母線差動保護在礦井地面主變電所的應用

王國鋒，陳瑞云，尹玉龍，王守軍

(淮河能源集團， 安徽 淮南 232001)

0 引言

礦井上級區域變關于礦井電源輸電線路電流保護采用三段式，即無時限電流速斷，保護線路全長60%～70%；限時電流速斷，伸入礦井主變器；定時限過電流保護。地方供電公司對礦區各礦地面主變電所繼電保護的限額要求“母線所有出線開關保護電流Ⅰ段，時限0 s；電流Ⅱ段，時限1.5～2.5 s”。上述限額存在兩個主要問題：一是電流Ⅰ段作為無時限速斷，定值小，在最大運行方式下，主變壓器二次側母線或負荷發生三相短路時，都可能引起電源進線開關跳閘，造成礦井大面積跳電；礦井供電網絡繼電保護無法實現分級整定，定值、時限級差關系不符合要求，也不滿足繼電保護的“選擇性”要求。

目前礦井設計通常在地面設置110 kV/10(6) kV工廣變電所，而常規的三段式保護并沒有在110 kV側開關裝設母差保護。當母線發生短路故障時，主要依靠110 kV進線保護作為母線故障的后備保護，這種保護方式存在兩個問題：進線保護定值限額過小或存在保護死區；礦井主變壓器二次側短路故障可能引起進線保護誤動作。為了解決這個問題，需要在110 kV母線側裝設專用的保護裝置用于切除故障。

母差保護的優點：有效解決進線保護定值限額過小和死區問題；通過KCL基爾霍夫電流定律計算故障位置是否在保護區內，解決礦井主變二次側短路故障可能引起進線保護誤動作的問題，縮小礦井110 kV變電所在110 kV母線發生短路故障時的影響范圍。[1]

1 母線保護的研究背景和研究意義

2016年1月25日，某礦工廣變兩回電源線路按分列方式運行。9時44分，國網區域變Ⅰ段母線(礦工作電源母線段)發生A相接地，造成母線B、C相電壓升高。10時5分，區域變包括負責礦1#電源在內的兩個間隔開關過流Ⅱ段跳閘。礦工廣變運行人員發現1#進線失電后，斷開工廣變1#進線開關，合上母聯，全礦井由2#進線供電。運行約4～5 min，工廣變開關室有煙霧和異味。幾秒后，區域變負責礦2#電源的間隔開關過流Ⅱ段跳閘，全礦井停電。

1.1 停電原因及技術分析

國網區域變Ⅰ段母線跳閘的另一個間隔開關(其中一個為礦井1#電源間隔)，其線路A相間歇性電弧接地，時長21 min，B、C相電壓升高，導致礦工廣變Ⅰ段母線PT長時間過載，B、C相絕緣破壞，故障電流造成B、C相熔斷器爆炸，引發PT上口B、C兩相弧光接地短路。礦進線開關電流Ⅰ段2 000 A/0 s保護沒有投入，投入電流Ⅱ段保護，定值為960 A/1.5 s。上級區域變間隔開關Ⅰ段保護到線路全長的60%～70%，Ⅱ段過流定值3 240 A/0.3 s。礦電流Ⅱ段動作時間1.5 s長于區域變Ⅱ段0.3 s，造成上級區域變1#電源間隔越級跳閘。1#電源失電后，由于礦內繼電保護沒有跳閘信號，運行人員認為是線路故障或線路失電，緊急將Ⅰ段母線負荷切換至2#電源，Ⅰ段母線PT由于上次故障時絕緣下降，在帶電運行4～5 min后，柜內絕緣持續降低，形成AB相短路故障，產生4 229 A的短路電流，結果與1#電源一樣，區域變2#電源間隔開關越級跳閘，過流Ⅱ段動作。該礦的事故充分暴露出礦井繼電保護存在的風險，其危害極其嚴重。[2]

為消除風險，保障礦井安全，必須對目前的電源進線繼電保護方案進行完善，為此提出了兩個方案,即輸電線路縱聯保護和在地面主變電所裝設母線保護。考慮到已建成線路，若裝備輸電線路縱聯保護，需要自區域變至礦井工廣變隨線路再敷設一路通信通道，施工難度和工程量大。經了解，國網區域變電所一般都裝設專用的母線保護，在工廠、煤礦供配電系統尚未廣泛應用。

因此對已建電源線路選擇方案二，裝設專用母線保護；新建電源線路，考慮選擇方案一即裝備輸電線路縱聯保護。[3]

