钢铁企业配电系统继电保护配置方案及定值计算的研究

张 强，刘广文

（中冶京诚工程技术有限公司电控所，北京 100176）

引言

近年来，我国的粗钢产量位居世界第一。钢铁企业作为高耗电行业，其配电系统所带负荷大都是一、二类负荷，如果出现停电事故，可能造成重大经济损失和人身事故，因此钢铁企业内部配电系统对供电安全可靠性有很高的要求［1］。

继电保护是保障配电系统安全运行的第一道防线［2］，其主要功能是快速、精确、可靠地切除故障元件，将故障的影响限制在最小范围内，并有效防止故障扩大，进而保证整个配电系统的安全稳定。

目前国内有相应的规程规范作为继电保护定值整定的依据，但是钢铁企业的配电系统有其自身的特点。根据钢铁企业的电网架构特征，分析了最适合的继电保护配置方案，明确各保护定值计算方法及上下级配合的关系，确保在充分发挥保护性能的前提下减少整定计算的工作量。

1 钢铁企业典型配电系统

钢铁企业的内部电网通常包括配电、发电和用电三个环节，涵盖了220 kV、110 kV、35 kV、10 kV、0.4 kV等多个电压等级，其配电网络大多以“用电负荷”为中心进行规划，采用“自上而下”的设计理念，通过多次变压将电力负荷送至最终用户。

以某钢铁企业为例，图1 为其全厂配电网架结构图。该钢铁企业的电源电压为220 kV，厂区内设1 座220 kV 总降变电站。第一级配电电压为110 kV，设4座110 kV区域变电站（图中仅示意出其中1 座），4 座110 kV 区域变电站分别设置在厂区内的4处负荷集中处。配电电压在110 kV区域变电站再次降压至10 kV，然后送至各个车间主电室，从主电室直接送至10 kV 用电负荷或再次降压至0.4 kV后送至低压用电负荷。

图1 某钢铁企业配电网架结构图

在国内无论220 kV 总降变电站是用户专用变电站还是地区电网公用变电站，其220 kV 系统和主变系统均受地区电网调度，因此其继电保护定值大多情况下都会纳入地区电网进行统一管理和维护。以图1 的配电网络图为例，着重对钢铁企业内部110 kV 线路、区域变电站及主电室等系统和设备的继电保护配置方案进行分析，并研究定值计算方法以及上下级配合原则。

2 110 kV线路保护

钢铁企业内部由于空间受限，110 kV 的线路通常选用电缆作为输电介质，且大多数情况为电源带单一负荷变电站的供电线路，基本不存在T 接线路的情况。

考虑到110 kV 线路在钢铁企业中的重要性，通常会选用具有全线速动功能的保护，包括线路差动保护、阶段式接地距离保护、阶段式相间距离保护以及阶段式零序电流保护。

对于钢铁企业来说，其内部的110 kV 线路包括电源侧线路（即220 kV总降变电站的110 kV出线线路）和受电侧线路（110 kV 区域变电站的110 kV 进线线路）。

2.1 电源侧线路保护

（1）系统差动保护

差动保护具有良好的选择性，作为输电线路的主保护，能灵敏、快速地切除保护区内的故障［3］。电流差动保护配有分相式电流差动保护和零序电流差动保护。

分相电流差动保护按躲过本线路区外近端短路时的最大不平衡电流整定，且应对本线路发生的各类金属性故障均有灵敏度，灵敏度不小于1.5。零序电流差动保护主要是为了切除高阻接地故障，差动定值一般整定为300～600 A［4］。无论是分相电流差动保护还是零序电流差动保护，均要求线路两侧定值的一次值保持一致。

（2）距离保护

距离保护包括接地距离保护和相间距离保护，通常都为三段式。对于短线路的距离Ⅰ段保护，可以退出运行。

距离Ⅱ段保护，应保证本线路末端相间（或接地）故障灵敏度系数不小于1.5，按可靠躲过下级变电站主变压器其它侧母线故障整定。整定值可按下式计算：

式中：KK——可靠系数，KK=0.7～0.8；

KZ——助增系数；

Zl——线路正序阻抗；

Z′T——下级变压器正序等值阻抗，动作时限0.3 s。

距离Ⅲ段保护，按可靠躲过本线路的事故过负荷的最小阻抗整定，且应满足与相邻上、下级保护间的逐级配合关系。

式中：KZ——可靠系数，≤0.7；

Zfh.min——本线路最小负荷阻抗，动作时间应与下级受电侧变压器复压过流时间配合。

（3）零序电流保护

零序电流Ⅰ段保护，按照躲线路末端接地故障最大零序电流整定

式中：KK——可靠系数；

3Iomax——区外故障最大零序电流。

零序电流Ⅱ段保护，按照保证本线路末端接地故障灵敏度系数不小于1.5 整定，且应可靠躲过终端变压器中、低压侧母线相间短路的最大不平衡电流，此外还要与相邻线路零序电流Ⅰ段或Ⅱ段配合。动作时限一般设定为0.3 s。

