（电气工程专业论文）中低压电网母线保护的研究和应用.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 针对包钢电网中低压系统母线保护的现状和存在的问题，比较了近几年出现 的几种中低压系统母线保护的优缺点，并在此基础上提出了一种新的微机型过 流闭锁式不完全母线差动保护方案。 该方案利用电源支路的电流回路和馈出保 护的动作接点构成了过流闭锁式不完全母线差动保护。本文介绍了其实现原理、 各元件动作判据、各种正常及故障方式下的动作行为、电流互感器饱和对策、 适用范围。该方案原理简单、动作速度快、扩展方便、适用于进出线较多的中 低压系统母线。本文不仅对原理进行了分析，而且给出了软硬件设计，最后介 绍了一个应用实例。 关键词：中低压系统，母线保护，过流闭锁，差动保护 a b s t r a c t a c c o r d i i l gt 0a c t u a l i t ) ra n dt l l ee 】【i s t i n gp r o b l 锄o f l eb u sp r o t e c t i o ni i lm v o rl vp o w e r s y s t 锄o ft l l eb a o t o uh o n & s t e e l ( g r o u p ) c o ，l t d ，t 1 1 ep 印e rc o i n p a r e st h ed i s a d v a n t a g e 孤ds h o r t c o i i l j h g so fb u sp r o t e c t i o i l si nm 、厂o rl ，vp o w e rs y s t 锄蛆di i l 仃o d u c e san e wb l l s p r o t e c t i o no nm i c r o c o m p m e r 觚do v e r c u 盯e n t - b l o c k i n g ，、) l ，_ l l ic ! hu s 豁t l l ec u 盯e n tc 讯m i to f p o w e rb a y 锄dt h ea c t i o nc o n t a c t so f f e e d c rp r o t e c t i o n t h ei m p l e m e n t a t i o np r i n c i p l e ，a c t i o n c r i t e r i o n so fd i 航r e n tu n i t s ， a c t i o no nn o m “a n dd i 行e r e n tf a i l u r em o d e s ，m e a s l 鹏o f s a n 盯a t i o no fc u r r c 舭t r a i l s f b m l e r ，a p p l i c a b i l i t ya r ep r e s e l l t e d w i ms u p 丽o r i t i e si i lp r i n c i p l e s p e e da n de x p a n s i b i l i 饥i ti ss u i t a b l ef o rm v 0 rl vp o w e rs y s t 锄w i mm o r ei n l e ta n do u t l e t 1 i i l e s n o t0 1 1 l ym e l e o 巧b u ta l s od e s i 弘so fs o f h a r ea 1 1 dh a r d w a r e h a v eb e e n 舀v e i lt om e r e a d e r a t1 蠲tt h e 印p l i c a t i o ne x 锄p l ei si n 仃0 d u c e d l i uy a nf e n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f j i a oy a nj u n k e yw o r d s ：m vo rl vp o w e rs y s t e m；b u sp r o t e c t i o n ；o v e r i c u r r e n t b l o c l d n g ； d i f 蚤e r e n t i a lp r o t e c t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文偏磁式消弧接地系统在包钢电 网中的应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 母线是电力系统中的枢纽元件，母线保护的快速、准确动作对高压或超高压 电网的稳定运行至关重要，在确保电力系统安全稳定运行及电力设备安全方面发挥 重要作用。但在1 0 k v 或3 5 k v 电压等级的中低压电网中，由于母线故障不会象高压 或超高压系统中母线故障那样造成系统失稳、大面积停电等极其严重的后果，一般 不装设快速母线保护。