趙明君，王 杰，侯 煒，陳 俊

（1. 國網(wǎng)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(fā)展。水電廠中低壓母線為水輪機(jī)及其他輔助設(shè)備的正常運行提供動力支撐，其重要性不言而喻。高壓開關(guān)柜作為中低壓母線的載體，由于其空間狹小，在發(fā)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(yán)重的經(jīng)濟(jì)和財產(chǎn)損失。

為加強(qiáng)中低壓母線的保護(hù)，近年來一些中低壓母線的保護(hù)方案在水電廠得到越來越多的應(yīng)用。其中應(yīng)用最多的是簡易母線保護(hù)和弧光保護(hù)。簡易母線保護(hù)通過進(jìn)線和分段電流作為啟動信號，并用母線各出線保護(hù)的過流閉鎖信號作為輔助判據(jù)區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障。隨著過程層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益成熟，特別是站域保護(hù)控制系統(tǒng)逐步成熟，為中低壓母線保護(hù)帶來新的契機(jī)?；」獗Ｗo(hù)以發(fā)生故障時的弧光檢測為主要依據(jù)，發(fā)生故障時，可快速定位故障點，同時結(jié)合故障電流判據(jù)，可快速切除故障。

過程層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，通過GOOSE傳輸開關(guān)量，可減少現(xiàn)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(hù)與所有饋出線保護(hù)共有的GOOSE網(wǎng)絡(luò)，在傳統(tǒng)簡易母線保護(hù)基礎(chǔ)上，結(jié)合弧光保護(hù)可快速定位故障點的優(yōu)勢，提出一種改進(jìn)型簡易母線保護(hù)方案，可快速切除中低壓母線故障。

1 廠用分支母線保護(hù)現(xiàn)狀

差動保護(hù)選擇性好，響應(yīng)速度快。但中低壓母線饋線較多，差動保護(hù)并不適用于中低壓系統(tǒng)。況且差動保護(hù)對TA性能要求較高，又會增加投資成本，故限制了差動保護(hù)在中低壓中的應(yīng)用。以下介紹幾種現(xiàn)有的廠用母線保護(hù)方案。

1.1 高壓廠用變壓器后備過流保護(hù)

依靠高壓廠用變壓器的后備過流保護(hù)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(hù)配合使用，級差配合使得該方案切除故障往往需要數(shù)百毫秒甚至1s以上。故障長時間存在往往使設(shè)備損壞嚴(yán)重，同時對運維人員存在潛在危害。

1.2 弧光保護(hù)

廠用母線的載體是高壓開關(guān)柜。由于開關(guān)柜結(jié)構(gòu)緊湊，在柜內(nèi)發(fā)生短路故障時往往伴隨燃弧現(xiàn)象發(fā)生?；」獗Ｗo(hù)通過安裝在開關(guān)柜中母線室和斷路器室的弧光傳感器實時監(jiān)測發(fā)生故障時的故障弧光，在發(fā)生弧光故障時，快速切除母線進(jìn)線或者分段斷路器，從而切除母線故障。

開關(guān)柜的電纜室觸頭也是發(fā)生弧光故障的高發(fā)區(qū)域。當(dāng)電纜室發(fā)生弧光故障時，間隔保護(hù)通過采集電纜室弧光信號，結(jié)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(xiàn)在也有將弧光保護(hù)融合在單間隔保護(hù)當(dāng)中，例如弧光線路保護(hù)，弧光電動機(jī)保護(hù)等。下面以常見的KYN-28出線開關(guān)柜說明弧光保護(hù)的工作原理。

圖1中，在開關(guān)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(hù)范圍。2號傳感器安裝在斷路器室，若故障發(fā)生在開關(guān)機(jī)構(gòu)下觸頭，斷開本間隔斷路器即可隔離故障；若故障發(fā)生在開關(guān)柜上觸頭，需要切除本母線進(jìn)線或分段斷路器才能切除故障。為防止開關(guān)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(dǎo)致故障范圍繼續(xù)擴(kuò)大，本文將斷路器室的弧光故障歸為母線保護(hù)范圍。由于電纜室發(fā)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(qū)保護(hù)范圍，需要將該信號傳送給本間隔保護(hù)中。弧光保護(hù)往往需要故障電流作為輔助判據(jù)以防止弧光保護(hù)誤動作。在饋線弧光保護(hù)使用過程中，假如在斷路器和TA之間的死區(qū)（圖1中F1處）發(fā)生弧光故障，本間隔TA采集不到故障電流有可能導(dǎo)致饋線弧光保護(hù)拒動。

圖1 KYN-28開關(guān)柜結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Schematic diagram of KYN-28 switchgear structure

1.3 基于GOOSE的簡易母線保護(hù)

