淺析特高壓交流站的母線保護(hù)

鄭理，王向平，陳躍，鄧明，談嘉驊（華東電力設(shè)計(jì)院，上海 200001）

1 引言

1000kV晉東南（長(zhǎng)治）—南陽—荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程，是中國國家電網(wǎng)公司全國聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，是華北與華中兩大區(qū)域電網(wǎng)的特高壓同步交流聯(lián)網(wǎng)的起始工程，一期工程已于2009年投運(yùn)。為充分發(fā)揮特高壓交流試驗(yàn)示范工程的聯(lián)網(wǎng)效益，進(jìn)一步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高華中電網(wǎng)供電的可靠性和特高壓技術(shù)水平的發(fā)展，特高壓交流試驗(yàn)示范工程擴(kuò)建工程于2010年～2011年實(shí)施。

一期工程的三個(gè)特高壓交流站的電氣主接線均為“雙元件、雙斷路器”的過渡接線，均無1000kV母線。其中的特高壓交流南陽站為開關(guān)站，僅有兩回1000kV線路和兩臺(tái)1000kV斷路器，沒有500kV和110kV電壓等級(jí)。

本期擴(kuò)建工程在特高壓交流南陽站新增了三個(gè)電壓等級(jí)的母線保護(hù)（1000kV、500kV、110kV），使用了三類不同廠家的設(shè)備（北京四方、許繼電氣、南京南瑞繼保），適應(yīng)于三種不同的電氣終期主接線（3/2斷路器接線、3/2斷路器接線帶母線分段、單母線接線）和多種電氣一次設(shè)備（母線分段斷路器、母線高抗、無功設(shè)備的專用負(fù)荷開關(guān)、主變壓器的低壓側(cè)總斷路器等），各有特色。

2 1000kV母線保護(hù)

特高壓交流試驗(yàn)示范工程一期的晉東南（長(zhǎng)治）、南陽、荊門等三個(gè)站，由于沒有1000kV母線，也未配置母線保護(hù)。本期擴(kuò)建工程新增1000kV母線，相應(yīng)配置了1000kV母線保護(hù)。本次在全球最高電壓等級(jí)上使用的母線保護(hù)為北京四方的CSC-150型裝置和許繼電氣的WMH-800A/P型裝置。

1000kV電氣一次主接線為3/2斷路器接線，共兩段母線，終期共七個(gè)完整串，如圖1所示。根據(jù)國網(wǎng)公司典型設(shè)計(jì)，為每段母線分別配置了兩套獨(dú)立的母線分相電流差動(dòng)保護(hù)裝置，每套裝置獨(dú)立組柜，本期按照終期接線的規(guī)模定貨。

圖1 特高壓交流南陽站1000kV電氣主接線（終期）

1000kV母線保護(hù)裝置的實(shí)際接線為“全部間隔電流輸入、全部間隔跳閘輸出”【完整母線保護(hù)】方式，每串電流按A相、B相、C相分別輸入裝置；每串分別輸出兩個(gè)跳閘接點(diǎn)，其中一個(gè)接點(diǎn)經(jīng)母線側(cè)斷路器操作箱的TJR（啟動(dòng)失靈和閉鎖重合閘）繼電器重動(dòng)后跳閘，另外一個(gè)接點(diǎn)備用。由于是“雙斷路器接線”，1000kV母線保護(hù)的跳閘出口無復(fù)合電壓閉鎖元件。

