基于220kV變電站仿真系統的母線保護應用

在發電廠和變電所中，母線是電力系統中集中與分配的重要環節，母線上連接的用電設備較多，一般是多條進線、出線交匯于此，它的安全運行對不間斷供電具有極為重要的意義。母線發生故障時處理不得當，將使連接在故障母線上的所有元件在切除故障期間處于停電狀態。同時，延時切除將造成母線結構和設備嚴重損壞，檢修設備和停電倒母線造成的損失非常大，有可能引起系統穩定的破壞。所以對母線保護的要求應突出安全性和快速性，在母線故障設置相應的保護裝置。

隨著計算機多媒體技術、圖像技術等的發展，人們開始使用數字仿真技術代替傳統的物理模擬實驗，在計算機上進行仿真實驗，在廣東工業大學投入使用的變電站仿真系統KEA采用開放式的實時UNIX操作系統作為仿真軟件運行環境，在電力系統尤其是高壓及超高壓系統中應用越來越普及，可模擬實際系統中繼電保護中常規保護的動作行為，如線路距離保護、零序保護、過流保護、母線的母差保護、開關失靈保護、變壓器的縱差保護、瓦斯保護、 零序電流保護等。

電力系統的繼電保護及裝置結構

繼電保護概述

繼電保護主要由電力系統故障分析、繼電保護原理及實現繼電保護配置設計、繼電保護裝置運行與維護等技術構成。利用電力系統中發生故障或不正常運行狀態時的電氣量（電流、電壓、功率、頻率等）的變化，迅速找出有別于正常運行狀態的特征量，從而構成繼電保護動作的原理，還有根據電氣設備的特點實現反映非電氣量的保護，如變壓器油箱內部繞組發生短路時產生的大量瓦斯和油箱壓力增大的保護。

電力系統繼電保護裝置

電力系統繼電保護裝置是就是通過反映電力系統中被保護設備的各種電氣狀態，當發生故障或不正常運行狀態時，自動、迅速、準確地跳開離故障元件最近的斷路器，使故障元件及時從電力系統中切除，減少對電網及系統元件的損壞，防止事故的擴大和蔓延；繼電保護裝置是電力系統密不可分的一部分，是保障電力設備安全和防止、限制電力系統大面積停電的最基本、最重要、最有效的技術手段。同時，它的基本要求有選擇性、速動性、靈敏性、可靠性，除了以上四個基本的要求外，在實際中還要考慮經濟性，在能實現電力系統安全運行的前提下，盡量采用投資少、維護費用低的保護裝置。

母線繼電保護的基本原則

（1）電流差動母線保護：通過比較與母線相連的所有元件的流入與流出電流，即差動回路的電流∑I，可以用來判斷母線故障或正常運行與母線外部故障；以單母線電流差動保護為例，所有接于母線的支路，都將其電流接入差動回路，因而這些支路的元件發生故障都不在母線差動保護范圍內。在正常運行及外部故障時，I流入差動回路=Iub；當母線上故障時，流入差動回路的電流如下：

（2）電流比相式母線保護：利用總差動電流判別是否母線上發生故障，在判別為母線故障的情況下，一差動電流為參考量，用母聯電流相位判別故障母線。在正常運行及母線外部故障時，至少有一個母線連接元件中的電流相位和其余元件中的電流相位是相反的，即電流流入的元件和電流流出的元件中電流的相位相反；當母線故障時，除電流等于零的元件以外，其他元件的電流基本上是同相位的。

（3）斷路器失靈保護：在110kV及以上電壓等級的電網中，當母線發生故障，在保護裝置動作于切除故障時，出現了斷路器拒動現象，稱之為斷路器失靈故障，所以要裝設斷路器失靈保護。斷路器失靈保護動作時要求故障母線上連接的所有支路斷路器能夠以較短的時間全都跳開，隔離故障部分，降低保護勿動帶來的損失。對斷路器失靈保護增加了兩個保護動作出口條件：故障支路保護裝置出口繼電器在保護動作后一直處于保持狀態不返回；被保護范圍內的故障狀態仍未被切除。當母線支路較多時，一般采用母線Tv檢測的方法判斷母線故障或者斷路器拒動是否被切除；當母線支路較少時，一般采用各支路TA檢測的方法判斷母線故障或者斷路器拒動是否被切除。

新建220kV變電站仿真系統

新建220kV變電站主接線圖如圖1所示。新建220kV變電站采用雙母線雙分段接線方式，有兩臺母聯聯絡斷路器，220kV八回出線，其中六回為聯絡線，一回線為聯絡線或終端方式，一回為終端線，220kV與35kV母線之間用三臺兩圈五載調壓變壓器連接，單臺容量為100兆伏安，35kV側接地變中性點經小電阻接地。35kV為單母線六分段接線方式，中間用三臺分段斷路器連接，共24回出線，35kV母線上接有三組電容器，電抗器作為無功補償。兩臺站用變，35kV/380V。直流部分分為二套硅整流器，一套硅整流器，一套蓄電池，二段直流母線，八路直流負荷線。

