变配电站继电保护配置与整定有关问题分析
变配电站综合自动化系统整定比较方便，但有些保护整定的资料不全，只能靠经验数据，或由厂家提供整定值。现将有关问题整理如下，供大家讨论。
1 继电保护的作用
电能是一种特殊商品。它不能大量储藏，需要根据用电负荷大小来发电，并随时通过电网来输送。根据欧姆定律，电压不变，阻抗减小电流就要增大。发生故障后，阻抗减小为输变电设备的阻抗，电流就由负荷电流增大为短路电流。电力系统容量越大，故障后短路电流就越大。如果不迅速切除故障，不仅会使故障扩大，还会破坏电力系统的稳定运行。所以必须通过继电保护迅速切除故障，保证继续供电。这就是继电保护的作用与定义由来。
2 继电保护的一般要求
2.1 可靠性
不误动，不拒动，保护装置本身可靠。常规保护拒动多，误动少。变电站综合自动化系装置（微机保护）自诊断功能能够及时发现问题拒动很少。受到干扰后容易产生误动多，随着产品质量与抗干扰能力的不断提高，变电站综合自动化装置（微机保护）误动越来越少。
2.2 选择性
先切除故障设备，拒动时后备保护或上一级保护才动作。最大限度缩小故障范围，减少事故停电造成的损失。
2.3 灵敏性
灵敏系数为流过保护安装处最小短路电流与保护动作电流（均为一次侧电流）之比，为保证保护可靠动作，灵敏系数必须大于规定值，一般为1.2 ～ 2.0。灵敏系数达不到要求，就要减小保护动作电流。但减小保护动作电流又会影响保护的选择性。
2.4 速动性
速动性要求保护在最短与最合理的时间内将故障切除，保证电系统统的稳定运行，缩小故障范围，减小故障引起的电力设备破坏程度。以上四点又称为继电保护的四大要素。
3 继电保护的种类
3.1 继电保护有主保护、后备保护与辅助保护三种。
3.2 后备保护分为远后备与近后备两种。变压器与电动机差动保护为主保护，另外设置具有速断、过流、过负荷等功能的后备保护。有些变配电站综合自动化装置（微机保护）差动与后备保护为一个装置，概念上值得商讨。
3.3 上一级保护与断路器可组成远后备保护。
3.4 为增加保护功能以及主保护与后备保护退出而增设的保护为辅助保护，一般用于电力系统变配电站。
4 电气设计时需要注意的几个问题
4.1 继电保护并非越复杂越好。但在不增加投资与设计工作量的前提下，变配电站综合自动化装置（微机保护）通过软件提高或增加的功能还是有一定意义的。
4.2 电流互感器变比误差不应大于10%。电流互感器变比选的太小，短路后二次侧电流就比较大，电流互感器因磁路饱和而使测量误差加大。电流互感器变比太大，短路后二次侧电流比较小，又会影响到变配电站综合自动化装置（微机保护）动作的稳定性。所以设计时要合理选择电流互感器变比。
4.3 变配电站综合自动化装置（微机保护）保护回路输入电流有0～50A与0～100A两种，测量回路输入电流有0～5A与0～10A两种。设计时要合理选用。
4.4 变配电站综合自动化装置（微机保护）可以诊断出电流与电压互感器二次侧断线，变配电站二次电路设计就可以不再考虑电流与电压互感器二次侧断线问题。
5 继电保护分类
5.1 按保护性质可分为：电流保护、电压保护与非电量保护等。
5.1.1 电流保护有无时限电流速断保护、带时限电流速断保护、过电流保护、过负荷保护、负序过电流保护、零序过电流保护、高压电容器的中性点不平衡电流保护、差动速断保护与差动保护等。
5.1.2 电压保护有过电压保护、低电压保护、失压保护、零序过电压保护与高压电容器内部不平衡压保护等。
5.1.3 非电量保护有变压器瓦斯保护与温度保护，高压电动机发热、起动与堵转保护等。
