薛炳磊，張盛晰，張德坤

（國網山東省電力公司經濟技術研究院，山東 濟南 250021）

基于閉鎖信號的主變低壓側加速跳閘保護方法

薛炳磊，張盛晰，張德坤

（國網山東省電力公司經濟技術研究院，山東 濟南 250021）

變電站中一般不對35 kV/10 kV等級的母線配備專門的母線保護，而是由主變保護實現對母線的后備保護，導致動作時間過長。針對這一情況，提出一種基于閉鎖信號的加速跳閘方案。該方案由出線保護、分段（母聯）保護以及主變低壓側后備保護組成。通過閉鎖信號實現保護之間的配合以及斷路器失靈時的加速動作。當某一級保護檢測到故障時，向上級保護發(fā)送閉鎖信號；保護動作以后，解除閉鎖信號。通過實例分析，對保護方案的動作情況進行了分析。針對不同位置的故障情況，保護方案都能快速切除故障，證明了方案的有效性。

變電站；主變；加速跳閘；保護

0 引言

專用的母線保護一般采用差動原理［1-2］。在電力系統中，35 kV/10 kV及以下電壓等級的母線由于沒有穩(wěn)定問題，一般也未裝設專用母線保護。但由于配電變電站的35 kV/10 kV系統饋線多、操作頻繁，開關柜故障時有發(fā)生。按照《繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程》的要求“對發(fā)電廠和主要變電所的3～10 kV分段路線及并列運行的雙母線，一般可由發(fā)電機及變壓器后備保護實現對母線的保護”。同時考慮到35 kV/10 kV母線保護AD采樣及跳閘接口過多、成本高，在實際工程中不對35 kV/10 kV電壓等級配置單獨的母線保護，通過變壓器低壓側后備保護切斷35 kV/10 kV母線短路故障。發(fā)生母線短路故障時，如果故障不能被快速切除，只能等到主變過流后備保護動作。斷開分段斷路器的時限在0.5～1 s，斷開變壓器低壓側斷路器的時限在1～1.5 s，斷開各側斷路器的時限大于2 s。當低壓側母線故障時，限時電流速斷保護動作，最快1 s左右切除故障；當低壓側出線開關主保護拒動或斷路器失靈后，主變后備保護經過1.5 s，甚至2 s才能切除故障，保護動作無法滿足速動性要求。過流保護邏輯如圖1所示。

而在實際操作中，主變后備保護很難在時限上實現與出線保護的配合［3-4］。近幾年，曾經發(fā)生過因低壓側保護不能正確動作而引起的事故［5-6］。另外，運維單位也迫切希望能夠在現有的條件下，不增加大量投資提高保護性能。

圖1 過流保護邏輯

針對智能變電站低壓側母線故障或出線斷路器失靈，提出一種基于智能變電站的低壓側加速跳閘保護方案。利用智能變電站低壓側保護裝置間的GOOSE通信機制［7-9］，在已有變壓器保護裝置及分段保護的基礎上，優(yōu)化完善功能配置，提出了低壓側加速跳閘保護。在分析現有主變低壓側保護的基礎上，提出了包含出線保護、分段（母聯）保護及主變低壓側后備保護三級的保護方案。通過閉鎖信號實現各級保護之間的配合以及斷路器拒動時上級保護的加速動作。最后通過實例分析，對于不同故障位置時保護方案的動作情況進行了分析。通過分析，本保護方案對于各種位置的故障都能實現快速動作，當斷路器拒動時，也都能實現加速動作。

1 基于閉鎖信號的加速跳閘保護方案

提出的一種智能變電站低壓側加速跳閘保護方案分為出線保護、分段（母聯）保護和主變低壓側后備保護三級，如圖2所示。各級保護之間通過閉鎖信號實現邏輯配合。

出線保護。出線保護用于切除變電站出線故障。對于出線無分布式電源的線路，可以采用過流原理；如果有分布式電源，則需加裝方向元件。

分段（母聯）保護。當發(fā)生母線故障或者出現斷路器拒動時，需要由分段（母聯）保護跳開分段（母聯）斷路器，以切除故障或者減小故障范圍。

圖2 加速跳閘保護保護邏輯

主變低壓側后備保護。主變低壓側后備保護用于切除變壓器低壓側母線故障，并為出線保護和分段（母聯）保護提供后備保護。當位于變壓器低壓側的母線故障時，由主變低壓側后備保護切除故障。當出線保護或者分段（母聯）保護的斷路器拒動時，主變保護通過切除變壓器低壓側斷路器來提供后備保護。當變壓器低壓側斷路器拒動時，則需跳開其他各側斷路器。

