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在發(fā)電廠380V低壓廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般都設(shè)計(jì)成動(dòng)力中心（PC）和電動(dòng)機(jī)控制中心（MCC）的供電模式，以實(shí)現(xiàn)低壓負(fù)荷的分級管理。采用框架斷路器供電的大功率電動(dòng)機(jī)和MCC饋線接于PC上，MCC上接有中小功率電動(dòng)機(jī)（額定功率≤ 55kW）、低壓配電盤、電加熱器和單相負(fù)荷等，它們都采用塑殼斷路器，低壓配電盤一般為廠家自帶。框架斷路器采用電子脫扣器，塑殼斷路器采用熱磁、電磁或電子脫扣器。

1 電氣一次接線和斷路器保護(hù)配置

電氣一次接線如圖1所示，圖中380V系統(tǒng)設(shè)計(jì)成TN-S系統(tǒng)，N線（中性導(dǎo)體）與PE線（保護(hù)導(dǎo)體）嚴(yán)格分開，系統(tǒng)的PE線為遍布主廠房的立體網(wǎng)狀接地網(wǎng)，它包括接地引上/下線、電纜橋架、接地干線和支線等。

電纜橋架焊接成電氣通路后作為接地網(wǎng)的一部分，電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分與接地支線可靠連接（保護(hù)接地），PE線的組成材料為鋼導(dǎo)體。380V PC和變壓器本體位于集控樓6.9m標(biāo)高，380V MCC位于汽機(jī)房0m，PC和MCC上還設(shè)置有PE母排，PE母排通過銅電纜和配電柜體分別與電纜橋架和接地支線可靠連接，變壓器中性點(diǎn)就近接入電纜橋架（工作接地）。

電動(dòng)機(jī)采用三相供電，MCC饋線和低壓配電盤采用三相四線（ABCN）供電，斷路器采用三極斷路器，N線為直連，電動(dòng)機(jī)M2和低壓配電盤為MCC上功率或容量最大的同類設(shè)備。MCC饋線和低壓配電盤的回路計(jì)算電流IB分別由設(shè)計(jì)部門和廠家提供，各斷路器額定電流In、電動(dòng)機(jī)額定電流Ie和IB計(jì)算值見表1。

圖1 電氣一次接線

表1 斷路器和設(shè)備技術(shù)參數(shù)

框架斷路器配置有長延時(shí)、短延時(shí)、瞬時(shí)和接地保護(hù)，電流定值為連續(xù)可調(diào)，整定步長為1A。長延時(shí)保護(hù)反應(yīng)一次回路過電流，整定項(xiàng)有Ir和tr，Ir為電流定值，tr為對應(yīng)于1.5Ir的跳閘延時(shí)。

短延時(shí)和瞬時(shí)保護(hù)反應(yīng)一次回路相間短路故障或單相短路故障（相線對N線短路），短延時(shí)保護(hù)有反時(shí)限段和定時(shí)限段可選，建議選擇定時(shí)限段，因?yàn)榉磿r(shí)限段整定配合相對困難，Isd2、tsd分別為短延時(shí)保護(hù)定時(shí)限段電流、時(shí)間定值，Ii為瞬時(shí)保護(hù)電流定值。

接地保護(hù)反應(yīng)一次回路單相接地故障（相線對PE線短路），保護(hù)采用差值型（基于基爾霍夫電流定律），Ig、tg分別為電流、時(shí)間定值，Ig的整定范圍為（0.2～1.0）In。

對于電動(dòng)機(jī)M2，一次接線型式為塑殼斷路器+接觸器，塑殼斷路器實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)功能（短延時(shí)+瞬時(shí)）。抽屜開關(guān)內(nèi)安裝有智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)/控制器，保護(hù)/控制器接受分散控制系統(tǒng)（distributed control system, DCS）或就地來的電動(dòng)機(jī)起停信號以控制接觸器的分合閘。

同時(shí)，保護(hù)/控制器還接受三相電流信號，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)過載、斷相和接地保護(hù)功能，保護(hù)動(dòng)作于接觸器分閘，接地保護(hù)電流定值為幾十安。當(dāng)In確定后，其瞬時(shí)保護(hù)電流定值隨即確定，本例為15In=2 250A，該定值為MCC中最大相過電流保護(hù)定值。