根據(jù)反事故措施的要求：斷路器失靈保護(hù)，經(jīng)強(qiáng)電供電的大功率繼電器重動(dòng)后，其重動(dòng)接點(diǎn)再強(qiáng)電輸入母線保護(hù)裝置，失靈開入為“雙開入”（一個(gè)接點(diǎn)開入至母線保護(hù)裝置的兩個(gè)開入點(diǎn)）。在斷路器失靈保護(hù)經(jīng)母線保護(hù)裝置啟動(dòng)跳閘的整個(gè)回路中，串聯(lián)有兩個(gè)連接片（壓板），其中一個(gè)位于斷路器失靈保護(hù)柜中，近失靈保護(hù)延時(shí)動(dòng)作接點(diǎn)的負(fù)電源端；另一個(gè)位于母線保護(hù)柜中，近重動(dòng)繼電器的開入正電源端，其目的為：提高可靠性和增強(qiáng)靈活性，如圖2所示。在此回路設(shè)計(jì)中，兩個(gè)廠家略有區(qū)別，北京四方的CSC-150型母線保護(hù)裝置，每串的斷路器失靈保護(hù)經(jīng)大功率繼電器分別重動(dòng)后，其重動(dòng)接點(diǎn)并聯(lián)后再輸入母線保護(hù)裝置；而許繼電氣的WMH-800A/P母線保護(hù)裝置，每串的斷路器失靈保護(hù)經(jīng)大功率繼電器分別重動(dòng)后，其重動(dòng)接點(diǎn)再分別輸入母線保護(hù)裝置。

圖2 失靈保護(hù)經(jīng)啟動(dòng)母線保護(hù)裝置啟動(dòng)跳閘回路的連接片

3 500kV母線保護(hù)

特高壓交流南陽站的500kV部分本期為3/2斷路器接線（500kV母線不分段），終期為3/2斷路器接線（500kV母線分段），如圖3所示。每套500kV母線保護(hù)裝置既要適應(yīng)本期“母線不分段+3/2斷路器接線”的需要，又能適應(yīng)終期“母線分段+3/2斷路器接線”的要求，還要適應(yīng)各過渡階段擴(kuò)建的不同需求，尤其是母線分段斷路器間隔和母線高抗間隔。

圖3 特高壓交流南陽站500kV電氣主接線（終期）

對(duì)于“母線分段+3/2斷路器接線”，國網(wǎng)公司的典型設(shè)計(jì)中沒有涉及，特高壓交流南陽站的500kV母線保護(hù)配置也是華中500kV電網(wǎng)的首例。華東500kV電網(wǎng)僅在上海地區(qū)的500kV泗涇站、500kV徐行站等工程中存在個(gè)例，而且主要采用ABB的REB103型設(shè)備。實(shí)際定貨之前，對(duì)國內(nèi)五大保護(hù)設(shè)備廠家進(jìn)行了調(diào)研和咨詢的結(jié)果為：僅西北750kV電網(wǎng)的330kV電壓等級(jí)有上述接線形式的少量運(yùn)行實(shí)踐。

特高壓交流南陽站的500kV母線保護(hù)采用與1000kV相同的設(shè)備，即：北京四方的CSC-150型裝置和許繼電氣的WMH-800A/P型裝置。母線保護(hù)的差動(dòng)回路包括母線大差和兩段母線的小差，母線大差比率差動(dòng)用于判別母線的區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障，小差比率差動(dòng)用于故障母線的選擇，在“母線分段接線”的基礎(chǔ)上再考慮“3/2斷路器接線”的特點(diǎn)。除具有與1000kV母線保護(hù)相同的技術(shù)要求外，還特別增加了同母線分段斷路器配合的接口，如：分段斷路器兩側(cè)TA電流、分段斷路器輔助接點(diǎn)、分段斷路器保護(hù)動(dòng)作接點(diǎn)等開入回路，以適應(yīng)母線分段接線。此外，還統(tǒng)一了母線分段斷路器、各完整串、母線高抗的間隔定義。

4 110kV母線保護(hù)

4.1 110kV專用負(fù)荷開關(guān)簡(jiǎn)介

特高壓交流南陽站的主變低壓側(cè)無功補(bǔ)償設(shè)備具有高電壓等級(jí)和大容量的特點(diǎn)，以并聯(lián)電容器組為例，與常規(guī)的超高壓交流站的參數(shù)對(duì)比如表1所示：

