改進型簡易母線保護在水電廠的應用研究

趙明君，王 杰，侯 煒，陳 俊

（1. 國網新疆信通公司，新疆烏魯木齊市 830000；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京市 211102）

0 前言

我國水資源豐富，近年來水電在我國得到了快速地發展。水電廠中低壓母線為水輪機及其他輔助設備的正常運行提供動力支撐，其重要性不言而喻。高壓開關柜作為中低壓母線的載體，由于其空間狹小，在發生故障時，往往伴隨柜體燃弧、起火，若不能及時切除故障，往往帶來嚴重的經濟和財產損失。

為加強中低壓母線的保護，近年來一些中低壓母線的保護方案在水電廠得到越來越多的應用。其中應用最多的是簡易母線保護和弧光保護。簡易母線保護通過進線和分段電流作為啟動信號，并用母線各出線保護的過流閉鎖信號作為輔助判據區分區內外故障。隨著過程層網絡技術日益成熟，特別是站域保護控制系統逐步成熟，為中低壓母線保護帶來新的契機。弧光保護以發生故障時的弧光檢測為主要依據，發生故障時，可快速定位故障點，同時結合故障電流判據，可快速切除故障。

過程層網絡技術的成熟，通過GOOSE傳輸開關量，可減少現場硬接線的使用，大大降低施工量。本文通過建立簡易母線保護與所有饋出線保護共有的GOOSE網絡，在傳統簡易母線保護基礎上，結合弧光保護可快速定位故障點的優勢，提出一種改進型簡易母線保護方案，可快速切除中低壓母線故障。

1 廠用分支母線保護現狀

差動保護選擇性好，響應速度快。但中低壓母線饋線較多，差動保護并不適用于中低壓系統。況且差動保護對TA性能要求較高，又會增加投資成本，故限制了差動保護在中低壓中的應用。以下介紹幾種現有的廠用母線保護方案。

1.1 高壓廠用變壓器后備過流保護

依靠高壓廠用變壓器的后備過流保護來切除母線故障是主流解決方案。但該方案需要同饋線保護配合使用，級差配合使得該方案切除故障往往需要數百毫秒甚至1s以上。故障長時間存在往往使設備損壞嚴重，同時對運維人員存在潛在危害。

1.2 弧光保護

廠用母線的載體是高壓開關柜。由于開關柜結構緊湊，在柜內發生短路故障時往往伴隨燃弧現象發生。弧光保護通過安裝在開關柜中母線室和斷路器室的弧光傳感器實時監測發生故障時的故障弧光，在發生弧光故障時，快速切除母線進線或者分段斷路器，從而切除母線故障。

開關柜的電纜室觸頭也是發生弧光故障的高發區域。當電纜室發生弧光故障時，間隔保護通過采集電纜室弧光信號，結合本間隔過流信號，快速跳開本間隔斷路器來切除故障。故現在也有將弧光保護融合在單間隔保護當中，例如弧光線路保護，弧光電動機保護等。下面以常見的KYN-28出線開關柜說明弧光保護的工作原理。

圖1中，在開關柜母線室、斷路器室和電纜室分別安裝了1只弧光傳感器。1號傳感器安裝在母線室，屬于母線保護范圍。2號傳感器安裝在斷路器室，若故障發生在開關機構下觸頭，斷開本間隔斷路器即可隔離故障；若故障發生在開關柜上觸頭，需要切除本母線進線或分段斷路器才能切除故障。為防止開關柜上觸頭故障，斷開本間隔斷路器無法及時隔離故障，而可能導致故障范圍繼續擴大，本文將斷路器室的弧光故障歸為母線保護范圍。由于電纜室發生弧光故障將本間隔斷路器斷開即可隔離故障，故3號傳感器屬于間隔區保護范圍，需要將該信號傳送給本間隔保護中。弧光保護往往需要故障電流作為輔助判據以防止弧光保護誤動作。在饋線弧光保護使用過程中，假如在斷路器和TA之間的死區（圖1中F1處）發生弧光故障，本間隔TA采集不到故障電流有可能導致饋線弧光保護拒動。

圖1 KYN-28開關柜結構示意圖Fig．1 Schematic diagram of KYN-28 switchgear structure

1.3 基于GOOSE的簡易母線保護

簡易母線保護通過母線的進線和分段電流實現保護功能，并通過母線的饋線保護啟動信號對其進行閉鎖。母線區外故障時，相關間隔保護發出閉鎖信號閉鎖簡易母線保護；區內故障時，相關保護不發閉鎖信號，從而簡易母線保護可快速切除母線進線或者分段斷路器。通過GOOSE接收被保護母線所有饋線的閉鎖信號，可以簡化二次硬接線。GOOSE報文的校驗與重發機制有效地避免信號傳輸的丟失與錯誤，提升了保護的可靠性。