事实上，中低压配网由于存在母线上出线多，操作频繁，三 相导体线间距离与大地的距离比较近，容易受小动物危害，设备制造质量比高压设 备差，设备绝缘老化和机械磨损，运行条件恶劣，系统运行条件改变，人为操作错 误等诸多原因，中低压母线的故障几率比高压、超高压母线高得多乜引。 中低压母线作为变电站的供电枢纽，在发生内部故障时，是否能迅速地切除故 障，对本站甚至上级变电站的安全运行至关重要。但是，按目前的保护配置方案， 中低压母线是没有任何专门的快速保护的，而是由进线开关保护或变压器后备保护 来实现h 1 。由于进线开关保护或变压器后备保护与出线开关的保护需要相互配合， 一般延时的级差至少为3 0 0 m s ， 甚至5 0 0 m s 或更长。因此，变电站中低压母线上 所发生的任何故障都要延时切除。 近年来，母线故障由于不能及时切除造成中低压母线被严重烧毁事故多次发 生，有的甚至发展成“火烧连营一的重大事故。而主变压器由于遭受外部短路电流 冲击损坏的事故也逐年增加，这些中低压电网事故因未得到快速处理而造成事故扩 大甚至发展为上一电压等级的电网事故，给电网造成重大的经济损失，已引起电力 部门的广泛关注哺】【8 1 。 工业企业配电网中低压母线也是如此。随着电网规模的不断扩大，节能发电机 组的投运以及大型电动机的应用，企业中低压母线的短路容量也越来越大。由于母 线短路故障电流增大很多，故障只能由后备保护延时切除，持续时间又长，使不少 需要快速切除的故障未及时从正常系统中隔离，造成配电装置严重烧毁，引起大范 围停电，扩大了事故，造成重大经济损失。特别是包钢电网由于电源点集中，一个 末端变电站的母线故障，由于后备保护切除故障时间较长，导致同一电网其它正常 母线的工作电压随之持续降低，使得一些对工作电压较敏感的自动化设备以及辅助 低压设备无法正常工作，甚至停机、停炉，严重影响公司生产稳定运行。 中低压母线故障被发展扩大的最根本原因，就是没有专门的母线保护，母线故 障要经过较长时间才能被切除。如果装有快速保护，故障发生后保护立即动作，故 障得以快速切除，损失则可以大大降低。 华北电力大学工程硕士学位论文 本课题所提出的中低压母线保护方案以及其最终的实现，可以弥补中低压系统 中母线保护的不足，能够在不增加太多投资的前提下，充分利用现有条件对母线实施保 护，而且对中低压出线起到后备保护的作用。 1 2国内外中低压系统母线保护的研究现状 目前我国应用最广泛的中低压母线保护是由变压器后备或进线过流保护来实 现的。由于考虑到与馈线和母线分段开关的配合，保护跳闸时间一般整定为0 5 1 5 秒，有的甚至更长，达2 0 秒以上h 1 。有些地区电网要求在变压器中低压侧增 加一级时限速断保护，加快母线故障切除时间阳1 。为缩短母线故障切除时间，包钢 电网基于正常分列运行方式较多的情况，将变压器后备或进线过流与母线分段保护 整定为同一时限，串联供电变电站甚至取消进线后备保护，以减少保护配合级差数， 但这样仍然不能满足快速切除中低压母线故障的要求。 还有国内外某些重要项目采用环流原理的高阻抗专用电流差动保护作为中低 压母线保护，典型的保护动作时间为3 5 6 0 m s 呻1 0 1 。考虑到断路器的分闸时间，大 约在1 0 0 m s 以内能切除故障。采用这种方案的接线复杂，对c t 的要求高，安装在 有很多出线的6 3 5 k v 母线上有很多困难，也很不经济。因此也不适合中低压母线 保护应用。 德国采用西门子公司生产的7 s j 6 2 型微机保护作为中低压母线的快速保护。它 的基本原理是各级保护的瞬时动作信号逐级上送，而每一个保护的电流启动元件都 可以受输入触点的闭锁，这样在配电网络中就可以利用“反向闭锁功能 来实现快 速母线保护。它的动作时限不用考虑与下级保护的级差配合，只需考虑下级保护启 动和中间继电器的延时，动作时间大约在2 0 0 一3 0 0 m s ，大大缩短了母线故障的切除 时间，有利于系统的稳定和电压的恢复n 。发电厂厂用电系统通常都为多级串联 供电结构，因此我国有些发电厂即引进了这种类型的保护，例如华能玉环电厂。但 在实际应用中，快速母线闭锁回路需要根据一次系统的接线方式进行设计，如果设 计不完善，往往不能达到预期的效果，反而容易造成保护越级误动，同时由于价格 昂贵，不适宜推广。 近年来电弧光保护作为一种快速可靠的专用中压母线保护系统，已在国内外部 分重要场合得到应用。它采用检测弧光和过流双判据原理，具有原理简单、动作可 靠迅速、对变电站一次设备无特殊要求、适应于各种运行方式、且在各种运行方式 下保护不需要切换等优点n 2 3 1 ，为目前1 0 k v 、3 5 k v 中压母线保护提供了一种新型 的解决方案。但是由于电弧光保护除了需要安装专用的保护装置外，还需要在母线 的不同位置安装数十到上百个电弧光传感器，使得该保护安装维护非常不方便，同 时产品价格高昂，没有得到大范围的应用。 2 华北电力大学工程硕士学位论文 从实际应用情况来看，现有的各种保护方案或者是不能满足快速切除母线故 障，或者是安装维护复杂，产品价格高昂，不适合大面积普及推广。因此，迫切需 要采用一种新型经济实用的中低压母线保护系统，以解决目前实际运行中由于中低 压母线发生故障几率较高、延迟切除故障导致故障发展、扩大，从而造成巨大经济 损失的问题。 