一种铁合金电炉高压配电系统继电保护配置及整定方法
阅读说明：本技术 一种铁合金电炉高压配电系统继电保护配置及整定方法 (relay protection configuration and setting method for high-voltage distribution system of ferroalloy electric furnace ) 是由 郑伟 冯占立 杨冶 王罡世 李鹏 富钢 巴月娥 高贵军 耿全德 李子良 殷业鹏 于 2019-10-09 设计创作，主要内容包括：一种铁合金电炉高压配电系统继电保护配置及整定方法,包括过负荷保护、瞬时电流速断保护和低电压闭锁过电流保护；瞬时电流速断保护做为主保护,在变压器内部出现短路故障时设置有效；低电压闭锁过电流保护作为瞬时速断保护的后备保护,对于变压器的小电流接地故障时设置有效；反时限过负荷保护具有反时限特性,做为瞬时速断保护和低电压闭锁过电流保护的后备保护,利用时间与电流大小成反比例的关系,与铁合金电炉变的运行曲线配合,正常生产时不动作；每一种保护都可做为后一种保护的后备保护,特别是在高压侧为中性点不接地系统或远离电力系统的地方,虽然故障电流小,所使用的低电压闭锁过电流和反时限过负荷保护都能有效。(A method for configuring and setting the relay protection of a high-voltage distribution system of an iron alloy electric furnace comprises overload protection, instantaneous current quick-break protection and low-voltage blocking overcurrent protection; the instantaneous current quick-break protection is used as main protection and is set to be effective when a short-circuit fault occurs in the transformer; the low-voltage lockout overcurrent protection is used as backup protection of instantaneous quick-break protection and is effective when the low-current ground fault of the transformer occurs; the inverse time limit overload protection has inverse time limit characteristics, is used as backup protection of instantaneous quick-break protection and low-voltage lockout overcurrent protection, is matched with a variable operation curve of the ferroalloy electric furnace by utilizing the inverse proportion relation between time and current, and does not act during normal production; each protection can be used as a backup for the latter protection, especially in high-side, non-grounded systems or in places far from the power system where the neutral point is the high-voltage side, although the fault current is small, the low-voltage blocking overcurrent and the inverse-time overload protection used can be effective.)
技术领域
本发明涉及能源发供配电技术领域，特别涉及一种铁合金电炉高压配电系统继电保护配置及整定方法。
背景技术
铁合金电炉变压器属于矿热电炉变压器的一种，由于其负荷特性与电弧炉变压器相似，其电气系统的继电保护功能是保证设备安全、运行稳定的一项最为重要的技术指标，特别是过负荷保护。目前主要的整定计算方法如下：
《钢铁企业电力设计手册》上册P706，铁合金炉变压器应设置的保护和整定计算按表1的要求。
表1铁合金炉变压器的整定计算
