母線保護閉鎖備自投裝置動作方式探討

賴天德

[摘要] ?母線故障被母線保護切除后，在某些情況下備自投能夠動作于合閘，使變電站的斷路器合閘于故障，導致事故擴大。本文以110kV單母分段接線具備4出線間隔的變電站為例，通過分析不同母線運行方式下的故障特征，總結備自投裝置動作情況。針對合于故障的備自投運行方式，設計了母線保護閉鎖備自投的三種方式，以滿足不同條件的備自投裝置選擇特定的閉鎖方式。

關鍵詞 ?保護配合;閉鎖方式;母線保護

引言

在變電站內，當母線因線路故障導致失壓時，備自投裝置能夠動作恢復母線電壓，降低線路故障的影響。然而，當母線上發生故障時，由于備自投裝置感受的故障特征條件與線路故障時一致，在滿足動作條件時，備自投裝置會動作，并合于母線故障，后果輕則導致分段斷路器爆炸，重則直接威脅全站電力設備安全。本文采用過程分析法，以110kV單母線分段的變電站為模型，對母線故障時的備自投動作情況進行分析推斷，確定母線保護與備自投裝置動作沖突點，并提出了防止備自投裝置動作合閘于母線故障的多種方式。

1 母線保護及備自投裝置概述

1.1 母線保護

母線是變電站電能流通的樞紐，是變電站內最重要的電力設備，當母線發生故障時，母線保護能快速動作切除母線相連各斷路器，以隔離故障點，減少設備停運范圍。母線保護需要判斷母線電壓及母線相連運行間隔的電流矢量值。當電壓和差動電流條件均滿足時，母線保護動作斷開分段斷路器、故障母線上的線路斷路器及變壓器高壓側斷路器。目前部分110kV單母分段接線變電站已完成母線保護改造并投入運行。

1.2 備自投裝置

備自投裝置全稱是備用電源自動投入裝置，當其感受到母線電壓降低，電源線路電流消失時，備自投裝置能夠主動斷開電源線路斷路器并自動投入備用電源線路，它的應用能有效減少電力負荷損失。在110kV單母分段接線變電站中，均有設計110kV備自投裝置[[參考文獻：

國家標準. 繼電保護和安全自動裝置技術規范[S]. GB/T 14285-2006]]。110kV備自投功能分為進線備自投和分段備自投，動作區別在于恢復母線電壓的方式不同，前者通過切換電源線路完成，后者則通過合上分段斷路器來恢復母線電壓。以110kV單母分段接線及四條出線間隔的變電站為例，110kV備自投具備14種運行方式，投入進線備自投的運行方式6種，投入分段備自投的方式有8種。這14種方式對應不用狀態下的變電站電力一次設備狀態，當電力一次設備狀態滿足備自投裝置對應的運行方式時，備自投裝置將會完成充電。當電力一次設備狀態改變且滿足備自投裝置動作條件時，備自投裝置將會動作。

1.3 強制進線備自投

考慮到區域電網并列問題，并且對于缺少合于故障后加速跳閘功能的備自投，其分段備自投功能可能導致合于故障后無法及時切除故障，從而導致全站失壓，并且短路電流長時間存在，直接危害電力設備安全。[[[] ?朱豐堂，朱財樂. 強制進線備自投的應用研究[J]. 電工技術， 2015（02）：71-72]]據繼電保護反事故措施規定，對于上述備自投，采取強制進線備自投功能。即通過人為置位的方式，虛擬出分段開關合位開入，使備自投裝置“判斷”分段開關位置保持在合位。從而使備自投裝置的進線備自投功能邏輯充電。使用強制進線備自投功能后，備自投裝置需要在兩段母線同時失壓時才能動作，且失去分段備自投的功能。在母線分列運行時，無法避免因電源線路故障導致的單母失壓結果。