1 3 本文所做的工作 本文的研究主要是根据工矿企业中低压系统母线及其保护的现状，结合当前变 电站综合自动化系统的发展趋势，借鉴高电压等级母线微机保护的经验，坚持低成 本、高可靠性、简单灵活、易于扩展、便于安装维护的原则，研究制定基于包钢变 电站综合自动化系统的母差保护方案。 在本次研究中，比较了近几年出现的几种中低压电网专用母线保护思想，指出 了各自在中低压电网应用中存在的问题。大部分原理比较完备的中低压母线保护思 想基本上还是延用了高压母线保护的原理，应用于中低压母线，由于投资相对较大， 为一般厂站和工矿企业所不能接受。而其它针对中压电网开发的经济型母线保护方 案，在原理上又或多或少存在一定的不足，只能应用于部分特定的电网。 在综合了众家之长，充分研究了包钢电网中低压系统的实际情况后，比较切实 地提出了微机型过流闭锁式不完全母线差动保护方案，方案经济、原理简单、可维 护性高，适合包钢电网特点，是在现有中低压母线保护方案上的技术提升，具有极 高的应用价值。 本次研究中提出的微机型过流闭锁式不完全母线差动保护方案实际上是完全 母线电流差动保护的一种简化，它的基本原理也是基尔霍夫电流定律。不完全母线 差动保护只把电源支路接入差动回路，负荷支路不接入差动回路。而过流闭锁，则 是利用未接入母线保护的负荷支路的过流信号来闭锁母线保护。 本文首先介绍了过流闭锁式不完全母线差动保护的构成，并就各元件的动作判 据进行了详细的描述，然后对正常运行和各种故障情况下母差保护的动作行为进行 了模拟分析，通过电流互感器饱和机理分析及母差保护对策的论述，证明了母线保 护方案的正确性，最后探讨了过流闭锁式不完全母线差动保护的适用范围，将方案 推向实用化，进一步证明母线保护方案的可行性。 在本次研究中还给出了微机型过流闭锁式不完全母线差动保护装置的硬件设 计和软件设计方案。 本文最后介绍了过流闭锁式不完全母线差动保护在包钢电网3 5 k v 变电站的一 个应用实例，并给出了本次研究工作的结论以及随着通信技术的发展，未来母线保 护发展的展望。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章过流闭锁式不完全母线差动保护 母线是发电厂和变电所的重要组成部分，在母线上连接着发电厂和变电所的发 电机，变压器，输电线路，电容器、电动机等电力设备，母线保护工作的可靠性将 直接影响到电网运行的可靠性。此外，变电所的高压母线也是电力系统的中枢，如 果母线的短路故障不能迅速切除，将会引起事故扩大，破坏电力系统的稳定运行， 造成电力系统的瓦解。因此，母线运行方式及母线保护方式的选择是保证电力系统 安全运行的重要环节之一。 2 1 几种中低压母线保护原理分析 由于中低压电网装设快速母线保护的需求越来越大，近几年有关中低压电网专 用母线保护的研究也逐渐增多，根据具体实现原理的不同，大致可分为以下四种方 案。 2 1 1 出线过流闭锁式母线保护 出线过流闭锁式母线保护工作原理基于一个假设前提，即对被保护的中压母 线，只有一条电源进线，而其它回路均为馈出负荷。在此前提下，当任一馈出线上 发生短路故障时，电源进线和故障出线过流保护将同时启动；当母线发生短路故障 时，仅电源进线过流保护启动，而其它馈出线过流保护均不启动。出线过流闭锁式 母线保护就是根据这一明显的故障特征来实现，其保护动作逻辑如图2 1 。 图2 1出线过流闭锁式母线保护动作逻辑图 4 出口 华北电力大学工程硕士学位论文 上图中，um 由m i n 为母线三个相间电压的最小值，u 2 为母线负序电压，i m a x 为各线路三相( 或两相) 电流的最大值。由上图可知，为提高母线保护的可靠性， 本方案中采用了复合电压闭锁方式。为保证出线故障时母差保护不误动，i s e t 整定 要求大于k 木i n s e t ，k 为可靠系数，一般取1 1 1 5 。 从该母线保护的工作原理也可以看出：不论故障发生在母线内部或者外部，其 作为启动元件的复合电压元件以及过流元件都会动作，而唯一能够导致母线保护动 作的判断依据是出线保护是否启动，如果出线保护启动则意味着出线故障，此时应 该闭锁母线保护。而如果出线保护均不启动的话，也必须经过短延时等待确认出线 保护均未启动后，保护才允许动作。 如上所述，本方案的前提是被保护母线仅一路电源点。由于中压母线大多采用 单母分段接线方式，因此该方案在实际应用中仍然需要进一步完善。但本方案原理 简单清晰，保护安装和调试也相对容易，因此，作为最先提出的中压母线快速保护 方案，该方案通过各保护制造厂商的完善和改进，在实际应用中大量存在。 但在冶金、化工等大型厂矿企业，为了提高系统的供电可靠性，中压母线往往 具有多个电源点。如何通过改进，使该方案灵活适应不同的供电方式，仍然是一个 值得研究的问题。另外，在厂矿企业中大量存在的电动机设备，在母线故障时均会 短时提供反馈电流，也可能造成馈出间隔保护启动，这也将对保护的动作时间造成 部分延误。 2 1 2 方向过流比较式母线保护 方向过流比较式母线保护实现方案如下：在被保护的母线的各条进出线上均装 设一个过电流判别元件或者方向过电流判别元件。