簡易母線保護(hù)通過母線的進(jìn)線和分段電流實現(xiàn)保護(hù)功能，并通過母線的饋線保護(hù)啟動信號對其進(jìn)行閉鎖。母線區(qū)外故障時，相關(guān)間隔保護(hù)發(fā)出閉鎖信號閉鎖簡易母線保護(hù)；區(qū)內(nèi)故障時，相關(guān)保護(hù)不發(fā)閉鎖信號，從而簡易母線保護(hù)可快速切除母線進(jìn)線或者分段斷路器。通過GOOSE接收被保護(hù)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(fā)機(jī)制有效地避免信號傳輸?shù)膩G失與錯誤，提升了保護(hù)的可靠性。

在基于GOOSE信號的簡易母線保護(hù)基礎(chǔ)上，結(jié)合弧光保護(hù)可快速定位故障點的優(yōu)勢，本文提出一種改進(jìn)型的簡易母線保護(hù)方案。將所有開關(guān)柜的弧光傳感器都連接至間隔保護(hù)中，通過GOOSE網(wǎng)將每個開關(guān)柜的弧光信號以及閉鎖信號全部傳給簡易母線保護(hù)裝置。簡易母線保護(hù)裝置通過進(jìn)線、分段電流、饋線閉鎖信號及弧光信號進(jìn)行邏輯判斷是跳開母線進(jìn)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(shè)。利用弧光信號檢測達(dá)到快速隔離故障的目的。

2 改進(jìn)型簡易母線保護(hù)

2.1 母線單元模塊

低壓母線系統(tǒng)通常由多段母線連接組成?；诔Ｒ姷哪妇€主接線方式，抽象出母線單元模塊，由進(jìn)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(tǒng)發(fā)生故障時，如果故障屬于被保護(hù)母線區(qū)內(nèi)故障，則有功功率通過分段1、2流向該母線。為此，可根據(jù)分段斷路器的功率流向確定故障發(fā)生在哪段母線上。若母聯(lián)TA同名端在遠(yuǎn)離被保護(hù)母線的一側(cè)，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(lián)CT同名端在被保護(hù)母線一側(cè)，與圖2所示相反，則定義有功功率為：

在簡易母線保護(hù)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(fù)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(yīng)5種故障模式：

模式1，僅進(jìn)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(jìn)線，或進(jìn)線斷路器在分位時，本母線故障。

模式3，進(jìn)線和一個分段過流，表征該段母線有一側(cè)分段斷路器不存在或斷路器在分位，且該進(jìn)線提供故障電流。是否為本母線故障，需要根據(jù)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(fù)，表示故障在其他母線段。

模式4，兩個分段過流，進(jìn)線不過流，表征該段母線沒進(jìn)線或者進(jìn)線斷路器在分位。是否為本母線故障，需根據(jù)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(fù)，表示故障在其他母線段。

模式5，進(jìn)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(jù)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(fù)，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(jìn)線斷路器，為此需要饋線保護(hù)在檢測到故障電流時能發(fā)出閉鎖信號，用于區(qū)分區(qū)外故障。

廠用6kV母線負(fù)荷以高壓電動機(jī)為主，電動機(jī)啟動電流很大，一般可達(dá)到（6～8）Ie。當(dāng)電動機(jī)在短時失去電源，電源恢復(fù)時，電動機(jī)將經(jīng)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(jī)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(jī)啟動完成正常運行時，為兼顧保護(hù)靈敏性，定值自動轉(zhuǎn)為低值。母線故障時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁通不能突變，從而產(chǎn)生幅值很高的反饋電流，有可能誤發(fā)簡易母線閉鎖信號。為了防止反饋電流啟動保護(hù)誤發(fā)閉鎖信號，使用過流方向元件進(jìn)行閉鎖。當(dāng)正極性在母線側(cè)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(qū)。由此得到電機(jī)給簡易母線發(fā)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(hù)通過安裝在開關(guān)柜內(nèi)母線室、斷路器室，電纜室的弧光傳感器收集各個高壓開關(guān)柜的弧光信號，通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳給簡易母線保護(hù)，如圖5所示。

特別地，簡易母線保護(hù)由于采集進(jìn)線或者分段的電流作為判據(jù)，當(dāng)開關(guān)柜電纜室發(fā)生弧光故障時，不論故障在TA下方或在斷路器和TA的死區(qū)位置，簡易母線保護(hù)均能采集到故障電流，而有效切除故障。

圖5 間隔（負(fù)荷）保護(hù)示意圖Fig．5 Schematic diagram of load protection

簡易母線保護(hù)啟動后，通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)實時收集各個間隔負(fù)荷保護(hù)的閉鎖信號，以及弧光保護(hù)信號。通過邏輯運算選擇跳開母線進(jìn)線、分段或間隔斷路器。間隔保護(hù)通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)與簡易母線保護(hù)之間信號交換示意圖如圖6所示。

