三相四线框架式断路器保护整定的研究说明

        湖北华电襄阳发电有限公司的研究人员王旅，在2021年第4期《电气技术》上撰文，从系统的接线型式、低压设备的保护配置和供电方式、系统的运行性能等方面，探讨了380V框架断路器的保护整定原则，在保护配置和设备选型方面给出了一些建议。

        在发电厂380V低压厂用电系统设计时，一般都设计成动力中心（PC）和电动机控制中心（MCC）的供电模式，以实现低压负荷的分级管理。采用框架断路器供电的大功率电动机和MCC馈线接于PC上，MCC上接有中小功率电动机（额定功率≤ 55kW）、低压配电盘、电加热器和单相负荷等，它们都采用塑壳断路器，低压配电盘一般为厂家自带。框架断路器采用电子脱扣器，塑壳断路器采用热磁、电磁或电子脱扣器。

1 电气一次接线和断路器保护配置

电气一次接线如图1所示，图中380V系统设计成TN-S系统，N线（中性导体）与PE线（保护导体）严格分开，系统的PE线为遍布主厂房的立体网状接地网，它包括接地引上/下线、电缆桥架、接地干线和支线等。

电缆桥架焊接成电气通路后作为接地网的一部分，电气设备的外露可导电部分与接地支线可靠连接（保护接地），PE线的组成材料为钢导体。380V PC和变压器本体位于集控楼6.9m标高，380V MCC位于汽机房0m，PC和MCC上还设置有PE母排，PE母排通过铜电缆和配电柜体分别与电缆桥架和接地支线可靠连接，变压器中性点就近接入电缆桥架（工作接地）。

电动机采用三相供电，MCC馈线和低压配电盘采用三相四线（ABCN）供电，断路器采用三极断路器，N线为直连，电动机M2和低压配电盘为MCC上功率或容量最大的同类设备。MCC馈线和低压配电盘的回路计算电流IB分别由设计部门和厂家提供，各断路器额定电流In、电动机额定电流Ie和IB计算值见表1。

框架断路器配置有长延时、短延时、瞬时和接地保护，电流定值为连续可调，整定步长为1A。长延时保护反应一次回路过电流，整定项有Ir和tr，Ir为电流定值，tr为对应于1.5Ir的跳闸延时。

短延时和瞬时保护反应一次回路相间短路故障或单相短路故障（相线对N线短路），短延时保护有反时限段和定时限段可选，建议选择定时限段，因为反时限段整定配合相对困难，Isd2、tsd分别为短延时保护定时限段电流、时间定值，Ii为瞬时保护电流定值。

接地保护反应一次回路单相接地故障（相线对PE线短路），保护采用差值型（基于基尔霍夫电流定律），Ig、tg分别为电流、时间定值，Ig的整定范围为（0.2～1.0）In。

对于电动机M2，一次接线型式为塑壳断路器+接触器，塑壳断路器实现短路保护功能（短延时+瞬时）。抽屉开关内安装有智能型电动机保护/控制器，保护/控制器接受分散控制系统（distributed control system, DCS）或就地来的电动机起停信号以控制接触器的分合闸。

同时，保护/控制器还接受三相电流信号，以实现电动机过载、断相和接地保护功能，保护动作于接触器分闸，接地保护电流定值为几十安。当In确定后，其瞬时保护电流定值随即确定，本例为15In=2 250A，该定值为MCC中最大相过电流保护定值。

对于低压配电盘，一次接线型式为塑壳断路器，保护功能同电动机M2，瞬时保护电流定值为11In= 1760A，短延时保护电流定值按躲过最大功率电动机起动电流整定，实际整定约为500A。N线上未配置电流互感器，故无法实现接地保护功能。