在基于GOOSE信號的簡易母線保護基礎上，結合弧光保護可快速定位故障點的優勢，本文提出一種改進型的簡易母線保護方案。將所有開關柜的弧光傳感器都連接至間隔保護中，通過GOOSE網將每個開關柜的弧光信號以及閉鎖信號全部傳給簡易母線保護裝置。簡易母線保護裝置通過進線、分段電流、饋線閉鎖信號及弧光信號進行邏輯判斷是跳開母線進線、分段還是饋線斷路器。該方案可以減少弧光傳輸光纖的敷設。利用弧光信號檢測達到快速隔離故障的目的。

2 改進型簡易母線保護

2.1 母線單元模塊

低壓母線系統通常由多段母線連接組成。基于常見的母線主接線方式，抽象出母線單元模塊，由進線和兩個分段組成，其模型如圖2所示。

圖2 母線單元模塊Fig．2 Bus unit modules

系統發生故障時，如果故障屬于被保護母線區內故障，則有功功率通過分段1、2流向該母線。為此，可根據分段斷路器的功率流向確定故障發生在哪段母線上。若母聯TA同名端在遠離被保護母線的一側，如圖2所示，定義有功功率為：

式（1）中，φA，B，C為U超前I的角度。若母聯CT同名端在被保護母線一側，與圖2所示相反，則定義有功功率為：

在簡易母線保護啟動后，需計算分段1、2的有功功率。若為正，表示有功功率從其他母線流向本母線；為負表示有功功率從本母線流向其他母線。母線單元模塊過流共5種情況，對應5種故障模式：

模式1，僅進線過流，表征該段母線是獨立運行的母線，或與其他母線之間的分段斷路器在分位時，本母線故障。

模式2，僅一個分段過流，表征該段母線為末端母線，并且不存在進線，或進線斷路器在分位時，本母線故障。

模式3，進線和一個分段過流，表征該段母線有一側分段斷路器不存在或斷路器在分位，且該進線提供故障電流。是否為本母線故障，需要根據分段斷路器的有功功率判斷。有功功率為正，表示本母線故障；有功功率為負，表示故障在其他母線段。

模式4，兩個分段過流，進線不過流，表征該段母線沒進線或者進線斷路器在分位。是否為本母線故障，需根據兩個分段斷路器的有功功率判斷。若兩個分段斷路器功率都為正，表示本段母線故障；若兩個分段一正一負，表示故障在其他母線段。

模式5，進線和分段均過流，只表征該段母線提供故障電流。是否為本母線故障，需要根據分段斷路器的有功功率判斷。若兩個分段斷路器功率都為正，表示本段母線故障；若兩個分段一正一負，表示故障在其他母線段。

2.2 饋線閉鎖信號

饋線故障時，不希望誤跳進線斷路器，為此需要饋線保護在檢測到故障電流時能發出閉鎖信號，用于區分區外故障。

廠用6kV母線負荷以高壓電動機為主，電動機啟動電流很大，一般可達到（6～8）Ie。當電動機在短時失去電源，電源恢復時，電動機將經歷一個類似于啟動的過程，也有較大的自啟動電流。本文在電動機啟動或自啟動的過程中使用高定值來躲過啟動電流。在電動機啟動完成正常運行時，為兼顧保護靈敏性，定值自動轉為低值。母線故障時，電動機的轉子磁通不能突變，從而產生幅值很高的反饋電流，有可能誤發簡易母線閉鎖信號。為了防止反饋電流啟動保護誤發閉鎖信號，使用過流方向元件進行閉鎖。當正極性在母線側時，方向元件特性如圖3所示。

圖3 方向元件特性Fig．3 Directional element characteristics

方向元件采用90°接線方式。靈敏角為-45°（靈敏角為電壓超前電流的角度）。方向元件和電流元件接成按相啟動方式。方向元件帶有記憶功能，可消除近處三相短路時方向元件的死區。由此得到電機給簡易母線發出的閉鎖信號邏輯如圖4所示。

圖4 閉鎖信號邏輯Fig．4 Latch signal logic

同時，間隔保護通過安裝在開關柜內母線室、斷路器室，電纜室的弧光傳感器收集各個高壓開關柜的弧光信號，通過GOOSE網絡傳給簡易母線保護，如圖5所示。

特別地，簡易母線保護由于采集進線或者分段的電流作為判據，當開關柜電纜室發生弧光故障時，不論故障在TA下方或在斷路器和TA的死區位置，簡易母線保護均能采集到故障電流，而有效切除故障。

圖5 間隔（負荷）保護示意圖Fig．5 Schematic diagram of load protection

簡易母線保護啟動后，通過GOOSE網絡實時收集各個間隔負荷保護的閉鎖信號，以及弧光保護信號。通過邏輯運算選擇跳開母線進線、分段或間隔斷路器。間隔保護通過GOOSE網絡與簡易母線保護之間信號交換示意圖如圖6所示。

