劉 翠，王志南

（中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧撫順113006）

10 kV變電所母線保護(hù)的分析與應(yīng)用*

劉 翠，王志南

（中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧撫順113006）

對10 kV變電所母線的保護(hù)現(xiàn)狀和存在問題進(jìn)行了分析和討論，論述了裝設(shè)10 kV母線專用快速保護(hù)的必要性和可行性，并提出了2種母線保護(hù)的新方案。

變電所；母線保護(hù)；保護(hù)方案

在電力系統(tǒng)中，35 kV及以下電壓等級的母線由于沒有穩(wěn)定問題，一般未裝設(shè)專用母線保護(hù)，但由于高壓變電站的10 kV系統(tǒng)出線多、操作頻繁、容易受小動物危害、設(shè)備絕緣老化和機(jī)械磨損等因素影響，10 kV開關(guān)柜故障時有發(fā)生。多年的運(yùn)行實踐表明，雖然國內(nèi)外的高壓開關(guān)柜的制造技術(shù)進(jìn)步很快，10 kV母線發(fā)生故障的機(jī)率大為減少，但是仍然有因個別開關(guān)柜故障引發(fā)整段開關(guān)柜“火燒聯(lián)營”的事故發(fā)生，甚至波及到變壓器，造成變壓器的燒毀。造成此類事故的原因是多方面的，而沒有配備快速母線保護(hù)也是重要原因之一。變電所的10 kV母線一般不配置專用的快速母線保護(hù)是目前國內(nèi)的典型設(shè)計做法，是符合國標(biāo)及現(xiàn)行的電力行業(yè)規(guī)程規(guī)范要求的。因此，長期以來人們對中低壓母線保護(hù)一直不夠重視。但是，慘痛的事故教訓(xùn)已經(jīng)引起電力部門及企業(yè)電氣運(yùn)行部門的廣泛關(guān)注，在技術(shù)上尋求新的繼電保護(hù)方案也是廣大繼電保護(hù)工作者的目標(biāo)之一。

1 10 kV母線保護(hù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及技術(shù)要求

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)國標(biāo)《電力裝置的繼電保護(hù)和自動裝置設(shè)計規(guī)范》（GB 50062—92），對于主要變電所的3～10 kV母線及并列運(yùn)行的雙母線，只有在下列情況下才裝設(shè)專用的母線保護(hù)[1]：

（1）需快速而有選擇地切除一段或一組母線上的故障，才能保證發(fā)電廠及電力網(wǎng)安全運(yùn)行和重要負(fù)荷的可靠供電時；

（2）當(dāng)10 kV用電系統(tǒng)發(fā)生母線故障時，要靠變壓器低壓側(cè)的過流后備保護(hù)來切除。這種設(shè)計方案的弊端是一旦發(fā)生母線短路故障時，故障不能被快速切除，而只能等到過流后備保護(hù)動作。因后備過流保護(hù)動作時間一般整定為1.2～2.0 s。所以在切除故障時將會加大設(shè)備的損壞程度，甚至引發(fā)相鄰設(shè)備的大面積燒毀。

1.2 技術(shù)要求

對10 kV母線保護(hù)的要求，主要包括以下幾個方面[2]：

（1）保護(hù)可靠性要求高，不允許拒動和誤動。特別是對防止誤動的要求更高，因為拒動的結(jié)果是故障還可以靠進(jìn)線（或分段）的后備過流切除，與目前不配置專用母線快速保護(hù)的結(jié)果是一樣的，使用單位從心理上還可以接受，但是如果是發(fā)生誤動，后果很嚴(yán)重，直接影響到用戶的供電可靠性，運(yùn)行單位會產(chǎn)生抵觸，影響到采用該保護(hù)的積極性。

（2）保護(hù)的構(gòu)成盡可能簡單。不大量增加一次設(shè)備（如電流互感器）和外部電纜而且施工和改造工作簡單易行。

（3）保護(hù)不受運(yùn)行方式的影響，可以自動適應(yīng)母線上連接元件的改變。如從電源進(jìn)線切換到分段開關(guān)運(yùn)行，個別或部分元件的投入及退出運(yùn)行，綜合微機(jī)保護(hù)的調(diào)試和維護(hù)修理等情況。

（4）保護(hù)可以適應(yīng)安裝在開關(guān)柜上的運(yùn)行條件。

2 專用母線保護(hù)方案

為了解決在10kV系統(tǒng)發(fā)生母線故障時沒有快速保護(hù)的問題，最直接的保護(hù)方案就是配置常規(guī)的母線差動保護(hù)，把所有母線段上各回路的電流量引入差動保護(hù)裝置（或差動繼電器），但是在實施上這種方案還存在一些弊端，具體應(yīng)用時會受到限制，很難得到運(yùn)行單位的認(rèn)可。以下是2種有應(yīng)用業(yè)績的保護(hù)方案介紹。