本文先讨论框架断路器长延时、短延时和瞬时保护的整定原则，再讨论接地保护的整定原则，从保护原理和设计等方面，分析MCC馈线接地保护的运行性能。

2 大功率电动机M1长延时、短延时和瞬时保护整定

1）长延时保护动作特性为

式（1）中，I和t分别为实际过电流值和对应的跳闸延时。Ir按电动机额定运行时能可靠返回整定，Ir=Krel/Kr× Ie≈1.17Ie=386A，可靠系数Krel取1.05，返回系数Kr取0.9。tr整定应以电动机实际过电流能力为准，有文献对电动机偶然过电流规定如下：额定输出在315kW及以下和额定电压在1kV及以下的多相电动机，应能承受1.5倍额定电流，历时不小于2min的偶然过电流。依据上述规定，过电流值I=1.5Ie= 497A，对应的跳闸延时t=2min=120s，代入式（1）得tr=88s。

根据厂家说明书，tr只能整定为60s或120s，若整定tr=120s，则1.5Ie下的跳闸延时为163s，这大大超过了电动机允许运行时间。因此，tr只能整定为60s，1.5Ie下的跳闸延时为81s，电动机过电流能力没有得到充分发挥。

2）短延时保护：Isd2按躲过电动机起动电流周期分量最大有效值整定，Isd2=KrelKqIe，可靠系数Krel取1.2，Kq为起动电流倍数。电动机起动瞬间和稳态堵转两种工况下，转差率s均等于1.0，起动电流倍数应等于堵转电流倍数。堵转电流倍数可从电动机出厂试验报告中获得，若试验报告中未提供该数据，可参考原文文献[4]取Kq=6.0（最大值），Isd2=7.2Ie= 2 383A。tsd整定为0.3s，以可靠躲过暂态峰值电流存在的时间。

3）瞬时保护：Ii按电动机起动电流周期分量最大有效值的（2.0～2.5）倍整定，本例整定Ii= 2.0KqIe=3972A。

3 MCC馈线长延时、短延时和瞬时保护整定

1）长延时保护：MCC馈线的回路计算电流IB，在设计阶段是根据MCC各类负荷的额定电流或计算电流得出的，计算时考虑了负荷的工作方式，即连续运行或间断运行，间断运行设备的负荷电流按50%考虑，IB取所有负荷电流之和。

一次电缆相线的标称截面是根据IB进行选择的，即负荷电流达到IB时，一次电缆不会过载。由于没有考虑各类负荷电流的相位关系，再加上厂家提供的低压配电盘的计算电流普遍偏大，使得IB比实测最大负荷电流大很多。600MW机组满负荷运行时，与机组负荷有关的锅炉/汽机MCC馈线，其负荷电流实测值见表2。

从表2可以看出，最大负荷电流仅为45%IB。负荷电流超过最大值有两种工况：①MCC大功率电动机严重堵转运行（s≈1.0），如浆液循环泵在浆液凝固后起动困难（转速上不去），出现这种工况不应使本保护越级动作；②MCC母线较长时间低电压运行，但该工况很少出现。

MCC不同负荷的过电流能力各不相同，有些负荷不存在过电流现象，如电加热器、照明回路等，要想得到整个MCC的综合过电流能力，很不现实，也没有必要。此外，长延时保护动作于跳闸，其造成的损失将大于回路短时过电流，因为MCC的负荷多为参与生产过程的重要负荷，一旦失电将造成机组降负荷或停机。基于以上两点，建议将长延时保护退出，Ir可按1.2IB整定，该定值也是设计部门给出的推荐值，tr整定至最大。

2）短延时保护：Isd2按与MCC最大相过电流保护定值Idmax相配合整定，即

3）瞬时保护：当MCC负荷断路器（如本例QF3）出口发生相间短路时，负荷断路器和MCC馈线的瞬时保护将同时动作，保护失去选择性，故将其退出。

4 接地保护整定

当设备发生单相接地时，单相接地电流id（瞬时值）通过接地网流回变压器中性点，id主要由接地网中设备安装处和变压器中性点之间的PE线阻抗ZPE决定。id很难精确求出，一方面PE线由钢导体组成，钢导体属于铁磁材料，其阻抗（包括电阻和内电抗）与通过的电流大小有关，而阻抗又反过来影响电流，另一方面接地网为复杂的立体网状结构，id流通的路径很难确定。

