高压变电站10kV母线保护的分析和研究
日期：2008-12-8 21:14:47 来源：中国自动化网
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Analysis and study on 10 kVbusbar protection of HVsubstation
LIShao-tao1，CHANGSheng2
(1．Foshan Nanhai Electric Power Design Engineering Corp．，Foshan 528200，China； 2．Guangdong Electric Power Design Institute，Guangzhou 510600，China)
Abstract：The article analyses and discussesthe current conditions and existing problems about 10 kVbusbar protection of HVsubstation．
On the discussion of necessity and feasibility of equippingfast busbar protection，two newprotection schemes are given．
Key words：busbar protection；networks；substation
摘要：对高压变电站10 kV母线的保护现状和存在问题进行了分析和讨论，论述了装设10 kV母线专用快速保护的必要性和可行性，并提出了两种母线保护的新方案。
关键词：母线保护；网络；变电站
1 前言
在电力系统中，35 kV及以下电压等级的母线由于没有稳定问题，一般未装设专用母线保护。但由于高压变电站的10 kV系统出线多、操作频繁、容易受小动物危害、设备绝缘老化和机械磨损等原因，10 kV开关柜故障时有发生。多年的运行实践表明，虽然国内外的高压开关柜的制造技术进步很快，10 kV母线发生故障的机率大为减少，但是仍然有因个别开关柜故障引发整段开关柜“火烧联营”的事故发生，甚至波及到变压器，造成变压器的烧毁。虽然造成此类事故的原因是多方面的，但是在发生10kV母线短路故障时没有配备快速母线保护也是重要原因之一。变电站的10 kV母线一般不配置专用的快速母线保护是目前国内的典型设计做法，是符合国标及现行的电力行业规程规范要求的。因此，长期以来人们对中低压母线保护一直不够重视。但是，惨痛的事故教训已经引起电力部门的广泛关注，在技术上寻求新的继电保护方案也是广大继电保护工作者的目标之一。
2 10 kV母线保护的应用现状及技术要求
2．1 10 kV母线保护的应用现状
根据国标《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》(GB50062－92)，对于发电厂和主要变电所的3～10 kV母线及并列运行的双母线，只有在下列情况下才装设专用的母线保护：①需快速而有选择地切除一段或一组母线上的故障，才能保证发电厂及电力网安全运行和重要负荷的可靠供电时；②当线路断路器不允许切除线路电抗器前的短路时。
在变电站的设计中，10 kV母线故障要靠主变压器低压侧的后备保护来切除。如图1所示，该图表示的是常见的220 kV(110 kV)变电站10 kV母线的某一段接线情况，在K1点发生故障时，要靠变压器低压侧的过流保护跳开DL1断路器来切除故障。同样的问题也存在于发电厂的6 kV(10 kV)厂用电系统，当中压厂用电系统发生母线故障时，要靠厂用变压器或启动／备用变压器低压侧的过流后备保护来切除。这种设计方案的弊端是一旦发生母线短路故障时，故障不能被快速切除，而只能等到过流后备保护动作。因后备过流保护动作时间一般整定为1．2～2．0 s，所以在切除故障时将会加大设备的损坏程度，甚至引发相邻设备的大面积烧毁。
2．2 对10 kV母线保护的技术要求
对10 kV母线保护的要求，主要包括以下几个方面：
(a)保护可靠性要求高，不允许拒动和误动。
特别是对防止误动的要求更高，因为拒动的结果是故障还可以靠进线(或分段)的后备过流切除，与目前不配置专用母线快速保护的结果是一样的，使用单位从心理上还可以接受，但是如果是发生误动，后 果很严重，直接影响到用户的供电可靠性，运行单位会产生抵触，影响到采用该保护的积极性。
(b)保护的构成尽可能简单。不大量增加一次设备(如电流互感器)和外部电缆，而且施工和改造工作简单易行。
(c)保护不受运行方式的影响，可以自动适应母线上连接元件的改变。如从电源进线切换到分段开关运行，个别或部分元件的投入及退出运行，综合微机保护的调试和维护修理等情况。
(d)保护可以适应安装在开关柜上的运行条件。
3 两种有应用业绩的10 kV专用母线保护方案
为了解决在10 kV系统发生母线故障时没有快速保护的问题，最直接的保护方案就是配置常规的母线差动保护，把所有母线段上各回路的电流量引入差动保护装置(或差动继电器)，但是在实施上这种方案还存在一些弊端，具体应用时会受到限制，很难得到运行单位的认可(其存在的问题在下述章节中有讨论)。以下是两种有应用业绩的保护方案介绍。
3．1 采用电流互感器第三个二次线圈构成差动保护的方案
过去因10 kV系统开关柜内的电流互感器只有两个二次线圈，一个0．5级用于测量，一个P级用于本单元的保护。如要增加一个用于母差保护的二次线圈，只能再增加一组电流互感器，但受开关柜内空间的限制，一个开关柜根本布置不下，除非再增加一个柜，这样对由很多面柜构成的一段母线来说，造价大大增加。近几年，具备三个二次线圈的电流互感器开始出现和应用，这为实现10 kV母线短路故障的快速保护创造了有利条件。如图2所示，各元件电流互感器的第三个二次线圈专用于母线差动保护，为提高可靠性，保护可以经电压元件闭锁，只有在出现差电流和系统电压条件满足的前提下，保护才能出口。差动保护动作后跳开电源进线断路器(或分段断路器)。