零序电流Ⅲ段保护，作为保障线路经电阻接地故障和相邻元件接地故障的后备保护，一次定值一般不大于300 A。动作时间应与相邻线路的零序电流Ⅱ段、Ⅲ段配合。

2.2 受电侧线路保护

（1）电流差动保护

受电侧线路的电流差动保护定值与电源侧差动保护的一次定值保持一致即可。

（2）距离保护

距离Ⅰ段保护可以退出运行。作为整个线路的最末端，距离Ⅱ段保护定值可与电源侧保持一致，也可以取消。距离Ⅲ段保护按躲过线路最大负荷进行整定，并且一次定值应大于电源侧距离Ⅲ段保护的一次定值。动作时限也应大于电源侧距离Ⅲ段保护的动作时间，并且与本站降压变压器（110/10 kV）的高压侧复压过流保护时间配合。

（3）零序电流保护

考虑到电源侧零序电流保护已经可以确保线路全长的保护，作为线路末端的零序电流保护，可以简化为一段式，即零序电流Ⅰ段保护与电源侧的零序电流Ⅱ段保护相配合，同时与本站降压变压器的高压侧零序电流保护配合。

3 区域变电站及10 kV线路保护

110 kV 区域变电站作为钢铁企业内的二级降压变电站，主要包括110 kV 配电系统（单母线或双母线）、降压变压器、10 kV（或35 kV）配电系统等。主要的继电保护设置包括母线保护、母联（分段）保护、主变压器保护以及10 kV（或35 kV）馈出线路保护等。车间10 kV 主电室为钢铁企业整个配电系统的最末端，其10 kV 母线通常直接向用电负荷（电动机）或再次降压至0.4 kV后送至低压用电负荷。

3.1 母线保护

110 kV 系统无论是单母线还是双母线接线方式，均应设置专用母线保护。线路、变压器组接线可不设置母线保护，10 kV（或35 kV）母线通常不装设专用母线保护，而是利用变压器的后备保护作为母线的保护［5］。

110 kV 母线保护应保证母线短路故障在母联断路器跳闸前后有足够的灵敏度，并躲过母线上任一回路的最大负荷电流。

式中：KK——可靠系数；

ILmax——母线上任一回路的最大负荷电流。

3.2 母联（分段）保护

无论是110 kV 还是10 kV（或35 kV）的母联（分段）开关，均采用充电过电流保护。充电保护定值应保证母线故障时，灵敏系数不低于1.5。

Ki——母联（分段）回路电流互感器变比。充电过电流保护通常为瞬时动作，在母联（分段）开关闭合3 s后自动退出。

3.3 主变压器保护

主变压器作为110 kV 变电站内的主要设备，保护设置以容量为依据，主保护一般为纵联差动保护（对于重要性高的变压器，保护还可双重化配置）。后备保护包括高压侧、低压侧复合电压启动的过电流保护、高压侧零序电流保护、高压侧间隙保护和非电量保护等。除非电量保护外，如果其它的电气保护采用双重化配置时，可选用主后一体的保护装置；如果采用单套保护装置，则应为变压器分别配置差动保护装置、高后备保护装置和低后备保护装置。

（1）纵联差动保护

纵联差动保护作为变压器的主保护，主要反映变压器绕组内部、套管及引出线的相间短路故障以及变压器绕组间匝间短路故障［6］，其本质是将变压器各端的电气量（矢量电流）进行比较，通过比较结果以判断故障在变压器范围内还是在范围外，如果在范围内则切断变压器各侧断路器，如果在范围外则不动作。

目前，国内各主流厂家针对110 kV 变压器多采用单折线斜率的纵联差动保护装置，其动作特性图见图2。

图2中纵轴为动作电流Iop，横轴为制动电流Ires。折线ACD 的左上方为动作区，右下方为制动区。在实际计算中，如果装置生产厂家将动作特性中的拐点值、折线斜率等进行固化，那则以装置的固化值为准。如果没有固化，则可按以下算法进行计算。

