張 洋，劉艷芬

(1.斯特拉斯克萊德大學(xué)，英國(guó)格拉斯哥市 G20 9HE；2．內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司供電廠，內(nèi)蒙古包頭 014010）

包鋼電網(wǎng)繼電保護(hù)配置原則分析

張 洋1，劉艷芬2

(1.斯特拉斯克萊德大學(xué)，英國(guó)格拉斯哥市 G20 9HE；2．內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司供電廠，內(nèi)蒙古包頭 014010）

在介紹了電網(wǎng)常見故障類型及繼電保護(hù)任務(wù)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了包鋼電網(wǎng)特點(diǎn)及對(duì)繼電保護(hù)的影響和相應(yīng)的對(duì)策，最后給出了針對(duì)包鋼電網(wǎng)的各級(jí)繼電保護(hù)配置原則。

電網(wǎng)故障；繼電保護(hù)；電網(wǎng)特點(diǎn)；配置原則

1 引言

近幾年隨著包鋼生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,包鋼電網(wǎng)發(fā)展迅速,目前運(yùn)行2座220 kV樞紐變電站，11座110 kV總降壓變電站，60座35 kV及10 kV車間變電站，還有2座110 kV總降壓變電站正在建設(shè)中。同時(shí)節(jié)能發(fā)電機(jī)組TRT、CCPP、兩機(jī)兩爐、干熄焦投運(yùn)后，自發(fā)電也快速增長(zhǎng)。由于內(nèi)部電源的出現(xiàn)，包鋼電網(wǎng)不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的單端電源輻射型配電網(wǎng)，而是成為了一個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。包鋼電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)包鋼的生產(chǎn)順行至關(guān)重要，而繼電保護(hù)作為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線，擔(dān)負(fù)著保衛(wèi)電網(wǎng)和設(shè)備安全的重要職責(zé)。因此包鋼電網(wǎng)各電壓等級(jí)設(shè)備繼電保護(hù)的選配是一項(xiàng)很重要的工作，也是繼電保護(hù)起到應(yīng)有作用的前提和基礎(chǔ)。

2 包鋼負(fù)荷特點(diǎn)及繼電保護(hù)對(duì)策

（1）負(fù)荷重。冶金大工業(yè)生產(chǎn)需要的用電設(shè)備較多且集中，尤其是有很多大型電機(jī)拖動(dòng)的軋機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、氧壓機(jī)、氮壓機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵、破碎機(jī)、球棒磨機(jī)等，最大電機(jī)達(dá)到36500 kW。由于供電設(shè)備通過電流較大，運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)接頭發(fā)熱現(xiàn)象。

在繼電保護(hù)整定計(jì)算過程中，由于電網(wǎng)末端短路電流較小而所帶負(fù)荷較大，有些地方會(huì)出現(xiàn)單純過電流保護(hù)靈敏度不滿足要求的情況，需要投入復(fù)合電壓閉鎖過電流保護(hù)，降低過電流定值，增加低電壓和負(fù)序電壓的閉鎖條件，以區(qū)別正常運(yùn)行和故障狀態(tài)。

（2）沖擊性。由于大型電弧爐、大型初軋機(jī)、各類型鋼軋機(jī)、冷、熱連軋機(jī)等用電設(shè)備單機(jī)容量大，運(yùn)行時(shí)有功功率和無功功率隨時(shí)間和工況不斷地呈周期性變化，這些沖擊性負(fù)荷造成電網(wǎng)電壓和頻率的波動(dòng)，對(duì)電力系統(tǒng)和用電設(shè)備都有很大的影響。

