智能變電站中低壓母線保護設計

陸玉軍，徐 勇，薛 軍，蔣 瑩，陳 顥

(1.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102；2.揚州供電公司，江蘇揚州225000；3.揚州儀征縣域檢修分公司，江蘇儀征211400)

變電站內35 kV/10 kV母線（以下稱中低壓母線）長期運行中由于絕緣擊穿、主回路觸頭過熱老化、局部放電、小動物進入而出現接地與相間故障，中低壓母線常見的短路故障形式有：單相接地、兩相短路、三相短路，同一地點的兩相接地短路和不同地點不同相別的兩點接地故障[1]。出現短路故障的設備有：開關（觸頭故障、真空泡故障）、電流互感器TA （絕緣擊穿）、電壓互感器TV、母排（絕緣擊穿接地）、及其他附件。由于出線間隔多、進出線支路TA變比差異大，配置常規的母線保護不僅支路多、成本高昂、施工接線復雜，母線故障時導致的TA飽和問題也突出，存在保護設計和動作配合的困難。基于上述因素，變電站的中低壓母線設計時一般不配置專用保護，而利用主變低后備保護切除母線故障。但后備保護按逐級配合設計、動作時間長達1～2 s，往往導致故障切除后母線變形、金屬部件熔融、有機絕緣炭化燃燒、開關柜內設備損毀嚴重。用后備保護做母線的保護時不僅損失巨大，而且運行恢復困難。文中討論了智能變電站中低壓母線快速保護設計及相關問題。

1 中低壓母線保護方案

中低壓母線保護按保護原理可分為：電弧光保護、電流差動保護、電流相位比較式母線保護、方向過流比較式母線保護、電流閉鎖式母線保護[2-5]。

電弧光保護：是利用中低壓母線短路時會產生電弧并發出弧光、及故障電流增大為特征判據而設計的保護，整個保護由弧光傳感器、弧光檢測單元和主單元組成，因開關小室多，需要配置的弧光傳感器多，無論工程量和投資均較大，國內應用較少。

電流差動保護：利用各支路ΣI≠0的原理而設計，在高壓保護中普遍應用，而中低壓保護中由于需接入支路多、工程施工復雜、電纜用量大、運行維護工作量大，應用很少。

電流相位比較式和方向過流比較式保護：也因為需要接入的支路數多、判別機制易失效、工程實施復雜、運行維護繁瑣而得不到應用。

電流閉鎖式母線保護：利用母線發生短路故障時，主變低壓側檢測到故障電流啟動、線路間隔檢測不到故障電流不會啟動；出線保護范圍內故障時，主變低壓側檢測到故障電流，線路也檢測到故障電流啟動為特征而設計，即由出線保護裝置閉鎖元件發出的閉鎖信號控制主變低后備保護裝置中的啟動元件的啟動或閉鎖實現。其保護邏輯如圖1所示。

圖1 電流閉鎖式母線保護邏輯

該保護的優勢是：在回路上改動小，不需改變CT/PT回路，只需實現閉鎖接點在保護間傳輸。在保護功能配置實現上，甚至可以做到不增加裝置即可在低后備保護實現母線保護功能。智能變電站中用GOOSE（通用面向變電站事件對象）傳輸閉鎖信號還可省去保護間的信號傳輸電纜，進一步降低了實現成本，具有原理簡單、容易實現的特點[6，7]。

2 中低壓母線故障分析

以“2臺主變+單母線分段”典型變電站接線（如圖2所示）為例，根據分段投退的運方，開展母線區內、出線區內、保護死區范圍內典型故障分析，在發生故障時保護動作行為如下。