过电流元件装设在无电源的负荷 出线上，其动作电流按躲过最大负荷电流或最小短路电流来整定( 可与三段式的过 电流保护取相同的定值) ；正、反方向过电流元件装设在主电源进线、自备小发电 厂进线和母线分段断路器处，其正方向过流元件指向被保护的母线，电流定值也按 躲过最大负荷电流或最小短路电流来整定，且应大于所有负荷出线的过流判别元件 和所有电源线反方向过流元件的整定值。当被保护母线发生故障时，各个电源进线 上的正方向过电流判别元件都会动作，而反方向过流元件均不会动作，同样，各个 无电源出线上的过电流判别元件也不会动作；当在无电源的出线上发生故障时，各 个电源进线上的方向过电流判别元件也都会动作，但是此时接于故障线路上的过电 流判别元件也动作；在某一个带电源的进线上发生故障时，接在该线上的正方向元 件不会动作，而反方向过流元件将动作。这样通过比较各个过电流判别元件或者正、 反方向过电流判别元件的动作状态，就可以判别出母线有无故障，从而实现母线的 保护。任一正方向过电流判别元件动作而所有的过电流判别元件和反方向过流元件 均不动作时，判为母线内部故障，保护应该立即动作，将所有电源线跳开；当某个 5 华北电力大学工程硕士学位论文 反方向过电流判别元件或者某个过电流判别元件动作时，判为区外故障，闭锁母线 保护，仅仅由该出线的保护将故障元件跳开，其余设备仍可继续运行。图2 2 为方 向过流比较式母线保护动作逻辑图。这种方向过流比较式母线保护的优点是采用各 保护动作输出接点进行逻辑比较，交流元件分散于相应的二次设备处，可以由其原 有的三段式保护的第三段来兼任，也可为专设的过流判别元件。由于在变电站中， 除主电源外的电源进线或分段开关往往作为联络线或备用电源使用，当运行方式发 生改变，它们由电源线转变为普通负荷出线时，按照本方案的原理，该保护逻辑方 案需要自动作调整。为此，本方案中对所有可能作电源的回路均配置了正、反向方 向过流元件，以便自动识别该运行方式，但由此也给该母线保护方案带来了复杂性。 另外，由于保护方案中引入了方向元件，使母线电压互感器回路的完整性变得尤为 重要，它将直接影响保护的动作逻辑。此外，p t 断线期问，由于无法辨别电源线的 电流方向，母线保护应处于闭锁状态，使得保护的可依赖性大为降低。 电源线1 正向过流卜一一 电源线2 正向过流卜_ 一 - _ - 配 。 电源线n 正向过流卜一 呈 l 馈出线l 过流卜一 馈出线n 过流 _ 一 ) 型 一电源线l 反向过流卜_ 一 o 电源线n 反向过流卜一 图2 2方向过流比较式母线保护动作逻辑图 出口 2 1 3 电流相位比较式母线保护 这实际上是将高压母线的电流比相式母线保护的方案直接引入到中压母线保 6 华北电力大学工程硕士学位论文 护中来。它将接于被保护母线上的所有设备的电流互感器t a 二次侧的电流引入到 保护中，以电流最大的电源进线电流为比相基准，对各进出线电流进行比相，相位 一致时判为区内故障。不一致时判为区外故障，每条进出线处均装设一个按躲过最 大负荷电流整定的电流判别元件，电流判别元件不动作时，该线路退出比相。 母线内部故障时，所有负荷出线的电流都不会大于其电流判别元件的定值，所 以它们不会参与比相；所有电源进线都会有大于负荷电流的故障电流且相位一致， 比相元件动作，将所有电源进线跳开。 当某一电源进线故障时( 对于母线保护来说相当于区外故障) ，所有负荷出线 的电流也都不会大于其电流判别元件的定值，所以它们也将不会参与比相；故障线 路电流的相位与其他电源进线电流的相位相反，比相元件不会动作，母线保护不会 动作跳闸。 当某一负荷出线故障时，该故障电流大于定值，将和电源线一起参与比相，但 其相位与所有电源进线电流相位都相反，所以比相元件也不会动作。 在只有一条电源迸线的情况下，母线内部故障时，只有电源迸线的电流会超过 定值，其他各线的电流判别元件均不会动作，在这种情况下，比相将无法进行，可 直接判断为母线内部故障。 本方案直接采用了成熟的高压母线保护方案，因此保护原理是完善的，但是由 于将母线上所有支路的三相( 或两相) 电流均接入到母线保护中，接线的复杂性和 维护量大大增加。更为重要的是，按高压母线保护方案开发的母线保护投资成本比 普通中压保护高的多，一般至少相差一个数量级。这也是目前国内中压电网未普遍 采用高压母线保护方案的一个重要原因。 2 1 4 带制动特性的电流差动保护 与电流相位比较式母线保护类似，带制动特性的电流差动保护方案也是直接引 入了高压母线保护的方案。它同样需要接入母线上所有支路的三相( 或两相) 电流， 母线保护实时计算母线差动电流，以判别母线区内外故障。为了避免区外故障大穿 越性电流引起t a 饱和带来的不平衡电流，保护同样使用了差动保护常用的比例制 动方案。 比例制动式电流差动保护方案虽然广泛应用于高压母线中，但却并不一定适合 中压母线。主要原因在于大型厂矿企业中压电网中t a 的饱和问题远较高压电网严 重的多。中压电网常用的t a 多为动态范围小、抗暂态饱和性能差的过流型t a ，并 且由于中压电网中各支路负荷功率相差悬殊，电源支路t a 一次额定电流与负荷支 路t a 一次额定电流的比值有些甚至高达2 0 倍以上。因此发生一次区外普通故障时， 故障电流对电源线t a 可能刚超过额定电流，而对故障线路的t a 来说，却已经发生 严重饱和现象了。