對于低壓配電盤，一次接線型式為塑殼斷路器，保護(hù)功能同電動(dòng)機(jī)M2，瞬時(shí)保護(hù)電流定值為11In= 1760A，短延時(shí)保護(hù)電流定值按躲過最大功率電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流整定，實(shí)際整定約為500A。N線上未配置電流互感器，故無法實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)功能。

本文先討論框架斷路器長延時(shí)、短延時(shí)和瞬時(shí)保護(hù)的整定原則，再討論接地保護(hù)的整定原則，從保護(hù)原理和設(shè)計(jì)等方面，分析MCC饋線接地保護(hù)的運(yùn)行性能。

2 大功率電動(dòng)機(jī)M1長延時(shí)、短延時(shí)和瞬時(shí)保護(hù)整定

1）長延時(shí)保護(hù)動(dòng)作特性為

式（1）

式（1）中，I和t分別為實(shí)際過電流值和對應(yīng)的跳閘延時(shí)。Ir按電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)能可靠返回整定，Ir=Krel/Kr× Ie≈1.17Ie=386A，可靠系數(shù)Krel取1.05，返回系數(shù)Kr取0.9。tr整定應(yīng)以電動(dòng)機(jī)實(shí)際過電流能力為準(zhǔn)，有文獻(xiàn)對電動(dòng)機(jī)偶然過電流規(guī)定如下：額定輸出在315kW及以下和額定電壓在1kV及以下的多相電動(dòng)機(jī)，應(yīng)能承受1.5倍額定電流，歷時(shí)不小于2min的偶然過電流。依據(jù)上述規(guī)定，過電流值I=1.5Ie= 497A，對應(yīng)的跳閘延時(shí)t=2min=120s，代入式（1）得tr=88s。

根據(jù)廠家說明書，tr只能整定為60s或120s，若整定tr=120s，則1.5Ie下的跳閘延時(shí)為163s，這大大超過了電動(dòng)機(jī)允許運(yùn)行時(shí)間。因此，tr只能整定為60s，1.5Ie下的跳閘延時(shí)為81s，電動(dòng)機(jī)過電流能力沒有得到充分發(fā)揮。

2）短延時(shí)保護(hù)：Isd2按躲過電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流周期分量最大有效值整定，Isd2=KrelKqIe，可靠系數(shù)Krel取1.2，Kq為起動(dòng)電流倍數(shù)。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間和穩(wěn)態(tài)堵轉(zhuǎn)兩種工況下，轉(zhuǎn)差率s均等于1.0，起動(dòng)電流倍數(shù)應(yīng)等于堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)。堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)可從電動(dòng)機(jī)出廠試驗(yàn)報(bào)告中獲得，若試驗(yàn)報(bào)告中未提供該數(shù)據(jù)，可參考原文文獻(xiàn)[4]取Kq=6.0（最大值），Isd2=7.2Ie= 2 383A。tsd整定為0.3s，以可靠躲過暫態(tài)峰值電流存在的時(shí)間。

3）瞬時(shí)保護(hù)：Ii按電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流周期分量最大有效值的（2.0～2.5）倍整定，本例整定Ii= 2.0KqIe=3972A。

3 MCC饋線長延時(shí)、短延時(shí)和瞬時(shí)保護(hù)整定

1）長延時(shí)保護(hù)：MCC饋線的回路計(jì)算電流IB，在設(shè)計(jì)階段是根據(jù)MCC各類負(fù)荷的額定電流或計(jì)算電流得出的，計(jì)算時(shí)考慮了負(fù)荷的工作方式，即連續(xù)運(yùn)行或間斷運(yùn)行，間斷運(yùn)行設(shè)備的負(fù)荷電流按50%考慮，IB取所有負(fù)荷電流之和。

一次電纜相線的標(biāo)稱截面是根據(jù)IB進(jìn)行選擇的，即負(fù)荷電流達(dá)到IB時(shí)，一次電纜不會(huì)過載。由于沒有考慮各類負(fù)荷電流的相位關(guān)系，再加上廠家提供的低壓配電盤的計(jì)算電流普遍偏大，使得IB比實(shí)測最大負(fù)荷電流大很多。600MW機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，與機(jī)組負(fù)荷有關(guān)的鍋爐/汽機(jī)MCC饋線，其負(fù)荷電流實(shí)測值見表2。