2 母線差動保護基本原理

為滿足速動性和選擇性的要求，母線保護都是按差動原理構成的，實現保護的基本原則如下：

3) 從每個連接元件中電流的相位來看，在正常運行及外部故障時，至少有一個元件中的電流相位和其余元件中電流的相位相反。具體說來，就是電流流入的元件和電流流出的元件中，電流的相位相反。而當母線故障時，除電流等于零的元件以外，其他元件中電流是接近同相位的。

根據原則1和原則2可構成電流差動保護，根據原則3可構成電流比相式差動保護。結合以上原則，用于母線的電流差動保護有：單母線完全電流母線差動保護，高阻抗母線差動保護，具有比率制動特性的中阻抗母線差動保護，電流比相式差動保護，元件固定連接的雙母線電流差動保護，母聯電流比相式母線差動保護。

按照母線差動保護裝置差電流回路輸入阻抗的大小，分為低阻抗母線差動保護(一般為幾歐)、中阻抗母線差動保護(一般為幾百歐)和高阻抗母線差動保護(一般為幾千歐)。

常規的母線保護及目前使用的數字式母線保護均為低阻抗母線差動保護。低阻抗母線差動保護裝置比較簡單，一般采用先進的、久經考驗的判據，系統的監視較為簡單。但低阻抗母線差動保護在外部故障使TA飽和時，母線差動繼電器中會出現較大不平衡電流，可能使母差保護誤動作。目前數字式低阻抗母線保護通過采用TA飽和識別和閉鎖輔助措施，能有效地防止TA飽和引起的誤動。[4]

3 母差保護應用實例

以南自SG B750 數字式母線保護裝置為例，采用比率制動差動作為判據, 制動系數0.3。針對不同容量的電力系統和不同故障類型的特征，設置了兩種啟動功能：差電流變化量快速起動；差電流積分慢速啟動。快速啟動，判別迅速準確；慢速啟動，確保動作靈敏度。

3.1 快速起動的主要判據

ΔId≥I1

(1)

ΔId≥K1ΔIr

(2)

3.2 慢速起動的主要判據

Id≥I2

(3)

Id≥K2Ir

(4)

3.3 差動保護的子功能

該功能有Ⅰ段母線比率小差動保護功能、Ⅱ段母線比率小差動保護功能、雙母線比率大差動保護功能。

3.3.1 Ⅰ段母線比率小差動保護功能

采集Ⅰ段母線上所有連接單元(包括引出線、母聯、旁路、分段)的電流量，等效于僅在圖1所示連接單元上裝設電流互感器，并將二次電流引人保護裝置，通過軟件計算出Ⅰ段母線的差電流和制動電流。

圖1 I段母線比率小差動保護采集電流

保護功能的判據:

(5)

式中：|∑IΙ| Ⅰ段母線所有連接單元電流向量之和的模，為差電流;∑|IΙ|Ⅰ段母線所有連接單元電流絕對值之和，為制動電流。

3.3.2 Ⅱ段母線比率小差動保護功能

采集Ⅱ段母線上所有連接單元(包括引出線、母聯、旁路、分段)的電流量，等效于僅在圖2 所示連接單元上裝設電流互感器，并將二次電流引人保護裝置，通過軟件計算出Ⅱ段母線的差電流和制動電流。

保護功能的判據:

(6)

式中：|∑IЦ|Ⅱ段母線所有連接單元電流向量之和的模，為差電流;∑|IЦ|Ⅱ段母線所有連接單元電流絕對值之和，為制動電流。

電流互感器之間的電路如圖2所示，即Ⅱ段母線，為本子功能的保護區。

圖2 Ⅱ段母線比率小差動保護采集電流

3.3.3 雙母線比率大差動保護功能

采集除了母聯外的所有連接單元的電流量，通過軟件計算出差電流和制動電流。等效于沒有裝設母聯單元的電流互感器，如圖3 所示，將Ⅰ、Ⅱ兩段母線及其母聯單元看成一個整體，構成Ⅰ、Ⅱ雙母線共同的比率差動保護功能。

保護功能的判據:

(7)

式中：|∑I|大差除了母聯單元外的雙母線所有連接單元電流相量之和的模，為差電流;∑|I|除了母聯單元外的雙母線所有連接單元電流絕對值之和，為制動電流。

電流互感器之間的電路如圖3所示，即Ⅰ母線、Ⅱ母線和兩段母線間的母聯單元為本子功能的保護區。

圖3 雙母線比率大差動保護采集電流

3.3.4 比率差動保護的最小動作電流

無論是大差、還是小差，除了具有比率差動保護功能外，還要求差流大于整定值(最小動作電流)，才允許出口跳閘。即

|∑I|≥Iset

(8)