表1 與常規(guī)的超高壓交流站的參數(shù)對(duì)比

常規(guī)的超高壓交流站的主變低壓側(cè)常采用低重燃的出口斷路器GCB（Generator Circuit Breaker）來開斷故障電流、投切低壓電容器和低壓電抗器，特高壓交流試驗(yàn)示范工程的1000kV晉東南（長(zhǎng)治）站和1000kV荊門站中的低容和低抗等無功回路也是如此。目前無功補(bǔ)償回路中普遍采用的斷路器滅弧能力強(qiáng)、機(jī)構(gòu)開斷速度快，但其電壽命較短，在投切一定次數(shù)后，回路電阻增大，需更換新斷路器。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，其電壽命不超過1200次。

斷路器所有的功能考核是對(duì)其開斷性能的考核，其操作機(jī)構(gòu)、滅弧室按分?jǐn)喔鞣N短路電流的特性設(shè)計(jì)，型式試驗(yàn)主要考核各種工況下短路電流的開斷性能。根據(jù)IEC-62271-100規(guī)定，斷路器的型式試驗(yàn)考核電容電流開斷電容器組的試驗(yàn)只要求400A僅需達(dá)到120次分合即可。

目前無功投切設(shè)備存在的問題是觸頭燒損嚴(yán)重，主要是由于普通斷路器中，沒有針對(duì)投切大容量的電容器、電抗器的開斷電流進(jìn)行專業(yè)設(shè)計(jì)。迄今為止，國內(nèi)也沒有實(shí)際使用普通斷路器進(jìn)行投切大容量電容器、電抗器的電壽命次數(shù)（3000～10000次）的型式試驗(yàn)驗(yàn)證。

鑒于特高壓交流試驗(yàn)示范工程在晉東南（長(zhǎng)治）站和荊門站的既有經(jīng)驗(yàn)，國網(wǎng)公司考慮擴(kuò)建工程時(shí)在特高壓交流南陽站使用專用負(fù)荷開關(guān)LBS（Load Breaker Switch）投切無功回路。這也是國內(nèi)首次將專用負(fù)荷開關(guān)用于無功設(shè)備的正常投切。專用負(fù)荷開關(guān)滅弧能力弱，不能開斷較大的故障電流，而只能利用主變低壓側(cè)的總回路斷路器來切除故障電流。

設(shè)備廠家按照我國特高壓交流試驗(yàn)示范工程主變低壓側(cè)的具體容量和配置要求，并結(jié)合無功回路投切的特點(diǎn)，進(jìn)行了專門的、多頻次開合的特殊設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)際的、連續(xù)開合型式試驗(yàn)，完成了專用負(fù)荷開關(guān)5000次電壽命的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)大于常規(guī)SF6斷路器。

4.2 110kV保護(hù)跳閘方式

特高壓交流站110kV間隔的一次設(shè)備有表2中的幾種類型：

表2 特高壓交流站110kV間隔的一次設(shè)備類型

無功回路的專用負(fù)荷開關(guān)便于無功回路投切的頻繁操作，但不具備開斷短路電流的能力。經(jīng)專家研討和領(lǐng)導(dǎo)同意：為電容器保護(hù)裝置的跳閘分別設(shè)定兩個(gè)整定值，當(dāng)故障電流較?。ㄈ绮黄胶怆娏鞴收系龋r(shí)，保護(hù)跳本間隔的專用負(fù)荷開關(guān)LBS；當(dāng)故障電流較大（絕大多數(shù)的故障）時(shí)，保護(hù)則跳主變低壓側(cè)的總回路斷路器GCB。電抗器保護(hù)同電容器保護(hù)。

主變低壓側(cè)的總回路斷路器、所變高壓側(cè)斷路器等，均采用常規(guī)斷路器的跳閘方式：保護(hù)裝置經(jīng)操作箱到斷路器跳閘線圈。

鑒于母線保護(hù)及其裝置的特點(diǎn)，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，母線差動(dòng)保護(hù)只跳主變低壓側(cè)間隔、所變高壓側(cè)間隔的斷路器GCB，不跳電容器間隔、電抗器間隔的專用負(fù)荷開關(guān)LBS。根據(jù)專用負(fù)荷開關(guān)的特性，需考慮其失靈的可能。

