港口供配电系统继电保护的探讨

赵海

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

港口供配电系统继电保护的探讨

赵海

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

本文以浙江嘉兴乍浦港为实例，根据港区供电现状，从配电线路继电保护的基本要求入手，对港内常见供电故障进行分析，并总结出配电线路的励磁涌流、电流互感器饱和以及所用变保护拒动等3个特殊问题的有效处理方法，促进供配电系统安全运行。

常见故障；励磁涌流；电流互感器饱和；所用变保护拒动

1 概述

港口供电系统的用电负荷种类复杂，具备点多、线长、面广等特点，易受港口的盐雾气候、粉尘污染等环境影响。设备容易发生短路故障，严重损坏相关配电线路，继而影响整个供电系统安全。继电保护装置作为确保供配电系统可靠运行的重要设备，在系统发生短路等故障时，会发出报警信号或者自动切断线路，以防止供电故障扩大，避免发生大范围停电。基于此，本文以浙江嘉兴乍浦港为实例，针对10kV配电线路的继电保护进行探讨。

2 供电现状

乍浦港目前装卸设备复杂：有散货装卸用的装船机、卸船机、带式输送机等；有集装箱装卸用的岸桥、电动轮胎吊等；还有杂货装卸用的门座式起重机、轨道吊等。港区经过多年的生产运营，发现港内电动机在作业高峰时大量频繁启停，对电网造成强烈冲击，上级线路继电保护经常误动作，供电电压呈现波动现象，严重威胁到乍浦港供电系统的安全运行。

3 继电保护基本原则

供电系统实现安全运行，必须满足可靠性、选择性、灵敏性、速动性等四项基本原则，具体如下。

可靠性。即继电保护装置整定、调试无误，内部元件质量可靠、运行得当、系统简化，以保证系统可靠性。

选择性。当设备或线路本身发生短路故障，自身断路器拒动，由邻近设备保护或邻近线路保护动作切除故障。

灵敏性。设备或线路在被保护范围内发生短路故障时，保护装置有必要的灵敏系数，并满足最小灵敏度要求。

速动性。发生故障时，保护装置及时做出响应，尽快切除短路处故障，缩小故障范围，并减少电力线路和故障设备的损坏程度，提高自动重合闸和备自投的可靠性。

4 港内常见故障分析与对策

4.1 常见故障分析

乍浦港投产至今，存在过电流、电压超额、电压骤降、绝缘老化等4种供电故障。

（1）过电流。即为负荷超过电气设备额定值。此类故障情况在各港区较为常见，造成绝缘导体温度升高，加速老化，发生短路故障。

（2）电压超额。即为电压超过额定值。当发生单相接地故障时，非接地两相电压将升高数倍，极可能击穿绝缘层引起严重电力事故。

（3）电压骤降。在电网电压急剧下降过程中，线路侧电动机由于自启动产生多倍数级的启动电流，造成自启动困难，甚至无法自启动的现象。

（4）绝缘老化。当电力线路长时间运行后，造成线路的绝缘能力下降，容易因发生一点或两点线路击穿而导致电力事故。

4.2 常见故障对策

为提高乍浦港供电系统的可靠性，满足继电保护基本原则，并避免过电流、电压超额、绝缘老化、电压骤降等4种供电故障的发生，本文对港内变电所的综合继电保护整定值的计算，以及保护时间的调整进行阐述，得出相关的继保整定值和时间。

（1）电流的保护整定原则。各个10kV中心配变电所及分变电所的电流保护，分为过流保护和速断保护。速断保护根据短路电流实现；过流保护根据负荷大小而定。

（2）电压的保护整定原则。主要为电容补偿和PT 的开口电压保护，以及线路过压和欠压保护。开口三角的电压值，在实际运行中，由于电压互感器的自身误差，极易产生多次谐波引起的不平衡电压。因此，整定值应大于不平衡电压。

（3）保护时间的整定原则。根据负荷重要性、继保护整定值和实际运行经验来进行时间整定。

（4）上下级匹配的整定原则。上一级保护的灵敏系数应低于下一级，上一级保护的整定时间应比下一级多一个时间级差Δt。

5 特殊问题及处理方法

5.1 线路励磁涌流。

线路励磁涌流是配电线路由于电磁感应产生的常见现象。空投变压器时，变压器铁芯磁通难以急剧变化，非周期分量造成变压器的铁芯饱和。励磁电流增加明显，最大可达额定电流的10倍。磁化曲线与励磁涌流见图1。