2 母線故障后備自投動作分析

以110kV側單母分段的110kV典型設計標準變電站作為故障分析模型，分別對并列運行、分列運行下兩種狀態的母線故障進行探討，另外還對具備強制進線備自投功能的備自投裝置在母線故障下的動作狀態進行分析。本文將以母線運行方式為論證出發點，分析采取閉鎖回路前母線保護及備自投裝置動作狀態，并探討出采取閉鎖回路的方式。由此制定閉鎖回路設計的思路。思路圖如圖2.1所示。

2.1 分列運行時母線故障

母線故障指母線及直接相連的導線上發生短路的故障。母線發生故障的特征具體表現為母線電壓降低及電源間隔電流增大，通過將母線各個間隔的電流進行矢量計算，可以得出母線差流值，母線保護根據電壓值降低量及差流值的增大量綜合判斷母線是否存在故障。110kV母線分列運行時母線上發生故障，110kV母線保護會動作切除與故障母線相連的間隔斷路器，包括分段斷路器、線路斷路器及變壓器高壓側斷路器。110kV母線保護的動作條件包括母線失壓（低于無壓定值）、大差動作（大差差流滿足動作條件），而判斷及選擇故障母線的條件則是小差動作（通過差流大小來判斷母線是否存在故障）來完成。

2.1.1 分段備自投動作分析

以110kV單母分段接線的變電站為例，110kV母線分列運行時，分段備自投方式充電，當某一條110kV母線發生故障時，母線保護會瞬時切除相連斷路器。當母線失壓時，備自投裝置將啟動計時，經3500ms延時跳開失壓母線上電源線路斷路器，收到該線路斷路器跳位后，備自投動作合上分段開關。由于備自投裝置無法識別導致母線失壓的原因是母線故障還是電源線路故障，在母線故障時備自投裝置同樣會動作于分段斷路器合閘，致使合于故障母線。綜上所述，在分列運行的母線上發生故障時，由母線保護切除故障后分段備自投會使分段斷路器合于母線故障，導致事故擴大。因此，母線保護動作后，分段備自投不應動作，應被閉鎖。[[[] ?張新來. 110kV變電站母線保護與備自投配合關系分析[J]. 電工技術， 2017（5）： 86-87.]]

2.1.2 強制進線備自投動作分析

強制進線備自投在110kV母線分列運行時投入，當單段母線故障時，強制進線備自投不會動作，不會擴大事故范圍。在兩段母線同時發生故障時，母線保護動作切除所有斷路器后，強制進線備自投會動作合上備用電源線路斷路器，即合于母線故障，短路電流會流經上一級電源的變壓器，嚴重時燒壞變壓器。因此，母線保護動作后，強制進線備自投不應動作，應被閉鎖。

2.2 并列運行時母線故障

同以110kV單母分段接線的變電站為例，110kV母線并列運行時，單段母線上發生故障時，兩段母線電壓同時降低，短路電流流經分段斷路器，母線保護能夠選擇出故障母線予以切除。母線保護動作的原理以及特征與分列運行時的情況一致。

2.2.1 進線備自投動作分析

在110kV母線上有2條及以上電源線路且進線備自投充電的運行方式下，母線發生故障時，兩段母線同時失壓，母線保護動作切除分段斷路器及故障母線上相連間隔的斷路器，非故障母線維持正常運行。當分段斷路器被切除后，兩段母線中一段有電壓，另一段無電壓，滿足備自投裝置放電邏輯，備自投裝置不會動作。

當并列的母線上只有1條電源線路運行且進線備自投充電的情況下，母線發生故障時，兩段母線同時失壓，母線保護動作切除分段斷路器及故障母線上相連間隔的斷路器。若故障母線為電源線路所掛接的母線，則母線保護動作后，全站母線將失壓，進線備自投會動作合上備用電源線路斷路器，恢復非故障母線電壓。若故障母線不是電源線路所掛接的母線，則母線保護動作后，故障母線被切除隔離，非故障母線繼續運行，備自投裝置不會動作。綜上所述，并列運行的母線發生故障，母線保護動作后不需要對備自投裝置進行閉鎖。

