- 頭條380V框架斷路器的保護整定分析與探討2022-01-28 作者：王旅 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語湖北華電襄陽發電有限公司的研究人員王旅，在2021年第4期《電氣技術》上撰文，從系統的接線型式、低壓設備的保護配置和供電方式、系統的運行性能等方面，探討了380V框架斷路器的保護整定原則，在保護配置和設備選型方面給出了一些建議。
在發電廠380V低壓廠用電系統設計時，一般都設計成動力中心（PC）和電動機控制中心（MCC）的供電模式，以實現低壓負荷的分級管理。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配置
電氣一次接線如圖1所示，圖中380V系統設計成TN-S系統，N線（中性導體）與PE線（保護導體）嚴格分開，系統的PE線為遍布主廠房的立體網狀接地網，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的一部分，電氣設備的外露可導電部分與接地支線可靠連接（保護接地），PE線的組成材料為鋼導體。380V PC和變壓器本體位于集控樓6.9m標高，380V MCC位于汽機房0m，PC和MCC上還設置有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備。MCC饋線和低壓配電盤的回路計算電流IB分別由設計部門和廠家提供，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。
圖1 電氣一次接線
表1 斷路器和設備技術參數
框架斷路器配置有長延時、短延時、瞬時和接地保護，電流定值為連續可調，整定步長為1A。長延時保護反應一次回路過電流，整定項有Ir和tr，Ir為電流定值，tr為對應于1.5Ir的跳閘延時。
短延時和瞬時保護反應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分別為短延時保護定時限段電流、時間定值，Ii為瞬時保護電流定值。
接地保護反應一次回路單相接地故障（相線對PE線短路），保護采用差值型（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，塑殼斷路器實現短路保護功能（短延時+瞬時）。抽屜開關內安裝有智能型電動機保護/控制器，保護/控制器接受分散控制系統（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/控制器還接受三相電流信號，以實現電動機過載、斷相和接地保護功能，保護動作于接觸器分閘，接地保護電流定值為幾十安。當In確定后，其瞬時保護電流定值隨即確定，本例為15In=2 250A，該定值為MCC中最大相過電流保護定值。
對于低壓配電盤，一次接線型式為塑殼斷路器，保護功能同電動機M2，瞬時保護電流定值為11In= 1760A，短延時保護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，故無法實現接地保護功能。
本文先討論框架斷路器長延時、短延時和瞬時保護的整定原則，再討論接地保護的整定原則，從保護原理和設計等方面，分析MCC饋線接地保護的運行性能。
2 大功率電動機M1長延時、短延時和瞬時保護整定
1）長延時保護動作特性為
式（1）
式（1）中，I和t分別為實際過電流值和對應的跳閘延時。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Krel取1.05，返回系數Kr取0.9。tr整定應以電動機實際過電流能力為準，有文獻對電動機偶然過電流規定如下：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，應能承受1.5倍額定電流，歷時不小于2min的偶然過電流。依據上述規定，過電流值I=1.5Ie= 497A，對應的跳閘延時t=2min=120s，代入式（1）得tr=88s。
根據廠家說明書，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揮。
2）短延時保護：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Krel取1.2，Kq為起動電流倍數。電動機起動瞬間和穩態堵轉兩種工況下，轉差率s均等于1.0，起動電流倍數應等于堵轉電流倍數。堵轉電流倍數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據，可參考原文文獻[4]取Kq=6.0（最大值），Isd2=7.2Ie= 2 383A。tsd整定為0.3s，以可靠躲過暫態峰值電流存在的時間。
3）瞬時保護：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、短延時和瞬時保護整定
1）長延時保護：MCC饋線的回路計算電流IB，在設計階段是根據MCC各類負荷的額定電流或計算電流得出的，計算時考慮了負荷的工作方式，即連續運行或間斷運行，間斷運行設備的負荷電流按50%考慮，IB取所有負荷電流之和。