图1 磁化曲线与励磁涌流

通常10kV配电线路中大部分为变压器负荷，当线路投入运行时，变压器负荷引起的励磁涌流汇集迭加，引起电磁暂态现象。当采用二段式电流保护时，电流速断动作电流取较小值。当采用三段式电流保护时，瞬时电流速断保护须兼顾灵敏度要求，动作电流相应取较小值。因此，线路励磁涌流值有可能大于整定值，造成继电保护产生误动作。这种情况在线路侧变压器负荷少、容量小且系统阻抗大的时候不太明显，不够引起重视。另外，由于励磁涌流含大量高次谐波，故线路保护可利用谐波特点防止保护误动作。就10kV配电线路的继电保护来说，改造保护装置会造成保护装置的实用性降低。由于励磁涌流随时间而衰减，故在电流速断保护加入短延时，以防止励磁涌流引起的保护误动作。综上所述，10kV线路保护主要采用二段式保护（过电流、限时电流速断）。乍浦港供电系统设计中，10kV线路保护即采用二段式电流保护。

5.2 电流互感器饱和

10kV 线路出口处短路电流与系统规模和运行方式是密切相关的。当电力系统范围扩大，10kV系统短路电流将增大，电流值高达电流互感器一次额定电流的上百倍，因此，原先正常运行的电流互感器极易呈现饱和状态；另外，由于短路故障处于一个暂态过程，短路电流中的非周期分量会产生电流震荡，峰值和波谷相差较大，更容易加速电流互感器饱和，二次侧电流急剧降低，保护装置拒动，只能由后备保护来切除，因而延长了故障时间，使得故障范围扩大。电流互感器二次侧在故障前后的波形对比图详见图2。

图2 电流互感器二次侧在故障前后的波形对比图

目前港口总变主要是35/10.5kV或20/10.5kV的降压站，最大运行方式下的短路电流较大，电流互感器若变比较小，可能在供电系统发生短路故障时出现饱和。为解决这一问题，除了需提高主变压器的短路阻抗和容量外，还要提高保护用电流互感器的准确极限值，或者提高电流互感器变比值。保护用电流互感器的准确度等级一般选用5P、10P等级；而测量用电流互感器，不管是何变比，通常采用5P10型，测量精度为5%，准确极限值为10。乍浦港供电系统设计中，保护用电流互感器的准确度等级选用5P等级，测量用电流互感器选用5P10型。

5.3 所用变保护拒动

一般变电所设计中，所用变保护的容量较小，通常选择30～100kVA（乍浦港变电所选用80kVA），并安装于10kV开关柜内，因此高压侧短路电流与系统短路电流相差不大，低压侧出口的短路电流值剧增，对所用变保护以及10kV配电线路构成威胁。常规而言，一般采用熔断器对其实现保护，随着电力系统扩张，短路电流增大，保护可靠性降低。故而乍浦港变电所内的所用变，均采用断路器保护，但却带来了电流互感器饱和的问题。所用变保护的一次额定电流往往较小，此时，保护与计量往往合用一组，互感器变比取偏小值，原因是为了保证计量精度。当高压侧发生短路故障时，短路保护主要靠后备开关保护动作来实现；但如果是低压侧发生短路故障，短路电流则偏小，后备保护开关拒动，故障难以及时切除。为避免发生所用变保护拒动的情况，乍浦港变电所设计中对电流互感器进行合理配置，并将计量与保护分开独立设置：在高压侧装设保护用电流互感器，实现对所用变保护的短路保护；在低压侧装设计量用电流互感器，以确保计量的准确度达到要求。

6 结语

目前，国内港口大多存在过电流、电压超额、电压骤降、绝缘老化等供电故障，还有配电线路励磁涌流、电流互感器饱和以及所用变保护拒动等问题，严重影响供电系统安全运行。本文通过对继电保护整定值计算和时间调整的实例分析，阐述港区供电设计中如何做到满足供电系统速动性、可靠性、灵敏性和选择性四项原则，利于变电所事故动作分析，减少事故隐患，促进港口供电系统安全运行。

[1]梁蕾，赵久涛，刘汉武. 10kV配电线路继电保护的研究. 科技创新导报，2010.

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