该方案的特点是构成简单，利用了目前电流互感器制造方面的新特点，开关柜投资增加不多。缺点是需增加的二次电缆较多，电缆投资大，现场施工工作量大。但如不增加电压闭锁回路，在发生TA断线情况时，保护的安全性较低。该方案保护可以集中组屏布置在继电器室内，也可以将保护布置在进线开关柜上。
3．2 利用各开关柜内综合保护构成的母线快速保护方案
其原理是：利用各开关柜综合保护提供的故障信息(硬接点)，经汇总后进行综合分析和逻辑判别，来实现10 kV母线短路故障的快速切除。母线故障的快速保护功能“镶嵌”在进线保护装置及分段保护装置内，不以独立的母线保护装置形态出现，从而进线保护装置及分段保护装置的设计也是非常规范的。
其原理是如故障发生在母线之外，则必有某一个回路的综合保护发出闭锁信号，这样进线保护(或分段保护)被可靠闭锁；如果故障发生在母线上，则进线保护接收不到闭锁信号，经一短延时(该延时主要是为躲开暂态过程，提高保护可靠性，一般小于100 ms)后出口跳闸。在母线区域内发生故障时，将快速切除进线断路器，在用分段断路器带母线运行时，保护将快速切除分段断路器。该方案的构成如图3所示。
该方案的特点是在构成上不需要增加和改变TA和TV设备和回路，只是在综合保护上增加构成母线快速接点的配合接点，增加的电缆也不多。其缺点是母线保护依赖于进线保护(或分段保护)，保护装置本身在物理上不独立，另外，目前的保护还没有考虑电压闭锁条件，保护的可靠性略感不足。这种保护方案已经出现了几年时间，但没有得到推广应用，估计原因是用户对该保护方案信心不足。
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(1．Foshan Nanhai Electric Power Design Engineering Corp．，Foshan 528200，China； 2．Guangdong Electric Power Design Institute，Guangzhou 510600，China)
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Abstract：The article analyses and discussesthe current conditions and existing problems about 10 kVbusbar protection of HVsubstation．
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On the discussion of necessity and feasibility of equippingfast busbar protection，two newprotection schemes are given．
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摘要：对高压变电站10 kV母线的保护现状和存在问题进行了分析和讨论，论述了装设10 kV母线专用快速保护的必要性和可行性，并提出了两种母线保护的新方案。
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关键词：母线保护；网络；变电站
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1 前言
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在电力系统中，35 kV及以下电压等级的母线由于没有稳定问题，一般未装设专用母线保护。但由于高压变电站的10 kV系统出线多、操作频繁、容易受小动物危害、设备绝缘老化和机械磨损等原因，10 kV开关柜故障时有发生。多年的运行实践表明，虽然国内外的高压开关柜的制造技术进步很快，10 kV母线发生故障的机率大为减少，但是仍然有因个别开关柜故障引发整段开关柜“火烧联营”的事故发生，甚至波及到变压器，造成变压器的烧毁。虽然造成此类事故的原因是多方面的，但是在发生10kV母线短路故障时没有配备快速母线保护也是重要原因之一。变电站的10 kV母线一般不配置专用的快速母线保护是目前国内的典型设计做法，是符合国标及现行的电力行业规程规范要求的。因此，长期以来人们对中低压母线保护一直不够重视。但是，惨痛的事故教训已经引起电力部门的广泛关注，在技术上寻求新的继电保护方案也是广大继电保护工作者的目标之一。
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2 10 kV母线保护的应用现状及技术要求
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2．1 10 kV母线保护的应用现状
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根据国标《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》(GB50062－92)，对于发电厂和主要变电所的3～10 kV母线及并列运行的双母线，只有在下列情况下才装设专用的母线保护：①需快速而有选择地切除一段或一组母线上的故障，才能保证发电厂及电力网安全运行和重要负荷的可靠供电时；②当线路断路器不允许切除线路电抗器前的短路时。
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在变电站的设计中，10 kV母线故障要靠主变压器低压侧的后备保护来切除。如图1所示，该图表示的是常见的220 kV(110 kV)变电站10 kV母线的某一段接线情况，在K1点发生故障时，要靠变压器低压侧的过流保护跳开DL1断路器来切除故障。同样的问题也存在于发电厂的6 kV(10 kV)厂用电系统，当中压厂用电系统发生母线故障时，要靠厂用变压器或启动／备用变压器低压侧的过流后备保护来切除。这种设计方案的弊端是一旦发生母线短路故障时，故障不能被快速切除，而只能等到过流后备保护动作。因后备过流保护动作时间一般整定为1．2～2．0 s，所以在切除故障时将会加大设备的损坏程度，甚至引发相邻设备的大面积烧毁。
