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  • 頭條380V框架斷路器的保護(hù)整定分析與探討
    2022-01-28 作者:王旅  |  來源:《電氣技術(shù)》  |  點擊率:
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    導(dǎo)語湖北華電襄陽發(fā)電有限公司的研究人員王旅,在2021年第4期《電氣技術(shù)》上撰文,從系統(tǒng)的接線型式、低壓設(shè)備的保護(hù)配置和供電方式、系統(tǒng)的運行性能等方面,探討了380V框架斷路器的保護(hù)整定原則,在保護(hù)配置和設(shè)備選型方面給出了一些建議。

    在發(fā)電廠380V低壓廠用電系統(tǒng)設(shè)計時,一般都設(shè)計成動力中心(PC)和電動機控制中心(MCC)的供電模式,以實現(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機和MCC饋線接于PC上,MCC上接有中小功率電動機(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??蚣軘嗦菲鞑捎秒娮用摽燮?,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,變壓器中性點就近接入電纜橋架(工作接地)。

    電動機采用三相供電,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,電動機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算電流IB分別由設(shè)計部門和廠家提供,各斷路器額定電流In、電動機額定電流Ie和IB計算值見表1。

    380V框架斷路器的保護(hù)整定分析與探討

    圖1 電氣一次接線

     

    380V框架斷路器的保護(hù)整定分析與探討

    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、短延時、瞬時和接地保護(hù),電流定值為連續(xù)可調(diào),整定步長為1A。長延時保護(hù)反應(yīng)一次回路過電流,整定項有Ir和tr,Ir為電流定值,tr為對應(yīng)于1.5Ir的跳閘延時。

    短延時和瞬時保護(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),短延時保護(hù)有反時限段和定時限段可選,建議選擇定時限段,因為反時限段整定配合相對困難,Isd2、tsd分別為短延時保護(hù)定時限段電流、時間定值,Ii為瞬時保護(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、時間定值,Ig的整定范圍為(0.2~1.0)In。

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

    同時,保護(hù)/控制器還接受三相電流信號,以實現(xiàn)電動機過載、斷相和接地保護(hù)功能,保護(hù)動作于接觸器分閘,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)功能同電動機M2,瞬時保護(hù)電流定值為11In= 1760A,短延時保護(hù)電流定值按躲過最大功率電動機起動電流整定,實際整定約為500A。N線上未配置電流互感器,故無法實現(xiàn)接地保護(hù)功能。

    本文先討論框架斷路器長延時、短延時和瞬時保護(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)計等方面,分析MCC饋線接地保護(hù)的運行性能。

    2 大功率電動機M1長延時、短延時和瞬時保護(hù)整定

     

    1)長延時保護(hù)動作特性為

    380V框架斷路器的保護(hù)整定分析與探討

    式(1)

    式(1)中,I和t分別為實際過電流值和對應(yīng)的跳閘延時。Ir按電動機額定運行時能可靠返回整定,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)以電動機實際過電流能力為準(zhǔn),有文獻(xiàn)對電動機偶然過電流規(guī)定如下:額定輸出在315kW及以下和額定電壓在1kV及以下的多相電動機,應(yīng)能承受1.5倍額定電流,歷時不小于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下的跳閘延時為163s,這大大超過了電動機允許運行時間。因此,tr只能整定為60s,1.5Ie下的跳閘延時為81s,電動機過電流能力沒有得到充分發(fā)揮。

    2)短延時保護(hù):Isd2按躲過電動機起動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為起動電流倍數(shù)。電動機起動瞬間和穩(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)可從電動機出廠試驗報告中獲得,若試驗報告中未提供該數(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)峰值電流存在的時間。

    3)瞬時保護(hù):Ii按電動機起動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、短延時和瞬時保護(hù)整定

    1)長延時保護(hù):MCC饋線的回路計算電流IB,在設(shè)計階段是根據(jù)MCC各類負(fù)荷的額定電流或計算電流得出的,計算時考慮了負(fù)荷的工作方式,即連續(xù)運行或間斷運行,間斷運行設(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,一次電纜不會過載。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算電流普遍偏大,使得IB比實測最大負(fù)荷電流大很多。600MW機組滿負(fù)荷運行時,與機組負(fù)荷有關(guān)的鍋爐/汽機MCC饋線,其負(fù)荷電流實測值見表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:①MCC大功率電動機嚴(yán)重堵轉(zhuǎn)運行(s≈1.0),如漿液循環(huán)泵在漿液凝固后起動困難(轉(zhuǎn)速上不去),出現(xiàn)這種工況不應(yīng)使本保護(hù)越級動作;②MCC母線較長時間低電壓運行,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MCC的綜合過電流能力,很不現(xiàn)實,也沒有必要。此外,長延時保護(hù)動作于跳閘,其造成的損失將大于回路短時過電流,因為MCC的負(fù)荷多為參與生產(chǎn)過程的重要負(fù)荷,一旦失電將造成機組降負(fù)荷或停機?;谝陨蟽牲c,建議將長延時保護(hù)退出,Ir可按1.2IB整定,該定值也是設(shè)計部門給出的推薦值,tr整定至最大。

    380V框架斷路器的保護(hù)整定分析與探討

    表2 MCC饋線最大負(fù)荷電流實測值

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

    380V框架斷路器的保護(hù)整定分析與探討

    式(2)

    380V框架斷路器的保護(hù)整定分析與探討

     

    3)瞬時保護(hù):當(dāng)MCC負(fù)荷斷路器(如本例QF3)出口發(fā)生相間短路時,負(fù)荷斷路器和MCC饋線的瞬時保護(hù)將同時動作,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,單相接地電流id(瞬時值)通過接地網(wǎng)流回變壓器中性點,id主要由接地網(wǎng)中設(shè)備安裝處和變壓器中性點之間的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,從距離上看要大于測試扁鋼的長度,發(fā)生接地故障時,id的有效值應(yīng)在數(shù)百安左右。

    大功率電動機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,定子鐵心通過電動機基座與接地網(wǎng)連接。保護(hù)測量電流取三相電流的相量和,用瞬時值表示為ig=iA+iB+iC,ig為保護(hù)測量電流的瞬時值,iA、iB、iC為三相電流的瞬時值,單相接地時有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,實際整定Ig=0.2In= 126A,tg=0.3s,以躲過電動機起動工況。

    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,用瞬時值表示為ig=iA+iB+iC+iN,iN為N線電流的瞬時值,單相接地時有ig=id。若基建設(shè)計時未將N線電流引入控制器,則ig=iA+iB+iC,這將對保護(hù)運行性能產(chǎn)生影響。

    單相接地時,ig=id–iN,接地保護(hù)有可能拒動。單相短路時,ig等于單相短路電流,接地保護(hù)能可靠動作,但反應(yīng)的故障類型錯誤。當(dāng)下級負(fù)荷發(fā)生單相短路時,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)(包括瞬時保護(hù)和短延時保護(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:①MCC饋線接地保護(hù)退出運行;②低壓配電盤另配置接地保護(hù)。建議采用第一種方案,因為一次電纜和MCC母線很少發(fā)生接地故障。二十世紀(jì)末投運的發(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)只能退出運行。

    5 保護(hù)整定簡要分析

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

    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饋線瞬時保護(hù)退出就屬于此類情況。為滿足現(xiàn)場運行需要,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)生單相短路時有ig=id,接地保護(hù)誤動將使停電范圍擴大。

    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。

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