（1） 分段 3DL 分位、1DL 合位、2DL 合位，1號、2號主變分別帶負荷運行時：

d1點故障，1號變低后備保護檢測到故障電流啟動，由1號變低后備保護動作切除母線故障；

d2點故障，2號變低后備保護檢測到故障電流啟動，由2號變低后備保護動作切除母線故障；

d3點故障，分段保護和2號變低后備保護均檢測到故障電流，屬于分段死區故障，由2號變低后備保護動作切除母線故障；

d4點故障，1號變低后備保護檢測到故障電流，由1號變低后備保護動作切除母線故障；

d5點故障，II段母線出線保護和2號變低后備保護檢測到故障電流，屬出線保護區內故障，由出線保護動作切除故障；

d6點故障，1號變低后備保護檢測到故障電流，但低側開關動作后無法切除故障，屬變低死區故障，需跳高側開關才能切除；

d7點故障，1號變低后備保護檢測到故障電流，但低側開關動作后無法切除故障，屬變低死區故障，需跳高側開關才能切除。

圖2 中低壓母線故障

（2）當分段3DL合位、1DL合位、2DL分位，1號變帶全站負荷運行時：

d2點故障，分段保護和1號變低后備保護均檢測到故障電流，1號低后備不能動作，需由分段保護動作切除；

d3點故障，1號變低后備保護檢測到故障電流，分段保護檢測不到故障，由1號變低后備動作切除。其他故障動作方式同1）。

（3）當分段3DL合位、1DL分位、2DL合位，2號變帶全站負荷運行時：

d1點故障，分段保護和2號變低后備保護均檢測到故障電流，2號變低后備不能動作，需由分段保護動作切除；

d3點故障，分段保護和2號變低后備保護均檢測到故障電流，分段保護動作無法切除，屬分段死區故障，由2號變低后備保護動作切除。

d4點故障，分段保護和2號變低后備保護均檢測到故障電流，由分段保護動作切除。

根據上述故障分析，可總結中低壓母線區內故障與區外故障的特點有：

（1）發生母線區內、或出線區內故障時，主變低后備保護均可檢測到故障電流，可設計以低后備為啟動元件的保護。為保證區內故障動作、區外故障閉鎖，需以線路/分段間隔的啟動信號作閉鎖條件；

（2）母線帶分段運行時，分段以外的母線發生故障時，需要分段保護動作切除；

（3）故障發生在分段死區、主變低側死區內時，通過分段保護動作或低后備保護動作跳低側開關可能無法切除，該故障不同于其他類型故障；

（4）故障發生對應于保護所動作開關，無論線路開關、分段開關、低側后備開關均存在動作失靈的問題，需考慮開關失靈的保護處理；

（5）當有多個電源進線同時存在時，需要考慮將多個電源隔離，需同時切除電源進線開關。

3 基于GOOSE的母線保護分析

基于GOOSE的母線保護如圖3所示：由閉鎖元件所在的保護、啟動元件所在的保護、傳輸閉鎖信號的GOOSE網絡組成。

圖3 基于GOOSE的母線保護

根據保護實現的可靠性、選擇性、速動性、靈敏性的特性要求，由于閉鎖元件與啟動元件不在一個裝置內，這3個部分均會對保護的動作行為產生影響，甚至閉鎖信號的正確傳輸對啟動元件產生決定性影響，決定了母線快速保護的動作行為。

3.1 閉鎖信號傳輸的要求

與電纜傳輸信號不同，以通信網絡傳輸信號時主要存在傳輸延遲、通信異常導致的傳輸信號錯誤、報文丟失等問題。

（1）GOOSE信號傳輸延遲：主要有發送設備的延遲、以太網傳輸的延遲、和接收設備處理的延遲，保護設備發送GOOSE報文和接收處理報文均可滿足<4 ms的要求，而網絡傳輸的延遲，經模擬網絡風暴的測試其延遲時間<2 ms，因此，GOOSE傳輸閉鎖信號的總延遲<10 ms，完全可以滿足保護速動性的要求。

