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三相四线框架式断路器保护整定的研究说明

发布日期:2022-07-19 00:00:00     作者:德力西旗舰店
摘要: 湖北华电襄阳发电有限公司的研究人员王旅,在2021年第4期《电气技术》上撰文,从系统的接线型式、低压设备的保护配置和供电方式

        湖北华电襄阳发电有限公司的研究人员王旅,在2021年第4期《电气技术》上撰文,从系统的接线型式、低压设备的保护配置和供电方式、系统的运行性能等方面,探讨了380V框架断路器的保护整定原则,在保护配置和设备选型方面给出了一些建议。


        在发电厂380V低压厂用电系统设计时,一般都设计成动力中心(PC)和电动机控制中心(MCC)的供电模式,以实现低压负荷的分级管理。采用框架断路器供电的大功率电动机和MCC馈线接于PC上,MCC上接有中小功率电动机(额定功率≤ 55kW)、低压配电盘、电加热器和单相负荷等,它们都采用塑壳断路器,低压配电盘一般为厂家自带。框架断路器采用电子脱扣器,塑壳断路器采用热磁、电磁或电子脱扣器。


1 电气一次接线和断路器保护配置


电气一次接线如图1所示,图中380V系统设计成TN-S系统,N线(中性导体)与PE线(保护导体)严格分开,系统的PE线为遍布主厂房的立体网状接地网,它包括接地引上/下线、电缆桥架、接地干线和支线等。


电缆桥架焊接成电气通路后作为接地网的一部分,电气设备的外露可导电部分与接地支线可靠连接(保护接地),PE线的组成材料为钢导体。380V PC和变压器本体位于集控楼6.9m标高,380V MCC位于汽机房0m,PC和MCC上还设置有PE母排,PE母排通过铜电缆和配电柜体分别与电缆桥架和接地支线可靠连接,变压器中性点就近接入电缆桥架(工作接地)。


电动机采用三相供电,MCC馈线和低压配电盘采用三相四线(ABCN)供电,断路器采用三极断路器,N线为直连,电动机M2和低压配电盘为MCC上功率或容量最大的同类设备。MCC馈线和低压配电盘的回路计算电流IB分别由设计部门和厂家提供,各断路器额定电流In、电动机额定电流Ie和IB计算值见表1。


框架断路器配置有长延时、短延时、瞬时和接地保护,电流定值为连续可调,整定步长为1A。长延时保护反应一次回路过电流,整定项有Ir和tr,Ir为电流定值,tr为对应于1.5Ir的跳闸延时。


短延时和瞬时保护反应一次回路相间短路故障或单相短路故障(相线对N线短路),短延时保护有反时限段和定时限段可选,建议选择定时限段,因为反时限段整定配合相对困难,Isd2、tsd分别为短延时保护定时限段电流、时间定值,Ii为瞬时保护电流定值。


接地保护反应一次回路单相接地故障(相线对PE线短路),保护采用差值型(基于基尔霍夫电流定律),Ig、tg分别为电流、时间定值,Ig的整定范围为(0.2~1.0)In。


对于电动机M2,一次接线型式为塑壳断路器+接触器,塑壳断路器实现短路保护功能(短延时+瞬时)。抽屉开关内安装有智能型电动机保护/控制器,保护/控制器接受分散控制系统(distributed control system, DCS)或就地来的电动机起停信号以控制接触器的分合闸。


同时,保护/控制器还接受三相电流信号,以实现电动机过载、断相和接地保护功能,保护动作于接触器分闸,接地保护电流定值为几十安。当In确定后,其瞬时保护电流定值随即确定,本例为15In=2 250A,该定值为MCC中最大相过电流保护定值。


对于低压配电盘,一次接线型式为塑壳断路器,保护功能同电动机M2,瞬时保护电流定值为11In= 1760A,短延时保护电流定值按躲过最大功率电动机起动电流整定,实际整定约为500A。N线上未配置电流互感器,故无法实现接地保护功能。