2.1 采用差動保護(hù)方案

過去因10 kV系統(tǒng)開關(guān)柜內(nèi)的電流互感器只有2個二次線圈，一個0.5級用于測量，一個P級用于本單元的保護(hù)。如要增加一個用于母差保護(hù)的二次線圈，只能再增加一組電流互感器，但受開關(guān)柜內(nèi)空間的限制，一個開關(guān)柜根本布置不下，除非再增加一個柜，這樣對由很多面柜構(gòu)成的一段母線來說，造價大大增加。近幾年，具備3個二次線圈的電流互感器開始出現(xiàn)和應(yīng)用，這為實現(xiàn)10 kV母線短路故障的快速保護(hù)創(chuàng)造了有利條件。如圖1所示，各元件電流互感器的第3個二次線圈專用于母線差動保護(hù)，為提高可靠性，保護(hù)可以經(jīng)電壓元件閉鎖，只有在出現(xiàn)差電流和系統(tǒng)電壓條件滿足的前提下，保護(hù)才能出口。差動保護(hù)動作后跳開電源進(jìn)線斷路器（或分段斷路器）。

該方案的特點是構(gòu)成簡單，利用了目前電流互感器制造方面的新特點，開關(guān)柜投資增加不多。缺點是需增加的二次電纜較多，電纜投資大，現(xiàn)場施工工作量大。但如不增加電壓閉鎖回路，在發(fā)生TA斷線情況時，保護(hù)的安全性較低。該方案保護(hù)可以集中組屏布置在繼電器室內(nèi)，也可以將保護(hù)布置在進(jìn)線開關(guān)柜上。

2.2 利用快速保護(hù)方案

其原理是：利用各開關(guān)柜綜合保護(hù)提供的故障信息（硬接點），經(jīng)匯總后進(jìn)行綜合分析和邏輯判別，來實現(xiàn)10 kV母線短路故障的快速切除。母線故障的快速保護(hù)功能“鑲嵌”在進(jìn)線保護(hù)裝置及分段保護(hù)裝置內(nèi)，不以獨(dú)立的母線保護(hù)裝置形態(tài)出現(xiàn)，從而進(jìn)線保護(hù)裝置及分段保護(hù)裝置的設(shè)計也是非常規(guī)范的。

其原理是如故障發(fā)生在母線之外，則必有某一個回路的綜合保護(hù)發(fā)出閉鎖信號，這樣進(jìn)線保護(hù)（或分段保護(hù)）被可靠閉鎖；如果故障發(fā)生在母線上，則進(jìn)線保護(hù)接收不到閉鎖信號，經(jīng)一短延時（該延時主要是為躲開暫態(tài)過程，提高保護(hù)可靠性，一般＜100 ms）后出口跳閘。在母線區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障時，將快速切除進(jìn)線斷路器，在用分段斷路器帶母線運(yùn)行時，保護(hù)將快速切除分段斷路器。該方案的構(gòu)成如圖2所示。

該方案的特點是在構(gòu)成上不需要增加和改變TA和TV設(shè)備和回路，只是在綜合保護(hù)上增加構(gòu)成母線快速接點的配合接點，增加的電纜也不多。其缺點是母線保護(hù)依賴于進(jìn)線保護(hù)（或分段保護(hù)），保護(hù)裝置本身在物理上不獨(dú)立，另外，目前的保護(hù)還沒有考慮電壓閉鎖條件，保護(hù)的可靠性略感不足。這種保護(hù)方案已經(jīng)出現(xiàn)了幾年時間，但沒有得到推廣應(yīng)用，估計原因是用戶對該保護(hù)方案信心不足。

3 新型10 kV母線保護(hù)的設(shè)想方案

3.1 基于數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的10 kV母線保護(hù)方案

10 kV母線網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的核心思路是利用母線上各回路的綜合保護(hù)裝置和保護(hù)專用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。各回路的綜合微機(jī)保護(hù)需增加一個保護(hù)專用數(shù)字通訊接口，同時在保護(hù)程序中增加一段配合母線保護(hù)的服務(wù)程序。采用數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來構(gòu)成變電站的綜合自動化功能是已經(jīng)非常成熟的技術(shù)，如采用LONWORK、Profibus、CAN網(wǎng)等。

目前在變電所綜合自動化技術(shù)方案里，數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)主要用來傳送控制命令和監(jiān)視、測量數(shù)據(jù)，不用作實現(xiàn)繼電保護(hù)功能，原因是繼電保護(hù)對可靠性的要求高，必須設(shè)置獨(dú)立的、專用的裝置和數(shù)字通道。

