6kV配电系统继电保护综合分析与整定方法的选择

刘宗纯

（萍乡萍钢安源钢铁有限公司，江西萍乡337000）

6kV配电系统继电保护综合分析与整定方法的选择

刘宗纯

（萍乡萍钢安源钢铁有限公司，江西萍乡337000）

针对老企业供电系统设计布局存在问题，做好6kV供电系统继电保护改进工作，综合电网本身情况选择定值整定方法，以减少保护误动作造成的经济损失，提高企业供电的可靠性。

继电保护；装置分析；定值；整定方法

1 引言

6kV供电系统是大企业电力系统的一部分，它能否安全、稳定、可靠地运行，不但直接关系到企业用电的畅通，而且涉及到电力系统能否正常运行。

6kV系统中包含一次系统和二次系统。一次系统比较简单直观，在设置上较为容易，而二次系统相对较为复杂，且二次系统包括了大量的继电保护装置、自动装置和二次回路。为了确保6kV配电系统的正常运行，必须正确设计和设置继电保护装置。

2 6kV系统开关设备及继电保护装置现状分析

萍乡分公司是原萍钢老厂20世纪50年代初逐步发展形成的。目前年产钢能力达200万t。供电系统的设备经过20世纪80年代中期、2000年和2010年三次大的技术改造，配电系统的额定电压仍然为6kV电压供电。萍乡分公司目前有110 kV1#变电站、2#变电站主变压器总装容量共136500 kVA（4台主变压器合计容量），年供电量10亿kW·h左右。

供电设备经过三次大的技术改造后，目前运行的开关设备及继电保护装置可分为四类：（一）改制企业高压配电室和中心配电室，大部分是80年代前GG1A型开关柜及少油断路器，感应式继电器或电磁式继电器保护装置。（二）炼铁、炼钢、轧钢、301鼓风房、生产水泵房等高压配电室少油式断路器开关占多数（也有部分真空断路器），但保护装置都是电磁式继电器。（三）2#变电站是2001年初建成投运，开关设备目前运行较好，但变电站的微继综保选用当时北京德威特公司第一代DVP—600系列产品，保护功能比较单一，不能适应目前电网升级的技术要求。（四）2010年以后扩建改造1#变电站、制氧、108烧结、304高炉等变、配电室开关设备，选用较为先进的金属铠装封闭式开关柜、真空断路器和微机综合保护装置。

萍乡分公司这些类型的开关设备、继电保护装置在不同时期均有过特殊的作用。由于萍钢老厂电网在发展、规划上不象新建企业那样一次设计布置规范、结构合理，是一种逐步就地改造发展规模型的企业，所以6kV系统的高压配电（站）、配电线路、开关设备、继电保护装置呈现以下特点：

（1）变电站架空导线出线回路多，导线截面积大(2×240 mm2以上)得多，1 km以内的超短供电线路较多。

（2）线路T接负荷较多。

（3）架空线路负荷电流大（冲击电流较频繁），过渡电缆连接多。

（4）二级(车间)高压配电室开关柜多数设备较陈旧（少油断路器多），绝缘状况不理想，操作机构型号老陈，分、合闸速度达不到技术要求，故障率高。

（5）同一条供电线路的上、下级开关和继电保护装置型式不统一，故障动作时限级差配合无选择性。

这种负荷电流大、供电架空线路短而导线截面积大，在电力系统中，属于一种特殊的运行方式，存在着较多的问题。

目前，6kV高压供电系统中大都是采用定时限过电流保护和瞬时电流速断保护两种，直流电源操作，有双回路电源的高压配电室母线分段运行，母联开关不设自动投入装置。近几年萍钢老厂飞速建设发展，用电量逐年增多，萍乡分公司老厂两座110 kV变电站主变压器运行容量由2009年前的10500 kVA现增加到145000 kVA。

萍乡供电公司电网近年升级改造（2009年6日由110 kV升220 kV湘东变电站供电），网电系统短路容量增大。2010年7月萍钢公司请萍乡供电公司计算老厂1#、2#变电站6kV系统母线最大运行方式的故障短路电流达到49.8 kA，比2007年计算故障短路电流增大30%以上。大短路电流对断路器冲击及继电保护配置和计算带来新的技术问题。