（2）GOOSE信號傳輸錯誤丟失：由于GOOSE報文是鏈路層單向多播傳輸報文，通信報文會由于鏈路干擾、轉發設備異常、接收裝置異常丟失。但GOOSE報文有嚴格的校驗和重發機制，一般錯誤或丟失、通信中斷反應到接收設備側均是收不到報文，因此GOOSE通信最大的問題是通信中斷。引起通信中斷的原因主要有通信介質斷開、通信轉發設備故障或斷電、發送設備故障或斷電等原因。因此，影響GOOSE傳輸閉鎖信號可靠性的關鍵因素是實時監測通信、防止通信中斷，只要保證裝置正常時GOOSE通信不中斷或GOOSE通信中斷被快速識別，保護的可靠性就自然得到解決。

3.2 閉鎖元件的要求

閉鎖元件是出線（含電容器、接地變）保護、分段保護中的反應故障過流啟動，指示故障位于母線保護范圍外的邏輯模塊。

對于出線保護而言，閉鎖信號反應的是電流速斷、零序速斷、反時限過流保護的啟動信號；而對于電容器保護而言，閉鎖信號反應的是電流速斷、反時限過流保護的啟動信號、接地變反應的是電流速斷、反時限過流保護的信號。對分段保護，反應的是電流速斷保護的啟動信號。而其他保護模塊的啟動信號不能做閉鎖元件。如發生過流故障時，閉鎖元件發出動作信號時，最好啟動元件同時也會產生過流啟動信號，否則閉鎖元件的閉鎖信號對于閉鎖啟動元件實際意義不大。

3.3 啟動元件的要求

能反應母線保護區內區外的全部短路故障，故障點位置的不同，會形成區外故障、區內一般故障、區內死區等不同類型故障。區外故障主要指：出線區域故障、電容器內部故障、接地變內部故障、分段帶母線及出線故障；區內一般故障主要指：一般母線故障、母設（PT）故障、站用變故障、出線開關與CT間的故障；區內死區故障指：變低死區故障、分段死區故障。

而當上述故障發生時，啟動元件跳令發出后開關拒動導致無法切除的故障，有變低開關故障、分段開關故障、出線開關故障。

啟動元件在實際故障發生時通過接收閉鎖元件的閉鎖信號，準確區分出母線區內或區外故障，迅速閉鎖和開放母線保護功能，并根據故障發展情況，對區內的死區故障、開關失靈故障做出響應并能夠利用跳上一級開關的方式切除全部故障。

4 基于GOOSE的母線保護設計

4.1 閉鎖元件的設計

閉鎖元件應滿足故障電流Imax>Idz并產生保護啟動的條件，而門檻值可根據設計要求作為定值整定，出線保護邏輯如圖4所示。

圖4 出線閉鎖元件邏輯

閉鎖元件輸出加一可設定的延時，主要考慮當出線發生TA穿越性故障時，出線和母線同時或相繼發生故障，為減少停電范圍，此時應按出線先動、母線后動的原則完成，待出線故障切除后延時開放母線保護。

4.2 啟動元件的設計

母線保護需要實現的邏輯功能有：區內故障的快速切除、死區故障的處理、開關失靈故障的處理。因此啟動元件是母線保護的核心。

4.2.1 區內故障的快速切除

為防止母線保護在采樣異常復歸、GOOSE異常復歸、壓板投退后立即動作，設充電環節確保避免保護誤動的可能。

變低的啟動電流按相過流啟動，同時加入電壓跌落判據，確保是真正的母線故障時動作。快速母線保護設兩段控制，可分別用于切除變低、變高（或主變三側）等開關及閉鎖備投功能。區內故障快速動作邏輯如圖5所示。

圖5 區內故障快速動作邏輯

4.2.2 變低死區及開關失靈邏輯

當發生變低死區故障或變低開關失靈故障時，在等待4.2.1的動作邏輯發出并延時后仍無法切除故障，采用如圖6所示的邏輯切除故障。如開關是分位，則表明低側開關跳開后故障仍在判為死區故障，如開關沒有跳開，則判作失靈故障。兩者均啟動跳高側（或主變三側）開關。

