乙烯变电所继电保护整定计算分析

摘  要：继电保护是电力系统的重要组成部分，它能快速切除故障构成了电力系统的第一道防线，为电力系统的安全稳定运行提供了强有力的保障。电力系统对继电保护提出了可靠性、选择性、灵敏性、速动性的要求，合理的继电保护整定计算是满足“四性”要求的关键。本文结合乙烯变电所6kV开关柜更新改造，对乙烯变电所的继电保护整定计算进行分析，保证了电力系统的安全稳定运行。

关键词：电力系统;继电保护;整定计算

中图分类号：TM773    文献标识码：A         文章编号：2096-6903（2021）01-0000-00

1 乙烯变电所概况

乙烯变电所（3#变）为乙烯装置供电，有4台容量为2000kVA的变压器，短路电压百分值Ud%=7.0，变比为6.0kV/0.4 kV，进线电源为双电源，分别引自总变电所1#总变乙烯变613柜、1#总变乙烯变614柜，每个电源分别采用2根电缆供电，电缆型号为YJV22-6 3×300，电缆长度L=0.85km[1]。进线和母联开关采用内桥式接线，单母线分段。

2 乙烯变电所短路电流计算

2.1 确定基准值

采用标准值方法计算，6kV取基准容量Sj=100MVA，基准电压Uj=6.3kV。380V取基准容量Sj=100MVA，基准电压Uj=0.4kV。

2.2 1#总变6kV母线处短路电流

系统最大运行方式：由振烯线供电，振兴站3台变压器并列运行，中原石化1#总变2台主变并列运行，1#总变6kV母线三相短路时的短路电流 。

系统最小运行方式：由振烯线供电，振兴站1台变压器运行，中原石化1#总变1台主变运行，1#总变6kV母线两相短路时的短路电流为 。

因为在无限大容量系统中，同一地点的两相短路电流为三相短路电流的0.866倍。所以最小运行方式下1#总变6kV母线三相短路时的短路电流为[2]：

2.3 1#总变6kV母线处系统短路容量

2.4 1#总变6kV母线处系统电抗标幺值

2.5 1#总变至乙烯变电缆电抗标幺值

经查表，6至10kV三芯电缆的电抗平均值X=0.08Ω/km。[3]

2.6 乙烯变电所变压器的电抗标幺值

2.7 乙烯变电所6kV母线的电抗标幺值和三相短路电流

2.8 乙烯变电所0.4kV母线的电抗标幺值和三相短路电流

3电动机保护整定计算

以乙烯变急冷油循环泵GA104A电动机为例，三相异步电动机型号：YB450M2-4W，额定电压：6kV，额定功率：500kW，额定电流IrM=58.5A，电流互感器变比na=75/1，零序电流互感器变比na0=50/1，电动机电缆型号：ZR-YJV22-6/10 3×95，电缆长度0.16km。采用ABB REM615电动机综合保护继电器，设置电流速断保护、过负荷保护、堵转保护、单相接地保护、低电压保护。

3.1电流速断保护

按躲过电动机的最大启动电流整定计算[4]，其可靠系数Krel取1.5，电动机启动电流倍数Kst取7，则电流速断保护动作电流Iop ：

，取为8.5A，0s。

灵敏度系数校验：按电动机入口处最小两相短路电流一次值校验。

因为在无限大容量系统中，同一地点的两相短路电流为三相短路电流的0.866倍。[2]所以GA104A电动机入口处两相短路电流值：

灵敏度系数：

，滿足要求。

3.2过负荷保护

按躲过电动机的额定电流整定计算，由于过负荷保护要考虑电动机的启动时间，因此动作时限较长，可利用反时限来改善其保护特性。

过负荷保护动作电流启动值：Iop=IrM/na=58.5A/（75/1）=0.78A，曲线选择：IEC Long Time Inverse，时间系数：K=0.09，其反时限动作时间与电流的大小成反比，动作时间见公式：

式中：I为测量的电流，I>为设置的启动值，K为设置的时间系数，A=120，B=0.0，C=1.0。

保护装置的动作时限按躲过电动机启动时间整定，即top≥tst，保护装置动作时限top一般为10～15s，应在实际启动时校验其能否躲过启动时间。[5]