公司近年对两座110 kV变电站的开关设备、继电保护装置进行技术改造，基本实现了微机综保化。但下级6kV高压配电室进线开关设备有相当一部分是老式的少油断路器和电磁式继电器保护装置，在同一条供电线路的上、下级开关设备与继电保护装置型号不同，故障动作响应时间不一致，不能达到线路发生故障时有选择性的跳闸（切除故障段），使母线（6kV系统）失压严重，造成越级跳闸事故，扩大停电范围，打乱了正常生产秩序。

如2010年9月上旬动力厂生产水泵房在启动5#水泵电机时，由于操作人员工作大意，带负荷合上隔离开关直接启动电机造成三相弧光短路，造成2#变电站中配一线6229#开关速断动作跳闸，中心配电室1段母线停电，影响301高炉供水、上料、喷煤等30多分钟生产事故。2#变中配一线6229#、中心配电室水泵一线613#和水泵房高配室水泵一线613#进线开关的三级继电保护装置速断都动作响应，因2#变6229#开关是真空断路器、弹簧操作机构和微继保护装置，所以动作响应时间快于电磁式继电器和少油断路器开关，是一典型的上、下级开关设备和继电保护装置型号配合不统一而引起的越级跳闸事故。

2010年10月26日萍乡分公司108烧结机高配室试车除尘风机电机时，电动机开关柜内的过电压保护器设备绝缘原因引起三相弧光短路，1#变电站108烧结一线6109#开关和108烧结高配室进线6109#、除尘电机柜三级（三台）微继综保装置速断定值同时启动，1#变108烧结一线6109#和烧结高配室6109#进线开关同时动作，越级跳闸停电事故。通过微保检测记录该短路一次流达到12300 A，电流均大于上级三套保护装置速断启动电流值。

从近期几次6kV线路短路事故分析，短路电流都在12000～20000 A以上，由于6kV线路长度短、导线截面积大，短路电流相差不大的特殊性，光靠短路电流级差大小的常规电流保护计算方法，是无法实现分级保护跳闸的选择性。

3 6kV系统开关设备、继保装置及保护值整定方法的选择

从上述运行现状特点分析：要解决供电线路在故障情况下继电保护有选择性的动作切断故障线路，避免越级跳闸而造成大面积的停电事故发生。采用如下改进措施：

3.1 对部分继电保护装置与开关设备应有计划进行改造

（1）主要对二级6kV高压配电室进线开关柜是少油式断路器、电磁式继电器、老型号操作机构等元件要进行就地改造，需更换为真空断路器、弹簧储能操作机构和微机综合保护装置（目前在1#变电站出线供电运行的有：301鼓风房、生产水泵房、焦化、喷煤、压风、循环泵房、环烧、中心配电室出线开关：昌盛线、林家湾、特耐线、安达瓷厂线、弘历耐材线、晨珲铸造、联达、长虹瓷厂等进、出线开关柜）。

（2）2#变电站微机综保是北京德威特公司2000年生产的第一代DVP一600系列产品，保护功能单一，不能适应当前电网升级改造后的技术要求，应有计划升级改造。

2#变电站出线供电的二级6kV配电室进线开关柜，操作机构型号老旧、电磁式继电保护装置较多，要进行微保改造。

实现上、下级开关柜保护装置微机综保化，才能达到电网故障时分级跳闸的技术条件。

3.2 6kV配电系统线路开关采用时间级差微机保护

（1）110 kV变电站6kV出线开关

可采用二段式保护，第一段（延时速断）略带时限（级差时间可设0.15～0.2 s）电流速断保护能保护线路的全长，可作为本线路主保护。第二段定时限过流保护作为后备保护。

（2）二级6kV高配室进线开关柜

设一段瞬时电流速断保护为本配电室的主保护。上级变电站出线开关第一段略带时限的保护作为后备保护。

（3）双回路（T接方式）供两个高配电室的进线开关柜

设一段瞬时电流速断保护为本高配室主保护，第二段定时限过流保（级差时间应比上级开关小0.3 s）作为后备保护。上级变电站出线开关柜第一段略带时限可作远后备保护。

（4）单回路供电（包括T接线路、变压器组）的保护方式

110 kV变电站6kV出线开关采用三段式保护，笫一段瞬时电流速断保护为主保护，第二段带时限电流保护（不大于0.5 s）为辅助保护，第三段定时限（动作时间大于10 s）过流（过负荷）保护作为后备保护和相邻下一级开关后备保护。