圖6 變低死區開關失靈動作邏輯

4.2.3 分段死區及開關失靈邏輯

分段死區故障或開關失靈故障時，因故障續存期間一直滿足分段閉鎖條件，無法執行4.2.1的動作邏輯，需要以分段是否有流及分段動作后的延時條件判別，如果此時分段開關跳開仍有流則判為死區故障，如分段未跳開仍有流則判作開關失靈故障，這2個故障均跳變低側開關。分段死區開關失靈動作邏輯如圖7所示。

圖7 分段死區開關失靈動作邏輯

4.3 保護的整定

母線速動保護的定值整定包括：啟動元件的動作值，閉鎖元件的動作值，及啟動元件與閉鎖元件間的時間配合[5]。

4.3.1 啟動元件的整定

啟動元件按下式整定：

其中：Kr為可靠系數，一般取1.25～1.5；KM為自啟動系數，一般取 1.0；Kret為返回系數，一般取 0.9～0.95；Ildm為最大負荷電流。啟動元件的動作值按躲過最大負荷電流設計，對主變而言，最大負荷電流即為額定電流，對于110 kV變壓器小容量的可能經常滿載運行，不同容量主變的啟動元件動作值如表1所示。

分析以上數據，母線保護的啟動動作值取值應不低于6000 A。

4.3.2 閉鎖元件的整定

母線保護啟動元件在外部故障時不誤動，完全依靠閉鎖元件能正確發出閉鎖信號，而閉鎖元件發閉鎖信號時，啟動元件最好也達到啟動值。

為防止線路TA斷線引起誤啟動信號，即閉鎖元件的電流判別條件必須躲過線路最大負荷電流。一般出線按額定電流600 A計，考慮可靠系數、母線保護啟動等因素，閉鎖元件的電流門檻值應不低于1000 A。

表1 不同主變容量的啟動元件定值

4.3.3 啟動與閉鎖元件的時序配合

根據閉鎖元件實現閉鎖的條件看，閉鎖信號有效后經通信傳輸傳遞到母線保護啟動元件時，存在有明顯的延遲時間TD，延遲時間由以下部分組成：

其中：Ts為發送設備的發送延遲；Tc為通信鏈路傳輸的延遲；Tr為接收設備的接收延遲。從GOOSE的機制可看出Ts的時間可長達4 ms，Tc為通信鏈路及交換機的總延遲時間，一般不超過2 ms，而Tr一般不超過2 ms，上述延遲時間總計在10 ms內。啟動元件的動作延時TD還需考慮與主變差動保護的配合、躲開線路故障的暫態過程，因此，為防止保護誤動、確保動作可靠，啟動元件速動模塊延遲時間內部設定應不小于100 ms。

5 影響母線保護的可靠性因素及解決措施

閉鎖式母線保護需啟動元件與閉鎖元件配合完成的分散式保護，影響母線保護速動的可靠性有以下幾個主要因素：閉鎖信號的可靠性、故障穿越時的保護可靠性、出線有聯絡線時的可靠性。

5.1 GOOSE閉鎖信號的可靠性

GOOSE報文是以太網鏈路層多播MAC通信報文，由GOOSE數據集管理的對象數據通過GOOSE控制塊控制發送節奏，當發送側在信號發生變位后，保證能在最快 （4 ms）的時間內將變化后的值傳輸出來（如圖8所示）。

圖8 GOOSE報文發送機制

由于GOOSE報文是單向發送的，接受側在規定的允許存活時間timeAllowToLive內沒有收到GOOSE報文，則接收方判相應的GOOSE報文通信斷鏈，當未發生信號變位期間，識別通信斷鏈的最大延遲時間可達2×T0，若T0=5 s，則判GOOSE閉鎖信號異常的延遲將長達10 s以上，如上圖，這無法滿足在發生GOOSE通信斷鏈后10 s內發生出線間隔故障出線保護啟動閉鎖母線保護的要求，此情況下母線保護的啟動元件可能誤啟動而致誤動。

