10 kV變電所母線保護的分析與應用*

劉 翠，王志南

（中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧撫順113006）

10 kV變電所母線保護的分析與應用*

劉 翠，王志南

（中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧撫順113006）

對10 kV變電所母線的保護現狀和存在問題進行了分析和討論，論述了裝設10 kV母線專用快速保護的必要性和可行性，并提出了2種母線保護的新方案。

變電所；母線保護；保護方案

在電力系統中，35 kV及以下電壓等級的母線由于沒有穩定問題，一般未裝設專用母線保護，但由于高壓變電站的10 kV系統出線多、操作頻繁、容易受小動物危害、設備絕緣老化和機械磨損等因素影響，10 kV開關柜故障時有發生。多年的運行實踐表明，雖然國內外的高壓開關柜的制造技術進步很快，10 kV母線發生故障的機率大為減少，但是仍然有因個別開關柜故障引發整段開關柜“火燒聯營”的事故發生，甚至波及到變壓器，造成變壓器的燒毀。造成此類事故的原因是多方面的，而沒有配備快速母線保護也是重要原因之一。變電所的10 kV母線一般不配置專用的快速母線保護是目前國內的典型設計做法，是符合國標及現行的電力行業規程規范要求的。因此，長期以來人們對中低壓母線保護一直不夠重視。但是，慘痛的事故教訓已經引起電力部門及企業電氣運行部門的廣泛關注，在技術上尋求新的繼電保護方案也是廣大繼電保護工作者的目標之一。

1 10 kV母線保護的應用現狀及技術要求

1.1 應用現狀

根據國標《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》（GB 50062—92），對于主要變電所的3～10 kV母線及并列運行的雙母線，只有在下列情況下才裝設專用的母線保護[1]：

（1）需快速而有選擇地切除一段或一組母線上的故障，才能保證發電廠及電力網安全運行和重要負荷的可靠供電時；

（2）當10 kV用電系統發生母線故障時，要靠變壓器低壓側的過流后備保護來切除。這種設計方案的弊端是一旦發生母線短路故障時，故障不能被快速切除，而只能等到過流后備保護動作。因后備過流保護動作時間一般整定為1.2～2.0 s。所以在切除故障時將會加大設備的損壞程度，甚至引發相鄰設備的大面積燒毀。

1.2 技術要求

對10 kV母線保護的要求，主要包括以下幾個方面[2]：

（1）保護可靠性要求高，不允許拒動和誤動。特別是對防止誤動的要求更高，因為拒動的結果是故障還可以靠進線（或分段）的后備過流切除，與目前不配置專用母線快速保護的結果是一樣的，使用單位從心理上還可以接受，但是如果是發生誤動，后果很嚴重，直接影響到用戶的供電可靠性，運行單位會產生抵觸，影響到采用該保護的積極性。

（2）保護的構成盡可能簡單。不大量增加一次設備（如電流互感器）和外部電纜而且施工和改造工作簡單易行。

（3）保護不受運行方式的影響，可以自動適應母線上連接元件的改變。如從電源進線切換到分段開關運行，個別或部分元件的投入及退出運行，綜合微機保護的調試和維護修理等情況。

（4）保護可以適應安裝在開關柜上的運行條件。

2 專用母線保護方案

為了解決在10kV系統發生母線故障時沒有快速保護的問題，最直接的保護方案就是配置常規的母線差動保護，把所有母線段上各回路的電流量引入差動保護裝置（或差動繼電器），但是在實施上這種方案還存在一些弊端，具體應用時會受到限制，很難得到運行單位的認可。以下是2種有應用業績的保護方案介紹。

2.1 采用差動保護方案

過去因10 kV系統開關柜內的電流互感器只有2個二次線圈，一個0.5級用于測量，一個P級用于本單元的保護。如要增加一個用于母差保護的二次線圈，只能再增加一組電流互感器，但受開關柜內空間的限制，一個開關柜根本布置不下，除非再增加一個柜，這樣對由很多面柜構成的一段母線來說，造價大大增加。近幾年，具備3個二次線圈的電流互感器開始出現和應用，這為實現10 kV母線短路故障的快速保護創造了有利條件。如圖1所示，各元件電流互感器的第3個二次線圈專用于母線差動保護，為提高可靠性，保護可以經電壓元件閉鎖，只有在出現差電流和系統電壓條件滿足的前提下，保護才能出口。差動保護動作后跳開電源進線斷路器（或分段斷路器）。

該方案的特點是構成簡單，利用了目前電流互感器制造方面的新特點，開關柜投資增加不多。缺點是需增加的二次電纜較多，電纜投資大，現場施工工作量大。但如不增加電壓閉鎖回路，在發生TA斷線情況時，保護的安全性較低。該方案保護可以集中組屏布置在繼電器室內，也可以將保護布置在進線開關柜上。

2.2 利用快速保護方案

其原理是：利用各開關柜綜合保護提供的故障信息（硬接點），經匯總后進行綜合分析和邏輯判別，來實現10 kV母線短路故障的快速切除。母線故障的快速保護功能“鑲嵌”在進線保護裝置及分段保護裝置內，不以獨立的母線保護裝置形態出現，從而進線保護裝置及分段保護裝置的設計也是非常規范的。