沖擊性負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置頻繁啟動(dòng)，傳統(tǒng)電磁式保護(hù)裝置在電流下降時(shí)會(huì)自動(dòng)返回，但微機(jī)繼電保護(hù)裝置由于反應(yīng)更加靈敏，突變量啟動(dòng)功能頻繁報(bào)警，有些地方不得不犧牲一些靈敏度，放大突變量啟動(dòng)定值。同時(shí)為躲開正常運(yùn)行的最大沖擊電流，必須抬高過電流保護(hù)定值門檻，但這樣保護(hù)的靈敏度往往不滿足要求，因此，須將單純的過電流保護(hù)改為復(fù)合電壓閉鎖過電流保護(hù)或距離保護(hù)。

（3）非線性。包鋼有很多變流裝置和電弧爐等非線性負(fù)荷用電設(shè)備，非線性負(fù)荷引起系統(tǒng)電壓波形畸變，產(chǎn)生高次諧波電流，使電能質(zhì)量變差。高次諧波在電網(wǎng)中會(huì)產(chǎn)生諧波損耗，使發(fā)、變電和用電設(shè)備發(fā)熱，加速設(shè)備絕緣老化，縮短設(shè)備使用壽命，影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置動(dòng)作的準(zhǔn)確性，對(duì)通訊線路和控制信號(hào)造成電磁和射頻干擾等。

對(duì)于由非線性負(fù)荷產(chǎn)生并注入系統(tǒng)的諧波必須要加以抑制，具體方法是在為非線性負(fù)荷供電的母線上并聯(lián)高次諧波濾波器。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)一般是將諧波治理和功率因數(shù)補(bǔ)償同時(shí)考慮。

3 包鋼電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及繼電保護(hù)對(duì)策

（1）短網(wǎng)。用電設(shè)備集中，供電半徑小，饋出大多為1 km左右電纜且多根并列運(yùn)行，線路阻抗小到幾乎可以忽略不計(jì)，因此即使是電網(wǎng)末端饋出設(shè)備故障，都會(huì)在包鋼電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)大范圍的電壓下降，使得一些對(duì)工作電壓較敏感的自動(dòng)化設(shè)備以及輔助低壓設(shè)備無法正常工作，甚至停機(jī)、停爐，嚴(yán)重影響公司生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。

由于線路阻抗小，線路首末端短路的短路電流相差無幾，在繼電保護(hù)配合的整定計(jì)算過程中，常常會(huì)發(fā)現(xiàn)電流速斷保護(hù)沒有靈敏度，而提高了靈敏度即保護(hù)范圍延伸到下一級(jí)線路的結(jié)果是下一級(jí)線路始端故障時(shí)，上下兩級(jí)電流速斷保護(hù)同時(shí)動(dòng)作跳閘，而上級(jí)保護(hù)屬于越級(jí)跳閘，擴(kuò)大了事故停電范圍，除非為保全系統(tǒng)犧牲選擇性，否則，這是正常所不允許的。傳統(tǒng)的做法是犧牲一些快速性，給上級(jí)電流速斷保護(hù)增加短延時(shí)來與下級(jí)保護(hù)配合。近年來，許多微機(jī)保護(hù)生產(chǎn)廠紛紛研制了針對(duì)中低壓配網(wǎng)線路的方向縱聯(lián)保護(hù)，簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，不需要上下級(jí)配合，可以實(shí)現(xiàn)快速切除故障。