本文先讨论框架断路器长延时、短延时和瞬时保护的整定原则,再讨论接地保护的整定原则,从保护原理和设计等方面,分析MCC馈线接地保护的运行性能。


2 大功率电动机M1长延时、短延时和瞬时保护整定


1)长延时保护动作特性为


式(1)中,I和t分别为实际过电流值和对应的跳闸延时。Ir按电动机额定运行时能可靠返回整定,Ir=Krel/Kr× Ie≈1.17Ie=386A,可靠系数Krel取1.05,返回系数Kr取0.9。tr整定应以电动机实际过电流能力为准,有文献对电动机偶然过电流规定如下:额定输出在315kW及以下和额定电压在1kV及以下的多相电动机,应能承受1.5倍额定电流,历时不小于2min的偶然过电流。依据上述规定,过电流值I=1.5Ie= 497A,对应的跳闸延时t=2min=120s,代入式(1)得tr=88s。


根据厂家说明书,tr只能整定为60s或120s,若整定tr=120s,则1.5Ie下的跳闸延时为163s,这大大超过了电动机允许运行时间。因此,tr只能整定为60s,1.5Ie下的跳闸延时为81s,电动机过电流能力没有得到充分发挥。


2)短延时保护:Isd2按躲过电动机起动电流周期分量最大有效值整定,Isd2=KrelKqIe,可靠系数Krel取1.2,Kq为起动电流倍数。电动机起动瞬间和稳态堵转两种工况下,转差率s均等于1.0,起动电流倍数应等于堵转电流倍数。堵转电流倍数可从电动机出厂试验报告中获得,若试验报告中未提供该数据,可参考原文文献[4]取Kq=6.0(最大值),Isd2=7.2Ie= 2 383A。tsd整定为0.3s,以可靠躲过暂态峰值电流存在的时间。


3)瞬时保护:Ii按电动机起动电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馈线长延时、短延时和瞬时保护整定


1)长延时保护:MCC馈线的回路计算电流IB,在设计阶段是根据MCC各类负荷的额定电流或计算电流得出的,计算时考虑了负荷的工作方式,即连续运行或间断运行,间断运行设备的负荷电流按50%考虑,IB取所有负荷电流之和。


一次电缆相线的标称截面是根据IB进行选择的,即负荷电流达到IB时,一次电缆不会过载。由于没有考虑各类负荷电流的相位关系,再加上厂家提供的低压配电盘的计算电流普遍偏大,使得IB比实测最大负荷电流大很多。600MW机组满负荷运行时,与机组负荷有关的锅炉/汽机MCC馈线,其负荷电流实测值见表2。


从表2可以看出,最大负荷电流仅为45%IB。负荷电流超过最大值有两种工况:①MCC大功率电动机严重堵转运行(s≈1.0),如浆液循环泵在浆液凝固后起动困难(转速上不去),出现这种工况不应使本保护越级动作;②MCC母线较长时间低电压运行,但该工况很少出现。


MCC不同负荷的过电流能力各不相同,有些负荷不存在过电流现象,如电加热器、照明回路等,要想得到整个MCC的综合过电流能力,很不现实,也没有必要。此外,长延时保护动作于跳闸,其造成的损失将大于回路短时过电流,因为MCC的负荷多为参与生产过程的重要负荷,一旦失电将造成机组降负荷或停机。基于以上两点,建议将长延时保护退出,Ir可按1.2IB整定,该定值也是设计部门给出的推荐值,tr整定至最大。


2)短延时保护:Isd2按与MCC最大相过电流保护定值Idmax相配合整定,即


3)瞬时保护:当MCC负荷断路器(如本例QF3)出口发生相间短路时,负荷断路器和MCC馈线的瞬时保护将同时动作,保护失去选择性,故将其退出。


4 接地保护整定


当设备发生单相接地时,单相接地电流id(瞬时值)通过接地网流回变压器中性点,id主要由接地网中设备安装处和变压器中性点之间的PE线阻抗ZPE决定。id很难精确求出,一方面PE线由钢导体组成,钢导体属于铁磁材料,其阻抗(包括电阻和内电抗)与通过的电流大小有关,而阻抗又反过来影响电流,另一方面接地网为复杂的立体网状结构,id流通的路径很难确定。