单回供电的高配室进线开关设一段瞬时电流速断保护为本配电室主保护，上级变电站开关略带时限的保护为后备保护。

（5）中心配电室供电出线保护方式

110 kV变电站中心配线6110#出线开关设延时速断（略带时限）和过流保护，中心配电室进线开关只设瞬时速断保护。

中心配电室各出线开关柜须改造为真空断路、弹簧储能操作机构和微继综合保护装置，才能实现上、下级保护时限的配合。中心配电室各出线开关柜均采用三段式微机综保，笫一段瞬时电流速断保护，为本线主保护，第二段带时限过流保护（级差时间小于变电站出线开关0.3 s）为辅助保护，第三段定时限过负荷保护（时限10 s以上）和上级110 kV变电站出线开关略带时限的保护为本开关的后备保护。

3.3 母联开关的保护方式

有双回路供电的二级高压配电室规定母联开关只有在线路倒闸时才操作合闸运行，目前母联开关多数都只设电流速断保护。随着系统电网短路容量的增大，应增设母联开关与两回路进线开关联跳保护。

4 6kV配电系统中微继综保的任务和作用

4.1 6kV供电系统继电保护的几种运行工况

（1）供电系统的正常运行：指系统中各种设备或线路均在其额定状态下进行工作，各种信号、指示和仪表均工作在允许范围内的运行状况。

（2）供电系统的故障：指某些设备或线路出现危及其本身或系统的安全运行，并有可能使事态进一步扩大的运行状况。

（3）供电系统的异常运行：指系统的正常运行遭到了破坏，但尚未构成故障时的运行状况。

作为6kV供电系统保护装置，继电保护装置需要完成如下任务：

（1）在供电系统中运行正常时，它应能完整安全地监视各种设备的运行状况，为值班人员提供可靠的运行依据。

（2）如供电系统中发生故障时，它应能自动迅速有选择性地切除故障部分，保证非故障部分继续运行。

（3）当供电系统中出现异常运行工况时，它应能及时准确地发出信号或警报，通知值班人员做出快速处理，由此可见，在6kV系统中装设继电保护装置的主要作用，是缩小事故范围或预报事故的发生，来达到提高系统运行的可靠性，并最大限度地保证供电的安全和不间断。

4.2 定时限过电流保护

定时限过流保护：继电保护的动作时间与故障短路电流的大小无关，时间是恒定的，时间是靠继电器调整获得。定时限过流保护简单可靠，完全依靠选择动作时间来获得选择性，上、下级的选择性配合比较容易，时限由时间继电器根据计算后获取的参数来整定，动作的选择性能够保证动作的灵敏性能够满足要求，整定调试比较准确和方便。这种保护方式一般应用在6～10 kV系统中的变配室比较多。

6～10 kV中性点不接地系统中，广泛采用的两相两继电器定时限过流保护的原理接线，是由2只TA和2只电流继电器、1只时间继电器和1只信号继电器，或用一台微机继电综合保护装置构成。

当被保护线路中发生短路故障时，TA的一次电流急剧增加，其二次电流随之成比例地增大，当TA的二次电流大于电流继电器的起动值时，电流继电器动作。由于2只电流继电器的触点是并联，故任一电流继电器的触点闭合，都能接通时间继电器的线圈回路。这时，时间继电器就按照预先整定的时间动作使其接点吸合。这样时间继电器的触点又接通了信号继电器和出口中间继电器的线圈，使其动作。出口中间继电器的触点接通了跳闸线回路，从而使被保护线路的断路器开关切断了故障回路，保证了非故障线路的继续运行。

由此可以看出，保护装置的动作时间只取决于时间继电器预先整定的时间，而与被保护线路的短路电流大小无关。过流保护装置中的电流继电器动作电流的整定原则，是按照躲过被保护线路中可能出现的最大负荷电流来考虑。也就是只有在被保护线路故障时才启动，而在最大负荷电流出现时不应动作。

4.3 电流速断保护

电流速断保护是无时限或延时速断（略带时限）动作的一种电流保护。它能在最短的时间内迅速切除短路故障，减少故障持续时间，防止事故扩大。电流速断保护又分为瞬时（无时限速断）电流速断保护和延时速断（略带时限）电流速断保护两种。瞬时电流速断保护与过电流保护的区别在于它的动作电流值不是躲过最大负荷电流，而是必须大于保护范围外部短路时的最大短路电流。即按躲过被保护线路末端可能产生的三相最大短路电流来整定。从而使速断保护范围被限制在被保护线路的内部，从整定值上保证了选择性，因此，可以瞬时跳闸。当在被保护线路外部发生短路时，它不会动作。只有当短路电流大于保护装置的动作电流时，保护装置才能动作。所以瞬时电流速断保护不能保护设备的全部，也不能保护线路的全长，而只能保护线路的一部分。对于最大运行方式下的保护范围一般能达到线全长的50%，即认为已有了良好的保护效果，对于在最小运行方式下的保护范围能保护线路全长的15%～20%。