包鋼應(yīng)用的方向縱聯(lián)保護(hù)是閉鎖式方向保護(hù)，在被保護(hù)線路兩端各安裝一臺(tái)保護(hù)裝置，通過光纖進(jìn)行通訊。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，光纖通道無閉鎖信號(hào)；而在外部故障時(shí)，由檢測(cè)到短路功率方向?yàn)樨?fù)的一側(cè)裝置持續(xù)發(fā)出閉鎖信號(hào)，閉鎖兩側(cè)裝置；雙端電源線路內(nèi)部故障時(shí)，兩側(cè)保護(hù)裝置均啟動(dòng)，先發(fā)閉鎖信號(hào)，45 ms后停發(fā)閉鎖信號(hào)，這時(shí)兩側(cè)裝置在先收到閉鎖信號(hào)然后又收不到閉鎖信號(hào)，而其他動(dòng)作條件滿足的情況下，裝置動(dòng)作出口，切開各自斷路器；單端電源線路內(nèi)部故障時(shí)，電源側(cè)保護(hù)裝置啟動(dòng)后，先發(fā)閉鎖信號(hào)，45 ms后停發(fā)閉鎖信號(hào)，另一側(cè)保護(hù)裝置因?yàn)闆]有電源，未啟動(dòng)，在收到對(duì)側(cè)閉鎖信號(hào)后轉(zhuǎn)發(fā)閉鎖信號(hào)，30 ms后停發(fā)閉鎖信號(hào)，這樣電源側(cè)裝置在先收到閉鎖信號(hào)然后又收不到閉鎖信號(hào)，而其他動(dòng)作條件滿足的情況下，裝置動(dòng)作出口，切開本側(cè)斷路器。

（2）聯(lián)絡(luò)線多。包鋼是大型連續(xù)性生產(chǎn)企業(yè)，突然停電會(huì)造成人員及重大設(shè)備損壞事故，因此對(duì)電源的要求很高，一級(jí)負(fù)荷應(yīng)有兩個(gè)獨(dú)立的電源供電，對(duì)特殊重要的一級(jí)負(fù)荷應(yīng)由兩個(gè)獨(dú)立電源點(diǎn)供電。如果得不到兩個(gè)獨(dú)立電源點(diǎn)時(shí)，需設(shè)立保安電源[2]。包鋼電網(wǎng)對(duì)內(nèi)、外部電源供電區(qū)域的重要變電站進(jìn)行了聯(lián)絡(luò)，并能輻射到本區(qū)域其它重要變電站，實(shí)現(xiàn)各區(qū)域電源的共享，為包鋼安全生產(chǎn)打造了堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)。但聯(lián)絡(luò)線多對(duì)運(yùn)行管理的要求也高，變電站不同電源點(diǎn)之間要經(jīng)過同期裝置并列，以避免非同期合閘對(duì)電網(wǎng)帶來的嚴(yán)重后果。

由于聯(lián)絡(luò)線既是某一區(qū)域變電站的饋出，又是另一區(qū)域變電站的電源，在繼電保護(hù)整定配合上有很多困難。包鋼電網(wǎng)的做法是盡量將全網(wǎng)不同電源同一電壓等級(jí)設(shè)備的后備保護(hù)時(shí)限統(tǒng)一，盡可能增加一級(jí)聯(lián)絡(luò)線饋出時(shí)限。同時(shí)將聯(lián)絡(luò)線按電壓等級(jí)及重要性分級(jí)管理。

（3）多級(jí)串聯(lián)供電。包鋼電網(wǎng)同一電壓等級(jí)存在多級(jí)串聯(lián)供電結(jié)構(gòu)，由于受電源端保護(hù)時(shí)限的限制，無法再分出保護(hù)時(shí)限級(jí)差數(shù)，基于正常分列運(yùn)行方式較多的情況，包鋼電網(wǎng)將變壓器后備過流保護(hù)或進(jìn)線過流保護(hù)與母線分段保護(hù)整定為同一時(shí)限，串聯(lián)供電變電站甚至取消進(jìn)線后備保護(hù)，以減少保護(hù)配合級(jí)差數(shù)。

對(duì)于多級(jí)串聯(lián)供電結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，傳統(tǒng)繼電保護(hù)很難整定，且時(shí)限配合困難，因此在35 kV和10 kV饋出線路上應(yīng)用了微機(jī)型的閉鎖式方向縱聯(lián)保護(hù)，不需要上下級(jí)時(shí)限配合，能夠?qū)崿F(xiàn)快速動(dòng)作。