有文献对穿钢管带PE线的电力电缆进行了接地故障电流测试,测试方案中,PE线、钢管和扁钢模拟了接地故障电流的返回通路。与测试方案不同的是,现场电缆是不带PE线的,且只在少数需要保护电缆的地方穿钢管,钢管不流通电流,这样扁钢的阻抗可等效为ZPE,流过扁钢的电流可等效为id,根据测试结果,流过扁钢的电流在219.2~230.9A之间。PC和MCC的设备,一般都远离变压器中性点,从距离上看要大于测试扁钢的长度,发生接地故障时,id的有效值应在数百安左右。


大功率电动机M1:接地保护主要反应定子绕组绝缘受损后对定子铁心的短路故障,定子铁心通过电动机基座与接地网连接。保护测量电流取三相电流的相量和,用瞬时值表示为ig=iA+iB+iC,ig为保护测量电流的瞬时值,iA、iB、iC为三相电流的瞬时值,单相接地时有ig=id。接地保护无须与其他保护相配合,Ig一般可整定为几十安,实际整定Ig=0.2In= 126A,tg=0.3s,以躲过电动机起动工况。


MCC馈线:接地保护反应一次电缆相线绝缘受损后对铠装钢带的短路故障,以及MCC母线对配电柜体的短路故障,铠装钢带两端和配电柜体均可靠接地,如有可能还可作为下级负荷接地故障的后备。


对于三极断路器,接地保护的标准配置还应增加N线电流,保护测量电流取三相电流与N线电流的相量和,用瞬时值表示为ig=iA+iB+iC+iN,iN为N线电流的瞬时值,单相接地时有ig=id。若基建设计时未将N线电流引入控制器,则ig=iA+iB+iC,这将对保护运行性能产生影响。


单相接地时,ig=id–iN,接地保护有可能拒动。单相短路时,ig等于单相短路电流,接地保护能可靠动作,但反应的故障类型错误。当下级负荷发生单相短路时,若单相短路保护定值大于Ig,就有可能造成MCC馈线因接地保护误动而越级跳闸。因此,N线电流必须引入控制器,否则接地保护应退出运行,从目前掌握的工程资料来看,存在N线电流未引入控制器的设计方案。


受单相接地电流的限制,低压配电盘的相过电流保护(包括瞬时保护和短延时保护)不能兼作单相接地保护,这样MCC馈线接地保护就不能作为低压配电盘接地故障的后备。


有两种方案供选择:①MCC馈线接地保护退出运行;②低压配电盘另配置接地保护。建议采用第一种方案,因为一次电缆和MCC母线很少发生接地故障。二十世纪末投运的发电厂,MCC的负荷没有配置保护/控制器或接地保护,MCC馈线接地保护只能退出运行。


5 保护整定简要分析


大功率电动机M1长延时保护整定中,Ir≈1.17Ie,依据电动机偶然过电流规定和保护动作特性,可得tr=88s,建议厂家增加tr=90s的定值选项,以充分发挥电动机的过电流能力。


380V各级断路器的保护配置已十分完善,在系统短路电流相差不大的情况下,要使所有保护都满足选择性要求十分困难,本例MCC馈线瞬时保护退出就属于此类情况。为满足现场运行需要,建议断路器厂家增加单一保护投退功能。


本例根据其他测试方案,推测出现场单相接地电流的量级,单相接地电流除与接地网结构有关外,还与焊接工艺和PE线材质有关,焊接工艺影响过渡电阻,PE线材质与测试扁钢材质不同,相应的阻抗特性也不同。测试部门应进行单相接地电流实测,以校核接地保护定值是否满足灵敏度要求。


对于低压配电盘,德力西电气不建议配置接地保护,若检修人员误将N线接地,系统就变成了局部TN-C系统,N线与PE线并联,内部某支路发生单相短路时有ig=id,接地保护误动将使停电范围扩大。


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