正常運(yùn)行時，母線保護(hù)管理單元循環(huán)向網(wǎng)絡(luò)上每個10 kV就地綜合保護(hù)單元發(fā)出詢問信息，其目的有兩個：一是實時掌握本段母線上各回路的運(yùn)行狀態(tài)，即運(yùn)行方式，作為母線保護(hù)條件滿足時的出口依據(jù)，即在分段斷路器處斷開，電源進(jìn)線帶本段母線運(yùn)行時，保護(hù)去跳進(jìn)線斷路器，而由分段斷路器帶本段運(yùn)行時，保護(hù)去跳分段斷路器；第二個目的是在母線保護(hù)管理單元感受到系統(tǒng)發(fā)生了故障時，要詢問各回路的綜合保護(hù)是否感受到有短路電流流過本保護(hù)單元，以作為母線保護(hù)管理單元發(fā)出動作跳閘命令的依據(jù)。

母線保護(hù)管理單元是本保護(hù)方案的核心，可以安裝在進(jìn)線斷路器開關(guān)柜上。它是信息搜集和處理的中心，也是保護(hù)動作的執(zhí)行者。為了提高本保護(hù)的可靠性，在母線保護(hù)管理單元中還可以引入本段母線電壓互感器的電壓，作為保護(hù)出口的閉鎖條件，降低保護(hù)誤動的風(fēng)險。

在盤錦北方瀝青20萬t/a環(huán)烷基餾分油加氫項目和山東菏澤玉皇化工有限公司及20萬t/a苯乙烯裝置及系統(tǒng)工程中采用了以上保護(hù)方案。

3.2 基于電弧光傳感技術(shù)的10 kV母線保護(hù)方案

其原理是通過檢測開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生母線故障時產(chǎn)生弧光這一特性，并結(jié)合過流閉鎖的動作原理，即它采用檢測弧光和過流雙判據(jù)原理。該原理保護(hù)有以下特點：

（1）該保護(hù)原理簡單，通過檢測弧光短路故障產(chǎn)生的電弧這一簡單原理來實現(xiàn)，其技術(shù)核心是電弧光傳感器的采用。電弧光傳感器安裝在開關(guān)柜內(nèi)部，作為光感應(yīng)元件，將檢測發(fā)生弧光故障時突然增加的光強(qiáng)，并將光信號轉(zhuǎn)換成電信號傳送給母線保護(hù)單元。

（2）動作可靠性高，由于采用了“雙判據(jù)”，即使弧光傳感器誤報信號，也不會出口。

（3）動作迅速，通過檢測弧光信號，整套保護(hù)的動作速度可達(dá)5～7 ms。

（4）無論新建或技改工程均容易實施。

（5）造價低。

基于該原理的保護(hù)在國外已有應(yīng)用，運(yùn)行效果令人滿意，在伊泰16萬t/a煤基合成油工程中采用了該系統(tǒng)。鑒于該保護(hù)的上述優(yōu)點，此系統(tǒng)定會以高度可靠的動作性能，為用戶的中、低壓配電設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供有效的保障，可以預(yù)計這種原理的母線快速保護(hù)定會在國內(nèi)得到推廣應(yīng)用。

4 結(jié)束語

綜上所述，在高壓變電所的10 kV母線上裝設(shè)快速保護(hù)很有必要，電力系統(tǒng)現(xiàn)行的保護(hù)方案顯然不能滿足快速切除故障的要求。電力系統(tǒng)迫切需要采用安全可靠、簡單經(jīng)濟(jì)的新型保護(hù)系統(tǒng)，來解決中低壓母線故障的快速切除問題。希望提出的母線快速保護(hù)的方案能得到電氣同行的重視，并在此基礎(chǔ)上推出高質(zhì)量的產(chǎn)品，為電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行作出貢獻(xiàn)。

[1]GB 50062—92，電力裝置的繼電保護(hù)和自動裝置設(shè)計規(guī)范[S]．

[2]中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].3版.北京：中國電力出版社出版，2000.

Analysis on Bus Bar Protection of the 10 kV Substation and Its Application

LIU Cui，WANG Zhi-nan
（China Huanqiu contracting&Engineering Corporation Liaoning Branch Company，Liaoning Fushun 113006，China）

The protection status quo and existed problems of 10 kV substation bus bar were analyzed and discussed.The necessity and feasibility of installing special quick protection for 10 kV bus bar were expounded.And two kinds of new protection schemes were proposed.

Substation；Bus bar；Protection schemes

TM645

A

1671-0460（2010）02-0212-03

2010-03-02

劉 翠（1961-），女，遼寧撫順人，高級工程師，1984畢業(yè)于撫礦工學(xué)院工企電氣自動化專業(yè)，從事公企電氣設(shè)計工作。