式中：|∑I| 大差為除了母聯單元外的雙母線所有連接單元電流之和的模，小差為 I或Ⅱ段母線所有連接單元電流之和的模，即差電流；Iset為差電流整定值，即最小動作電流。

南自SG B750裝置的大差、小差保護的動作特性曲線如圖4所示。

圖4 區外故障時動作曲線

4 礦井繼電保護設計優化方案

采用上述母差保護裝置，以某礦為例，進行了繼電保護的整定優化設計：

該礦井地面主變電所兩回110 kV電源供電，雙母線分段,三圈變壓器SSZ10-31500/110(110/38.5/6.3)。上級區域變限額要求：礦變電所110 kV母線上所有出線開關保護定值，電流Ⅰ段：I≤1 000 A,t=0 s；電流Ⅱ段：I≤400 A,t≤2.5 s。

礦井變110 kV母線,最大運行方式下，35 kV側短路電流1 152 A；最小運行方式下，35 kV側短路電流1 100 A。區域變限額值已伸入變壓器二次側。若按限額值投入保護，在發生變壓器二次側短路時，就可能造成上級區域變越級跳閘，故礦井電源進線開關之前沒有投入保護。[5]

裝備母線差動保護后，繼電保護方案按下列原則優化：

1) 上級區域變只保護到礦井母線段，不延伸至變壓器二次側母線。

2) 投入礦井進線開關速斷保護，作為母差保護的后備保護。

3) 礦井進線開關速斷時限不受“0 s”限制，但不得超過“0.3 s”。(0.3 s，上級區域變繼保規定的時間階梯差)。[6]

4.1 母差保護整定計算

1) 按躲開外部故障時的最大不平衡電流整定。

Ibmax=0.1·Idmax=0.1×4 000=400 A

Idzj=Kk·Ibpmax=1.5×400=600 A

式中：K為可靠系數，取1.5；Ibpmax為外部故障時，流過差動保護的最大不平衡電流；Idmax為外部故障時流過某一支路的最大短路電流。

2) 保證電流互感器二次回路斷線時，保護不誤動作。

Idzj=Kk·Ifhmax=1.5×263=394.5 A

式中：Ifhmax為正常運行情況下流過差動保護最大負荷支路的最大負荷電流；Kk為可靠系數，取1.5～1.8。

3) 躲過最大負荷時的不平衡電流。

Idzj=0.1Ifhmax=0.1×45 000/(1.732×110×0.9)=26.4 A

式中：Ifhmax為正常運行情況下，流過差動保護最大負荷支路的最大負荷電流；nTA為電流互感器變比400/5。

4) 母差保護電流取校驗值中最大值600 A，動作時限 0 s。

5) 低電壓動作值(按相電壓整定)Udzj=45 V。

6) 負序電壓=4 V。

7) 零序電壓=6 V。

8) 母差保護制動系數為0.3。

4.2 進線保護整定計算

1) 過流保護。

這里計算一次電流大于保護限額，因此取一次值為390 A，t=2.2 s。

式中：Krel為可靠系數，取1.3；Kjx為接線系數，取1；Kr為返回系數，取0.85。

靈敏系數Ksen=I2k2.min/Iop=0.866×3 320/390=7.4>1.5,滿足靈敏度要求。

式中：Iop為保護裝置一次動作電流；I2k2.min為最小運行方式下線路末端兩相短路穩態電流。

2) 速斷保護。

按躲過35 kV側短路時穿過110 kV電流計算：

Iopk=1.2×1 160=1 392 A，t=0.2 s

靈敏系數Ksen=I1k2.min/Iop=0.866×3 320/1 392=2.1>1.5,滿足靈敏度要求。

式中：Iopk為保護裝置一次動作電流；I1k2.min為最小運行方式下線路末端兩相短路穩態電流[7]。

在母差保護動作試驗中，母差保護可靠切除故障母線開關，其動作曲線如圖5所示。

圖5 區內故障時各相電流曲線

5 結論

從現場實際分析了母線差動保護的研究意義，簡述了母線保護的原理及工作過程，并用實例論證母線差動保護在礦井供電系統中的可行性，并據此對公司各礦供電繼電保護進行優化設計，解決了上級區域變和礦井變繼電保護的配合問題，礦井進線保護得以正常投入，實現了供電系統的全線保護。在母線發生故障時，母差保護動作，不會造成上級區域變間隔開關越級跳閘。進線開關速斷定值取消了“0 s”限制，解決了煤礦供電系統級數多不能分級整定的問題。