為避免上述異常出現，設計了一種母線保護啟動元件過流啟動時的GOOSE握手方案：在母線保護啟動元件過流啟動后，由啟動元件發送“握手”信號報文給閉鎖元件，閉鎖元件收到后立即發送回答報文，啟動元件根據在規定的延遲時間內是否收到閉鎖元件的“握手”信號判別閉鎖元件的GOOSE通信有無斷鏈，如未收到回答報文則認為對應的閉鎖元件GOOSE通信中斷，立即閉鎖母線保護，并等待GOOSE通信正常后再次開放啟動元件。該方法充分利用了GOOSE通信的特點、又不明顯增加GOOSE通信流量，具有實際可操作性。

5.2 故障穿越時的可靠性

故障穿越指在母線保護范圍的CT附近發生的轉移性故障，即母線區外故障轉區內故障，或區內故障轉區外故障的形式。故障穿越時閉鎖元件與啟動元件均可能動作，其動作順序關系到母線保護的可靠性。

當發生母線區外故障轉區內故障時，對于出線分段間隔的轉移故障，已發出閉鎖信號的出線保護、分段保護會返回閉鎖信號，此時要求母線保護在閉鎖元件的閉鎖返回后能母線保護能快速實現啟動元件出口；對于主變低側區外故障轉區內故障時主變差動保護會動作，即使差動保護未動作，母線保護仍能正常啟動不會閉鎖。

當發生母線區內故障轉區外故障時，如故障發生在線路/分段側，在啟動元件動作前閉鎖元件的閉鎖信號會閉鎖母線保護，增加母線保護動作時間；如故障發生在主變低側，則主變差動保護會動作，對母線保護的動作影響也不大。

5.3 出線有聯絡線的可靠性

當出線作為電源聯絡線使用時，如發生線路側保護動作范圍內（母線區外）故障時，出線保護會啟動而發出閉鎖信號，如發生母線區內故障時，出線保護仍會檢測到故障電流而啟動，如允許出線保護發出閉鎖信號，則可能誤閉鎖母線快速保護。因此，對于聯絡線的保護應采取投入方向過流判別條件的措施，當方向指向區外時出線保護發閉鎖信號，方向指向區內時不發閉鎖信號。或由閉鎖元件發送方向判別GOOSE信號給啟動元件，由啟動元件根據是否是電源聯絡線判別是否需要方向閉鎖。

當發生母線區內故障時，母線保護啟動元件動作時，應在切除主變低側的同時，發令切除聯絡線，否則將無法徹底切除母線故障。

6 工程應用

該設計的中低壓母線保護于2013年11月在揚州儀征供電公司110 kV儀征智能浦西變電站內進行了安裝、試驗調試和試運行應用。

浦西變有110 kV/10 kV兩個電壓等級，1臺2號主變，10 kVⅠ段出線通過分段由2號變供電，為本站配置10 kVⅡ段母線保護1臺，閉鎖元件為Ⅱ段12個出線（電容器）間隔、分段間隔，啟動元件位于母線保護內，利用站控層網絡的GOOSE服務獲得了閉鎖元件的閉鎖信號，大大減少了改造的工作量。

母線保護通過9-2從2號主變低壓側合并單元獲取采樣數據、低側和分段開關位置等信號從過程層GOOSE網獲取，出口跳閘也經過程層GOOSE網絡實現，現場通過出線間隔的程序升級構建了完整的10 kVⅡ段母線的快速保護和死區保護，實現了全站的速動保護。

配置母線速動、低側死區失靈、分段死區失靈軟壓板，可靈活投退相關的保護功能。考慮線路檢修或間隔退出運行等工況，設置識別線路檢修的硬壓板，母線保護根據壓板狀態自動判別相應的間隔是否需作為閉鎖元件，符合實際需要，簡便可行。

7 結束語

針對變電站中低壓母線保護缺少配置、事故損失嚴重的問題，利用智能變電站保護網絡化通信的優勢和支持GOOSE通信的能力，給出了智能變電站中低壓母線快速保護的設計方案，該方案降低了保護配置的成本，減少了工程施工量，解決了閉鎖信號可靠性的問題。

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