智能變電站技術為主變低壓側加速跳閘保護的應用提供了更便捷的實現途徑。智能變電站采用GOOSE傳輸聯閉鎖及跳閘信號，具有抗干擾性強、擴展方便、物理連接簡單等一系列優(yōu)點。對智能變電站保護裝置優(yōu)化擴展，增加相關邏輯判斷以實現加速低壓側后備動作跳閘的功能，不必增加二次接線和裝置，實現基于GOOSE網絡化方式的保護最優(yōu)配置，在不增加硬件設備投資的前提下可大幅提高保護可靠性能。

因此，智能變電站主變低壓側加速跳閘保護不設置獨立的裝置，通過優(yōu)化完善國內現階段相關保護裝置配置來實現。由嵌入在變壓器后備保護和分段（母聯）裝置中的邏輯動作元件，以及嵌入在分段（母聯）和出線（包括線路、站用變、接地變、電容器、電抗器等）保護裝置中的閉鎖元件組成。

2 加速跳閘保護邏輯

本保護方案采用基于閉鎖信號的保護閉鎖與加速動作方式。當某一級保護檢測到故障時，會向上級所有保護發(fā)送閉鎖信號，出線保護要向與所在母線相連的上級所有變壓器低壓側保護發(fā)送閉鎖信號。分段（母聯）斷路器在合位時，該分段（母聯）保護要向所連母線的上級變壓器發(fā)送閉鎖信號；分段（母聯）斷路器在分位時，該分段（母聯）保護退出。當保護動作以后，都解除閉鎖信號。如果斷路器動作成功切除故障，則上級保護也不再檢測到故障，所以不會動作；如果斷路器拒動，由于上級保護不再收到閉鎖信號而加速動作。

1）出線保護。當變電站出線發(fā)生故障時，由出線保護檢測到故障，發(fā)跳閘信號給出口斷路器，同時發(fā)閉鎖信號給上級的分段（母聯）保護和主變低壓側后備保護。當出線保護動作以后，解除閉鎖信號。如果斷路器正確跳開切除故障，上級保護雖然開放，但是由于沒有過流，不會造成誤動。如果經一定延時后，上級保護仍能檢測到過流，表示下級保護的斷路器未正確跳閘，上級保護加速動作。

2）分段（母聯）保護。當分段（母聯）保護檢測到過流時，保護立即啟動，并且輸出閉鎖信號給上級主變低壓側后備保護。如果分段（母聯）保護沒有收到下級出線保護發(fā)來的閉鎖信號，則表示故障點位于母線上，經延時發(fā)跳閘信號給分段（母聯）斷路器，并立即將發(fā)給上級主變低壓側后備保護的閉鎖信號解除。主變低壓側后備保護在分段（母聯）保護解除閉鎖信號后，如果仍能檢測到過流，則表示下級保護沒有成功切除故障。此時由主變低壓側后備保護動作切除故障。

3）主變低壓側后備保護。當主變低壓側后備保護檢測到過流時，保護啟動。經一較短延時，如果沒有收到下級保護發(fā)來的閉鎖信號，則判斷為母線故障，發(fā)跳閘信號給主變低壓側斷路器。如果故障電流不消失，經延時跳主變高壓側斷路器。如果故障位置在主變低壓側后備保護背側，則由主變高壓側斷路器切除故障。由于采用加速跳閘方案，可以設置較短的高壓側保護延時。加速跳閘保護方案架構如圖3所示。

各級保護通過基于GOOSE傳輸的閉鎖信號實現邏輯配合。雖然在保護的動作過程中也需要加入延時，但是與傳統保護的延時有很大不同。主變保護和分段（母聯）保護都只需經一較短延時（如100 ms）來判斷是否收到閉鎖信號。如果無閉鎖信號，則直接加速跳閘；如有閉鎖信號，則表明故障位于下級保護的范圍之內，本級保護不動作。下級保護動作后，解除閉鎖信號，上級保護開放。當下級斷路器未正常跳開時，上級保護仍能檢測到過流，由于沒有閉鎖信號，保護可以加速動作。

圖3 加速跳閘保護方案架構

傳統采用變壓器低壓側后備保護作為母線保護的方法，需要通過動作電流整定值配合延時來實現。一方面，由于變電站內接線復雜，保護動作電流的整定存在很大困難；另外，延時的設置一般較長，每段延時一般在0.5 s左右。當保護或者斷路器不正常動作時，很可能會讓主變承受較長時間較大的過電流，進而引發(fā)事故。