当I/I>=2时，代入公式计算，t[s]=10.8s，满足保护装置动作时限top一般为10～15s的要求。

当电动机启动时，取I/I>=7，代入公式计算，t[s]=1.8s<10s，不满足保护装置动作时限top一般为10～15s的要求。在乙烯变急冷油循环泵GA104A 电动机启动时，也发生了过负荷保护误动作的情况，与理论计算的结果相吻合。当电动机的启动时间太长而导致过负荷保护误动时，宜在启动过程中短接过负荷保护器件，不能采取提高整定电流的做法，以免运行中过负荷保护失效[5]。所以在电动机启动时，加入了8S的时间闭锁过负荷保护，8S过后自动投入过负荷保护，经过空载和带载试运，过负荷保护都能躲过电动机的启动过程，实践证明通过增加8s闭锁过负荷保护的方法，保证了继电保护的可靠性和灵敏性。

3.3堵转保护

当电动机在启动过程中或在运行中发生堵转故障，电流将急剧增大，容易造成电动机烧毁事故[5]。

动作电流Iop可取（2～3）IrM/na，取Iop=2.5IrM/na=2.5×58.5A/（75/1）=1.95A。

动作时限tpe，s可取（0.4～0.7）tst，max ，其中tst，max可根据经验值，电动机的启动时间按15s计算，tpe，s=0.533×tst，max=0.533×15s=8s。为防止电动机启动过程中堵转保护误动作，在电动机启动期间（按15s算）堵转保护被闭锁，启动15s后自动投入堵转保护。

3.4单相接地保护

单相接地电容的计算：电网中的单相接地电容电流由电力线路和电力设备（同步发电机、大容量同步电动机及变压器等）两部分的电容电流组成。

电缆线路的单相接地电容电流：Ic=0.1Un L[5] ，式中：Un为线路标称电压，kV;L为线路长度，km;Ic为接地电容电流，A;乙烯变电所6kV电缆线路总的单相接地电容电流等于每条6kV电缆线路的单相接地电容电流之和，为了简化计算，可以先计算出乙烯变电所6kV电缆线路的总长度，经计算L总=6.43km，乙烯变电所6kV电缆线路总的单相接地电容电流Ic=0.1Un L总=0.1×6kV×6.43km=3.858A。

因为6kV变电所电力设备增加的接地电容电流附加值百分数为18%[4]，所以乙烯变电所的总单相接地电容电流ICΣ=Ic+Ic×18%=3.858A+3.858A×0.18=4.552A。因为除大型同步电动机外，其它电动机的电容电流ICM可忽略不计。

保护装置的一次动作电流Iop按被保护元件发生单相接地故障时最小灵敏系数1.3整定。Iop≤（ICΣ-ICM）/1.3≤（4.552A-0A）/1.3≤3.5A。取2.5A，所以Iop，k=Iop/na0=2.5A/（50/1）=0.05A。

动作时限：动作于信号时取0.5s～2.0s，取1.2s。

3.5低电压保护

根据低电压保护整定原则：当电源电压短时降低或短时中断后又恢复时，为了保证重要电动机自启动而需要断开次要的电动机，保护装置的电压整定值一般为电动机额定电压的65%～70%，时限一般约为0.5s，动作于跳闸;当需要自启动，为了保证人身和设备安全，在电源电压长时间消失后需从配电网中自动断开的电动机，保护装置的电压整定值一般为电动机额定电压的45%～50%，时限一般为9s～10s。

根据生产工艺要求，该电动机不需要自启动，但考虑到乙烯装置工艺的连续性要求，低电压保护取55V（二次值），时限3s，动作于跳闸。

4变压器保护整定计算

乙烯变电所共有4台容量为2000kVA的变压器，短路电压百分值Ud%=7.0，变压器连接组别为D，yn11，变比为6.0kV/0.4kV，6.0kV高压侧额定电流IrT1=192.4A，电流互感器变比na1=250/1，零序电流互感器变比：na0=50/1，0.4kV低壓侧额定电流IrT2=2886.7A，电流互感器变比na2=3000/5，4台变压器为同型号、同批次产品，变压器本体参数相同，所带负荷也大致相同，因此继电保护配置也相同。6.0kV高压侧采用ABB REF615综合保护继电器，设置电流速断保护、过电流保护、接地保护。

