ZSI在发电厂厂用电系统中的应用

引言 所谓ZSI（Zone-Selection Interlocking）是指实现保护区域选择性的一种实用性技术，其功能是在保证上下级间选择性配合的前提下，实现保护以最短时限切除区域内故障，即在下级保护区域内的故障时，由下级保护迅速切除故障，同时闭锁上级保护，以实现级间选择性的配合。 发电厂厂用电系统常采用多级供电形式，作者曾将ZSI技术应用到几个工程的6kV厂用电系统中。 ZSI的原理及特点 1 ZSI原理 发电厂中压和低压厂用电系统一般采用多级供电形式，根据DL／T5153—2002《火力发电厂厂用电设计技术规定》（以下简称“技规”），供电回路（或负荷）一般装设有相间短路保护，包括电流速断保护和过电流保护，还根据厂用电系统不同的接地方式设置单相接地保护或单相接地短路保护等。上述保护主要采用电流作为其保护起动判据，往往通过电流定值和延时时间的级差配合等方法实现相邻的上下级保护间的选择性。 ZSI技术的解决方案是在保护中增加一个判别故障区域的判据。系统发生相间短路故障时，检测到故障电流的保护会送一个ZSI闭锁信号给上级保护，同时检查是否收到下级保护上传的ZSI闭锁信号。如果保护未收到下级传来的闭锁信号，保护即判断该故障发生在本保护区域内，电流速断保护瞬时动作切除故障。若检测到有下级保护发来的ZSI闭锁信号，则电流速断保护会被闭锁但短延时的过电流保护会起动，作为下级断路器保护的后备保护。 以图1所示的两级供电网络为例，在d1处发生相间短路故障时P1和M1回路中的保护都会瞬时检测到故障电流，同时P1、M1都会向上级保护发出ZSI闭锁信号，并检查有无闭锁信号输入。M1接收到F1发出的ZSI闭锁信号后闭锁电流速断保护出口，启动短延时的过电流保护。由于未检测到下级的闭锁信号输入，F1判断该故障为区域内故障，电流速断保护动作，瞬时跳闸切除故障，M1的过电流保护随之复位。 在d2点发生相间短路故障时，M1检测到故障电流，且无ZSI闭锁信号输入，电流速断保护会无延时迅速切除故障。 2 ZSI的主要特点 多级供电系统中，ZSI能够通过上下级保护间的闭锁信号来鉴别区内外故障，实现上下级保护的“选择性”配合；在保护区内发生短路故障时，保护能够在最短时限内切除故障，实现保护的“速动性”；在ZSI系统中，电流不再是唯一的判据，保护整定值可以降低，从而增加了保护的“灵敏性”；当下级供电回路发生短路故障时，相邻的上级带短延时的过电流保护会启动作为下级保护的后备，增加了保护的“可靠性”。可见保护所要求的“四性”得到了很好的体现。 发电厂中的应用 1 6kV厂用电系统中的应用 某2×300MW发电厂中，6kV厂用电系统存在三级供电形式，如图2所示。 根据“技规”要求： （1）6kV工作段进线断路器设置分支过流保护和限时速断保护。 （2）6kV工作段至6kV公用段的供电回路设置电流速断保护和短延时过流保护。 （3）6kV工作段和6kV公用段上的电动机、变压器等负荷一般设置电流速断保护和过流保护等。 如果不采用ZSI技术仅从电流定值和延时时间两方面进行保护整定时，6kV工作段进线断路器的限时速断保护需要采用二级延时级差，延时时间整定为t=0.4～1s（若△t=0.2～0.5s）。显然，6kV工作段母线发生最严重的三相短路时，保护也得延时0。4～1s后跳闸，这对开关柜是个严峻的考验。 工程中上述保护均采用微机型综合保护测控装置，而该装置一般无专门的ZSI输入输出接口，实际应用中可利用装置的开关量输入和输出接口，将闭锁信号采集后作为电流速断保护的闭锁判据即可。 实际工程应用中往往需要注意以下几个问题： （1）由于6kV工作段和公用段上的回路很多，若每个回路都将闭锁信号的电缆引至上级进线断路器，则必然会造成接线复杂反而降低了保护的可靠性。所以工程设计中，在6kV开关柜上分别敷设1组或2组级联信号小母线，每个回路将本回路的速断保护启动信号（常开接点）引至小母线正负极，进线断路器的保护测控装置仅需采集该小母线上的信号。当任何一个馈线回路的速断保护启动时，小母线正负极都会导通，发送信号至进线断路器的保护测控装置巾。这样二次回路接线得到了较大的简化，相对地提高了保护的可靠性。 （2）当一段母线有两回电源进线时，该段母线需要敷设2组级联信号小母线，两回电源进线断路器的保护测控装置分别采集其中1组母线信号。由于在电厂运行中，一般禁止两回电源并联运行，所以在正常情况下仅有一回电源进线断路器合闸，另外一个断路器由于处于跳闸状态，不会影响ZSI的实现。 （3）由于断路器的速断保护需要下级断路器的ZSI闭锁信号作为判据，当保护装置电流元件启动后不能马上出口，需要检测有无ZSI信号，然后再出口跳闸或闭锁出口，所以这种速断保护相对于传统的仅有电流判据的速断保护多了一个检测ZSI信号的延时，当然该延时远小于前文提及的0.4～1s。工程中所有微机型综合保护测控装置一般采用同生产厂商、同系列的产品，它们的采样精度、采样时间的离散性相对较小，ZSI保护配合比较容易实现。 2 应用于380V厂用电系统的探讨 发电厂低压厂用电系统通常采用多级供电形式，供电回路元件一般采用框架断路器和塑壳断路器等搭配形式。 根据目前调研的情况，某些框架断路器具有ZSI功能，并在产品样本中阐明该项功能，但塑壳断路器不论国内、国外鲜有该功能，使得ZSI无法应用于低压厂用电系统中。实际工程中，由于低压厂用电系统一般采用动力中心（PC）、电动机控制中心（MCC）供电方式，上下级开关级差较大，调整断路器保护整定值大小，基本能满足上下级保护配合要求。据IEEE相关文献，中低压系统实际运行中的许多故障是非金属性短路故障，往往还伴随着弧光放电，此时会产生大量热量，对设备危害较大，短路电流却较小。所以针对上述情况，保护整定值应尽可能小，以求足够的灵敏度。另外，在多级供电网络中，一味地采用延时级差来满足选择性要求是不可取的。在低压厂用电系统中应用ZSI基本可以解决或缓解上述相关问题。 鉴于大多数的低压元件制造厂未提供相关产品的情况，笔者认为开发框架断路器和塑壳断路器的ZSI功能，会为低压厂用电系统提供一个解决保护配合的技术手段，特别是随着技术的发展，智能断路器和电子式脱扣器等已经大量应用于工程实践中，为ZSI的开发和应用提供了良好的硬件平台。 结束语 ZSI技术作为一种实用功能可以应用于发电厂厂用电系统中，能较好实现上下级保护配合。建议低压元件厂商开发具有ZSI功能的各种断路器，为ZSI技术应用于发电厂低压系统中创造条件。但ZSI需要上下级间传送闭锁信号，其接线较为复杂，在设计、施工及调试中应充分予以重视。