图2 变压器纵联差动保护动作特性图

式中：Iop.min——最小动作电流；

Ires.0——起始制动电流；

Iop.max——差动速断电流；

Ie——基准侧额定电流，S=0.5为折线斜率。

（2）复合电压启动的过电流保护

复合电压启动的过电流保护（简称“复压过流保护”）可以作为变压器相间短路故障的后备保护，宜在变压器的高压侧和低压侧均设置。其电流整定值可按躲过变压器额定电流整定。

式中：Krel——可靠系数，取1.2～1.3；

Kr——为返回系数，取0.85～0.95；

Ie——变压器额定电流。

低电压动作定值按躲过电机自启动条件整定，负序电压定值按躲过正常运行时出现的不平衡电压整定。

式中：Uop——低电压定值；

Uop.2——负序电压定值；

Un——额定电压二次值。

对于电流整定值的灵敏度系数Ksen，可按下式（9）计算。

对于变压器低压侧的复压过流保护，应作为所有出线的后备保护，因此取所有馈出线回路末端两相短路电流的最小值；对于变压器高压侧的复压过流保护，应作为变压器低压侧母线短路的后备保护，因此取变压器低压侧母线两相最小短路电流的穿越值。要求灵敏度系数Ksen≥1.3。

复压过流保护的动作原则是尽量缩小切除的范围，因此对于单侧电源的降压变压器低压侧来说，通常设两段保护，第一段先以t1时间断开低压母联（分段）断路器，第二段以t2=t1+Δt的时间断开变压器低压侧断路器（其中t1应与馈出线回路的过电流保护动作时限相配合，Δt为动作时间级差）。对于变压器高压侧来说，可只设一段保护，即以t3=t2+Δt的时间断开变压器各侧断路器。

（3）高压侧接地故障后备保护

对于110/10 kV的变压器，其高压侧中性点处通常会配置接地开关及放电间隙，因此其高压侧接地故障的后备保护包括了高压侧零序电流保护和高压侧间隙保护。

高压侧零序电流保护应与变电站受电侧110 kV 线路的零序电流保护配合，其一次动作值和动作时限通常小于受电线路零序电流保护的定值。

当主变压器高压侧中性点不接地时（不常见），间隙保护可作为接地故障保护。间隙电流保护的整定值与变压器的零序阻抗、间隙电弧电阻等因素有关，通常一次值取100 A。间隙零序电压定值设为180 V。间隙保护动作时间按躲过暂态过电压时间整定，通常为0.3～0.5 s［6］。

3.4 10 kV馈出线路保护

变压器低压侧常有35 kV、6 kV 及3 kV，这里只讨论较多电压等级的10 kV。

10 kV 馈出线路由110 kV 区域变电站送至车间10 kV 主电室，通常均为电缆线路，可设置阶段式电流保护作为主保护。但是由于这部分10 kV 馈出线路并非是整个配电系统的末端线路，因此为了与下级配电线路做配合，电流保护动作需带有延时，无法做到全线速动。为了保证10 kV 线路故障时可以无时限切除，可以增设电流差动保护作为主保护。电流差动保护的整定原则与110 kV 线路的差动保护类似。

阶段式电流保护作为后备保护，可设一段或两段。

式中：KK——可靠系数，KK≥1.1；

两段电流保护的动作时间分别为tⅠ=+Δt，tⅡ=+Δt。和分别是下级车间主电室10 kV受电回路的两段电流保护动作时限，Δt为动作时间级差。

3.5 10 kV受电线路保护

10 kV 受电线路由上级110 kV 区域变电站送至车间，其保护除了对线路本身进行保护之外，还作为车间内10 kV电动机或变压器的远后备保护。

10 kV 可设电流差动保护为主保护，阶段式电流保护为后备保护。电流差动保护定值与上级馈出线路差动保护的一次定值保持一致即可。阶段式电流保护作为后备保护，可设一段或两段。

