器（以下簡稱高壓廠變）帶2段6kV工作母線。2臺機組共設2段6kV公用母線、2段6kV輸煤母線和1臺全容量高壓啟動備用變壓器（以下簡稱高壓啟備變），所有6kV母線上各間隔開關根據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，小容量負荷配置F＋C開關，其余配真空斷路器。接線實例見圖1。

圖1 典型廠用電系統接線

根據保護配置設計原則，高壓廠變、高壓啟備變一般配置差動、瓦斯主保護和復合電壓過電流后備保護，母線電源進線開關配置過電流保護，低壓廠變及電動機保護采用微機綜合保護裝置，配置速斷、過流、熱積累、過負荷等保護，各段母線間6kV饋線電源電纜配置差動保護。

2 常規廠用電系統設備保護

2.1 過電流保護時限設置

根據廠用電系統的特點、保護靈敏度及選擇性配合整定原則，過流保護電流設定值按躲母線自啟動考慮，并與下級過流在靈敏度上配合進行整定，時間設定值按與下級過流時間配合，目前微機型保護級差時間大多選擇Δt=0.3s。

以煤灰電源聯絡開關過電流保護時間t1的整定分析為例：通常在煤灰段下接負荷中，有電動機及低壓變壓器，開關形式有真空斷路器及F+C混合配置。

（1）對于真空斷路器間隔，如與速斷保護配合，取t1＝0.3s。

（2）對于F＋C組合開關間隔，如與其速斷保護配合，則根據F＋C開關保護機理，在F+C回路中，接觸器C作為對回路正常和過載的后備保護，當電流小于等于真空接觸器額定開斷電流時，應由保護裝置動作跳開接觸器切斷電流；當回路電流大于接觸器開斷電流時，應由快速熔斷器F負責熔斷。為了確保上述功能順利實現，F+C開關中的速斷電流保護出口應帶延時，按300MW機組運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，結合熔斷器特性曲線及回路可能出現的電流，經配合后，其延時時間一般整定為0.4～0.5s。為此，煤灰電源聯絡開關過電流保護時限需取t1＝0.5+Δt=0.8s。如果降低輸煤段母線下接的F+C開關容量，如熔斷器最大為125A，則其速斷保護時限可設定0.3s，煤灰電源聯絡開關過電流保護時限取t1＝0.3+Δt=0.6 s。

（3）煤灰電源聯絡開關如考慮與母線下接開關過電流保護配合，則其時限將更長，目前大多采用反時限過電流保護，在配合上存在交叉點。輸煤聯絡開關過流保護范圍一般不超出下接負荷開關自身的速斷范圍，因而無需考慮與下接開關過流保護配合。

為保證選擇性，t1可設定為0.8s，其它各級電源開關過流保護時限根據配合要求，逐級遞增，具體設置見表1。

表1 煤灰電源開關過流保護時限設置s

由上述分析可知，當選擇時間級差為0.3s、煤灰聯絡開關過流保護（包括其它電源開關過流保護）考慮與下接負荷速斷保護配合時，由常規原則得到的廠用系統6kV電源開關過流保護動作時限最快（煤灰段聯絡開關過流），為t1=0.8s，最慢動作時限（6kV工作電源開關過流）為t4=1.7 s。而高壓電源變壓器（高壓廠變、高壓啟備變）的后備時限則更長，為2.0s。顯然，保護時限過長，尤其是當6kV系統工作段母線設備故障時，由于大電流沖擊，將造成變壓器及其它一次設備損傷。

2.2 縮短常規過電流保護時限的措施

（1）首先在整定中考慮電源開關過電流保護與下級電源開關過電流、下接負荷開關速斷保護在靈敏度及選擇性上配合。

（2）一次設備開關柜配置的影響。為縮短廠用電系統最末級母線聯絡開關過電流保護時限，可考慮煤灰段開關統一采用真空開關，或當配置熔斷器額定電流大于100A時采用真空開關，同時在整定中注意使聯絡開關過流定值與下接負荷設備速斷保護電流定值在靈敏度上配合，則可將聯絡開關過電流時限降低到0.3s（采用全真空開關）或0.6s（在125A以下F+C開關）。

（3）高壓廠用母線接線方式選擇比較。常規設計中，廠用電系統采用分級分層接線方式，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時限設定偏長的原因之一。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，即高壓廠用系統由三級改為二級，也可減小相應過流保護時限級差，優化保護性能。

常規設計中輸煤段母線為暗備用接線方式，無形中加長了上級過流保護時間，改為明備用方式后，也可減小常規過流保護時限級差，其缺點是增加了電源開關間隔和電纜，從而增加投資。