變電站繼電保護配置：變電站中2201線采用7SD24，LCD21，PL-H-11A（相間距離Ⅰ Ⅱ Ⅲ段，接地距離Ⅰ、Ⅱ段，零序Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ段），斷路器失靈保護等保護配置；2202線的保護配置有電流Ⅰ、Ⅱ段（兩套）；而2203線與2207線采用WXB-11C，LFP901A保護配置，2204線與2208線采用JGB-11D，JGX-11D，PLH-11A（相間距離Ⅰ Ⅱ Ⅲ段，接地距離Ⅰ Ⅱ段，零序Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ段）保護配置，而2205線采用CLS101A，LEP902A保護配置，2206線采用LEP931A，LFP902A；母線上220母聯和220分段都采用充電保護、解列保護、斷路器失靈保護，主變T1、T2、T3的保護配置有差動（BCH-1），220kV零流Ⅰ Ⅱ段，220kV零壓，220kV速斷、220kV過流、35kV過流、35kV零流、35kV過負荷、重瓦斯、溫度、斷路器失靈保護；同時，該變電站在接地變裝有速斷、過流、零流Ⅰ Ⅱ段，重瓦斯、輕瓦斯等保護配置，在35kV母線上有單母母差保護，35kV電容器采用了過流Ⅰ Ⅱ段，零流Ⅰ Ⅱ段，壓差、低電壓、過電壓等保護配置，35kV電抗器則采用了差動、重瓦斯、過流Ⅰ Ⅱ段、零流Ⅰ Ⅱ段等保護配置。

母線故障模擬及結果分析

故障類型：正一母線A相接地

（1）故障現象：該變電站與正一母線相連接的負載斷開，母聯斷路器、分段斷路器斷開。1號母聯斷路器中正一母差動動作，220kV1號母聯第一、二組出口跳閘，正一母復合電壓動作；2201線路中第一、二組出口跳閘；2202線路中第一、二組出口跳閘，WXB-11C故障，LFP-901發信及異常，WXB-11C發信 ；2203線路中的WXB-11C故障，LFP-901A發信及異常，WXB-11C發信；2204線路JGX-11D發信，JGB-11發信；2205線路上YBX-1（CSL-101A）動作；2206線路中WXB-11C故障，LFP-901A發信及異常，WXB-11C發信；2207線路中WXB-11C故障，LFP-901A發信及異常；2208線路中JGX-11D發信，JGB-11D發信。

（2）故障分析：壓板打上之后，正一母線發生A相接地故障時，A相電壓下降為零，正一母差動動作跳閘，切除正一母與付一母的連接，防止故障擴大到付一母線，同理，分段斷路器2也動作跳閘，切除正一母線與正二母線的連接，防止故障擴大到正二母線。2201、2202線路與正一母連接， 2201線路零序Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段保護動作，母線故障導致WXB-11C微機高頻距離保護和LFP-901A微機方向高頻保護檢測到外部故障先發出閉鎖信號；在正一母切除后，線路2202失壓，WXB-11C發信使2202的第一、二組出口跳閘，切除線路與母線的連接；同理，連接在正一母線上的負載全部斷開連接。對于2203～2208的其他負載線路，正一母線的故障屬于外部故障，因此，對應線路的保護會發出相應的閉鎖信號。

故障類型：220kV正一母A相接地（壓變處）、220kV#1母聯開關拒動

（1）故障現象：該變電站的2201線路第一、二組出口跳閘，2202線路第一、二組出口跳閘，WXB-11C故障，LFP-901A發信及異常；2203線路WXB-11C故障，WXB-11C發信；2204線路JGX-11D發信，JGB-11D發信；2205線路中YBX-1（CSL-101A）動作，YBX-1（LFP-902A）動作；2206線路FOX-40動作信號；2207線路WXB-11C故障，LFP-901A發信及異常，WXB-11C發信；而2208線路JGX-11D發信，JGB-11D發信；母線上正一母線上母差動作和復合電壓動作，付一母線上復合電壓動作，220kV1號母聯第一、二組出口跳閘，付二母線上復合電壓動作，正二母線上復合電壓動作；220kV1號分段斷路器的第一、二組出口跳閘；35kV母聯上一/六母線失壓，二/三母線失壓，四/五母線失壓，一/六母線低電壓動作，二/三母線低電壓動作；此時2203線路第一、二組出口跳閘；2204線路出口跳閘，付一母差動動作，正一母線失靈動作，付一母線失靈動作；220千伏2號分段處第一、二組出口跳閘，35kV四/五母線低電壓動作，35kV一/六分段報警、彈簧未儲能，自切動作，35kV二/三分段自切動作。

（2）故障分析：正一母線發生接地故障，其母差動保護判斷為母線故障，瞬時動作，但是由于母聯拒動，付一母也相當于短路，付一失靈動作。正一母復合電壓也會同時動作。2201和2202線路由于直接接于正一母線，所以其對應的保護瞬時動作。為了不讓故障延續到其他母線，正（付）母分段動作，一號分段動作。連接于正一母的一號主變保護及時動作，跳開斷路器。為保證供電可靠，一/六分段、二/三分段自切裝置動作。

母線保護隨著電力系統規模的不斷擴大，其在電力系統中的重要性也日漸突出，一旦母線發生故障，會對電力系統的穩定造成嚴重的威脅，所以必須極快地切除故障，保持系統的穩定；同時母線上的保護裝置也有了極高的要求，必須保證其安全性和可靠性。而且母線上上連接的電路數較多，不同電路的電氣狀態也不一樣，變化范圍有可能相差較大；當母線發生內部故障時，而母線上的保護裝置無法啟動保護時，失靈保護動作，同時母線上的復合電壓也會同時動作，跳開與故障母線相連的電路；由于母線的運行方式比較多，操作較為頻繁，所以母線保護必須要適應母線的各種運行方式。（作者李惜玉供職于廣東工業大學自動化學院；周旭良系廣東工業大學自動化學院本科生。基金項目：本文系2013年廣東省廣東工業大學省級大學生創新基金資助項目（項目編號：1184513164）、2014年廣東省廣東工業大學大學生創新基金資助項目、廣東省高等教育教學改革項目（粵財教[2012]361號）、2012廣東工業大學校級重點項目（項目編號：2012Z010）、廣東省電氣工程及其自動化特色專業基金資助項目（項目編號：402102299）的研究成果）