一次電纜相線的標稱截面是根據IB進行選擇的，即負荷電流達到IB時，一次電纜不會過載。由于沒有考慮各類負荷電流的相位關系，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比實測最大負荷電流大很多。600MW機組滿負荷運行時，與機組負荷有關的鍋爐/汽機MCC饋線，其負荷電流實測值見表2。
從表2可以看出，最大負荷電流僅為45%IB。負荷電流超過最大值有兩種工況：①MCC大功率電動機嚴重堵轉運行（s≈1.0），如漿液循環泵在漿液凝固后起動困難（轉速上不去），出現這種工況不應使本保護越級動作；②MCC母線較長時間低電壓運行，但該工況很少出現。
MCC不同負荷的過電流能力各不相同，有些負荷不存在過電流現象，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，很不現實，也沒有必要。此外，長延時保護動作于跳閘，其造成的損失將大于回路短時過電流，因為MCC的負荷多為參與生產過程的重要負荷，一旦失電將造成機組降負荷或停機。基于以上兩點，建議將長延時保護退出，Ir可按1.2IB整定，該定值也是設計部門給出的推薦值，tr整定至最大。
表2 MCC饋線最大負荷電流實測值
2）短延時保護：Isd2按與MCC最大相過電流保護定值Idmax相配合整定，即
式（2）
3）瞬時保護：當MCC負荷斷路器（如本例QF3）出口發生相間短路時，負荷斷路器和MCC饋線的瞬時保護將同時動作，保護失去選擇性，故將其退出。
4 接地保護整定
當設備發生單相接地時，單相接地電流id（瞬時值）通過接地網流回變壓器中性點，id主要由接地網中設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線由鋼導體組成，鋼導體屬于鐵磁材料，其阻抗（包括電阻和內電抗）與通過的電流大小有關，而阻抗又反過來影響電流，另一方面接地網為復雜的立體網狀結構，id流通的路徑很難確定。
有文獻對穿鋼管帶PE線的電力電纜進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，現場電纜是不帶PE線的，且只在少數需要保護電纜的地方穿鋼管，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，根據測試結果，流過扁鋼的電流在219.2～230.9A之間。PC和MCC的設備，一般都遠離變壓器中性點，從距離上看要大于測試扁鋼的長度，發生接地故障時，id的有效值應在數百安左右。
大功率電動機M1：接地保護主要反應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連接。保護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。接地保護無須與其他保護相配合，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：接地保護反應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荷接地故障的后備。
對于三極斷路器，接地保護的標準配置還應增加N線電流，保護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。若基建設計時未將N線電流引入控制器，則ig=iA+iB+iC，這將對保護運行性能產生影響。
單相接地時，ig=id–iN，接地保護有可能拒動。單相短路時，ig等于單相短路電流，接地保護能可靠動作，但反應的故障類型錯誤。當下級負荷發生單相短路時，若單相短路保護定值大于Ig，就有可能造成MCC饋線因接地保護誤動而越級跳閘。因此，N線電流必須引入控制器，否則接地保護應退出運行，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（包括瞬時保護和短延時保護）不能兼作單相接地保護，這樣MCC饋線接地保護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饋線接地保護退出運行；②低壓配電盤另配置接地保護。建議采用第一種方案，因為一次電纜和MCC母線很少發生接地故障。二十世紀末投運的發電廠，MCC的負荷沒有配置保護/控制器或接地保護，MCC饋線接地保護只能退出運行。
5 保護整定簡要分析
大功率電動機M1長延時保護整定中，Ir≈1.17Ie，依據電動機偶然過電流規定和保護動作特性，可得tr=88s，建議廠家增加tr=90s的定值選項，以充分發揮電動機的過電流能力。
380V各級斷路器的保護配置已十分完善，在系統短路電流相差不大的情況下，要使所有保護都滿足選擇性要求十分困難，本例MCC饋線瞬時保護退出就屬于此類情況。為滿足現場運行需要，建議斷路器廠家增加單一保護投退功能。
本例根據其他測試方案，推測出現場單相接地電流的量級，單相接地電流除與接地網結構有關外，還與焊接工藝和PE線材質有關，焊接工藝影響過渡電阻，PE線材質與測試扁鋼材質不同，相應的阻抗特性也不同。測試部門應進行單相接地電流實測，以校核接地保護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，若檢修人員誤將N線接地，系統就變成了局部TN-C系統，N線與PE線并聯，內部某支路發生單相短路時有ig=id，接地保護誤動將使停電范圍擴大。
本文編自2021年第4期《電氣技術》，論文標題為“380V框架斷路器保護整定探討”，作者為王旅。