4.3 110kV母線保護(hù)的特點(diǎn)

特高壓交流站的主變低壓側(cè)的短路電流較大，斷路器的選型困難，110kV部分的主接線也十分特別，每臺(tái)主變壓器的低壓側(cè)有三段獨(dú)立的110kV單母線，其中一段母線連接主變的低壓側(cè)套管，另外兩段母線分別連接無功設(shè)備（低壓電容器、低壓電抗器）和所變，上述兩段無功設(shè)備母線與主變低壓側(cè)母線通過斷路器相連，如圖4所示。

圖4 特高壓交流南陽站110kV電氣主接線（部分）

與常規(guī)500kV或220kV主變低壓側(cè)不同，特高壓主變低壓側(cè)110kV母線配置有獨(dú)立的母線差動(dòng)保護(hù)及失靈保護(hù)。特高壓交流南陽站的110kV母線保護(hù)的回路設(shè)計(jì)非常特殊，與之前的晉東南（長(zhǎng)治）站、荊門站完全不同。實(shí)際接線采用“全部間隔電流輸入、部分間隔跳閘輸出”【準(zhǔn)完整母線保護(hù)】方式，每串電流按A相、B相、C相分別輸入裝置；每串分別輸出兩個(gè)跳閘接點(diǎn)，其中僅主變低壓側(cè)間隔實(shí)際接用，其他間隔的跳閘接點(diǎn)均備用。這種設(shè)計(jì)思路，既不同于常規(guī)的、低壓系統(tǒng)的母線保護(hù)裝置的“部分間隔電流輸入、部分間隔跳閘輸出”【不完整母線保護(hù)】，也不同于特高壓交流南陽站的1000kV母線保護(hù)和500kV母線保護(hù)的“全部間隔電流輸入、全部間隔跳閘輸出”【完整母線保護(hù)】。

在連接無功設(shè)備的兩段110kV母線上，各有一組母線TV（三相式）。根據(jù)特高壓交流試驗(yàn)示范工程一期（晉東南站、荊門站）的習(xí)慣，為上述兩段母線分別配置一套母線保護(hù)裝置。由于是“單斷路器接線”，考慮在母線保護(hù)出口設(shè)置復(fù)合電壓閉鎖元件，也考慮解除復(fù)合電壓閉鎖輸入回路。

110kV母線保護(hù)選用了南京南瑞繼保的RCS-915GA型裝置。母線保護(hù)的設(shè)計(jì)基本按照國網(wǎng)公司的典型設(shè)計(jì)組柜，包括柜端子的功能分段等。失靈保護(hù)的功能由母線保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)，各間隔保護(hù)僅提供跳閘接點(diǎn)，強(qiáng)電分別單開入母線保護(hù)裝置以啟動(dòng)失靈。在各間隔保護(hù)啟動(dòng)母線保護(hù)裝置的失靈回路中，有兩個(gè)連接片（壓板），其中一個(gè)位于各間隔保護(hù)柜中；另外一個(gè)位于母線保護(hù)柜中，以提高可靠性和增加靈活性。

由于110kV電容器、電抗器間隔都使用專用負(fù)荷開關(guān)，其啟動(dòng)失靈回路、解除復(fù)合電壓閉鎖回路的設(shè)計(jì)為：若本間隔的故障電流較小，則經(jīng)母線保護(hù)裝置按間隔分別啟動(dòng)；若本間隔的故障電流較大，則經(jīng)母線保護(hù)裝置在“主變低壓側(cè)間隔”處并聯(lián)后啟動(dòng)。如圖5所示。

主變低壓側(cè)、所變高壓側(cè)間隔都使用常規(guī)的斷路器，其啟動(dòng)失靈回路、解除復(fù)合電壓閉鎖回路，均不考慮主變保護(hù)動(dòng)作或所變保護(hù)動(dòng)作后的任何啟動(dòng)，只考慮電容器、電抗器間隔在大故障電流時(shí)的無功保護(hù)啟動(dòng)。