圖6 站域保護信息交換示意圖Fig．6 Information exchange diagram of station domain protection

2.3 簡易母線保護動作邏輯

當母線任一進線或分段電流大于整定值時，簡易母線保護啟動。

簡易母線保護啟動后，若收到負荷閉鎖信號，簡易母線保護不動作。

簡易母線保護啟動后，若未收到負荷發出的閉鎖信號，則表征是母線故障。需根據各母線單元模塊的故障模式進行跳閘處理。

如果本母線處于故障模式1，則經簡易母線Ⅰ段跳開進線。如本母線處于故障模式2，則經簡易母線Ⅰ段跳開分段。如若本母線處于故障模式3，需計算分段斷路器的有功功率：若有功功率為正，表征本母線故障，簡易母線Ⅰ段跳開進線和分段斷路器；有功功率為負，表征故障不在本母線，簡易母線保護不動作。如若本母線處于故障模式4或模式5，需計算分段斷路器的有功功率：兩個分段斷路器功率都為正，表示本段母線故障，簡易母線保護Ⅰ段跳開兩個分段（和進線）；兩個分段一正一負，表示故障在其他母線段，本母線簡易母線保護不動作。

簡易母線保護啟動后，若收到間隔保護的弧光信號，表征故障發生在高壓開關柜內；若弧光信號發生在開關柜電纜室，簡易母線速斷保護通過GOOSE網絡發出跳閘信號跳開發生弧光故障的負荷斷路器；若弧光信號發生在開關柜母線室或斷路器室，簡易母線速斷保護根據進線電流跳開進線或分段斷路器。

簡易母線保護電流定值整定需保證在系統最小運行方式下有足夠的靈敏度，并要躲過正常運行時的最大負荷電流。簡易母線Ⅰ段推薦整定定值為50ms；在發生弧光故障情況下，簡易母線速斷時間推薦整定0ms。為防止死區故障或者斷路器失靈，經整定失靈延時后，跳上級斷路器確保故障有效隔離。失靈延時推薦150ms。

3 實施方案及仿真驗證

以單母分段主接線為例，說明本文所述簡易母線保護實施方案。圖7為單母分段主接線簡易母線保護設備信號連接示意圖。圖8為動模仿真系統。

簡易母線保護根據兩種常見的運行方式，模擬不同故障點的短路故障進行仿真分析驗證。

3.1 兩進線一主一備運行方式仿真結果

當1DL、FD斷路器在合位，2DL在分位時：

F1故障：電動機保護動作跳開1L1，簡易母線保護不動作；觸發1L1高壓開關柜電纜室弧光傳感器，簡易母線保護速斷動作，跳開1L1。

F2故障：1DL過流。簡易母線保護經50ms跳開1DL和FD。觸發1L1高壓開關柜母線室或斷路器室弧光傳感器，簡易母線保護速斷動作，跳開1DL和FD。

圖7 方案實施示意圖Fig．7 Schematic implementation diagram

圖8 動模仿真系統Fig．8 Dynamic model simulation system

F3故障：1DL過流。簡易母線保護經50ms跳開1DL和FD。

F4故障：1DL過流。簡易母線保護經50ms跳開1DL和FD。經150ms后，故障電流未切除，失靈保護跳開主變壓器高壓側。

F5故障：1DL和FD過流。計算Ⅰ段母線分段斷路器有功功率為負，簡易母線保護（Ⅰ段母線）不動作。簡易母線保護（Ⅱ段母線）經50ms跳開FD。觸發2L1高壓開關柜母線室或斷路器室弧光傳感器，簡易母線保護速斷動作跳開FD。

3.2 兩進線分列運行方式仿真結果

當1DL、2DL在合位，FD在分位時：

F1故障：電動機保護動作跳開1L1，簡易母線保護不動作；觸發1L1高壓開關柜電纜室弧光傳感器，簡易母線保護速斷動作，跳開1L1。

F2故障：1DL過流。簡易母線保護經50ms跳開1DL。觸發1L1高壓開關柜母線室或斷路器室弧光傳感器，簡易母線保護速斷動作，跳開1DL。

F3故障：2DL和FD過流。計算Ⅱ段母線分段斷路器功率為負，簡易母線保護（Ⅱ段母線）不動作。經150ms后，故障電流依然在，失靈保護跳開2DL。

F4故障：1DL過流。簡易母線保護經50ms跳開1DL。經150ms后，故障電流未切除，失靈保護跳開主變壓器高壓側。

F5故障：2DL過流。簡易母線保護經50ms跳開2DL。觸發2L1高壓開關柜母線室或斷路器室弧光傳感器，簡易母線保護速斷動作跳開2DL。

4 結束語

本文在簡易母線保護基礎上，提出了一種改進型的簡易母線保護方案。利用弧光傳感器快速定位故障點的優勢，達到快速切除故障的目的。與傳統弧光保護相比，該方案弧光信號采集由各饋線保護完成，弧光傳輸光纖敷設工作量大大減小。該方案同時可消除單間隔弧光保護電纜室發生死區故障拒動的隱患。本方案不僅適用于水電廠，也適用于火電、核電及其他類型的發電廠，因此有很好的借鑒意義以及推廣前景。

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