因此直接套用高压母线保护方案，将使得区外故障时母线保护的 7 华北电力大学工程硕士学位论文 误动几率大大增加。 该保护方案的另外一个不足之处，与前文描述的电流比相式保护类似，也是存 在投资费用高、接线复杂和维护工作量大的问题。 2 2 包钢配电网中低压系统母线及其保护的现状 2 2 1 包钢配电网络结构及其保护配置 过去包钢供电系统是一个简单的配电网络，最高电压等级为1 1 0 k v ，5 路1 1 0 k v 电源来自包头供电局，2 路1 1 0 k v 电源来自包头一电厂，分别为包钢7 1 # 冶炼总降 变电站、5 2 # 黄河水源地变电站和5 1 # 轧钢总降变电站供电。包头供电局1 1 0 k v 出线 保护配置为三段相间距离保护和四段零序保护，其中相间距离i 段和零序i 段保护 整定范围均伸入用户变压器一部分；包头一电厂送包钢5 1 # 变电站的2 路1 1 0 k v 出 线配置线路纵差保护、三段相间距离保护和四段零序保护，其中零序i 段保护正常 退出，只在线路纵差保护退出时投入。 包钢5 1 # 、5 2 # 、7 1 # 变电站的保护配置则完全按照传统配电网模式配置保护。 1 l o k v 电源进线为过流、时限速断保护( 5 l # 变电站进线还有一套与包头一电厂出线 配合的线路纵差保护) ，通常由于时限配合困难，将电源进线的过流、时限速断保 护退出。主变压器配置差动保护及复合电压闭锁过电流保护，3 5 k v 和1 0 k v 馈出线 是下一级车间变电站的电源，一般配置过流保护和时限速断保护。由于时限配合困 难，车间变电站电源进线一般不设保护，配出线直接带终端用电设备( 电动机或变 压器) ，保护通常配置过流和速断保护。其中7 1 # 变电站的配电网络如图2 3 。 包钢电力系统的中低压母线具有以下特点： ( 1 ) 中低压系统一般为单母分段接线形式。 ( 2 ) 包钢电网中低压母线进出线回路数都很多，进线除了正式电源还有小电源 联络线和事故联络线。 ( 3 ) 同一电压等级存在多级串联供电结构。 ( 4 ) 进出线电流互感器变比差异很大，一般在1 0 倍以上，有的甚至达到2 0 倍。 ( 5 ) 馈出线电流互感器特性较差，准确级一般为1 0 p 1 0 。 ( 6 ) 企业中低压母线一般处于电网末端，但负荷较重且多为大型启动设备。 ( 7 ) 馈出线保护装置通常在高压柜就地安装。 ( 8 ) 包钢配网目前已基本实现综合自动化。 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 - 37 1 # 变电站的配电网络 由于线路和母线均没有快速保护，故障只能延时切除，曾发生了多起恶性事故， 给地区电网和包钢生产造成重大损失。如1 9 9 7 年1 月7 日发生的5 1 # 变电站1 1 0 k v i i 母导线烧断落地事故，由于1 1 0 k v 母线没有母差保护，故障没有及时切除，波及 包头一电厂及包头地区电网，甩掉二十多万负荷，同时包钢轧钢全线停产。 近几年随着包钢生产规模的扩展，包钢陆续又新上了2 座2 2 0 k v8 0 # 、8 l # 变 电站和8 座1 1 0 k v7 0 # 、7 2 # 、7 3 # 、7 4 # 、7 5 # 、7 6 # 、7 7 # 、7 8 # 变电站，新旧3 5 k v 和1 0 k v 中低压变电站达到5 0 多座，包钢供电系统得到了空前的发展，同时继电保 护配置也得到了极大提升。首先在1 1 0 k v 电压等级的母线及线路上均配置了能够快 速动作的微机型母线差动保护及线路纵差保护，其次由于包钢电网供电半径小、负 荷重、事故联络线密集、电压级差多且为多级串联供电的特点，传统继电保护很难 整定，且时限配合困难，因此在3 5 k v 和l o k v 馈出线路上也应用了微机型的简易短 线路纵差保护，极大的提高了各级保护的选择性、快速性、灵敏性和可靠性。 2 2 2 包钢配电网络运行中存在的问题 包钢配电网中低压系统为小电流接地系统，母线馈出回路多且多为重负荷，由 于电缆、架空线本身绝缘或施工外力破坏以及系统参数配合失谐等原因，系统经常 遭受弧光接地过电压和铁磁谐振过电压冲击。另外包钢车间变电站所处环境条件恶 9 华北电力大学工程硕士学位论文 劣，多为高温、金属性粉尘环境，并且中低压系统设备制造质量远不如高电压等级， 因此过电压破坏以及瓷瓶污闪、刀闸发热、干式所内变爆炸、避雷器放炮，这些都 是中低压系统的多发事故，也是困扰企业电网安全稳定运行的大敌。 上述设备都是直接与中低压母线相连的，它们没有单独的开关和保护，这些故 障就等同于母线本体故障。由于中低压系统没有专门的母线快速保护，故障只能由 上一级主变后备过流保护或进线过流保护来延时切除。 近年来包钢电网得到了迅猛发展，同时小型节能机组( 高炉余压发电、干熄焦 发电以及燃气一蒸汽联合机组发电) 的投运，大型同步电动机的反馈，中低压母线 的短路容量越来越大。由于短路故障只能延时切除，在持续的很大的短路故障电流 的作用下，故障设备的受损坏程度增大，并波及周边设备的安全，这使得中低压母 线上的故障造成的损失更为严重。