4.1电流速断保护

最大运行方式下乙烯变电所变压器0.4kV低压侧的三相短路电流：

因为变压器的变比为6.0kV/0.4kV，所以最大运行方式下乙烯变电所变压器0.4kV低压侧三相短路时，流过6.0kV高压侧的三相短路的电流：

。

电流速断保护动作电流：按躲过变压器0.4kV低压侧三相短路时，流过保护装置的最大短路电流整定，可靠系数Krel取1.3。

，考虑到上下级配合，取15.2A，0s。

灵敏度系数校验：按最小运行方式下，变压器6.0kV高压侧保护装置出口处两相金属性短路电流校验。

最小运行方式下乙烯变电所变压器6.0kV高压侧的三相短路电流：

因为在无限大容量系统中，同一地点的两相短路电流为三相短路电流的0.866倍[2]。所以最小运行方式下乙烯变电所变压器6.0kV高压侧保护装置出口处两相金属性短路电流值：

灵敏度系数：

，满足要求。

4.2过电流保护

反时限过电流保护动作电流：按躲过变压器高压侧额定电流或正常最大负荷电流整定，可靠系数Krel取1.2，返回系数Kr取0.85。

，考虑到与上下级保护配合，取1.65A。

灵敏度系数校验：按最小运行方式下，变压器0.4kV低压侧母线两相金属性短路时折算到高压侧的一次电流校验。

最小运行方式下乙烯变电所变压器0.4kV低压侧的三相短路电流：

因为在无限大容量系统中，同一地点的两相短路电流为三相短路电流的0.866倍[2]。所以最小运行方式下变压器0.4kV低压侧的两相短路电流为 。

0.4kV低压侧母线两相金属性短路时折算到6.0kV高压侧的一次电流。

灵敏度系数：

，满足要求。

变压器0.4kV低压侧开关柜此次未进行更新，原低压侧的负荷也无变化，所以低压侧的定值不做调整，变压器0.4kV低压侧过电流保护采用法国IEE公司的ITG7366型继电器，整定值为1.7IN，0.35s，电流互感器变比na2=3000/5，一次电流整定值I>=1.7×3000A=5100A，动作时限为反时限，其中：T=27，α=1，Σt=0.35，则变压器0.4kV低压侧保护出口处三相短路电流 对应的动作时间：

变压器6.0kV高压侧过电流保护正常反时限时间常数Top，set按与下一级反时限保护特性配合整定，时间级差Δt=1.0s，6.0kV高压侧过电流保护整定值Iop=1.65A，计算到0.4kV低压侧的过电流保护一次电流整定值Iop2=Iop×na1×6.0kV/0.4kV=1.65A×250/1×6.0kV/0.4kV=6187.5A，则时间常数：

，取0.65

过电流保护整定值：启动值：1.65A，曲线选择：IEC Normal Inverse，时间常数：0.65。

4.3单相接地保护

整定计算原则同电动机单相接地保护，整定值：0.05A，动作于信号1.2s。

5进线保护整定计算

乙烯变电所有两条电源进线，进线和母联开关采用内桥式接线，单母线分段，进线电流互感器变比na=1500/1，差动互感器变比nad=1500/1。保護采用ABB REF615综合保护继电器、ABB RED615差动保护继电器，设置电流速断保护、过电流保护、差动保护。

5.1电流速断保护

电流速断保护动作电流：按与下一级（变压器）电流速断保护配合整定，变压器电流速断保护一次电流值Iop，T=15.2A×250/1=3800A，配合系数Kco取1.42。

，考虑到与上下级的配合，取3.6A，0.9s。

灵敏度系数校验：按最小运行方式下，母线两相金属性短路电流校验。

最小运行方式下乙烯变电所6.0kV母线处的三相短路电流：

因为在无限大容量系统中，同一地点的两相短路电流为三相短路电流的0.866倍。[2]所以最小运行方式下乙烯变电所6.0kV母线处两相短路电流：

灵敏度系数：

，满足要求。

5.2过电流保护

反时限过电流保护动作电流：按躲过线路额定电流或正常最大负荷电流整定，按一条进线带两段母线运行时，电动机（N-1）开1备，2台变压器满负荷，经计算线路额定电流IL=920A，可靠系数Krel取1.1，返回系数Kr取0.95。

，取0.71A。

灵敏度系数校验：按最小运行方式下，母线两相短路时流过保护装置安装处的短路电流校验。

最小运行方式下乙烯变电所6.0kV母线处的三相短路电流：

因为在无限大容量系统中，同一地点的两相短路电流为三相短路电流的0.866倍。[2]所以最小运行方式下乙烯变电所6.0kV母线处两相短路电流：

灵敏度系数：

，满足要求。

反时限过电流保护时间常数整定计算原则同变压器，过电流保护整定值：启动值：0.71A ，考虑到与变压器过流保护配合，曲线选择：IEC Very Inverse，时间常数：1.13。