4 包鋼電網(wǎng)繼電保護(hù)配置原則

（1）110 kV及以上輸電線路盡量以縱差保護(hù)作為線路的主保護(hù)，無需與上下級(jí)保護(hù)配合，可以實(shí)現(xiàn)快速切除線路故障。采用三段式相間距離保護(hù)作為相間短路故障的后備保護(hù)，采用階段式零序電流保護(hù)作為接地短路故障的后備保護(hù)。后備保護(hù)需要與上下級(jí)保護(hù)配合整定。

（2）110 kV主變壓器以差動(dòng)保護(hù)和重瓦斯保護(hù)作為變壓器的主保護(hù)，不需要上下級(jí)配合，可以瞬時(shí)切除變壓器故障。采用復(fù)合電壓閉鎖過電流保護(hù)、接地零序保護(hù)或不接地間隙零序保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)等作為后備保護(hù)。

（3）110 kV母線以微機(jī)母線差動(dòng)保護(hù)作為母線的主保護(hù)，給母線供電的變壓器或電源進(jìn)線的后備保護(hù)同時(shí)也作為母線的后備保護(hù)。

（4）35 kV及10 kV線路推薦采用閉鎖式方向縱聯(lián)保護(hù)作為短線路的主保護(hù)，帶上下級(jí)時(shí)限配合的過電流保護(hù)作為后備保護(hù)，在有內(nèi)部電源聯(lián)網(wǎng)的局部線路上過電流保護(hù)還要校驗(yàn)是否需要增加方向元件。

（5）35 kV及10 kV變壓器采用差動(dòng)保護(hù)和重瓦斯保護(hù)作為變壓器的主保護(hù)，不需要上下級(jí)配合，可以瞬時(shí)切除變壓器故障。采用過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)等作為后備保護(hù)。若過電流保護(hù)靈敏度不夠，則采用復(fù)合電壓閉鎖過電流保護(hù)。

（6）終端變壓器及電動(dòng)機(jī)是高壓電網(wǎng)最末端的設(shè)備，一般不需要與下級(jí)保護(hù)相配合，只要躲過變壓器的勵(lì)磁涌流或電動(dòng)機(jī)的正常啟動(dòng)電流即可以實(shí)現(xiàn)電流速斷保護(hù)。小容量變壓器一般以電流速斷保護(hù)作為主保護(hù)，以動(dòng)作時(shí)限為0.4 s的過電流保護(hù)作為后備保護(hù)；電動(dòng)機(jī)一般以電流速斷保護(hù)作為主保護(hù)，大容量電動(dòng)機(jī)安裝差動(dòng)保護(hù)為主保護(hù)，以過電流保護(hù)和低電壓保護(hù)等作為后備保護(hù)，其中過電流保護(hù)根據(jù)啟動(dòng)方式的不同，可以采用反時(shí)限過電流保護(hù)或定時(shí)限過電流保護(hù)。

（7）目前35 kV及10 kV母線沒有專門的保護(hù)裝置，故障要靠主變壓器低壓側(cè)的后備保護(hù)或進(jìn)線過流保護(hù)來切除。近年來隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，節(jié)能發(fā)電機(jī)組的投運(yùn)以及大型電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，企業(yè)中低壓母線的短路容量也越來越大。由于母線短路故障電流增大、持續(xù)時(shí)間又長(zhǎng)，后備保護(hù)延時(shí)長(zhǎng)等原因，使不少本可以快速消除的故障未及時(shí)切除，造成配電裝置嚴(yán)重?zé)龤В鸫蠓秶ｋ?，擴(kuò)大了事故，造成了嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)這種情況，包鋼與微機(jī)保護(hù)生產(chǎn)廠共同合作研發(fā)了一種新的微機(jī)型過流閉鎖式不完全母差保護(hù)裝置，原理簡(jiǎn)單，動(dòng)作速度快，能可靠保護(hù)中低壓系統(tǒng)母線各種類型的故障，下一階段準(zhǔn)備在尾礦供電系統(tǒng)試用，并逐步推廣。

5 結(jié)論

包鋼電網(wǎng)在確定繼電保護(hù)配置方案時(shí)，按照選擇性、速動(dòng)性、靈敏性和可靠性這四個(gè)基本要求，兼顧電網(wǎng)實(shí)際情況，分清主次，在確保靈敏度的前提下，進(jìn)行最優(yōu)化配置，并盡量采用投資少、維護(hù)費(fèi)用較低和簡(jiǎn)單的保護(hù)裝置。近幾年的運(yùn)行結(jié)果證明這一配置方案是合理、有效的。

[1]賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].北京：水利電力出版社，1991.

