大唐宝鸡热电厂 陕西宝鸡 721300
摘要：本文对发电厂低压厂用电系统接线方式及保护配置情况进行了阐述，结合近年来电力系统内发生的多起因低压厂用负荷单相接地故障，导致的机组非计划停运事故，针对低压厂用电系统负荷单相接地保护级差配合问题进行了详细分析和深入研究，并提出了可行的解决方案。
关键词：低压厂用电；单相接地保护；级差配合
1 前 言
在电力系统故障中，最容易发生的就是短路故障，其中单相接地短路发生的概率最大。对于发电厂而言，厂用电系统事故在电厂事故中占有很大比例，特别是低压厂用电系统，由于负荷数量多，分布广，运行环境差和缺乏日常检修维护等原因，导致设备故障率相对较高。并且人们对低压厂用电系统往往不够重视，这就很容易导致事故的发生。近年来，发生了多起因低压厂用电负荷发生接地故障，接地保护越级跳闸，造成PC、MCC整段失压，加之其他因素影响而导致的发电机组非计划停运事故。
2 发电厂低压厂用电系统概述
根据《GB 50660 大中型火力发电厂设计规范》，对于发电厂低压厂用电系统中性点接地方式的规定为：主厂房动力系统的中性点可采用高阻接地、直接接地或不接地方式；辅助厂房的低压厂用电系统中性点宜采用直接接地方式。对于电压等级规定为：220MW级及以上机组，动力网络的电压宜采用380V、380/220V。鉴于大多数发电厂低压厂用电系统均采用中性点直接接地方式，因此本文的研究对象仅限于低压厂用电系统为中性点直接接地方式系统。
发电厂低压厂用电系统采用动力中心（PC）和电动机控制中心（MCC）的供电方式，其接线方式如图1所示。
图1 低压厂用电系统接线方式
对于低压电动机保护，根据《DL/T 5153 火力发电厂厂用电设计规范》，电动机及其电缆的相间短路保护由熔断器或断路器实现，单相接地保护对于容量为100kW及以上的装设有单相接地保护装置，对于容量为100kW以下的相间保护能满足单相接地短路的灵敏性时，由相间短路保护兼作单相接地短路保护，即由熔断器或断路器实现保护功能。由于目前大型发电厂低压厂用系统已很少采用熔断器保护功能，因此本文仅对采用断路器实现单相接地短路保护功能进行分析。
对于低压厂用母线上的馈线的回路，即PC至MCC馈线，相间短路由断路器本身的短路短延时脱扣器实现，单相接地短路由单相接地保护装置实现。对于低压厂用变压器，采用低压侧中性点直接接地的，低压侧单相接地短路由电流互感器装在变压器低压侧中性线上零序过电流保护实现。
3 单相接地故障分析
在中性点直接接地系统中，发生单相接地短路故障后，通过电源、接地故障点、大地、电源中性点，构成闭合回路，形成巨大的短路电流。以A相金属性接地为例，已知其边界条件为I(•)KB = 0，I(•)KC = 0，U(•)KA = 0，应用对称分量法分析，由于I(•)KA0 = 1/3（I(•)KA+ I(•)KB+ I(•)KC），因I(•)KB = 0，I(•) KC = 0，则I(•)KA0 = 1/3I(•)KA，即I(•)KA = 3I(•)KA0。通过以上分析可以得出，发生单相接地短路故障后，故障相的短路电流等于3倍零序电流。应用对称分量法及复合序网还可以构建复合序网图并计算出零序电流数值。
4 单相接地保护级差配合研究及对策
根据图1可以看出，电动机位于PC、MCC的电动机处于系统最末端，其单相接地保护要实现的主要功能是快速切除故障，不需要与其他保护配合。PC至MCC馈线保护位于上一级，单相接地保护动作电流值和动作时间都需要和末级配合，动作电流应大于末级，动作时间也必须大于末级，以实现保护动作的选择性。同理，低压厂用变压器低压侧单相接地保护动作电流值和动作时间也需和下一级（PC至MCC馈线）配合。
根据相关设计规范可以总结出低压厂用电系统负荷单相接地保护功能的实现方式，如表1所示。
表1 负荷单相接地保护功能配置
按照上述级差配合原则，各类设备按照单相接地保护配置的方式，在进行定值整定计算时应遵循以下原则。
4.1电动机单相接地保护
（1）保护装置通过判断电动机的零序电流是否超过定值来实现，其动作判据一般为：
t＞t0zd
式中，3I0——零序电流测量值；
3I0zd ——接地保护零序电流整定值；
t0zd ——接地保护动作时间整定值。
（2）定值整定原则
按躲过电动机启动时的暂态不平衡电流计算：
3I0zd =（1～1.5）IM。N
t0zd = 0s
式中，IM。N ——电动机额定电流。
（3）动作方式：跳闸。
（4）灵敏度校验
电动机出线端子处单相接地短路时，灵敏系数应不低于2。
4.2 断路器短路保护