2 0 0 8 年7 月1 0 日，正值高温酷暑季节，包钢7 5 # 变电站1 0 k v 母线上有一把刀闸因为负荷重、震动、发热，导致放炮，由于没有快 速保护切闸，对周围设备的破坏也非常严重，经过近2 0 个小时的连续抢修才恢复 送电，导致薄板厂停产2 0 多个小时，并使正在轧制的钢坯卧坯，损失几百万元。 包钢电网绝大多数都是中低压变电站，它们的安全、经济、合理供电一直是我 们的工作难点。对于中低压母线而言，如何减少它的故障几率成为了摆在面前的第 一道难题，为此我们作了大量的工作。首先从技术层面上解决，投入自动跟踪补偿 消弧线圈，增加电压互感器二次消谐装置，来抑制弧光接地过电压和铁磁谐振过电 压；然后从管理角度出发，在变电站增加通风设施，全面考虑防尘、降温，采用优 质产品，淘汰更换不良设备以及不满足新系统动、热稳定性要求的设备，加强设备 点巡检，增加大负荷接点的测温环节等，从根本上减少母线故障几率。 第二道难题就是考虑如果母线发生了故障，怎样保护母线，最大限度降低故障 的破坏程度，实现快速恢复供电。这使我们想到了为实现中低压系统短网线路的快 速保护而开发的短线路纵差保护，在实际中应用的效果很好。我们希望依照这种思 维模式开发一套适合包钢电网中低压系统的母线快速保护，以解决这一问题。 2 3 微机型过流闭锁式不完全母线差动保护 2 3 1 过流闭锁式不完全母线差动保护的基本原理 目前成熟的微机型高压母线保护装置原理完备、自适应能力强，但是应用于中 压母线，则由于投资相对较大，为一般厂站和工矿企业所不能接受。而其它针对中 压电网开发的经济型母线保护方案，在原理上又或多或少存在一定的不足，只能应 用于部分特定的电网。 本课题提出的过流闭锁式不完全母线差动保护方案实际上是完全母线电流差 动保护的一种简化，它的基本原理也是基尔霍夫电流定律。不完全母线差动保护只 l o 华北电力大学工程硕士学位论文 把电源回路接入差动回路，负荷回路不接入差动回路。而过流闭锁，则是利用未接 入母线保护的负荷支路的过流信号来闭锁母线保护。 首先，本母线保护方案属于不完全母差保护方案，为了使母线保护能自动适应 各电源支路运行方式的改变，本方案将所有电源支路( 进线、联络线、母联开关等) 的三相( 或两相) 电流接入到母线保护装置中，并将实时计算差动电流和制动电流， 以及实时进行电流相位比较。但所有的非电源支路的电流并不接入，因此既不体现 在差动电流中，也不进行实时相位比较。所以本方案是一个标准的不完全母线差动 保护方案。由于不完全母差保护已经将所有可能的电源支路接入到保护装置中，因 此，对发生在这些支路上的区外故障，母线保护的工作原理非常类似于高压完全母 线差动保护的工作原理，即母线保护可通过分相电流相位比较原理或比例制动原理 就可以准确地识别出区内外故障。显然，这种方案已经非常容易的解决了中压母线 的多电源供电问题。 其次，本母线保护方案参照了前文描述的出线过流闭锁式母线保护方案，采用 了非电源支路的馈出线过流保护启动后闭锁母差保护的方案，以保证这些不进行差 动电流计算的馈出线上发生故障时，母线保护即使出现了很大的差动电流，也将被 可靠的闭锁。为简化回路接线，提高母线保护设备的可维护性，本方案中将所有非 电源的馈出间隔的闭锁母差保护信号接点输出进行了线或，形成了由两芯电缆构成 的闭锁小母线，并将这个闭锁信号接入母线保护的开关量输入回路。 图2 4过流闭锁式不完全母线差动保护接线示意图 华北电力大学工程硕士学位论文 从图2 4 过流闭锁式不完全母线差动保护接线示意图中不难看出，虽然在大型 厂矿企业内每段中压母线的馈出线多达数十条，但真正可能的电源点往往仅2 3 个支路，因此本方案中实际接入母线保护电流采样通道的数量仅需1 0 多个，其硬 件规模的要求与一台中压三圈变压器四侧差动保护的硬件规模接近，其对交流采样 的需求远远低于如果完全采用高压母线保护方案时需要接入的4 0 5 0 个通道规模。 交流采样通道数量的降低也使得对c p u 处理能力的需求降低，因此可以直接使用中 压电网其它保护装置常用的c p u 平台。由此，本方案从硬件规模到c p u 处理能力等 多个方面大大降低了中压母线保护的硬件成本，从这一点上说，本方案将是一套非 常经济实用的保护。 2 3 2 过流闭锁式不完全母线差动保护构成 微机型过流闭锁式不完全母差保护由复压元件、差动元件、闭锁母差元件和断 路器失灵开放元件构成。一般地，对普通馈出设备，当其开关上出现过流时，必定 在其下游系统出现异常；而对电源线或可提供故障电流的设备，当其开关上出现过 流时，必须通过判别故障电流方向才能区分故障发生在开关的哪一侧。因此，为简 化快速母线保护，需将断路器两侧均为电源的电气间隔的电流均接进来。具体的讲， 对单母分段的中低压母线，需将接于母线上的电源线或可提供故障电流的设备如受 电开关、分段开关、小电源联络线开关的二次电流接入装置中，以构成不完全差动 保护；需要母线上二次电流未接入装置的所有其它设备的过流保护动作接点来闭锁 本差动保护，以此构成了不完全母差保护的闭锁元件，同时要求闭锁接点在过流启 动时立即闭合而在断路器跳开后无延时返回；由于这种差动保护在系统正常运行时 差动电流等于所有负荷电流之和，在空充线路或起动电机时，这个电流会很大，如 不采取其它措施将极易导致差动保护误动，而单纯提高定值或延时动作又将降低灵 敏度或造成严重故障延误切除，为此需要采用复压闭锁来提高不完全差动的可靠性 和灵敏度；由于普通馈出设备的二次电流未接入装置，当这些设备故障时，差动元 件也将动作，但当某一馈出设备断路器拒动( 失灵) 时，其上的过流保护将长时间 闭锁母差保护，为快速切除此类严重故障，不完全母差保护同时提供了闭锁解除时 间，由此构成了断路器失灵保护。