5.1.4 高频保护、距离保护与功率方向保护主要用于电力系统输配电网。
5.2 按保护对象可分为：发电机保护、变压器保护、线路保护、母线分段断路器保护、高压电容器保护与高压电动机保护等。
6 保护配置与整定
6.1 变配电站综合自动化装置（微机保护）保护功能比较全，给变配电站二次电路设计带来很大方便。有些保护配置已超过电气设计规范与手册的规定与要求，在电气设计规范与手册没有修改之前，给保护配置与整定带来一些麻烦。
现在已经有厂家生产通用型变配电站综合自动化装置（微机保护），硬件统一为一到两种，软件设计包括各种保护，可根据需要进行组态（保护设置）。产品开发应作到硬件端子定义合理，软件组态（保护设置）方便，并符合电气设计规范与设计手册的要求。
6.2 变配电站综合自动化装置（微机保护）保护整定计算资料还不太全，目前只能根据工业与民用配电设计手册第七章第二至第六节中常规保护的整定与值计算来进行整定。变配电站综合自动化装置（微机保护）精度高，可靠系数与时限阶段可取下限，返回系数可取上限。手册中查不到保护整定计算资料时，可根据厂家提供的资料，或有关资料介绍的经验数据来整定。也可以将手册中查不到的保护通过软件设置来退出。保护功能多，如果整定不合理，反而容易引起保护误动作。
7 保护整定计算
7.1 无时限电流速断保护
7.1.1 无时限电流速断保护为主保护，线路的无时限电流速断保护要与保护末端的保护相配合。配电设计手册规定变压器的过电流保护时限大于0.5S时才装设无时限电流速断保护。无时限电流速断的动作电流等于保护末端最大短路电流乘以可靠系数与接线系数，再除以电流互感器变比。灵敏系数应大于2。
Iop.k＝Krei×Kj×(I"2k3.max÷nTA) A
Ksen＝ I"1k2.min÷Iop ≥2
乘以接线系数是考虑到电流互感器二次侧接线方式不同，流人保护装置的电流就不同，相电流（星形）接线系数为1，相电流差（三角形）接线系数为√3。电流互感器二次侧一般为星形接线，差动保护有时为了调整变压器绕组组别，电流互感器二次侧要用到三角形接线。现在变电站综合自动化装置（微机保护）差动保护由软件来调整变压器绕组组别，此时电流互感器二次侧可均接成星形接线，以便于接线与检查。
7.1.2 母线分段断路器与高压电容器的无时限电流速断保护按灵敏系数等于2来整定。母线分段断路器合闸后无时限电流速断保护要退出，以减少保护配合级数，又称为母线充电保护。常规保护由人工利用连接片投退，变电站综合自动化装置（微机保护）可由软件自动投退。
7.1.3 高压电动机无时限电流速断保护按躲过启动电流来整定，同步电动机还要考虑躲过外部短路时电动机的输出电流。变配电站综合自动化装置（微机保护）可由软件利用启动时间来自动躲过启动电流，启动时自动加大无时限电流速断保护整定值，此时电流速断保护如何整定需要讨论。如果按灵敏系数等于2来整定，当变电站母线短路容量大，引到电动机的电缆又短时，整定值可能大于按躲过启动电流来整定的定值。当变电站母线短路容量小，或引到电动机的电缆长时，按灵敏系数等于2来整定的整定值就有可能小于按躲过启动电流来整定的定值。此时变配电站综合自动化装置（微机保护）由软件利用启动时间来自动躲过启动电流，启动时自动加大无时限电流速断保护整定值就发挥了作用。
7.2 带时限电流速断保护
