10kV进线侧方向过电流保护的计算

白凤娟

（中国昆仑工程有限公司）

0 引言

电力系统在运行中可能会发生某些故障和不正常运行状态，其中各种形式的短路是最常见也是最危险的故障。在发生短路时流过故障点的短路电流非常大，为了减小或避免大电流对电力系统的冲击和损害，过电流保护装置和动作时间必须合理匹配。但在某些情况下，由于与系统中的其他保护不能很好地配合，就会导致误动作，造成整个系统故障。因此过电流保护能否正确动作，对电力系统安全、稳定运行非常重要。

某炼油厂精对苯二甲酸主装置10 kV进线是110 kV变电站两段母线进线（A段进线、B段进线）和汽轮发电机一路进线。10 kV母线进线的两台变压器分列运行，采用单母线分段接线。汽轮发电机的额定功率为25 MW，实际发电量19 MW，主装置实际用电量12～13 MW。由于发电机发电量大于实际用电量，多余电量将会向上一级反送，有可能破坏系统并列运行的稳定性。所以主装置的10 kV进线断路器要设置带方向的过电流保护配合。

1 主装置10 kV进线侧短路电流计算

该工程案例的分析计算只采样A段进线的数据，方向过电流保护设定值是断路器a的设定值。电气网络短路电流计算电路图见图1。

图1 电气网络短路电流计算电路图

1.1 电抗计算

变电站至110 kV总降8.5 km，导线采用钢芯铝绞线，型号为LGJ-3（1×300） mm2。110 kV入口处最小运行方式下正序短路阻抗标幺值X*=0.038 6。

根据《工业与民用供配电设计手册》第四版中表4.6-2及表4.6-3，选取常用基准容量Sb=100 MVA，系统标称电压Ua=10 kV，准电压Ub=10.5 kV，基准电流Ib=5.5 kA。

（1）变压器电抗XT1*：

式中：UKN%——变压器额定阻抗电压百分比；SNT——变压器的额定容量，MVA。

（2）发电机电抗XT2*：

式中：Xd"%——发电机额定阻抗电压百分比；SNG——发电机的额定容量，MVA。

换算到发电机基准容量下的电抗XT2*'：

（3）线路电抗XL：

式中：L——线路长度，km；x——导线每千米电抗标幺值，导线采用交联聚乙烯绝缘三芯电力电缆，型号为YJV-8.7/10 kV- （3×240） mm2，x=0.079。

线路1长度1.37 km，电抗XL1*=0.098 Ω

线路2长度0.388 km，电抗XL2*=0.028 Ω

（4）变压器侧总电抗X3*：

（5）发电机侧总电抗X4*：

1.2 远端短路电源端馈电的短路电流计算

（1）地区电网供给K点的短路电流Is"：

（2）短路电流峰值流ips：

1.3 发电机馈电的短路电流计算

根据《工业与民用供配电设计手册》第四版中表4.6-6得出短路电流初始值超瞬态短路电流I"及发电机端短路4S短路电流流分量标幺值I4*：

式中：IoG*——发电机端短路0S短路电流交流分量标幺值，kA；IK*——稳态短路电流有效值，kA。

（1）发电机的额定电流ING：

（3）发电机短路电流有效值IKG：

（5）发电机短路电流峰值ipG：

1.4 异步电动机反馈的短路电流计算

短路点附近有两台异步电动机供给K点的短路电流。1台电机铭牌参数为250 kW，额定电流17.6 A，启动倍数Kst=7倍；1台电机铭牌参数为560 kW，额定电流39.4 A，电机启动倍数Kst=6.5倍。由此得出异步电动机提供的反馈电流周期分量初始值和异步电动机提供的反馈电流峰值电流iM：

经计算，10 kV侧进线K点的总短路电流IK为：

10 kV侧进线K点的短路电流峰值iK为：

2 10 kV线路的继电保护整定计算

线路工作电流按所有负荷的额定电流计算，包括所有高压电机额定电流和10 kV/0.4 kV变压器高压侧额定电流。保护装置的动作电流Iop.k（应躲过线路的过负荷电流）计算公式为：

式中：Krel——可靠系数，本工程保护装置用采用微机保护，微机保护可靠系数Krel为1.05～1.2，该计算取1.2；Kcon——接线系数，接于相电流时取1，接于相电流差时取该计算取1；Kr——微机保护返回系数，取0.90；nTA——电流互感器变比，此项目进线互感器变比为800/5；Iol——线路过负荷电流（包括电动机起动所引起的电流），A。

保护装置一次动作电流Iop计算公式为：

经计算，线路过负荷电流Iol=974.2 A，保护装置的动作电流Iop.k=12.99 A，保护装置一次动作电流Iop=2 078.3 A。

3 灵敏系数

主保护是满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护。保护装置的灵敏系数（按最小运行方式下线路末端两相短路电流校验）应不小于1.3，计算公式为：

式中：I2k2.min——最小运行方式下，线路末端两相短路稳态电流，A。经计算，Ksen=8.88。

短路保护的最小灵敏系数见表1。

表1 短路保护的最小灵敏系数

4 方向过流保护装置的动作配合

保护装置的动作电流应与动作时间配合，上下级保护装置的动作也应相互配合，以保证保护装置具有选择性。

（1）按动作电流配合。在所选定的故障形式下，上下级保护装置的动作电流之比不应小于1.1。

（2）按动作时限配合。上下级保护装置的动作时限应有一差值（时限阶段）Δt。定时限保护之间Δt一般为0.3 s，反时限保护之间Δt一般为0.3～0.5 s，定时限保护与反时限保护之间的Δt一般为0.3～0.5 s。

5 现场实测A段进线微机保护测量值

主装置区A段进线有功功率P=1.92 MW，无功功率Q=1.17 Mvar，视在功率S=2.15 MVA，功率因数cos∅=0.857，频率49.98～50 HZ。经计算得保护装置的动作电流Iop.k=12.99 A；过流保护时间0.5 s。

A段进线微机保护现场实际测量出的电流、电压及夹角见表2，测量值矢量图见图2。

表2 微机保护现场实际测量值

图2 10 kV A段进线微机保护测量值矢量图

方向过流保护的设置以10 kV母线为基准，规定电流由母线侧流向线路侧的电流为正方向。在故障情况下，设置过流方向保护，正方向IA与UBC的夹角为29°～44°，本工程取29°。那么过流保护装置的动作范围就是119°～59°，以IA（正常）为基准正向保护特征角±89°为动作区域，在保护特征角动作范围内为正方向，否则为反方向。

6 结束语

结合实际工程案例，对于有多路电源进线的电力线路，通过简单计算方向过电流保护的设置，能够迅速判断发生短路故障时的电流方向，缩小事故范围，保证主装置的正常运行，并且不影响上一级变电站装置的正常运行。