瞬时电流速断保护最大优点是动作迅速。但只能保护线路的首端，而定时限过流保护虽然能保护线路的全长，但动作时限太长。

略带时限的电流速断保护可以消除瞬时电流速断保护的“死区”。略带时限的电流速断保护能保护全线路。因此，它的保护范围就必然会延伸到下一段线路的始端。这样，当下一段线路始端发生短路时，保护也会起动，为了保证选择性，其动作时限比下一段线路瞬时电流速断保护大一个时限级差，动作电流也要比下一段线路瞬时电流速断的动作电流大一些。略带时限的电流速断保护可作为被保护线路的主保护。略带时限的电流速断保护原理接线和定时限过流保护的原理接线相同。

4.4 三段式过流保护方式

由于瞬时电流速断保护只能保护线路的一部分，所以不能作为线路的主保护，而只能作为加速断切除线路首端故障的辅助保护，延时速断（略带时限）的电流速断保护能保护线路的全长，可作为本线路的主保护，但不能作为下一段线路的后备保护：定时限过流保护既可作为本线路的后备保护，又可作为相邻下一段线路的远后备保护。

一般情况下，为了对线路进行可靠而有效的保护，把瞬时电流速断保护（或略带时限的电流速断保护）和定时限过流保护相配合构成两段式电流保护。

当被保护线路较短而且导线截面积较大时，第一段电流保护均采用延时（略带时限）电流速断保护为主保护，第二采用定时限过电流保护作为后备保护。

线路较长而且线路上T接负荷多（或单回路供电的高配室），应采用三段式电流保护，以瞬时电流速断保护作为第一段，以加速切除线路首端的故障为线路的辅助保护。略带时限（延时速断）的电流速断保护为第二段，保护线路的全长作为主保护。定时限过流保护为第三段，以作为线路全长和相邻下一级线路的后备保护。

根据线路供电的具体情况选用两式或三段式电流保护，因为这种保护的设置可以在相邻下一线路的保护或断路器拒动时，本级线路的定时限过流保护可以动作，起到远后备保护的作用：若本级线路的主保护（瞬时速断或略带时限速断保护拒动时，则本级线路的定时限过流保护可以动作，以起到近后备保护的作用。

5 6kV配电变压器微继综保整定注意事项

5.1 企业生产用的配电变压器电流保护

Ⅰ段电流速断保护为主保护，按躲过系统最大运行方式下变压器低压侧三相短路时，反串流过高压侧的短路电流来计算定值，动作时限为0 s。

Ⅱ段过电流保护为后备保护，按躲过可能出现的最大（包括最大容量电机的起动电流）负荷电流来整定，动作时限（低压电动机单台启动容量在100 kW以上应取5～10 s）一般为0.5～3 s。

5.2 过负荷告警保护

应按躲过变压器的正常过负荷电流，告警取额定电流的1.2～1.5倍，延时20～30 s。

5.3 非电量保护

1000 kVA容量以上的配电变压器，微机保护装置都设有瓦斯保护、油温保护。重瓦斯保护（主保护）用于瞬时跳闸，轻瓦斯和油温用于信号告警。

6 电力电容器微继综保整定注意事项

电力电容器主要作为电网无功补偿设备广泛应用于6～10 kV配电系统，电容器有动态补偿和静态补偿两种方式，下面介绍静态补偿电容器保护整定注意事项，电容器主要配有电流保护、电压保护和零序电流、电压保护等。