根据表1，变压器的过负荷保护采用的是定时限，时间为120s，也就是说无论变压器过载几倍，例如1.1倍、1.2倍、1.5倍、2倍等其跳闸及报警时间均为120s以上，只有过载倍数到达2.5倍以上时，才能由速断保护动作切除故障。
当前铁合金电炉投运前对微机继电保护的设置并没有国家统一的标准及规程规范的相关规定，致使继电保护的配置方案及整定都停留下传统的继电器方案上，保护方案过于简单，仅有“速断”和“定时限”保护两种方案，不能满足现代大型矿热炉设备的运行，特别是在高压侧为中性点不接地系统或远离电力系统的地方，由于故障电流小，根据表1的配置整定方法无法满足动作要求，不能快速切除故障。
发明内容
为了解决背景技术中的技术问题，本发明提供一种铁合金电炉高压配电系统继电保护配置及整定方法，本发明的三种保护方案与整定方法，在保护范围上环环相扣，每一种保护都可做为后一种保护的后备保护，特别是在高压侧为中性点不接地系统或远离电力系统的地方，虽然故障电流小，所使用的低电压闭锁过电流和反时限过负荷保护都能有效。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种铁合金电炉高压配电系统继电保护配置方法，包括过负荷保护、瞬时电流速断保护，还包括低电压闭锁过电流保护；
1)瞬时电流速断保护做为主保护，在变压器内部出现短路故障时设置有效；
2)低电压闭锁过电流保护作为瞬时速断保护的后备保护，对于变压器的小电流接地故障时设置有效；
3)反时限过负荷保护具有反时限特性，做为瞬时速断保护和低电压闭锁过电流保护的后备保护，利用时间与电流大小成反比例的关系，与铁合金电炉变的运行曲线配合，正常生产时不动作；在故障时，故障电流越大，动作时间越短。
所述的瞬时电流速断保护的整定方法为：动作电流Idzj躲过变压器投入时的合闸励磁涌流，按如下计算公式：
保护安装处在最小运行方式下出现两相短路电流时应有不小于2的灵敏度；
kjx—接线系数，接于相电流时为1.0，接于线路流时为√3；
Ied—变压器额定电流；
ki—电流互感器变比；
Ksen—灵敏度；
I"dmin2—最小运行方式下两相短路电流值；
8～12—大容量电炉，取8.0；小容量电炉，取12.0。
所述的低电压闭锁的整定方法为：
动作电流Idzj躲过变压器的额定电流，动作电压Udzj躲过变压器正常运行时可能出现的最低工作电压，两个条件都满足时，保护动作，按如下公式计算：
Udzj＝(0.5～0.7)Un
上述两个条件同时满足时，判断为“矿热炉”故障工作状态；
保护安装处在最小运行方式下出现两相短路电流时应有不小于1.5的灵敏度；
保护装置的动作电流应保证在允许长时间过荷的情况下不动作；
Udzj—保护装置的动作电压；
Kr—微机保护装置的返回系数，取0.9～0.95；
Un—变压器额定电压。
所述的反时限过负荷保护的整定方法为：
(1)当铁合金电炉变压器容不大于33000kVA时，变压器允许过载能力为1.3倍，反时限过负荷保护数学曲线模型如下：
(2)当铁合金电炉变压器容大于37000kVA时，变压器允许过载能力为1.05倍，反时限过负荷保护数学曲线模型如下：
(3)当铁合金电炉变压器制造有特殊要求时，即变压器允许过载能力非公式1与公式2中的1.3和1.05倍时，而是其它值A，则反时限过负荷保护数学曲线模型如下：
表3铁合金炉变压器的整定计算
过载倍数I/I<sub>ed</sub>
1.4
1.5
1.6
2
3
4
8
对应时间τ(s)
10～15
4～8
3～5
1～3
0.5～1
0.2～0.5
0～0.2
式中：
τ—值按上表数据代入公式3计算；
t—保护的动作时间；
I—保护动作电流；
Ied—铁合金炉变压器额定电流；
A—变压器允许长时间的过载倍数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、填补业界空白，当前铁合金电炉投运前对微机继电保护的设置并没有国家统一的标准及规程规范的相关规定，致使继电保护的配置方案及整定都停留下传统的继电器方案上，保护方案过于简单，仅有“速断”和“定时限”保护两种方案，不能满足现代大型矿热炉设备的运行，特别是在高压侧为中性点不接地系统或远离电力系统的地方，由于故障电流小，传统的配置及整定方案不能有效切断故障，而本发明所使用的低电压闭锁过电流和反时限过负荷保护都能有效。本发明的三种保护方案与整定方法，在保护范围上环环相扣，每一种保护都可做为后一种保护的后备保护。保护装置随便选择一条长延时反时限曲线(3倍动作电流，6s)等，本发明经过现场实际运行后，经过多次调试，总结出了典型的铁合金炉变压器的继电保护数学模型，同时发现了铁合金炉运行在电力领域属于一般反时限的运行特性。
2、大大提高了电炉变压器的使用寿命，在不增加任何设备投资的基础上，利用保护具备的反时限特性，弥补了传统定时限保护存在死区的问题，同时又作为主保护的“近后备”保护，设备在故障时，能够迅速切断故障，对延长设备的使用寿命具有重要意义。