式中：KK——可靠系数，KK≥1.1～1.2；

Ijf——本车间主电室最大尖峰负荷电流（稳定负荷电流与最大一台发电机启动电流之和）；

Kr——返回系数，Kr=0.85～0.95。

一段电流保护定值应保证本线路末端故障时，灵敏系数不小于1.5。二段电流保护值保证在相邻回路末端故障时，灵敏系数不小于1.2。

两段电流保护的动作时间分别为tⅠ=+Δt，tⅡ=+Δt。和分别是车间主电室10 kV相邻回路的两段电流保护动作时限，Δt为动作时间级差。

3.6 多级保护配合

钢铁企业配电系统从电源端到最终的负荷端，涵盖的电压等级比较多，如果上下级之间的定值和动作时间配合出现问题，很容易造成继电保护的误动作或越级动作，扩大故障范围。

图3为根据上述继电保护配置的多级保护动作时间配合序列图。从最末端的10 kV 受电线路断路器开始，动作时间逐级增加Δt（0.3 s），直至110 kV线路的两侧断路器。10 kV 受电线路两段电流保护动作时间分别为0.3 s、0.8 s，仍然为10 kV 终端变压器或电动机回路预留了一级Δt（0.3 s）的时间。

图3 多级保护动作时间配合序列图

10 kV 馈出线路两段电流保护动作时间分别为0.6 s、1.1 s。区域变电站主变压器低压侧过电流保护第1 段1.4 s 跳开母联（分段）开关，第2 段1.7 s 跳开变压器低压侧开关，高压侧过电流保护2.0 s 跳开主变各侧开关。110 kV 线路距离保护Ⅲ段分别经2.3 s、2.6 s 跳开受电侧和电源侧开关。整体继电保护配合通过设定不同的动作时间，尽量保证配电系统任一点发生短路故障时，先断开离故障点最近的开关以切除故障，确保故障范围不扩大。

4 中压系统单相接地故障保护

钢铁企业中压配电系统（10 kV 或35 kV）的中性点接地方式通常包括中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经电阻接地3种方式。其几乎全部采用电缆供电，一旦发生电缆故障则多为永久性故障，由单相接地故障发展为相间故障的几率很大［7］。根据不同的中性点接地方式，可配置不同的单相接地故障的保护。

4.1 中性点不接地或经消弧线圈接地

对于中性点不接地或经消弧线圈接地的配电系统，发生单相接地故障时，其接地电流比较小，对于大部分回路，允许带故障运行一段时间。但是对于电动机回路，当单相接地电流超过10 A 时，需要跳闸切除故障。

基于这些特点，针对中性点不接地或经消弧线圈接地的中压配电系统，首先应该对每个回路都设置小电流接地选线系统，用于发生在单相接地故障时能够快速准确的判断出发生故障的回路。其次，对于电动机回路，还需要设置零序电流保护，当零序电流超过10 A时，动作于本回路跳闸。

4.2 中性点经低电阻接地

中性点经低电阻接地系统在发生单相接地故障时，其接地电流比较大，一般为100～1 000 A［7］，需要迅速对故障进行切除。

以图1中的典型配电系统为例，当其10 kV系统为中性点经低电阻接地系统时，单相接地故障从下至上可设三级零序电流保护。第一级零序电流保护设在配电系统的最末端，即车间配电室的10 kV馈出线回路，可设两段零序电流保护

式中：IopⅠ、IopⅡ——两段零序电流保护的整定值；

KsenⅠ、KsenⅡ——两段保护的灵敏系数系数，KsenⅠ=3、KsenⅡ=6。

两段保护的动作时间可分别设为=0.2 s、=0.2s，动作与跳开本回路断路器。

第二级零序电流保护设在上级区域变电站的10kV 馈出线回路，两段保护的整定值与式（12）相同，动作时间+Δt=0.5+0.3=0.8 s，动作与跳开本回路断路器。

第三级零序电流保护设在上级区域变电站的10kV接地变压器回路。

式中：Iop——接地变压器回路的零序电流定值；

IopⅡ——下级零序电流保护Ⅱ段的整定值，即式（12）的计算值；

KK——可靠系数，KK=1.1。

接地变压器回路的零序电流保护分两段跳闸，第Ⅰ段跳母联或分段断路器，动作时间+Δt=0.8+0.3=1.1 s，第Ⅱ段跳接地变压器和主变压器回路断路器，动作时间+Δt=1.1 +0.3=1.4 s。

5 结束语

钢铁企业配电系统的继电保护旨在保护整个企业配电网的安全稳定运行，其合理的配置方案和准确的定值设定可以有效地切除故障。

基于典型的钢铁企业电网网架结构，对继电保护配置方案、定值计算方法以及上下级配合原则等进行了分析和探讨，并给出了适合钢铁企业配电系统的建议，确保充分发挥继电保护功能并减少整定计算的工作量。