无时限电流速断保护灵敏系数不能满足要求时，应装设带时限电流速断保护。带时限电流速断保护按躲过再下一级，如变压器低压侧短路电流来整定，动作时限取0.5s，采用变配电站综合自动化装置（微机保护）与真空断路器后可取小一些。对于线路保护无时限电流速断保护，再加上带时限电流速断保护,可以延长保护范围。但供电部门要求用户变配站电源进线设置无时限电流速断保护，只考虑与上一级变配电站出线保护的配合，很少考虑用户变配站出线保护配合问题，一但出线断路器出口发生断短路故障，电源进线设置无时限电流速断保护,就会引起越级跳闸。
为躲过变压器合闸励磁涌流与高压电容器合闸时电容器充电涌流，变压器与高压电容器应装设带时限电流速断保护。有些变电站综合自动化装置（微机保护）可由软件利用二次谐波制动来躲过变压器合闸励磁涌流与高压电容器合闸时电容器充电涌流，此时可采用无时限电流速断保护，但尚无查到有关这方面规定的资料。
7.3 过电流保护
7.3.1 过电流保护按躲过可能出现的过负荷电流来整定。动作电流等于过负荷电流乘以可靠系数与接线系数，再除以继电器返回系数与电流互感器变比。变压器与高压电容器的过负荷电流等于变压器与高压电容器的额定电流乘以过负荷系数。有高压电动机的电源进线与母线分段断路器的过电流保护要考虑高压电动机的启动电流。
Iop.k＝Krei×Kjx×(Kgh×IIrT÷Kr×nTA) A
Ksen＝I2k2.min÷Iop ≥1.5
动作时限一般取0.5 ～ 0.7s
7.3.2 除以继电器返回系数是为了保证选择性。继电器返回系数等于继电器返回电流除以继电器启动电流。返回系数恒小于1，返回系数越小，返回电流就越小于启动电流。当下一级保护使其过电流保护启动，下一级保护动作后，电流仍然大于继电器返回电流时，继电器不能返回，就会发生越级跳闸。继电器返回系数一般取0.85，变配电站综合自动化装置（微机保护）的返回系数由软件来决定，范围为0.7～1.0，保护整定时可根据要求进行设置，一般取0.9。有些变配电站综合自动化装置（微机保护）没有给出返回系数设置，软件已经按0.9设置，保护整定时返回系数可按0.9进行计算。
7.3.3 设计手册中高压电动机保护配置中没有过电流保护是有一定道理的，因为高压电动机保护没有与下一级保护配合的问题，又不可能作为下一级保护的后备保护。电流速断保护与过负荷保护相结合，可以实现过电流保护。有些变配电站综合自动化装置（微机保护）高压电动机保护有过电流保护，就出现了如何整定的问题，需要进行讨论。
7.4 过负荷保护
7.4.1 变压器、高压电动机与高压电容器的过负荷保护按变压器、高压电动机与高压电容器的额定电流来整定。动作电流等于其额定电流乘以可靠系数与接线系数，再除以继电器返回系数与电流互感器变比来整定。(考虑电动机起动)
Iop.k＝Krei×Kj×(IIrT÷Kr×nTA) A
动作时限一般取9～15s
7.4.2 设计手册中线路与母线分段断路器保护配置中没有过负荷保护，有些变配电站综合自动化装置（微机保护）线路与母线分段断路器保护有过电流保护，就出现了如何整定的问题，也需要进行讨论。
7.4.3 配电设计手册规定低压侧断路器有过负荷保护时，可不装设专用的过负荷保护，变配电站综合自动化装置（微机保护）带有定时限与反时限过负荷保护，应加以利用，但要处理好选择性配合问题。
7.4.4 变配电站综合自动化装置（微机保护）有定时限与反时限过负荷保护，保护选择性配合级数少时，保护整定时应优先选用反时限过负荷保护。
7.5 负序过电流保护
负序过电流保护主要用于高压电动机与高压电容器三相电流不平衡以及断相保护，保护动作电流：
Iop.2＝K×(Ir÷nTA) A
式中： Ir 为额定电流