失靈連跳回路：僅主變低壓側(cè)間隔考慮，母線保護(hù)動(dòng)作經(jīng)主變保護(hù)柜，連跳主變各側(cè)斷路器；所變高壓側(cè)間隔，不再考慮失靈連跳。

圖5 大、小故障電流時(shí)，無功保護(hù)啟動(dòng)110kV母線保護(hù)裝置失靈回路

5 結(jié)語

特高壓交流南陽站的三個(gè)電壓等級(jí)的母線保護(hù)，使用了國內(nèi)五大保護(hù)設(shè)備廠家中的三種主流設(shè)備。由于電氣一次主接線的要求和電氣一次設(shè)備的特殊，使得電壓等級(jí)越低，母線保護(hù)的配置越是非典型，設(shè)計(jì)思路也越為復(fù)雜。

在南陽站110kV母線保護(hù)的多次技術(shù)研討和選型論證過程中，還遇到過如下幾個(gè)問題：

（1）母線保護(hù)接用TA最大變比/最小變比差，超越硬件設(shè)計(jì)極限；

（2）母線保護(hù)接用TA極性和精度的調(diào)整；

（3）母線保護(hù)與無功設(shè)備保護(hù)、主變保護(hù)低壓側(cè)、所變保護(hù)的保護(hù)范圍、動(dòng)作時(shí)間的比較；

（4）母線保護(hù)跳閘方式的優(yōu)化；

（5）母線保護(hù)動(dòng)作出口的復(fù)合電壓閉鎖中，低電壓、零序電壓、負(fù)序電壓的配置和整定。

現(xiàn)今的母線保護(hù)裝置大多已微機(jī)化，其保護(hù)原理主要是分相電流差動(dòng)保護(hù)。同線路保護(hù)、主變保護(hù)、斷路器保護(hù)等相比，在邏輯設(shè)計(jì)、硬件配置、保護(hù)整定、外部接口等方面，母線保護(hù)往往不太被重視。母線保護(hù)的原理發(fā)展相對(duì)緩慢，選型范圍也非常有限。

就現(xiàn)有的母線保護(hù)設(shè)備而言，對(duì)于“雙母線-雙母聯(lián)-雙分段接線”，尚未做到僅靠一套母線保護(hù)裝置就能充分滿足全接線的要求。目前的“雙母線—雙母聯(lián)—單分段接線”，一套母線保護(hù)裝置最多也只能接入24個(gè)間隔，對(duì)于主接線規(guī)模日益擴(kuò)增的現(xiàn)狀，只能采取權(quán)宜之計(jì)。國網(wǎng)公司的典型設(shè)計(jì)，尚未涉及到“母線分段+3/2斷路器接線”；對(duì)于“雙母線接線”，線路、主變等間隔的自由定義、母聯(lián)和分段等間隔極性的定義，還未做到完全統(tǒng)一。

隨著智能電網(wǎng)的深化，分布式母線保護(hù)已成為未來發(fā)展的大趨勢(shì)，但與國際先進(jìn)水平相比，國內(nèi)廠家的設(shè)備還有很大差距。國外廠家的母線保護(hù)通常是將“按間隔設(shè)計(jì)”放在首位，而國內(nèi)廠家只是多注意了考慮其功能，在人性化設(shè)計(jì)方面還有很長(zhǎng)的路要走。母線保護(hù)的研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化也任重而道遠(yuǎn)。

[1]國家電網(wǎng)公司. 國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)500kV變電站二次系統(tǒng)部分[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008.

[2]華北電網(wǎng)有限公司. 華北電網(wǎng)繼電保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2007.

[3]北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司. CSC - 150數(shù)字式母線保護(hù)裝置說明書[M]. 北京: 北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司, 2009.

[4]許繼電氣股份有限公司. WMH - 800A微機(jī)母線保護(hù)裝置技術(shù)說明書[M].許昌: 許繼電氣股份有限公司, 2008.

[5]南瑞繼保電氣有限公司. RCS - 915GA型微機(jī)母線保護(hù)裝置技術(shù)和使用說明書[M]. 南京: 南瑞繼保電氣有限公司, 2009.