3、准确度高，节约成本；相比传统的计算方法，动作方程的反时限特性，不仅动作快速，还具备选择性，大大提高了继电保护的动作效果。
4、方案简单，易于理解与实现。
附图说明
图1是铁合金电炉33MVA及以下总特性方程曲线；
图2是铁合金电炉37MVA及以上总特性方程曲线；
图3是铁合金电炉33MVA及以下动作特性方程曲线；
图4是铁合金电炉37MVA及以上动作特性方程曲线；
图5是铁合金电炉110kV供电系统图1(33000kVA)；
图6是铁合金电炉110kV供电系统图2(37500kVA)；
图7是铁合金电炉继电保护范围示意图。
图中：1-速断保护范围(存在死区，能延伸至电炉一部分)2-低电压闭锁过电流保护范围(无死区，速断的近后备保护)3-反时限过负荷保护(无死区，低电压闭锁后备保护)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
本发明提供了一种继电保护配置方案以及一种反时限过负荷继电保护数学模型，继电保护方案见表2，一种铁合金电炉高压配电系统继电保护配置及整定方法，整理如下：
表2铁合金炉变压器的继电保护配置及整定计算
如图5-7所示：
1)电流速断保护做为主保护，主要为了在变压器内部出现短路故障设置，由于铁合金炉变压器的结构型式使得三相与两相短路故障在变压器内部是不可能发生的(三台单相变压器，品字形排列)，但是两相对地短路故障是可能的，所以速断保护在单相接地以及两相对地短路发生时起保护作用，以最大程度上避免设备损坏。
2)低电压闭锁过电流保护主要作为“速断保护”的后备保护，由于其可以识别只有短路故障才独有的低电压和大电流特性，而整定电流仅为变压器的额定电流，大大提高了继电保护的灵敏性，对于变压器的小电流接地故障具有较好的保护效果，同时低电压特性又能保证设备正常工作。
3)反时限过负荷保护是该模型曲线具有反时限特性，利用时间与电流大小成反比例的关系，能够与铁合金电炉变的运行曲线配合，正常生产时不动作；在故障时，故障电流越大，动作时间越短，具有较好的选择性和快速性，同时可做为“速断保护”和“低电压闭锁过电流保护”的后备保护。
具体整定原理及方法如下：
1、基础数据电气量参数关系
确定铁合金炉变压器的额定容量Sn(或额定电流Ied)及允许长时间过载倍数A，以及变压器的额定一次电压Un。
(1)变压器容量、电流与电压之间的关系见公式4：
式中符号说明如下：
Ied—变压器额定电流；
Sn—变压器额定容量；
Un—变压器额定电压。
(2)变压器允许的长时间过负荷电流见公式5：
Igh＝AIed (5)
式中符号说明如下：
Igh—变压器允许的长时间过负荷电流；
Ied—变压器额定电流；
A—变压器允许的长时间过负荷倍数。
(3)没有相关过负荷数据资料时，过负荷倍数A的确定
铁合金炉变压器的容量不大于33000kVA时，过负荷倍数A可取为1.3。铁合金炉变压器容量大于37000kVA时，过负荷倍数A可取为1.15。
2、继电保护整定
(1)速断保护：
动作值躲过变压器投入时的合闸励磁涌流，见公式6：
保护安装处在最小运行方式下出现两相短路电流时应有不小于2的灵敏度。
式中符号说明如下：
Igh—变压器允许的长时间过负荷电流；
Ied—变压器额定电流；
A—变压器允许的长时间过负荷倍数；
Ksen—灵敏度(短路电流与整定电流的比值)。
(2)低电压闭锁过电流保护：
动作值躲过变压器的额定电流，电压应躲过变压器正常运行时可能出现的最低工作电压，两个条件都满足时，保护动作，见公式8：
Udzj＝(0.5～0.7)Un (9)
上述两个条件同时满足时，判断为“矿热炉”故障工作状态。
保护安装处在最小运行方式下出现两相短路电流时应有不小于1.5的灵敏度。
保护装置的动作电流(应保证在允许长时间过荷的情况下不动作)；
Udzj—保护装置的动作电压；
Kr—微机保护装置的返回系数，一般取0.9～0.95；
其它符号说明同公式6、7。
(3)过负荷保护(反时限)：
保护装置的动作电流(应保证在允许长时间过荷的情况下不动作)
1)当铁合金电炉变压器容不大于33000kVA时，变压器允许过载能力为1.3倍，反时限过负荷保护数学曲线模型如下：
铁合金电炉33MVA及以下总特性方程曲线见图1，动作特性方程曲线将图3。
2)当铁合金电炉变压器容大于37000kVA时，变压器允许过载能力为1.05倍，反时限过负荷保护数学曲线模型如下：
铁合金电炉37MVA及以上总特性方程曲线见图2，动作特性方程曲线将图4。
3)当铁合金电炉变压器制造有特殊要求时，即变压器允许过载能力非公式1与公式2中的1.3和1.05倍时，而是其它值A，则反时限过负荷保护数学曲线模型如下：
表3铁合金炉变压器的整定计算
过载倍数I/I<sub>ed</sub>
1.4
1.5
1.6
2
3
4
8
对应时间τ(s)
10～15
4～8
3～5
1～3
0.5～1
0.2～0.5
0～0.2
式中：
τ—值按上表数据代入公式3计算；
t—保护的动作时间；