6.1 电容器的电流保护

（1）电容器的限时电流速断保护

电容器限时电流速断保护整定原则，按躲过电网瞬时过电压（或短路故障）引起的冲击电流来整定，即动作电流：Iop″≥KrcIIcn/Krc

（2）限时电流速断保护的时限

限时电流速断的延时按能躲过电容器投入时冲击电流持续时间来整定，一般可取0.1～0.2 s。

6.2 电容器的过流保护

（1）电容器的过流保护作为相间故障限时电流速断的后备保护，过电流整定按躲过电容器组的额定电流整定：Iop″≥(KrcIKbw/Kcn)In

（2）过流保护整定按躲过电容器投入时产的冲击电流及电网瞬时过电压产生的冲击电流持续时间并与限时速断时限配合整定，一般取0.2～0.5 s。

（3）电容器不平衡电流保护

不平衡电流用于双星形接线的电容器组。中性点不平衡电流保护，按切除一定数量电容后不平衡电流有一定的灵敏度，且能可靠地躲过正常运行时的不平衡电流整定：

不平衡电流保护的延时整定按躲过电容投入的冲击电流和系统瞬时过电压引起的不平衡电流持续时间来整定，一般取0.1～0.2 s。

6.3 电容器的电压保护

（1）电容器的欠压保护

在母线失压时应及时将电容切除，以防止电源进线重合闸使母线带电时，因电源电压与电容电压叠加产生过大的冲击电流而损坏电容。因此应装设电容器欠电压保护。欠电压保护定值一般为额定电压的40%～60%。

欠电压保护延时为0.2～0.5 s。

（2）电容器的过电压保护

母线电压过高会导致电容器击穿而损坏，因此需装设过电压保护以防止事故发生。过电压保护定值一般取电容器额定电压的1.2倍，过压延时间5～10 s。

（3）不平衡电压保护

不平衡电压保护用以防止在Y形接线电容器组串联中个别元件切除后，其他电容承受高电而损坏。不平衡电压取自高压侧接于电容相线端与其中性点的三绕组电压互感器的开口绕组。

不平衡电压的整定：Udsq/Ksen≥Uop≥KreIUdsq.0

不平衡电压保护的延时，按躲过电容投入时或系统其他故障造成的瞬时不平衡电压持续时间来选取，一般取0.1～0.2 s。

7 结束语

萍乡分公司是一个老钢铁企业，6kV高压配电线路（长度）短，导线截面积大负荷又集中，大电流冲击频繁、线路故障短路电流大等特点，给继电保护定值计算带来了一定的难题，供电线路越级跳闸时有发生。

2010年4月1#变电站进行技术改造，我们对继电保护装置进行综合分析和部分改造，结合供电线路及用电设备的本身负荷特点选择整定计算方法。经过一年多的运行实践，基本实现保护动作的选择性、准确性，减少因保护误动作造成的经济损失，提高了供电的可靠性。

表7 滤波电容器过电压、过电流校验结果

6 结论

经过对用户供电系统的谐波、无功等电能质量指标的分析和计算，确定了在11 kV母线装设一套高压滤波补偿装置(FC)进行治理的方案。通过对用户供电系统加装FC后电能质量的详细仿真和计算，得出结论如下：

（1）正常运行方式时注入考核点的各次谐波电流、母线电压总谐波畸变率均符合国家标准GB/T 14549-93《电能质量公用电网谐波》和用户的要求。

（2）滤波器组和系统不会在工频整数倍频率上发生并联谐振，不会产生谐波电流放大现象。

（3）各种运行方式的滤波器组的安全校核结果显示，电容器过电流倍数均小于电容器额定电流的1.3倍，电容器过电压倍数均小于电容器额定电压的1.1倍，故各滤波器支路都能安全可靠运行。

综上所述，本方案设计的滤波补偿装置投入，对改善用户供电系统的电能质量，提高功率因数，稳定电网运行水平将起到积极、重要的作用。

收稿日期：2013－12－23

作者简介：王奇民（1981-），男，毕业于华中科技大学，工程师，现主要从事冶金行业供配电设计工作。

Com prehensive Analysis and Setting M ethod Selection of Relay Protection for 6kV Power Distribution System

LIU Zongchun
(Jiangxi Anyuan Iron and Steel Co.,Ltd.,Pingxiang,Jiangxi 337000,China)

To solve the existing problems in the design and layout of power supply system of the old enterprise,improvement revamping was made to the relay protection in the 6kV power supply system.Setting values were selected based on the actual conditions of the power grid to reduce economic loss caused by false protection action and improve reliability of enterprise power supply.

relay protection;device analysis;setting value;setting method

TM774

B

1006-6764(2014)04-0005-05

2013－10－23

刘宗纯（1980－），男，毕业于天津工业大学，助理工程师，现从事电气设备技术管理工作。