nTA 为电流互感器变比变比
K 为负序过电流保护系数，取0.2～1.0。断相与反相保护取0.8 ～1.0，
不平衡保护取0.2 ～ 0.8，时限大于0.1s，一般取0.4s。
7.6 零序过电流保护
零序过电流保护主要用于电源中性点接地，以及电源中性点串联大电阻接地（小电流接地）的供配电系统单相接地保护。保护动作电流按照躲过正常运行时的不平衡电流来整定，并应有电流互感器断线保护。
7.7 单相接地保护
7.7.1 单相接地保护主要用于电源中性点不接地的供配电系统单相接地保护。电源中性点不接地的供配电系统发生单相接地故障后，有三种变化。一是接地相对地电压降为零，非接地两相对地电压升高√3倍；二是单相接地后三相之间的电压大小不变，仍然对称，电源中性点不漂移；三是非接地两相对地电容电流由于对地电压升高√3倍也升高√3倍，两相对地电容电流由接地点经过接地相流向母线，方向变为由线路指向母线。大小等于两相对地电容电流之矢量和，等于原来一相对地电容电流的三倍。
tg60＝√3/2
Icd＝√3×Ic×(√3/2)＋√3Ic(√3/2) ＝ Ic×( 3/2＋3/2)＝3Ic
7.7.2 单相接地保护动作电流应躲过被保护线路以外发生单相接地故障后，流过本保护装置的对地电容电流Icx。保护动作电流大于等于被保护线路以外发生单相接地故障后，流过本保护装置的对地电容电流Icx乘以可靠系数Krei。并用1.25灵敏系数来校验，即保护动作电流小于等于由同一组变压器供电的同一电压等级输配电系统全电网各相对地电容电流之和，减去被保护线路以外发生单相接地故障后，流过本保护装置的对地电容电流，再除以灵敏系数1.25。
Iop.k≥Krei × Icx A
Iop.k≤（Ic∑－Icx ）÷ 1.25 A
时限一般取0.5s
7.7.3 电源中性点不接地的供配电系统发生单相接地故障后，电压互感器为Y0/Y0/△(开口三角形),而且一次与二次侧中性点直接接地时，由于接地相对地电压降为零，开口三角形就会有电压输出，此时可进行单相接地故障报警；也可用来作为零序过电流保护动作的第二判据，二者结合可实现单相接地故障选线。第二判据应可以组态。当电压互感器为V/V型，安装零序过电流互感器时，可将零序电压判据利用软件设置来退出。
开口三角形输出电压（零序电压）报警值取50～60V，时限电缆出线一般取0.5～1.0S，架空出线一般取1.0～2.0s。
7.7.4 电缆出线的单相接地保护可安装零序电流互感器。架空出线可用三电流互感器二次侧组成的零序电流滤序器方案提供零序电流，但要求变电站综合自动化装置（微机保护）零序电流输入量程要满足要求。
7.7.5 对于电源中性点不接地的三相三线制供配电系统，零序电流互感器只能够测量出三相对地不平衡电容电流，测量不出三相负荷不平衡电流。三相四线制供配电系统，零序电流互感器才能够测量出三相负荷不平衡电流。三相三线制供配电系统，电源中性点接地或串联大电阻接地后，在发生单相接地故障时，零序电流互感器才能够测量出三相负荷不平衡电流。
7.8 变压器低压侧单相接地保护
7.8.1 配电设计手册规定当利用高压侧过电流保护作为低压侧单相对地短路保护的后备保护以及低压侧断路器对母干线末段端单相对地短路保护灵敏系数不能满足要求时，应装设变压器中性线上的零序过电流保护。
7.8.2 变压器低压侧单相接地保护灵敏系数（利用高压侧三相式过电流保护）
Ksen＝I2k2.min÷Iop ≥1.5
7.8.3 变压器低压侧单相接地保护（采用在低压侧中性线上安装专用电流互感器）