本保護方案采用基于GOOSE的數字化變電站通信方式，在不設置獨立裝置的前提下，加速變壓器低壓側保護的動作，大幅提高保護的可靠性和速動性。

同時，由于現有主流主變后備保護裝置、母聯保護裝置、線路保護裝置等均具有較強通用性，一般均具有以太網或雙以太網接口，因此對于非智能站，可以增加交換機，組建過程層網絡，實現GOOSE報文傳輸，從而實現本文所述功能。對于組建GOOSE網絡困難的情況，仍舊可以通過硬接點實現閉鎖信號傳遞。

3 典型接線保護動作配合分析

對于如圖4所示的主變低壓側接線形式，當采用不同運行方式時，分析出線保護、分段保護和主變低壓側后備保護之間的配合動作。

各種接線方式下保護配合邏輯如下：

1）方式1：分段500 A打開，1號變壓器帶母線Ⅰ，2號變壓器帶母線Ⅱ和Ⅲ。

圖4 主變低壓側接線結構

此時，母線Ⅰ出線保護輸出閉鎖信號到1號變壓器保護裝置、500 A分段保護裝置；母線Ⅱ和Ⅲ的出線保護輸出閉鎖信號到2號變壓器保護裝置、500 A分段保護裝置。

K1故障：L1出線過流保護啟動，發(fā)跳閘信號跳開出線出口斷路器，同時發(fā)閉鎖信號給1號變壓器低壓側后備保護和500 A分段保護。由于分段斷路器在分位，保護退出。出線保護動作后解除閉鎖，經延時，如果主變低壓側后備保護仍檢測到過流，則表示出線斷路器拒動。由于此時1號變壓器低壓側后備保護已經不再接收到閉鎖信號，切除低壓側斷路器實現后備保護。

K2故障：1號變壓器低壓側后備保護和分段保護不受影響。L2出線過流保護啟動，發(fā)跳閘信號跳開出線出口斷路器，同時發(fā)閉鎖信號給2號變壓器低壓側后備保護和500 A分段保護。出線保護動作后解除閉鎖，經延時如果2號變壓器低壓側后備保護仍檢測到過流，則表示出線斷路器拒動。由于此時2號主變低壓側后備保護已經不再接收到閉鎖信號，切除低壓側斷路器實現后備保護。

K3故障：出線保護不啟動，分段保護不啟動，經延時1號變壓器低壓側后備保護動作。保護動作后，如果故障電流不消失，經延時跳變壓器高壓側斷路器，作為變壓器低壓側斷路器的失靈保護。

K4故障：1號變壓器低壓側后備保護和500 A分段保護不受影響。由2號變壓器低壓側后備保護經延時動作切除故障。如果故障電流不消失，則跳開其他各側斷路器。

K5故障：出線保護、分段保護和1號變壓器低壓側后備保護都檢測不到過流，由高壓側保護經較短延時切除故障。

2）方式2：分段500 A閉合，1號變壓器帶母線Ⅰ、母線Ⅱ，2號變壓器退出。

此時，母線Ⅰ出線保護輸出閉鎖信號到1號變壓器保護裝置、500 A分段保護裝置；母線Ⅱ出線保護輸出閉鎖信號到1號變壓器保護裝置、500 A分段保護裝置；500 A分段保護裝置輸出閉鎖信號到1號變壓器保護裝置。

K1故障：L1出線過流保護啟動，發(fā)跳閘信號跳開出線出口斷路器。同時發(fā)閉鎖信號給1號變壓器低壓側后備保護和500 A分段保護。出線保護動作后解除閉鎖，經延時，如果主變低壓側后備保護仍檢測到過流，則表示出線斷路器拒動。由于此時1號變壓器低壓側后備保護已經不再接收到閉鎖信號，切除低壓側斷路器實現后備保護。雖然分段保護也接收不到閉鎖信號，但是由于500 A處并未有過流，因此也不動作。

K2故障：L2出線過流保護啟動，發(fā)跳閘信號跳開出線出口斷路器。同時發(fā)閉鎖信號給1號變壓器低壓側后備保護和500 A分段保護。保護動作后，收回閉鎖信號。出線保護動作后經延時，如果500 A分段仍有過流，則表示出線斷路器拒動。此時500 A分段保護加速動作切除分段斷路器。由于分段保護仍向上級的1號主變低壓側后備保護發(fā)送閉鎖信號，主變低壓側后備保護不動作。分段保護動作后，收回閉鎖信號。如果經一較短延時，1號主變低壓側后備保護仍有過流，則由其加速動作切除主變低壓側斷路器。