[2]鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)（上冊(cè)）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

表5 容量為2000 kVA變壓器不同負(fù)載率時(shí)的運(yùn)行損耗

（4）空載或輕載設(shè)備及時(shí)停電

在該企業(yè)每年的例行檢修及每月的生產(chǎn)任務(wù)完成后的設(shè)備維修期間，大部分變壓器空載運(yùn)行；公輔區(qū)的一部分水泵、空壓機(jī)等處于輕載運(yùn)行狀態(tài)。輕載或空載運(yùn)行的電氣設(shè)備本身存在銅損和鐵損等損耗，浪費(fèi)了不少電能。為了節(jié)能降耗，在保證安全可靠的前提下，下發(fā)通知，要求相關(guān)單位將輕載或空載運(yùn)行的電氣設(shè)備停電。落實(shí)此方案后，每月可節(jié)約用電2.75萬(wàn)kW·h電左右，按0.75元/kW·h計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)約24.75萬(wàn)元。

4 精細(xì)化管理措施落實(shí)后的效果

從技術(shù)、工藝、管理等三方面采取多種降低電能消耗的精細(xì)化管理措施后，2010年～2013年，該企業(yè)噸鋼電費(fèi)支出呈逐年下降趨勢(shì)，具體見表6。

表6 某企業(yè)近幾年噸鋼電費(fèi)情況

5 結(jié)論

降低電能消耗的精細(xì)化管理措施有：水泵工頻運(yùn)行改變頻運(yùn)行、T8型照明燈管改T5型照明燈管等技術(shù)節(jié)能措施；調(diào)整生產(chǎn)工藝、按“躲峰”原則組織生產(chǎn)等降低電費(fèi)的工藝措施；降低“提光”比例系數(shù)、提高供電系統(tǒng)功率因數(shù)、調(diào)整部分變壓器運(yùn)行方式、空載或輕載設(shè)備及時(shí)停電等降耗的管理措施。綜合運(yùn)用這些措施，某大型鋼鐵冷軋企業(yè)的噸鋼電費(fèi)成本近幾年呈逐漸下降之勢(shì)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為節(jié)能降耗、低碳環(huán)保做出了貢獻(xiàn)。

收稿日期：2013－12－30

作者簡(jiǎn)介：聶加余（1964－），男，研究生學(xué)歷，工程師，現(xiàn)從事工廠供電系統(tǒng)技術(shù)管理工作。

Analysis of Protective Relaying Configuration Princip le of Grid Power

ZHANG Yang1，LIU Yanfen2
(1.The University of Strathclyde-Glasgow G20 9HE,UK;2.The Power Supply Plant of Baotou Iron＆ Steel (Group)Co.，Baotou，Inner Mongolia 014010,China）

Based on an introduction of common fault types and tasks of relay protection, this essay analyzed the characteristics of the power grid of Baotou Steel,their effects on relay protection and relevant countermeasures and finally put forward configuration principles for all levels of the protective relay.

grid fault;protective relay;characteristics of power grid;configuration principle

TM774

B

1006-6764(2014)03-0013-03

2014－01－02

張洋（1991－），女，曾就讀于上海電力大學(xué)，畢業(yè)于英國(guó)斯特拉斯克萊德大學(xué)電力電子及電氣工程專業(yè)，本科學(xué)歷，學(xué)士學(xué)位，研究方向?yàn)閜ower engineering.