Iop.k＝Krei × (0.25I2rT ÷nat) A
Iop.k＝Kco × (Iop.fz÷nat) A
Ksen＝I2k2.min÷Iop.k ≥1.5
式中：Iop.k 低压侧单相接地保护动作电流 I2rT 变压器低压侧额定电流
Iop.fz 低压分支线上单相接地保护动作电流
Kco 配合系数取1.1 Krei 可靠系数取1.2 Ksen 灵敏系数取1.5
I2k2.min 最小运行方式下变压器低压侧母干线末端单相接地稳态电流
变压器低压侧单相接地保护动作时限一般取0.5s
7.9 高压电容器不平衡电流保护
7.9.1 对于双星形接线的高压电容器，可以在两个星形的中性点连接线上安装电流互感器，当高压电容器内部发生故障，中性点电压发生漂移，安装在两个星形的中性点连接线上的电流互感器就会有不平衡电流输出，可用来作为高压电容器不平衡电流保护。
Iop.k≥Krei×Ibp A
7.9.2 对于三角形接线的高压电容器，要实现不平衡电流保护，就要在三角形各边上安装电流互感器，再将三个电流互感器二次侧串联后，才能取得不平衡电流，所以三角形接线只适用于大容量高压电容器补偿。
7.10 过电压保护
7.10.1 配电设计手册规定高压电容器才配置过电压保护，动作值为额定电压的1.1倍。
Uop.k＝1.1 × Ur2 V
动作时限一般取3～5min
过电压保护有两种：一种是随母线电压升高对所有电容器进行保护的过电压保护，电压取此母线电压。另一种是电容器内部个别电容器故障，引起本组其他电容器的过电压保护。
接线为单星星与三角形时，此时要在每组电容器各安装一台V/V型电压互感器，其一次侧中心抽头接到每组电容器的中心抽头，三个电压互感器二次侧同名端反接串联，无故障时其输出电压为零，发生故障后便出现不平衡电压。
Uop.k＝0.5 × Ur2 V
动作时限一般取3 ～ 5min
7.10.2 有些变电站综合自动化装置（微机保护），在其他保护配置中也有过电压保护，这就给保护整定造成混乱。
7.11 低电压保护
7.11.1 配电设计手册规定高压电容器与高压电动机才配置低电压保护。
7.11.2 高压电容器低电压保护动作值为电容器额定电压乘以母线电压可能出现的最低电压系数。最低电压系数一般取0.5，动作于信号或带3～5min时限动作于跳闸。
7.11.3 高压电动机低电压保护整定有以下几种情况：
A）为保证重要高压电动机自起动,低电压保护动作需要断开的次要高压电动机，低电压保护动作值取电动机额定电压的0.6～0.7倍。
Uop.k＝（0.6～0.7 ）× Ur2 V
时限一般取0.5s
B）不允许自起动的高压电动机，低电压保护动作值取电动机额定电压的0.4～0.5倍，时限一般比上一级主保护大一个时限阶段，取0.5～1.5s。必要时可无选择地动作。
C）需要自起动，为保证人身与设备安全，在电源电压长时间消失后需从电网中自动切除的高压电动机，低电压保护动作值取电动机额定电压的0.4～0.5倍，时限一般取5～10s。
D）有些变电站综合自动化装置（微机保护）低电压保护还增加了电流判据，电流大于整定值时，低电压保护才动作。但没有资料可查，保护整定找不到根据。电压降低，电流小于整定值，不会对电动机造成损害，可以不将电动机切除，如果将电动机切除，会对电压恢复有好处，这些问题都有待讨论。
7.11.4 有些变电站综合自动化装置（微机保护），在各种保护都有低电压保护，这也给保护整定造成一定混乱。
7.12 失压保护