断路器短路保护由过电流脱扣器实现，按照整定功能可分为不可整定的和可整定的。根据断路器制造商提供的脱扣特性曲线，过电流脱扣断路器瞬时脱扣电流Ii对应的瞬时脱扣时间ti＜0.1s。对于不可整定的过电流脱扣器，短路保护动作电流即为Ii。对于可整定的过电流脱扣器，短路保护动作电流Ii按躲过电动机起动电流计算，应整定为：
Ii = 1.8×Kst×IM。N =（10.8～14.4）IM。N
式中，Kst——电动机起动电流倍数，取6～8；
IM。N ——电动机额定电流。
灵敏度应满足电动机出线端子处单相接地短路时，灵敏系数应不低于2。
对于非电动机负荷，短路保护动作电流Ii一般整定为10倍的负荷额定电流。
4.3 PC-MCC馈线单相接地保护
（1）保护装置通过判断馈线的零序电流是否超过定值来实现，其动作判据一般为：
t＞t0zd
式中，3I0——零序电流测量值；
3I0zd ——接地保护零序电流整定值；
t0zd ——接地保护时间整定值。
（2）定值整定及配合原则
（a）按躲过馈线最大负荷的不平衡电流计算。由于馈线负荷中一般都有单相负荷，所以正常运行就时有不平衡电流。
3I0zd =0.25 IL。max
式中，IL。max——馈线正常最大负荷电流。
（b）与下一级电动机单相接地保护配合：
3I0zd = 1.2I0zd。M。max
式中，I0zd。M。max ——MCC上最大电动机单相接地保护零序电流整定值。
（c）与下一级负荷断路器保护配合（未配置接地保护的）：
3I0zd =（1.2～1.5）Ii。M。max
式中，Ii。M。max ——MCC上最大断路器的瞬时脱扣电流。
按照（a）、（b）、（c）3种原则计算出整定值后，3I0zd取最大值。
（d）保护动作时间整定：
与下一级单相接地保护时间0.1配合，级差△t取0.3s。
t = 0.4 s
（3）动作方式：跳闸。
（4）灵敏度校验
馈线末端单相接地短路时，灵敏系数≥2。
4.4 低压厂用变低压侧单相接地保护
（1）保护装置通过判断流过变压器低压侧中性线零序电流是否超过定值来实现，其动作判据一般为：
t＞t0zd
式中，3I0——零序电流测量值；
3I0zd ——接地保护零序电流整定值；
t0zd ——接地保护动作时间整定值。
（2）定值整定及配合原则
（a）按躲过正常最大不平衡电流计算：
3I0zd =0.25 IT。N
式中，IT。N——变压器低压侧额定电流。
（b）与低压侧馈线单相接地保护配合：
3I0zd = 1.2I0zd。L。max
式中，I0zd。L。max——PC-MCC最大馈线单相接地保护零序电流整定值。
（c）与低压侧电动机单相接地保护配合：
3I0zd = 1.2I0zd。M。max
式中，I0zd。M。max ——PC上最大电动机单相接地保护零序电流整定值。
（d）与低压侧负荷断路器保护配合（未配置接地保护的）：
3I0zd =（1.2～1.5）Ii。max
式中，Ii。max ——PC上最大断路器的瞬时脱扣电流。
按照（a）、（b）、（c）、（d）4种原则计算出整定值后，3I0zd取最大值。
（e）保护动作时间整定：
与PC-MCC馈线单相接地保护时间0.4s配合，级差△t取0.3s。
t = 0.4+0.3 = 0.7s
若PC-PC联络线装有单相接地保护时，应与该保护动作时间配合。
（3）动作方式：跳闸。
（4）灵敏度校验
变压器低压母线单相接地短路时，灵敏系数≥2。
5 结语
发电厂低压厂用电系统分级较多，发生接地故障后对保护的可靠性、快速性、选择性之间的配合要求较高，需要考虑的级差配合因素较多。特别是对于采用断路器过流脱扣来实现接地短路保护负荷，在整定计算时往往忽略了与这类保护的配合，从而导致故障发生时保护越级跳闸，扩大事故影响。因此对于短路脱扣器的动作正确性，应按照《GB 14048.2 低压开关设备和控制设备 第2部分 断路器》8.3.3.1.2规定的试验方法进行验证。
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[5]中华人民共和国国家标准.GB 14048.2-2008 低压开关设备和控制设备 第2部分 断路器..中国标准出版社.2009-06-01.
[6] 高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术.中国电力出版社.2005-11.
论文作者:宗乐
论文发表刊物:《基层建设》2018年第28期
论文发表时间:2018/11/16
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