5.3差动保护

线路额定电流：按一条进线带两段母线运行，按电动机（N-1）开1备，4台变压器满负荷运行。经计算线路额定电流IL=1451.6A，则线路二次额定电流IL2=IL/nad=1451.6A/（1500/1）=0.968A。

最小动作电流：可取（0.3～0.5）IL2，取0.35A。

拐点电流：第一拐点可取（0.8～1.0）IL2，取0.8A。第二拐点可取（2.0～4.0）IL2，取2.0A。

斜率：第一拐点斜率可取0.4～0.5，取0.5。第二拐点斜率可取0.6～0.7，取0.7。

差动速断动作电流：可取（4～6）IL2，取4.1A。

灵敏度系数校验：按最小运行方式下，线路末端两相短路电流校验。

最小运行方式下1#总变至乙烯变电所线路末端的三相短路电流：

因为两相短路电流等于三相短路电流的0.866倍。[4]所以最小运行方式下1#总变至乙烯变电所线路末端的两相短路电流：

当发生线路末端的两相短路时，根据差动保护设定参数，对应的制动电流二次值：

对应的差动动作电流二次值Id，op=0.35A+0.5×（2-0.8）A+0.7×（4.53-2）A=2.721A

1#总变至乙烯变电所线路末端的两相短路电流二次值：

灵敏度系数：

，满足要求。

6母联保护整定计算

母联电流互感器变比na=1500/1，保护采用ABB REF615综合保护继电器，设置电流速断保护、过电流保护。

6.1电流速断保护

整定计算原则同进线电流速断保护，考虑到与上下级的配合，取3.2A，0.5s。

6.2过电流保护

反时限过电流保护动作电流：按躲过线路额定电流或正常最大负荷电流整定，按电动机（N-1）开1备，2台变压器满负荷，经计算母线额定电流IL=710A，可靠系数Krel取1.1，返回系数Kr取0.95。

，取0.55A。

灵敏度系数校验：按最小运行方式下，母线两相短路时流过保护装置安装处的短路电流校验。

最小运行方式下乙烯变电所6.0kV母线处的三相短路电流：

因为在无限大容量系统中，同一地点的两相短路电流为三相短路电流的0.866倍[2]。所以最小运行方式下乙烯变电所6.0kV母线处两相短路电流：

灵敏度系数：

，满足要求。

反时限过电流保护时间常数整定计算原则同变压器，过电流保护整定值：启动值：0.55A，考虑到上下级过流保护配合，曲线选择：IEC Very Inverse，时间常数：0.8。

7结语

电力系统在运行过程中，继电保护发挥着极为重要的作用，继电保护整定计算要充分考虑电网的结构、保护装置的特性、保护定值的上下级配合等因素，计算结果要满足继电保护“四性”的要求，从而确保电力系统的安全运行。

参考文献

[1]孙金祥，孙伟森，李新平.中原乙烯全厂供用电系统继电保护方案[M].濮阳：中国石化中原石油化工有限责任公司，1996：6.

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[3]中国电力工程顾问集团有限公司.电力工程设计手册（火力发电厂电气一次设计）[M].北京：中国电力出版社，2018：109.

[4]DL/T 1502-2016厂用电继电保护整定计算导则[S].北京：国家能源局，2016：16-37.

[5]中國航空工业规划设计研究总院.工业与民用供配电设计手册（第四版）[M].北京：中国电力出版社，2016：302-303+516-601+1091.

Calculation and Analysis of Relay Protection Setting in Ethylene Substation

SHI Shutian

（China Petrochemical Zhongyuan Petrochemical Co.LTD.，Puyang  Henan  457000）

Abstract： Relay protection is an important part of the power system， it can quickly remove the fault constitutes the first line of defense of the power system， for the safe and stable operation of the power system to provide a strong guarantee， power system puts forward the requirements of reliability， selectivity， sensitivity and quickness for relay protection， reasonable relay protection setting is the key to meet the "four" requirements. Combined with the renovation of 6kV switchgear of ethylene substation， this paper analyzes the relay protection setting calculation of ethylene substation， and ensures the safe and stable operation of the power system.

Keywords： power system;relay protection;calculation and analysis

收稿日期：2020-12-10

作者简介：史书天（1988—），男，汉族，吉林榆树人，本科，工程师，从事化工厂电气工作。