失压保护用于备用电源备自投，主供电源断电无电压与无电流时，为主供电源断电需要备用电源备自投动作。动作电压一般取母线额定电压的0.2～0.3倍，闭锁电流一般取0.2～0.5A，时限一般取0.1～0.2S。闭锁电流太大，空载时失去闭锁作用，电压波动容易引起误投。闭锁电流太小，无电压后，电流出现干扰时，会造成备自投拒动。
7.13 零序过电压保护
零序过电压保护用于中性点不接地的供配电系统，单相接地故障报警，它与零序过电流保护配合，可动作于跳闸。动作电压与时限尚无资料可查，单独用于单相接地故障报警时，动作电压可取母线额定电压的0.5～0.6倍。时限一般取0.5～2s。
7.14 变压器瓦斯保护
7.14.1 变压器瓦斯保护有轻瓦斯与重瓦斯保护两种，均为干接点输出。轻瓦斯保护动作于信号，重瓦斯保护动作于信号与跳闸。有载调压变压器还有有载调压轻瓦斯与重瓦斯保护，轻瓦斯保护动作于信号，重瓦斯保护动作于信号与跳闸。
7.14.2 变配电站综合自动化装置信号输入回路抗干扰能力提高后，变压器轻瓦斯与重瓦斯保护信号可接到变配电站综合自动化装置（微机保护）变压器保护的信号输入端子上，由软件实现报警与跳闸。
7.15 变压器温度保护
7.15.1 油浸变压器温度保护有高温报警，干式变压器温度保护有高温报警与超高温跳闸，均为干接点输出。将其接到变配电站综合自动化装置（微机保护）变压器保护的信号输入端子上，就可以由软件实现报警与跳闸。
7.15.2 电气设计规范规定，中小型变压器只需要温度报警，不需要温度测量。现在变压器本体上安装的大部分为数字化温度测量仪表，除有温度报警干接点输出外，还有0～10mA或4～20mA温度测量模拟量输出以及RS－485或232通信接口。后两种温度测量与变配电站综合自动化装置（微机保护）配合上比较复杂，中小型变压器一般较少采用。
7.16 高压电动机温度保护
高压电动机温度保护由软件进行计算来完成。
7.17 高压电动机械故障保护
高压电动机械故障保护，以及工艺故障要求停车均为干接点输出。可接到变配电站综合自动化装置（微机保护）高压电动机保护的信号输入端子上，由软件实现报警与跳闸。另外还有工艺允许合闸常闭干接点，需要将其串联在合闸回路。
8 短路电流计算
短路电流计算工业与民用配电设计手册第四章已作了详细介绍。计算方法有标幺制与有名单位制（又称为欧姆制或实名制）。标幺制用于多个电压等级的电网短路电流计算。它是一种相对单位制，电参数的标幺值等于有名值与基准值之比。计算时首先确定基准值，再计算出容量标幺值、电压标幺值、电流标幺值与电抗标幺值。进行必要的网络变换后，便可根据欧姆定律原理进行计算。计算出短路电流标幺值后，最后再计算出短路电流实际值。
有名单位制计算时，计算出电压与电抗值，便可根据欧姆定律原理进行计算。有名单位制一般用于只有一个电源等级的低压配电系统短路电流计算。
变配电站设计需要计算出短路电流峰值（冲击电流）iP（用于动稳定校验）；超瞬态电流（暂态电流）I"k、短路后0.2s的短路电流交流分量（周期分量）有效值（次暂态电流）I0.2（用于速断保护整定）与稳态电流Ik（用于热稳定校验）。
9 对地电容电流计算
对地电容电流计算首先计算出架空线、电缆与配电设备对地容抗，便可根据欧姆定律原理进行计算。受计算参数的影响，计算误差比较大。可以采用电气设计手册与有关资料提供的计算参数、计算表格与计算公式进行计算。变电站综合自动化装置（微机保护）可以显示出本回路的对地电容电流，也可以根据显示出的本回路对地电容电流，乘以可靠系来进行整定。