I—保护动作电流；
Ied—铁合金炉变压器额定电流；
A—变压器允许长时间的过载倍数。
【实施例】
吉铁铁合金有限责任公司丰镇一期100万吨铁合金工程，其中四、五车间新上铁合金矿热电炉共四座，其中四车间炉变容量为33000kVA，五车间炉变容量为37500kVA，16500kVA炉变的额定一次电压均为110kV，110kV侧保护安装处短路电流I"dmin2约为10kA，炉变低压侧出口处的短路电流I"dLmin2不超过变压器额定电流的3倍。
本实施例中，采用本发明所述的改进计算方法主要解决以下关键技术问题：
1、铁合金电炉变压器的33000kVA速断保护整定
实取27A。
保护的动作时限：0s。
灵敏度校验：
2、铁合金电炉变压器的33000kVA低电压闭锁铁过电流保护整定
实取5.5A。
Udzj＝(0.5～0.7)Un＝50V～70V,实取55V。
保护的动作时限：0.2s。
上述两个条件同时满足时，判断为“矿热炉”故障工作状态。
由整定结果可知，当继电保护出现“速断”保护对应的故障时，低电压闭锁过电流保护也会起动，时间比速断晚0.2s，所以在保证保护选择性的同时，增加了可靠性(是速断保护的后备保护)。
灵敏度校验：
3、铁合金电炉变压器的33000kVA反时限过负荷保护整定
依据公式1，此时负荷保护的整定应符合下式：
表4动作特性验证
经现场热负荷试车一次性成功，铁合金电弧炉运行特性符合“一般反时限”特性曲线的运行规律。
继电保护整定时，“过负荷保护”应选择“一般反时限特性曲线”，曲线公式符合公式1，整定值见表3，启始值设置为1.3Ied以使保护装置在此电流以上启动，此电流以下不启动，具有选择性。在6～8倍的额定电流时，保护动作时间仅为0.19～0.3s，一般认为此时的电流为短路故障电流，而对这种故障传统的过负荷是没办法保护的，采用本方法后，针对这种故障在不增加任何设备的基础上，实现了双重保护，沿长设备的使用寿命是具有重要意义的。
4、铁合金电炉变压器的37500kVA速断保护整定
实取31A。
保护的动作时限：0s。
灵敏度校验：
5、铁合金电炉变压器的37500kVA低电压闭锁铁过电流保护整定
实取6.5A。
Udzj＝(0.5～0.7)Un＝50V～70V,实取55V。
保护的动作时限：0.2s。
上述两个条件同时满足时，判断为“矿热炉”故障工作状态。
由整定结果可知，当继电保护出现“速断”保护对应的故障时，低电压闭锁过电流保护也会起动，时间比速断晚0.2s，所以在保证保护选择性的同时，增加了可靠性(是速断保护的后备保护)。
灵敏度校验：
6、铁合金电炉变压器的37500kVA反时限过负荷保护整定
依据公式2，此时负荷保护的整定应符合下式：
表5动作特性验证
经现场热负荷试车一次性成功，铁合金电弧炉运行特性符合“一般反时限”特性曲线的运行规律。
继电保护整定时，“过负荷保护”应选择“一般反时限特性曲线”，曲线公式符合公式2，整定值见表4，启始值设置为1.05Ied以使保护装置在此电流以上启动，此电流以下不启动，具有选择性。在6～8倍的额定电流时，保护动作时间仅为0.2～0.3s，一般认为此时的电流为短路故障电流，而对这种故障传统的过负荷是没办法保护的，采用本方法后，针对这种故障在不增加任何设备的基础上，实现了双重保护，延长设备的使用寿命是具有重要意义的。
7、铁合金电炉变压器的16500kVA速断保护整定
实取15A。
保护的动作时限：0s。
灵敏度校验：
8、铁合金电炉变压器的16500kVA低电压闭锁铁过电流保护整定
实取2.5A。
Udzj＝(0.5～0.7)Un＝50V～70V,实取55V。
保护的动作时限：0.2s。
上述两个条件同时满足时，判断为“矿热炉”故障工作状态。
由整定结果可知，当继电保护出现“速断”保护对应的故障时，低电压闭锁过电流保护也会起动，时间比速断晚0.2s，所以在保证保护选择性的同时，增加了可靠性(是速断保护的后备保护)。
灵敏度校验：
9、铁合金电炉变压器的16500kVA过负荷反时限保护整定方法
据公式3，此时电炉的过负荷保护的A值一般为1.2，τ值按表2的计算结果应符合下式：
所以τ为0.002～0.031，取0.0025。所以保护特性应符合下式：
式中符号同公式2。
表6动作特性验证
经现场热负荷试车一次性成功，铁合金电弧炉运行特性符合“一般反时限”特性曲线的运行规律。
继电保护整定时，“过负荷保护”应选择“一般反时限特性曲线”，曲线公式符合公式2，整定值见表4，启始值设置为1.2Ied以使保护装置在此电流以上启动，此电流以下不启动，具有选择性。在6～8倍的额定电流时，保护动作时间仅为0.35～0.5s，一般认为此时的电流为短路故障电流，而对这种故障传统的过负荷是没办法保护的，采用本方法后，针对这种故障在不增加任何设备的基础上，实现了双重保护，延长设备的使用寿命是具有重要意义的。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。