從表2可以看出，最大負(fù)荷電流僅為45%IB。負(fù)荷電流超過最大值有兩種工況：①M(fèi)CC大功率電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重堵轉(zhuǎn)運(yùn)行（s≈1.0），如漿液循環(huán)泵在漿液凝固后起動(dòng)困難（轉(zhuǎn)速上不去），出現(xiàn)這種工況不應(yīng)使本保護(hù)越級動(dòng)作；②MCC母線較長時(shí)間低電壓運(yùn)行，但該工況很少出現(xiàn)。

MCC不同負(fù)荷的過電流能力各不相同，有些負(fù)荷不存在過電流現(xiàn)象，如電加熱器、照明回路等，要想得到整個(gè)MCC的綜合過電流能力，很不現(xiàn)實(shí)，也沒有必要。此外，長延時(shí)保護(hù)動(dòng)作于跳閘，其造成的損失將大于回路短時(shí)過電流，因?yàn)镸CC的負(fù)荷多為參與生產(chǎn)過程的重要負(fù)荷，一旦失電將造成機(jī)組降負(fù)荷或停機(jī)。基于以上兩點(diǎn)，建議將長延時(shí)保護(hù)退出，Ir可按1.2IB整定，該定值也是設(shè)計(jì)部門給出的推薦值，tr整定至最大。

表2 MCC饋線最大負(fù)荷電流實(shí)測值

2）短延時(shí)保護(hù)：Isd2按與MCC最大相過電流保護(hù)定值Idmax相配合整定，即

式（2）

3）瞬時(shí)保護(hù)：當(dāng)MCC負(fù)荷斷路器（如本例QF3）出口發(fā)生相間短路時(shí)，負(fù)荷斷路器和MCC饋線的瞬時(shí)保護(hù)將同時(shí)動(dòng)作，保護(hù)失去選擇性，故將其退出。

4 接地保護(hù)整定

當(dāng)設(shè)備發(fā)生單相接地時(shí)，單相接地電流id（瞬時(shí)值）通過接地網(wǎng)流回變壓器中性點(diǎn)，id主要由接地網(wǎng)中設(shè)備安裝處和變壓器中性點(diǎn)之間的PE線阻抗ZPE決定。id很難精確求出，一方面PE線由鋼導(dǎo)體組成，鋼導(dǎo)體屬于鐵磁材料，其阻抗（包括電阻和內(nèi)電抗）與通過的電流大小有關(guān)，而阻抗又反過來影響電流，另一方面接地網(wǎng)為復(fù)雜的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，id流通的路徑很難確定。

有文獻(xiàn)對穿鋼管帶PE線的電力電纜進(jìn)行了接地故障電流測試，測試方案中，PE線、鋼管和扁鋼模擬了接地故障電流的返回通路。與測試方案不同的是，現(xiàn)場電纜是不帶PE線的，且只在少數(shù)需要保護(hù)電纜的地方穿鋼管，鋼管不流通電流，這樣扁鋼的阻抗可等效為ZPE，流過扁鋼的電流可等效為id，根據(jù)測試結(jié)果，流過扁鋼的電流在219.2～230.9A之間。PC和MCC的設(shè)備，一般都遠(yuǎn)離變壓器中性點(diǎn)，從距離上看要大于測試扁鋼的長度，發(fā)生接地故障時(shí)，id的有效值應(yīng)在數(shù)百安左右。

大功率電動(dòng)機(jī)M1：接地保護(hù)主要反應(yīng)定子繞組絕緣受損后對定子鐵心的短路故障，定子鐵心通過電動(dòng)機(jī)基座與接地網(wǎng)連接。保護(hù)測量電流取三相電流的相量和，用瞬時(shí)值表示為ig=iA+iB+iC，ig為保護(hù)測量電流的瞬時(shí)值，iA、iB、iC為三相電流的瞬時(shí)值，單相接地時(shí)有ig=id。接地保護(hù)無須與其他保護(hù)相配合，Ig一般可整定為幾十安，實(shí)際整定Ig=0.2In= 126A，tg=0.3s，以躲過電動(dòng)機(jī)起動(dòng)工況。