K3故障：出線保護、500 A分段保護不啟動。1號變壓器低壓側后備保護由于沒有收到下級保護送來的閉鎖信號，經較短延時動作跳開主變低壓側斷路器。保護動作后，如果故障電流不消失，經延時跳開1號變壓器高壓側斷路器。

K4故障：出線保護不啟動，500 A分段保護檢測到過流，保護啟動，同時發(fā)閉鎖信號給1號變壓器低壓側后備保護。經延時500 A分段保護動作跳開分段斷路器，并收回閉鎖信號。經延時，如果1號變壓器低壓側后備保護仍檢測到過流，由于此時已收不到閉鎖信號，保護動作跳開變壓器低壓側斷路器。

K5故障：出線保護、分段保護和1號變壓器低壓側后備保護都檢測不到過流，由高壓側保護經較短延時切除故障。

4 結論

智能變電站主變低壓側加速保護方案，在不增加裝置和交換機成本的基礎上，實現了低壓母線、出線以及分段保護的功能。通過閉鎖信號進行保護之間的配合，能夠解決傳統的依靠電流定值方法存在的難以整定的問題。通過設置較短延時，配合閉鎖信號，實現斷路器拒動時保護的加速動作，滿足快速切除故障的要求。當故障發(fā)生時，能夠確保保護正確動作，避免發(fā)生因保護配合問題所導致的事故。

通過充分利用智能變電站的信息通信機制，實現當主變低壓側發(fā)生故障時，減少級差配合1~3級，縮短跳閘時間0.33~1 s。提高了保護的靈敏性和速動性，解決了長期困擾現場運行的低壓開關柜內故障保護反應不夠快速的問題，縮短了大短路電流沖擊電氣設備的時間。

［1］鮑凱鵬，呂航，張紹純，等.集中式保護測控系統中母線保護同步方案［J］.電力自動化設備，2013，33（1）：165-169.

［2］曾鐵軍，鄭茂然，蘇澤光，等.基于突變量阻抗原理的差動保護的研究［J］.電力系統保護與控制，2014，42（1）：115-118.

［3］何鳴，葉遠波，陳實.變壓器中低壓側后備保護配置及整定方案［J］.電網技術，2006，30（16）：89-91.

［4］舒逸石，王薇，韓光.一起主變低壓側線路故障引起越級跳閘故障分析［J］.華中電力，2012，25（1）：33-35.

［5］陳強.一起主變低壓側開關故障的保護動作分析［J］.江蘇電機工程，2011，30（3）：22-24.

［6］張芬.一起220 kV變電站主變壓器跳閘事故分析［J］.華電技術，2010，32（10）：46-47.

［7］張春合，陸征軍，李九虎，等.數字化變電站的保護配置方案和應用［J］.電力自動化設備，2011，31（6）：122-125.

［8］高宏慧.基于GOOSE的10 kV母線快速保護方案［J］.供用電，2010，27（1）：55-56.

［9］王銳，王政濤，李海星，等.基于GOOSE方式的網絡化母線保護［J］.電力系統保護與控制，2009，37（14）：51-54.

Accelerated Trip Protection Scheme Based A Blocking Signal for Low Voltage Side of Main Transformer

XUE Binglei，ZHANG Shengxi，ZHANG Dekun
（Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China）

In a substation，the protection of the 35/10kV buses is usually performed by backup protection of the main transformer other than by the specially designed equipment，which leads to overlong acting time.To solve this problem，we propose a accelerated trip scheme based a blocking signal.This scheme includes three parts，the feeder protection，the sectional protection and the low voltage side protection of the main transformer.With the blocking signal，the protection coordination and accelerated trip when the breaker fails is realized.When a fault is identified by any protection level，a blocking signal is transmitted to the higher-level protections.After the protection action，the blocking signal is removed.The action of the protection scheme is analyzed based on real applications.The protection is able to act rapidly for faults at different points，which proves the effectiveness of the scheme.

substation；main transformer；accelerated trip；protection

TM774

A

1007－9904（2017）10－0036－04

2017-05-28

薛炳磊（1983），男，工程師，從事輸變電工程設計管理工作；張盛晰（1993），男，從事變電站電氣設計工作；張德坤（1985），男，工程師，從事變電站電氣設計工作。