（4）廠用系統各級常規過電流保護時間級差選擇。對于相鄰的上、下兩級保護，為保證其選擇性，保護動作時間必須有級差。過電流保護時間級差Δt的選擇原則為：

Δt=上級保護時間誤差+下級保護時間誤差+被保護斷路器跳閘時間+裕度時間

目前廠用系統母線電源開關均配置真空開關，其分閘時間約為40ms，開斷時間≤60ms；微機保護裝置的動作時限精度高，誤差小于1.5%，絕對值誤差≤40ms；裕度時間根據保護配置水平可取50ms。當定時限延時段過流保護間配合時，綜合上述因素，可考慮整定時間級差為0.2～0.25s。如以0.2s級差計算，工作段母線過流保護可由2.0s縮短到1.6s。

綜上分析可知，過電流保護作為廠用電系統設備（主要是母線設備）的主要保護，由于其自身固有特點及廠用電系統接線方式，決定了保護時間隨系統層數遞增而不斷加長。對高壓廠變（包括啟備變）及工作段母線等廠用電源較高層級設備，若過流保護時限整定過長，將不能真正有效地起到保護設備的作用。因此需要更有效的快速母線保護設備以速動或短延時來切除故障，對機組及設備起到較好的保護作用。

3 閉鎖式快速過電流保護原理

為解決母線故障保護動作時間過長的問題，提出“閉鎖式快速過流保護”設想，可以將所有母線故障切除時間控制在0.6s內，并對某300MW機組廠用電系統實施改造，原理如圖2所示。

圖2 閉鎖式快速過電流保護邏輯

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

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

（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的時限，對設備安全意義重大。所以在目前真空斷路器與F+C價格相差不大的情況下，如果空間布置許可，建議廠用負荷間隔按全真空斷路器設計。

（3）為解決高壓廠變、啟備變后備復合電壓過流保護時限過長問題，同樣可用增設“閉鎖式快速復合電壓過流保護”來使動作時限整定在1個級差范圍內（即0.3s左右），有效保護變壓器不因主保護拒動而遭受長時間的大電流沖擊，避免設備損壞事件發生。高壓廠變閉鎖式快速復合電壓過流保護邏輯如圖3所示。

圖3 高壓廠變閉鎖式快速復合電壓過流保護邏輯

以1號高壓廠變為例。1號高壓廠變復合電壓過流保護啟動和6kV工作1A及1B段工作電源開關過流均未啟動，經延時全停出口，時限與1號高壓廠變差動和速斷保護配合即可，取Δt= 0.3s，大大縮短了廠變后備保護時限。同理，可在啟備變復合電壓過流保護中采用“閉鎖式快速復合電壓過流保護”。

（4）“閉鎖式快速復合電壓過流保護”雖然能提高保護的速動性，但與常規母線差動保護相比，其時間仍然偏長0.3～0.6s，故障情況下對設備仍可能造成危害；與此同時，該保護由于受下級過電流保護元件閉鎖，相互牽制且回路相對復雜。

4 總結及建議

為改善大型發電廠廠用電系統保護性能，保證機組及設備安全、可靠、穩定運行，可進行如下優化改進工作：

（1）在所有母線的工作、備用電源開關中增加“閉鎖式快速過流保護”，可以保證任一段母線設備在母線范圍內的故障動作時間為0.3～0.6s；高壓廠變、高壓啟備變加裝“閉鎖式快速復合電壓過流保護”，可實現變壓器內部故障后備時限0.3s的快速保護功能。

（2）母線下接各負荷間隔開關在條件許可時統一選擇真空開關，可將煤灰聯絡開關等常規過電流時限縮短到0.3s，所有閉鎖式過電流保護時限縮短至0.3s，仍能保證保護的選擇性。

（3）改變輸煤段母線電源暗備用方式為明備用，可減小常規過流保護時限1個級差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級數，常規過流保護時限縮短0.3s，對工作段母線及高壓廠變（包括高壓啟備變）后備過流保護的作用尤為明顯。

（5）根據現場實際對廠用系統各級過電流保護時間級差進行整定，當上下級均配置微機型定時限過流、高壓真空開關時，理論上可調整到0.2s，可相應縮短保護動作時間。

（6）從國外引進的電弧光保護是通過感應電弧光并附加輔助電流判據組成高壓開關柜母線故障保護，理論上該保護能快速（100ms內）動作并切除故障?；」獗Ｗo在廠用母線上安裝簡單，容易實現，作為替代母線速動保護，具有一定優勢，值得關注和推廣。

[1]GB/T 14285-2006繼電保護和安全自動裝置技術規程[S].北京：中國標準出版社，2007.

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

[3]DL/T 584-2007 3kV～110kV電網繼電保護裝置運行整定規程[S].北京：中國電力出版社，2008.

[4]崔家佩，孟慶炎，陳永芳，等.電力系統繼電保護與安全自動裝置整定計算[M].北京：中國電力出版社，1993.

[5]高春如.大型發電機組繼電保護整定計算與運行技術[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，浙江臺州人，工程師，從事發電廠電氣專業技術管理工作。