MCC饋線：接地保護(hù)反應(yīng)一次電纜相線絕緣受損后對鎧裝鋼帶的短路故障，以及MCC母線對配電柜體的短路故障，鎧裝鋼帶兩端和配電柜體均可靠接地，如有可能還可作為下級負(fù)荷接地故障的后備。

對于三極斷路器，接地保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)配置還應(yīng)增加N線電流，保護(hù)測量電流取三相電流與N線電流的相量和，用瞬時(shí)值表示為ig=iA+iB+iC+iN，iN為N線電流的瞬時(shí)值，單相接地時(shí)有ig=id。若基建設(shè)計(jì)時(shí)未將N線電流引入控制器，則ig=iA+iB+iC，這將對保護(hù)運(yùn)行性能產(chǎn)生影響。

單相接地時(shí)，ig=id–iN，接地保護(hù)有可能拒動(dòng)。單相短路時(shí)，ig等于單相短路電流，接地保護(hù)能可靠動(dòng)作，但反應(yīng)的故障類型錯(cuò)誤。當(dāng)下級負(fù)荷發(fā)生單相短路時(shí)，若單相短路保護(hù)定值大于Ig，就有可能造成MCC饋線因接地保護(hù)誤動(dòng)而越級跳閘。因此，N線電流必須引入控制器，否則接地保護(hù)應(yīng)退出運(yùn)行，從目前掌握的工程資料來看，存在N線電流未引入控制器的設(shè)計(jì)方案。

受單相接地電流的限制，低壓配電盤的相過電流保護(hù)（包括瞬時(shí)保護(hù)和短延時(shí)保護(hù)）不能兼作單相接地保護(hù)，這樣MCC饋線接地保護(hù)就不能作為低壓配電盤接地故障的后備。

有兩種方案供選擇：①M(fèi)CC饋線接地保護(hù)退出運(yùn)行；②低壓配電盤另配置接地保護(hù)。建議采用第一種方案，因?yàn)橐淮坞娎|和MCC母線很少發(fā)生接地故障。二十世紀(jì)末投運(yùn)的發(fā)電廠，MCC的負(fù)荷沒有配置保護(hù)/控制器或接地保護(hù)，MCC饋線接地保護(hù)只能退出運(yùn)行。

5 保護(hù)整定簡要分析

大功率電動(dòng)機(jī)M1長延時(shí)保護(hù)整定中，Ir≈1.17Ie，依據(jù)電動(dòng)機(jī)偶然過電流規(guī)定和保護(hù)動(dòng)作特性，可得tr=88s，建議廠家增加tr=90s的定值選項(xiàng)，以充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過電流能力。

380V各級斷路器的保護(hù)配置已十分完善，在系統(tǒng)短路電流相差不大的情況下，要使所有保護(hù)都滿足選擇性要求十分困難，本例MCC饋線瞬時(shí)保護(hù)退出就屬于此類情況。為滿足現(xiàn)場運(yùn)行需要，建議斷路器廠家增加單一保護(hù)投退功能。

本例根據(jù)其他測試方案，推測出現(xiàn)場單相接地電流的量級，單相接地電流除與接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與焊接工藝和PE線材質(zhì)有關(guān)，焊接工藝影響過渡電阻，PE線材質(zhì)與測試扁鋼材質(zhì)不同，相應(yīng)的阻抗特性也不同。測試部門應(yīng)進(jìn)行單相接地電流實(shí)測，以校核接地保護(hù)定值是否滿足靈敏度要求。

對于低壓配電盤，不建議配置接地保護(hù)，若檢修人員誤將N線接地，系統(tǒng)就變成了局部TN-C系統(tǒng)，N線與PE線并聯(lián)，內(nèi)部某支路發(fā)生單相短路時(shí)有ig=id，接地保護(hù)誤動(dòng)將使停電范圍擴(kuò)大。

本文編自2021年第4期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“380V框架斷路器保護(hù)整定探討”，作者為王旅。