图2 5 为过流闭锁式不完全母线保护的动作逻辑 图。 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 5 过流闭锁式不完全母差保护动作逻辑图 保护 出口 跳各 电源 支路 2 3 2 1 复合电压元件 复合电压元件由低电压判据和负序电压判据组成，满足任何一条判据，复合电 压元件就动作： u 巾巾m i n u 2 z d 其中，u l z d 为低电压闭锁定值， um 套m i n 为母线三个相间电压的最小值， u 2 z d 为负序电压闭锁定值，u 2 为装置自产负序电压，u 2 计算公式为： u 2 = ( u a + u b 木e 2 4 0 + u c 术e 1 抽) 3 ( 2 1 ) 为了确保母线保护动作的可靠性并增加保护动作的灵敏度，借鉴了高压母线保 护的相关思想，本方案设计的中压母线保护引入了被保护母线的三相交流电压，并 采用复合电压启动来识别母线故障。由于大型电动机负荷支路属于无电源馈出支 华北电力大学工程硕士学位论文 路，它的电流回路并不接入到母线保护中。而大型电动机启动时不完全母差保护可 能检测到很大的三相对称的差动电流，因此本方案采用了低电压启动的思想，可以 避免母线保护的误启动；而采用负序电压启动的思想，又可以适当降低差动保护的 启动电流，提高母线不对称故障时，保护装置动作的灵敏度。与采用方向比较原理 的母线保护不同，本方案虽然引入了三相电压回路，却不会因为p t 断线而造成保 护被误闭锁。保护方案中的复合电压启动元件有低电压和负序电压两个判据取或门 得到，当发生p t 断线时，如果母线电压互感器的二次回路中出现一相或两相断线， 那么，复合电压启动元件的负序电压判据一般将满足判据要求，母线保护被开放， 同样，母线电压互感器的二次回路中出现三相断线时，复合电压启动元件的低电压 判据必定满足判据要求，母线保护也将被开放，但只要母线保护的差动电流启动值 整定合理，母线保护不会误动。因此，采用复合电压作为保护的启动元件，当母线 发生p t 断线时，母线保护将可能被误开放而不是被误闭锁，但不会引起保护的误 动。进一步地，母线保护可以通过电压回路的实时自检，及时发现异常，并通过抬 高母线保护差动定值等方法，降低母线保护的灵敏度，以提升p t 断线且区外故障 时母线保护装置动作的可靠性。 2 3 2 2 不完全母差保护元件 差动保护动作判据如下： i d 由 i c d z d 且i d 巾 k z d ，l c ( i r 由一i g ) + i c d z d( i r i g 时) 且所有电源线i a ( b 、c ) 同向； 且复合电压元件动作； 且无外部闭锁输入或闭锁输入超时； 且t t z d 其中，i c d z d 为差动保护电流定值； k z d 为制动特性斜率； i g 为最小制动电流； t z d 为母差保护的动作整定时间； i d 巾为装置计算差动电流，计算公式为： i d 巾= ii 巾z + k p h f ，i c i 巾f + k p h l 木i 巾li i r 由为装置计算制动电流。计算公式为： ( 2 2 ) i r 由= ( ii 由zi + ik p h f ，i c i 由fi + ik p h l 木i 巾li ) 2 ( 2 3 ) 其中i 由z 为装置受总c t 上的任意一相电流，imf 为分段c t 的对应相电流，i 由l 为联络线c t 的对应相电流。k p h f 为分段c t 的电流调整系数，k p h l 为联络线c t 的 电流调整系数，主要用于这两开关的c t 变比与受总不一致时，软件调整，所有调 整均以受总c t 为基准。k p h f 和k p h l 由软件自动计算获得。 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 i d ( a 、b 、c ) 为母线保护通过计算得到的差动电流，该电流中包含了所有二 次电流未接入母线保护装置的负荷支路电流。i r ( a 、b 、c ) 为母线保护通过计算 得到的制动电流，当故障发生在某一电源支路时，它代表了流过被保护母线的穿越 性故障电流。比例制动特性在区外电源支路发生故障时，能较好的防止故障穿越性 电流造成的大的不平衡电流。比例制动特性对未接入不完全母差保护的负荷支路无 效。因为对不完全母差保护来说，这些负荷支路上发生故障产生的差动电流和制动 电流，与母线内部故障无异，因此必须采用馈出线过流动作信号来闭锁母线保护装 置可能的误动。1 1 d ( a 、b 、c ) 和1 2 d ( a 、b 、c ) 为母线保护中差动电流的基波有效值 和二次谐波有效值。一般来说，变压器在空充时，将产生很大的涌流，如果不采用 谐波制动等方案，差动保护必然误动。