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2．2 对10 kV母线保护的技术要求
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对10 kV母线保护的要求，主要包括以下几个方面：
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(a)保护可靠性要求高，不允许拒动和误动。
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特别是对防止误动的要求更高，因为拒动的结果是故障还可以靠进线(或分段)的后备过流切除，与目前不配置专用母线快速保护的结果是一样的，使用单位从心理上还可以接受，但是如果是发生误动，后 果很严重，直接影响到用户的供电可靠性，运行单位会产生抵触，影响到采用该保护的积极性。
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(b)保护的构成尽可能简单。不大量增加一次设备(如电流互感器)和外部电缆，而且施工和改造工作简单易行。
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(c)保护不受运行方式的影响，可以自动适应母线上连接元件的改变。如从电源进线切换到分段开关运行，个别或部分元件的投入及退出运行，综合微机保护的调试和维护修理等情况。
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(d)保护可以适应安装在开关柜上的运行条件。
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3 两种有应用业绩的10 kV专用母线保护方案
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为了解决在10 kV系统发生母线故障时没有快速保护的问题，最直接的保护方案就是配置常规的母线差动保护，把所有母线段上各回路的电流量引入差动保护装置(或差动继电器)，但是在实施上这种方案还存在一些弊端，具体应用时会受到限制，很难得到运行单位的认可(其存在的问题在下述章节中有讨论)。以下是两种有应用业绩的保护方案介绍。
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3．1 采用电流互感器第三个二次线圈构成差动保护的方案
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过去因10 kV系统开关柜内的电流互感器只有两个二次线圈，一个0．5级用于测量，一个P级用于本单元的保护。如要增加一个用于母差保护的二次线圈，只能再增加一组电流互感器，但受开关柜内空间的限制，一个开关柜根本布置不下，除非再增加一个柜，这样对由很多面柜构成的一段母线来说，造价大大增加。近几年，具备三个二次线圈的电流互感器开始出现和应用，这为实现10 kV母线短路故障的快速保护创造了有利条件。如图2所示，各元件电流互感器的第三个二次线圈专用于母线差动保护，为提高可靠性，保护可以经电压元件闭锁，只有在出现差电流和系统电压条件满足的前提下，保护才能出口。差动保护动作后跳开电源进线断路器(或分段断路器)。
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该方案的特点是构成简单，利用了目前电流互感器制造方面的新特点，开关柜投资增加不多。缺点是需增加的二次电缆较多，电缆投资大，现场施工工作量大。但如不增加电压闭锁回路，在发生TA断线情况时，保护的安全性较低。该方案保护可以集中组屏布置在继电器室内，也可以将保护布置在进线开关柜上。
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3．2 利用各开关柜内综合保护构成的母线快速保护方案
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其原理是：利用各开关柜综合保护提供的故障信息(硬接点)，经汇总后进行综合分析和逻辑判别，来实现10 kV母线短路故障的快速切除。母线故障的快速保护功能“镶嵌”在进线保护装置及分段保护装置内，不以独立的母线保护装置形态出现，从而进线保护装置及分段保护装置的设计也是非常规范的。
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其原理是如故障发生在母线之外，则必有某一个回路的综合保护发出闭锁信号，这样进线保护(或分段保护)被可靠闭锁；如果故障发生在母线上，则进线保护接收不到闭锁信号，经一短延时(该延时主要是为躲开暂态过程，提高保护可靠性，一般小于100 ms)后出口跳闸。在母线区域内发生故障时，将快速切除进线断路器，在用分段断路器带母线运行时，保护将快速切除分段断路器。该方案的构成如图3所示。
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该方案的特点是在构成上不需要增加和改变TA和TV设备和回路，只是在综合保护上增加构成母线快速接点的配合接点，增加的电缆也不多。其缺点是母线保护依赖于进线保护(或分段保护)，保护装置本身在物理上不独立，另外，目前的保护还没有考虑电压闭锁条件，保护的可靠性略感不足。这种保护方案已经出现了几年时间，但没有得到推广应用，估计原因是用户对该保护方案信心不足。
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