浅析厂用电系统的继电保护整定和断路器选择的配合

【摘 要】在现代化电网中，由于送电线联结复杂，当某点发生故障时，很容易发生某些保护误动、拒动现象，导致停电面积扩大。要想把故障控制在最小的范围内，各级保护之间的级差配合问题就成为整定计算过程中一个很重要很关键的问题；同时，用电设备功率差别很大，开关设备一般基于通用性或大范围适用性为原则进行设计，因此，难免有时会出现“能力过剩”现象。本文通过对一起因设备异常引起越级跳闸事件的详尽分析，说明了设备之间的配合与整定问题，并提出了解决方案。

【关键词】越级跳闸；熔断器；闭锁

1.引言

在发电企业甚至电网中，因保护拒动引起事故扩大或越级跳闸引发大面积停电的事故屡见不鲜，如前些年的“8.14美加大停电”事故。其中有些是因继电保护误整定或设备设计不合理引起，有些则是因其他条件引起。本文将详细分析一起联络线上的越级跳闸事故。事故过程如下：某厂的一台连接于6kV公用段母线的电动机在送电时突然发生线圈短路，电机随即起火燃烧，大约1秒后为该公用段母线供电的位于厂用工作段开关室的馈线开关跳开，整段公用母线停电。经保护专业现场检查电动机保护未动作，跳开的母线进线开关零序保护动作出口；电气专业检查电机为B相定子绕组与定子铁心放电绝缘损坏，定子发生接地现象（该系统为小电流接地系统）。随后保护专业对电动机保护装置进行了彻底检查：装置定值整定无误；继电器动作特性良好；二次回路绝缘良好；二次回路传动正常。检查结果表明，保护装置是正常可靠的。为了查明越级跳闸的真正原因，保护专业对该型号保护装置进行了更加深入的技术探索，并与保护装置厂家技术人员进行了沟通，具体分析情况如下。

2.相关设备实际参数：

2.1电动机实际参数

Ue： 6.3 kV

Se： 200kW

Ie： 24.4A

启动电流倍数为6.3倍额定电流

启动时间 10S

电机为直接起动

保护TA变比：200/5（由于所选用的变比对于继电器来说太大，如果继电器的相间保护的接线端子选用5A，则不能满足继电器的整定范围，故相间保护接线端子选用1A，而维持变比不变。）

零序TA变比：50/1

开关为ABB公司制造的VC真空接触器配合反时限快速熔断器，接触器额定电流400A，热稳定电流400A，极限开断容量6000A

保护装置为芬兰制造，瑞士ABB公司SPAM150C型电动机保护继电器模件。

2.2去公用段馈线实际参数

保护用TA：1000/5A

接地用TA：100/5A

开关为ABB公司制造的VD4真空断路器

保护装置为芬兰制造，瑞士ABB公司SPAJ140C型馈线保护继电器模件。

3.保护整定

3.1电动机配置有如下保护

零序低定值过流保护： I0>=2.4 t0>=0.5s 投跳闸

当零序电流大于8倍满负荷电流时装置闭锁零序保护（为防止在大电流情况下分断接触器造成燃弧，分闸失败，由控制字SGF/3，SGF/4整定[1]）投入8倍时禁止零序保护，其目的在于：当故障电流过大可能造成无法灭弧时，由熔断器熔丝熔断，在熔断器瓷瓶内充满的石英砂中灭弧。

相不平衡保护： ΔI=30 tΔ=60 投跳闸

快熔保险管额定电流100A

3.2去公用段馈线配置有如下保护

高定值段相间过流保护： I>> 4.4 t>> 0.04 投跳闸

低定值段相间过流保护： I> 0.8 t> 2.5 投跳闸

接地保护： I0> 0.77 t0> 0.7 投跳闸

4. 越级跳闸原因分析

电动机额定电流为24.4A，经200/5电流互感器传变至二次侧为0.61A。由于环境温度

则8倍满负荷电流为Iact=8×FLC=8×0.64A=5.12A，即当零序电流（二次）超过5.12A时将闭锁零序保护，经50/1零序电流互感器折算到一次侧接地电流为50×5.12A=256A。故障时，录波器录下的厂用工作段进线零序电流超过250A；因越级跳闸的工作段去公用段馈线开关保护显示：B相电流与零序电流均达到270A（2.7×5×（100/5））。