但母线保护不存在此现象，因此在许多高压 母线保护中，并没有采用二次谐波制动原理。考虑到中压母线系统中，各支路t a 的暂态特性远远低于高压母线保护的t a ，因此当区外电源线故障，穿越性电流中的 非周期分量将迅速导致各电源支路t a 饱和，如不采取措施，极易造成保护误动。 本母线保护中采用二次谐波制动原理来避免t a 暂态饱和造成的误动。由于各电源 支路t a 变比可能差异很大，因此区外电源线故障同样也非常容易造成故障线路的 t a 发生稳态饱和，而此时采用二次谐波制动原理是无法闭锁母线保护的，因此本方 案在保护逻辑中添加了电源线路故障电流同相位这一判据，对任两个电流超过差动 电流整定值( 该整定值应大于母线最大负荷电流) 的电源支路，进行两两比相，如 果两者相位误差小于9 0 度，则母线保护判定为电流同向。关于t a 饱和的分析和母 线保护的对策，将在下文中进一步阐述。 2 3 2 3 闭锁差动保护元件 由于本保护是不完全差动保护，当二次电流未接入装置的馈出线保护启动 时，必须闭锁差动保护。为了与馈出线保护相配合，装置特设置一个闭锁输入。当 出线开关过流启动时，输出一付闭锁接点，与其它出线闭锁接点并接后引入装置闭 锁输入中，起到闭锁差动保护的功能。馈出线保护闭锁接点要求在过流启动时立即 闭合而在开关跳开后无延时返回。 虽然有文章描述采用网络通讯手段传递过流闭锁信号，但网络传输环节存在不 确定性的延误，且网络传输为确保信号的完整性，即便需要传递的有效信息量仅为 l b i t ，网络传输仍然需要多个字节的串行传输来保证可靠性，这种串行传输也需要 耗费一定时间。i e c 6 1 8 5 0 规范了一种g o o s e 机制，专门用以传输快速信号，但它对 传输延时的限定也仅确保不超过4 m s ，且采用这种机制传输信号，代价将是昂贵的， 它需要采用1 0 0 m 乃至1 0 0 0 m 以太网进行传输，这将对所有负荷支路的微机保护和 母线保护均提出极为苛刻的要求，因此对于低成本投入的中压母线保护及馈出间隔 保护来说，是不可接受的。本方案为了确保故障线路保护装置发出的闭锁信号被无 华北电力大学工程硕士学位论文 延时地传递到母线保护中，采用了硬接点汇合成信号小母线的直接电气传输方案。 过流闭锁信号小母线的接线示意图如图2 6 。 馈出保护 l 馈出保护2 馈出保护3 馈出保护4 母线保护 d c + r 一 ，一，一一 。rl ll ll l 闭锁母 差开入 d c - 图2 6 过流闭锁信号小母线接线示意图 从前面的描述中不难看出，馈出线过流闭锁母差信号小母线的可靠性在本母线 保护方案中非常重要，由于该信号小母线的工作电源选用变电站直流控制电源，因 此电源的可靠性和信号的抗扰动性均很强，加上该信号小母线仅需使用两芯电缆， 接线和维护均非常方便，这从另一个侧面保证了小母线的可靠性。 为了进一步加强母线保护的可靠性，本方案采用了闭锁小母线定时自检方案。 现有的微机保护装置均采用通讯网络互联，许多产品还支持以太网通讯功能。本方 案设计的母线保护装置内部登记了所有的输出闭锁接点的负荷支路保护装置的地 址，正常时，母线保护可以通过通讯网络对这些保护装置进行巡检，并定时向这些 装置发闭锁信号自检命令。接受到该命令的馈出线保护装置，立即发脉冲宽度为5 m s 的闭锁信号，如果母线在规定的时间内接收到脉冲宽度为5 m s 的闭锁信号，则表明 该馈出线保护装置及其闭锁回路正常，如果收不到闭锁信号，则表明该馈出线路保 护的闭锁回路故障，母线保护将指定该保护装置发闭锁回路异常报警信号。如果该 馈出线保护装置连通讯链路的应答信号都未出现，即母线保护无法通过网络联系到 该馈出线保护，则表明该馈出线保护装置自身发生了异常情况。母线保护将发出该 馈出保护设备异常的报警信号。 为区别正常状态下的闭锁回路巡检脉冲信号与故障状态下故障线路保护装置 的真实闭锁信号，本方案设计的馈出线保护输出的过流闭锁脉冲宽度虽然将根据该 保护装置的动作延时来决定，但宽度将确保永不小于2 0 m s 。因此对母线保护来说， 任何脉冲宽度小于2 0 m s 的闭锁信号均视为无效的闭锁信号，这种无效的闭锁信号 可能是母线保护正常的闭锁巡检信号( 限定为5 m s ，仅单一脉冲) ，也可能是受周边 强电流磁场耦合的交流脉动信号( 仅正极性能被检测到，故一般不大于1 0 m s ，但可 能在多个周波中连续出现) 。因此在最恶劣情况下，如果两种信号出现重叠，其重 叠后的脉冲宽度也不可能大于1 5 m s ，母线保护仍然将其视为无效的闭锁信号。由此， 母线保护不会因为这些无效的闭锁信号而影响保护装置的动作逻辑。 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 为了与变电站中不同制造厂家的其它常规过流保护配合使用，母线保护对每一 套安装在负荷支路上的保护装置的过流闭锁信号的巡检可以进行人工投退，以避免 因负荷支路保护装置不具备闭锁信号自检功能而误发馈出保护设备异常的报警信 号。 2 3 2 4 断路器失灵开放元件 当某一馈出设备断路器拒动( 失灵) 时，其上的过流保护将长时间闭锁母差保 护。为快速切除此类严重故障，不完全母差保护还提供了闭锁