有文献对穿钢管带PE线的电力电缆进行了接地故障电流测试，测试方案中，PE线、钢管和扁钢模拟了接地故障电流的返回通路。与测试方案不同的是，现场电缆是不带PE线的，且只在少数需要保护电缆的地方穿钢管，钢管不流通电流，这样扁钢的阻抗可等效为ZPE，流过扁钢的电流可等效为id，根据测试结果，流过扁钢的电流在219.2～230.9A之间。PC和MCC的设备，一般都远离变压器中性点，从距离上看要大于测试扁钢的长度，发生接地故障时，id的有效值应在数百安左右。

大功率电动机M1：接地保护主要反应定子绕组绝缘受损后对定子铁心的短路故障，定子铁心通过电动机基座与接地网连接。保护测量电流取三相电流的相量和，用瞬时值表示为ig=iA+iB+iC，ig为保护测量电流的瞬时值，iA、iB、iC为三相电流的瞬时值，单相接地时有ig=id。接地保护无须与其他保护相配合，Ig一般可整定为几十安，实际整定Ig=0.2In= 126A，tg=0.3s，以躲过电动机起动工况。

MCC馈线：接地保护反应一次电缆相线绝缘受损后对铠装钢带的短路故障，以及MCC母线对配电柜体的短路故障，铠装钢带两端和配电柜体均可靠接地，如有可能还可作为下级负荷接地故障的后备。

对于三极断路器，接地保护的标准配置还应增加N线电流，保护测量电流取三相电流与N线电流的相量和，用瞬时值表示为ig=iA+iB+iC+iN，iN为N线电流的瞬时值，单相接地时有ig=id。若基建设计时未将N线电流引入控制器，则ig=iA+iB+iC，这将对保护运行性能产生影响。

单相接地时，ig=id–iN，接地保护有可能拒动。单相短路时，ig等于单相短路电流，接地保护能可靠动作，但反应的故障类型错误。当下级负荷发生单相短路时，若单相短路保护定值大于Ig，就有可能造成MCC馈线因接地保护误动而越级跳闸。因此，N线电流必须引入控制器，否则接地保护应退出运行，从目前掌握的工程资料来看，存在N线电流未引入控制器的设计方案。

受单相接地电流的限制，低压配电盘的相过电流保护（包括瞬时保护和短延时保护）不能兼作单相接地保护，这样MCC馈线接地保护就不能作为低压配电盘接地故障的后备。

有两种方案供选择：①MCC馈线接地保护退出运行；②低压配电盘另配置接地保护。建议采用第一种方案，因为一次电缆和MCC母线很少发生接地故障。二十世纪末投运的发电厂，MCC的负荷没有配置保护/控制器或接地保护，MCC馈线接地保护只能退出运行。

5 保护整定简要分析

大功率电动机M1长延时保护整定中，Ir≈1.17Ie，依据电动机偶然过电流规定和保护动作特性，可得tr=88s，建议厂家增加tr=90s的定值选项，以充分发挥电动机的过电流能力。

380V各级断路器的保护配置已十分完善，在系统短路电流相差不大的情况下，要使所有保护都满足选择性要求十分困难，本例MCC馈线瞬时保护退出就属于此类情况。为满足现场运行需要，建议断路器厂家增加单一保护投退功能。

本例根据其他测试方案，推测出现场单相接地电流的量级，单相接地电流除与接地网结构有关外，还与焊接工艺和PE线材质有关，焊接工艺影响过渡电阻，PE线材质与测试扁钢材质不同，相应的阻抗特性也不同。测试部门应进行单相接地电流实测，以校核接地保护定值是否满足灵敏度要求。

对于低压配电盘，德力西电气不建议配置接地保护，若检修人员误将N线接地，系统就变成了局部TN-C系统，N线与PE线并联，内部某支路发生单相短路时有ig=id，接地保护误动将使停电范围扩大。