因电动机保护装置（SPAM150C）允许的采样偏差（±2%），接地单元动作精度（整定值的±3%）[2]，则闭锁零序的电流门限值应为243.36A～268.72A之间的某一数值，而实际故障中零序电流满足闭锁条件。因此，具有0.5s延时的零序保护未动作，是保护装置防止接触器无法消弧，致使跳闸失败而发挥的正常功能。

在故障中因电动机绕组B相接地，相电流明显失衡，相不平衡保护动作，该保护功能设计为具有最短延时的反时限保护，当出现100%相不平衡时（即，故障相电流过大，其他相无电流），经最短延时跳闸，最短时间为1s（装置内部固定时间，不可整定）[3]。去6kV公用段馈线开关设置有延时为0.7s的定时限零序保护。显而易见：0.5s（电动机零序保护）

5. 解决方案

电动机开关为接触器与快速熔短器配合的开关设备，熔断器设计额定电流为100A，具有反时限特性，当电流达到2000A以上时保险表现为瞬时熔断特性[4]。电动机启动时电流可达到153.7A（24.4A×6.3，约为熔断器额定电流的1.5倍），在整个启动过程持续10s，其中将有3～5s时间保险所承载电流超过额定电流，根据该型号保险的反时限特性曲线，在此电流等级上熔短时间较长，满足启动要求。当发生单相接地故障时（由于该6kV系统为小电流接地系统，高压厂用变压器低压侧中性点经电阻接地，接地电流最大305A），例如此次故障：B相突然产生250A（约为熔断器额定电流的2.5倍）以上的过电流，故障相电流虽然不能使保险在短时间内熔断（参考该型号保险的反时限特性曲线可知，在该电流等级上，熔断器熔断时间为7分钟），但在开关接触器极限开断容量以下（VC真空接触器的脱扣器操作交接电流为5000A[5]），真空接触器完全有能力断弧，因此，在单相接地故障中，零序电流大于8倍满负荷电流时闭锁零序保护功能没有实用价值；当发生相间短路时，短路电流约为21kA，远大于VC接触器极限开断容量，但此时故障相电流已超过熔断器瞬时熔断门限制（参考该型号保险的反时限特性曲线可知，当流过电流大于2000A时，熔断器动作时间为0.01s），因此有较高可靠性的熔断器会首先动作，动作时间低于不平衡保护动作时间（参考该型号保险的反时限特性曲线tΔmin=1s）和零序保护动作时间（t0>=0.5s，不选择零序电流大于8倍满负荷电流时闭锁零序保护的功能），当发生故障电流较小的故障时（故障电流小于550A， 即该型号保险的反时限特性曲线上保护装置最小整定动作时间所对应的电流值），在熔短器熔断延时内保护装置将驱动出口跳开接触器，此时，流过接触器的电流小于开关设备的开断电流，不会威胁到设备的安全。因此，可以考虑将零序电流大于8倍满负荷电流时闭锁零序保护的功能退出。

6.结论

对于不同的负载最好选择开断容量适合的断路器，避免能力过剩的现象；同时在保护整定过程中，有必要考虑断路器的实际能力，在生产中既要按需选择，又要物尽其用，这样可以节约大量的资金，避免此类事故屡屡发生。

参考文献：

[1]ABB，电动机保护继电基础模件SPCJ4D34用户手册及技术说明8页.

[2]ABB，电动机保护继电基础模件SPCJ4D34用户手册及技术说明25页.

[3]ABB，电动机保护继电基础模件SPCJ4D34用户手册及技术说明9页.

[4]ABB VC真空接触器产品说明书13页.

[5]ABB VC真空接触器产品说明书34页.