3 備自投裝置的閉鎖方式

通過上文的分析，可以采取多種方式來閉鎖備自投裝置的動作行為。閉鎖的邏輯需要考慮母線是否在并列運行，當母線在并列運行時，母線保護動作不需要閉鎖備自投裝置。當母線在分列運行時，母線保護動作需要閉鎖備自投裝置。另外，在單段母線檢修時，備自投裝置無相關運行方式，為簡化二次回路設計，可以并入母線分列運行的情況。閉鎖的方式包括增設開入、退出總功能開入、斷開開入電源或改變線路斷路器合后位置狀態。[[[] ?黃劍. 220kV備自投裝置外部閉鎖回路設計問題[J]. 廣東輸電與變電技術， 2010（2）：19-20

3.1 增設備自投總閉鎖開入

增加備自投總閉鎖開入的設計是最直接的閉鎖方式。對于具備總閉鎖開入的備自投裝置而言，將母線保護動作接點串接入其總閉鎖開入回路當中，可以實現母線保護動作時閉鎖備自投。考慮到母線分列、并列時母線保護動作后閉鎖備自投的情況不同，需要在閉鎖回路中串接反應母線并列的接點，如串接分段斷路器節點及其兩側刀閘的節點作為母線并列的接點、電壓互感器并列裝置的并列繼電器接點。另外，若備自投裝置有裝置總閉鎖壓板，則需要將上述閉鎖開入的首尾并接至總閉鎖壓板兩端。考慮防止母線保護檢修時誤閉鎖備自投的情況，具體實現的回路如圖3.1所示，圖中省略備自投裝置屏內部接線。

3.2 退出備自投總功能

部分110kV備自投裝置缺少閉鎖總功能開入，但具有備自投功能開入。因此閉鎖備自投可以采取退出備自投總功能的方式，其原理與增設閉鎖回路相似。區別在于備自投裝置的開入邏輯完全相反，退出備自投總功能回路需要應用母線保護動作的動斷接點，當母線保護動作時，斷開備自投總功能開入回路以實現閉鎖備自投。同時需要將母線并列反應到回路當中，因此需要將表示母線并列的動合接點并接至母線保護動作的動斷接點。具體回路實現如圖3.2所示。圖中省略備自投裝置屏內部接線。

3.3 母線保護采用手動跳閘

當母線保護跳開斷路器方式采用手動跳閘時，電源線路斷路器的合后位置被復歸，使備自投裝置放電。在二次回路設計上，此方法較容易實現。但采取手動跳閘時，會不利于事故后故障分析，并且無法生成事故總信號，有礙于調度進行監測。如采取母線保護手動跳閘各線路斷路器的方式，則應該完善變電站故障錄波功能及加強母線保護動作的遙信級別。

4 結束語

在110kV變電站內，當110kV母線分列運行或有母線檢修時，母線發生故障并由母線保護切除后，需將備自投裝置閉鎖，以防止其動作合閘于故障，擴大事故范圍。本文通過分析不同運行方式下的母線故障情況，探討了對應運行方式下備自投的動作是否應該被閉鎖。并結合了現場二次回路的簡化目的，總結出母線分列運行及單段母線檢修狀態下，母線保護動作應閉鎖備自投裝置，而在母線并列運行狀態下，母線保護動作不閉鎖備自投裝置。設計了三種能夠防止備自投裝置動作合閘于故障的方式。從簡化回路的角度，第一種方式實施難度較小，實施后果影響及風險較小。但對于不具備閉鎖備自投開入的裝置而言，需要采取第二種或者第三種方式。當母線保護采取手跳斷路器的方式時，需要加強完善變電站故障錄波能力及母線保護動作遙信告警等級。