其原理是如故障發生在母線之外，則必有某一個回路的綜合保護發出閉鎖信號，這樣進線保護（或分段保護）被可靠閉鎖；如果故障發生在母線上，則進線保護接收不到閉鎖信號，經一短延時（該延時主要是為躲開暫態過程，提高保護可靠性，一般＜100 ms）后出口跳閘。在母線區域內發生故障時，將快速切除進線斷路器，在用分段斷路器帶母線運行時，保護將快速切除分段斷路器。該方案的構成如圖2所示。

該方案的特點是在構成上不需要增加和改變TA和TV設備和回路，只是在綜合保護上增加構成母線快速接點的配合接點，增加的電纜也不多。其缺點是母線保護依賴于進線保護（或分段保護），保護裝置本身在物理上不獨立，另外，目前的保護還沒有考慮電壓閉鎖條件，保護的可靠性略感不足。這種保護方案已經出現了幾年時間，但沒有得到推廣應用，估計原因是用戶對該保護方案信心不足。

3 新型10 kV母線保護的設想方案

3.1 基于數字網絡技術的10 kV母線保護方案

10 kV母線網絡保護的核心思路是利用母線上各回路的綜合保護裝置和保護專用網絡構成。系統結構如圖3所示。各回路的綜合微機保護需增加一個保護專用數字通訊接口，同時在保護程序中增加一段配合母線保護的服務程序。采用數字通信網絡技術來構成變電站的綜合自動化功能是已經非常成熟的技術，如采用LONWORK、Profibus、CAN網等。

目前在變電所綜合自動化技術方案里，數字通訊網絡主要用來傳送控制命令和監視、測量數據，不用作實現繼電保護功能，原因是繼電保護對可靠性的要求高，必須設置獨立的、專用的裝置和數字通道。

正常運行時，母線保護管理單元循環向網絡上每個10 kV就地綜合保護單元發出詢問信息，其目的有兩個：一是實時掌握本段母線上各回路的運行狀態，即運行方式，作為母線保護條件滿足時的出口依據，即在分段斷路器處斷開，電源進線帶本段母線運行時，保護去跳進線斷路器，而由分段斷路器帶本段運行時，保護去跳分段斷路器；第二個目的是在母線保護管理單元感受到系統發生了故障時，要詢問各回路的綜合保護是否感受到有短路電流流過本保護單元，以作為母線保護管理單元發出動作跳閘命令的依據。

母線保護管理單元是本保護方案的核心，可以安裝在進線斷路器開關柜上。它是信息搜集和處理的中心，也是保護動作的執行者。為了提高本保護的可靠性，在母線保護管理單元中還可以引入本段母線電壓互感器的電壓，作為保護出口的閉鎖條件，降低保護誤動的風險。

在盤錦北方瀝青20萬t/a環烷基餾分油加氫項目和山東菏澤玉皇化工有限公司及20萬t/a苯乙烯裝置及系統工程中采用了以上保護方案。

3.2 基于電弧光傳感技術的10 kV母線保護方案

其原理是通過檢測開關柜內部發生母線故障時產生弧光這一特性，并結合過流閉鎖的動作原理，即它采用檢測弧光和過流雙判據原理。該原理保護有以下特點：

（1）該保護原理簡單，通過檢測弧光短路故障產生的電弧這一簡單原理來實現，其技術核心是電弧光傳感器的采用。電弧光傳感器安裝在開關柜內部，作為光感應元件，將檢測發生弧光故障時突然增加的光強，并將光信號轉換成電信號傳送給母線保護單元。

（2）動作可靠性高，由于采用了“雙判據”，即使弧光傳感器誤報信號，也不會出口。

（3）動作迅速，通過檢測弧光信號，整套保護的動作速度可達5～7 ms。

（4）無論新建或技改工程均容易實施。

（5）造價低。

基于該原理的保護在國外已有應用，運行效果令人滿意，在伊泰16萬t/a煤基合成油工程中采用了該系統。鑒于該保護的上述優點，此系統定會以高度可靠的動作性能，為用戶的中、低壓配電設備的安全經濟運行提供有效的保障，可以預計這種原理的母線快速保護定會在國內得到推廣應用。

4 結束語

綜上所述，在高壓變電所的10 kV母線上裝設快速保護很有必要，電力系統現行的保護方案顯然不能滿足快速切除故障的要求。電力系統迫切需要采用安全可靠、簡單經濟的新型保護系統，來解決中低壓母線故障的快速切除問題。希望提出的母線快速保護的方案能得到電氣同行的重視，并在此基礎上推出高質量的產品，為電力系統的安全可靠運行作出貢獻。

[1]GB 50062—92，電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范[S]．

[2]中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊[M].3版.北京：中國電力出版社出版，2000.

Analysis on Bus Bar Protection of the 10 kV Substation and Its Application

LIU Cui，WANG Zhi-nan
（China Huanqiu contracting&Engineering Corporation Liaoning Branch Company，Liaoning Fushun 113006，China）

The protection status quo and existed problems of 10 kV substation bus bar were analyzed and discussed.The necessity and feasibility of installing special quick protection for 10 kV bus bar were expounded.And two kinds of new protection schemes were proposed.

Substation；Bus bar；Protection schemes

TM645

A

1671-0460（2010）02-0212-03

2010-03-02

劉 翠（1961-），女，遼寧撫順人，高級工程師，1984畢業于撫礦工學院工企電氣自動化專業，從事公企電氣設計工作。