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

2.3 簡易母線保護(hù)動作邏輯

當(dāng)母線任一進(jìn)線或分段電流大于整定值時，簡易母線保護(hù)啟動。

簡易母線保護(hù)啟動后，若收到負(fù)荷閉鎖信號，簡易母線保護(hù)不動作。

簡易母線保護(hù)啟動后，若未收到負(fù)荷發(fā)出的閉鎖信號，則表征是母線故障。需根據(jù)各母線單元模塊的故障模式進(jìn)行跳閘處理。

如果本母線處于故障模式1，則經(jīng)簡易母線Ⅰ段跳開進(jìn)線。如本母線處于故障模式2，則經(jīng)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(jìn)線和分段斷路器；有功功率為負(fù)，表征故障不在本母線，簡易母線保護(hù)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(hù)Ⅰ段跳開兩個分段（和進(jìn)線）；兩個分段一正一負(fù)，表示故障在其他母線段，本母線簡易母線保護(hù)不動作。

簡易母線保護(hù)啟動后，若收到間隔保護(hù)的弧光信號，表征故障發(fā)生在高壓開關(guān)柜內(nèi)；若弧光信號發(fā)生在開關(guān)柜電纜室，簡易母線速斷保護(hù)通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)發(fā)出跳閘信號跳開發(fā)生弧光故障的負(fù)荷斷路器；若弧光信號發(fā)生在開關(guān)柜母線室或斷路器室，簡易母線速斷保護(hù)根據(jù)進(jìn)線電流跳開進(jìn)線或分段斷路器。

簡易母線保護(hù)電流定值整定需保證在系統(tǒng)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(fù)荷電流。簡易母線Ⅰ段推薦整定定值為50ms；在發(fā)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(qū)故障或者斷路器失靈，經(jīng)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(hù)實施方案。圖7為單母分段主接線簡易母線保護(hù)設(shè)備信號連接示意圖。圖8為動模仿真系統(tǒng)。

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

3.1 兩進(jìn)線一主一備運行方式仿真結(jié)果

當(dāng)1DL、FD斷路器在合位，2DL在分位時：

F1故障：電動機(jī)保護(hù)動作跳開1L1，簡易母線保護(hù)不動作；觸發(fā)1L1高壓開關(guān)柜電纜室弧光傳感器，簡易母線保護(hù)速斷動作，跳開1L1。

F2故障：1DL過流。簡易母線保護(hù)經(jīng)50ms跳開1DL和FD。觸發(fā)1L1高壓開關(guān)柜母線室或斷路器室弧光傳感器，簡易母線保護(hù)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(tǒng)Fig．8 Dynamic model simulation system

F3故障：1DL過流。簡易母線保護(hù)經(jīng)50ms跳開1DL和FD。

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

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(fù)，簡易母線保護(hù)（Ⅰ段母線）不動作。簡易母線保護(hù)（Ⅱ段母線）經(jīng)50ms跳開FD。觸發(fā)2L1高壓開關(guān)柜母線室或斷路器室弧光傳感器，簡易母線保護(hù)速斷動作跳開FD。

3.2 兩進(jìn)線分列運行方式仿真結(jié)果

當(dāng)1DL、2DL在合位，F(xiàn)D在分位時：

F1故障：電動機(jī)保護(hù)動作跳開1L1，簡易母線保護(hù)不動作；觸發(fā)1L1高壓開關(guān)柜電纜室弧光傳感器，簡易母線保護(hù)速斷動作，跳開1L1。

F2故障：1DL過流。簡易母線保護(hù)經(jīng)50ms跳開1DL。觸發(fā)1L1高壓開關(guān)柜母線室或斷路器室弧光傳感器，簡易母線保護(hù)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(fù)，簡易母線保護(hù)（Ⅱ段母線）不動作。經(jīng)150ms后，故障電流依然在，失靈保護(hù)跳開2DL。

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

F5故障：2DL過流。簡易母線保護(hù)經(jīng)50ms跳開2DL。觸發(fā)2L1高壓開關(guān)柜母線室或斷路器室弧光傳感器，簡易母線保護(hù)速斷動作跳開2DL。

4 結(jié)束語

本文在簡易母線保護(hù)基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)型的簡易母線保護(hù)方案。利用弧光傳感器快速定位故障點的優(yōu)勢，達(dá)到快速切除故障的目的。與傳統(tǒng)弧光保護(hù)相比，該方案弧光信號采集由各饋線保護(hù)完成，弧光傳輸光纖敷設(shè)工作量大大減小。該方案同時可消除單間隔弧光保護(hù)電纜室發(fā)生死區(qū)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(fā)電廠，因此有很好的借鑒意義以及推廣前景。

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