母線保護(hù)閉鎖備自投裝置動(dòng)作方式探討

賴天德

[摘要] ?母線故障被母線保護(hù)切除后，在某些情況下備自投能夠動(dòng)作于合閘，使變電站的斷路器合閘于故障，導(dǎo)致事故擴(kuò)大。本文以110kV單母分段接線具備4出線間隔的變電站為例，通過(guò)分析不同母線運(yùn)行方式下的故障特征，總結(jié)備自投裝置動(dòng)作情況。針對(duì)合于故障的備自投運(yùn)行方式，設(shè)計(jì)了母線保護(hù)閉鎖備自投的三種方式，以滿足不同條件的備自投裝置選擇特定的閉鎖方式。

關(guān)鍵詞 ?保護(hù)配合;閉鎖方式;母線保護(hù)

引言

在變電站內(nèi)，當(dāng)母線因線路故障導(dǎo)致失壓時(shí)，備自投裝置能夠動(dòng)作恢復(fù)母線電壓，降低線路故障的影響。然而，當(dāng)母線上發(fā)生故障時(shí)，由于備自投裝置感受的故障特征條件與線路故障時(shí)一致，在滿足動(dòng)作條件時(shí)，備自投裝置會(huì)動(dòng)作，并合于母線故障，后果輕則導(dǎo)致分段斷路器爆炸，重則直接威脅全站電力設(shè)備安全。本文采用過(guò)程分析法，以110kV單母線分段的變電站為模型，對(duì)母線故障時(shí)的備自投動(dòng)作情況進(jìn)行分析推斷，確定母線保護(hù)與備自投裝置動(dòng)作沖突點(diǎn)，并提出了防止備自投裝置動(dòng)作合閘于母線故障的多種方式。

1 母線保護(hù)及備自投裝置概述

1.1 母線保護(hù)

母線是變電站電能流通的樞紐，是變電站內(nèi)最重要的電力設(shè)備，當(dāng)母線發(fā)生故障時(shí)，母線保護(hù)能快速動(dòng)作切除母線相連各斷路器，以隔離故障點(diǎn)，減少設(shè)備停運(yùn)范圍。母線保護(hù)需要判斷母線電壓及母線相連運(yùn)行間隔的電流矢量值。當(dāng)電壓和差動(dòng)電流條件均滿足時(shí)，母線保護(hù)動(dòng)作斷開(kāi)分段斷路器、故障母線上的線路斷路器及變壓器高壓側(cè)斷路器。目前部分110kV單母分段接線變電站已完成母線保護(hù)改造并投入運(yùn)行。

1.2 備自投裝置

備自投裝置全稱是備用電源自動(dòng)投入裝置，當(dāng)其感受到母線電壓降低，電源線路電流消失時(shí)，備自投裝置能夠主動(dòng)斷開(kāi)電源線路斷路器并自動(dòng)投入備用電源線路，它的應(yīng)用能有效減少電力負(fù)荷損失。在110kV單母分段接線變電站中，均有設(shè)計(jì)110kV備自投裝置[[參考文獻(xiàn)：

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn). 繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)范[S]. GB/T 14285-2006]]。110kV備自投功能分為進(jìn)線備自投和分段備自投，動(dòng)作區(qū)別在于恢復(fù)母線電壓的方式不同，前者通過(guò)切換電源線路完成，后者則通過(guò)合上分段斷路器來(lái)恢復(fù)母線電壓。以110kV單母分段接線及四條出線間隔的變電站為例，110kV備自投具備14種運(yùn)行方式，投入進(jìn)線備自投的運(yùn)行方式6種，投入分段備自投的方式有8種。這14種方式對(duì)應(yīng)不用狀態(tài)下的變電站電力一次設(shè)備狀態(tài)，當(dāng)電力一次設(shè)備狀態(tài)滿足備自投裝置對(duì)應(yīng)的運(yùn)行方式時(shí)，備自投裝置將會(huì)完成充電。當(dāng)電力一次設(shè)備狀態(tài)改變且滿足備自投裝置動(dòng)作條件時(shí)，備自投裝置將會(huì)動(dòng)作。

1.3 強(qiáng)制進(jìn)線備自投

考慮到區(qū)域電網(wǎng)并列問(wèn)題，并且對(duì)于缺少合于故障后加速跳閘功能的備自投，其分段備自投功能可能導(dǎo)致合于故障后無(wú)法及時(shí)切除故障，從而導(dǎo)致全站失壓，并且短路電流長(zhǎng)時(shí)間存在，直接危害電力設(shè)備安全。[[[] ?朱豐堂，朱財(cái)樂(lè). 強(qiáng)制進(jìn)線備自投的應(yīng)用研究[J]. 電工技術(shù)， 2015（02）：71-72]]據(jù)繼電保護(hù)反事故措施規(guī)定，對(duì)于上述備自投，采取強(qiáng)制進(jìn)線備自投功能。即通過(guò)人為置位的方式，虛擬出分段開(kāi)關(guān)合位開(kāi)入，使備自投裝置“判斷”分段開(kāi)關(guān)位置保持在合位。從而使備自投裝置的進(jìn)線備自投功能邏輯充電。使用強(qiáng)制進(jìn)線備自投功能后，備自投裝置需要在兩段母線同時(shí)失壓時(shí)才能動(dòng)作，且失去分段備自投的功能。在母線分列運(yùn)行時(shí)，無(wú)法避免因電源線路故障導(dǎo)致的單母失壓結(jié)果。

2 母線故障后備自投動(dòng)作分析

以110kV側(cè)單母分段的110kV典型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)變電站作為故障分析模型，分別對(duì)并列運(yùn)行、分列運(yùn)行下兩種狀態(tài)的母線故障進(jìn)行探討，另外還對(duì)具備強(qiáng)制進(jìn)線備自投功能的備自投裝置在母線故障下的動(dòng)作狀態(tài)進(jìn)行分析。本文將以母線運(yùn)行方式為論證出發(fā)點(diǎn)，分析采取閉鎖回路前母線保護(hù)及備自投裝置動(dòng)作狀態(tài)，并探討出采取閉鎖回路的方式。由此制定閉鎖回路設(shè)計(jì)的思路。思路圖如圖2.1所示。

2.1 分列運(yùn)行時(shí)母線故障

母線故障指母線及直接相連的導(dǎo)線上發(fā)生短路的故障。母線發(fā)生故障的特征具體表現(xiàn)為母線電壓降低及電源間隔電流增大，通過(guò)將母線各個(gè)間隔的電流進(jìn)行矢量計(jì)算，可以得出母線差流值，母線保護(hù)根據(jù)電壓值降低量及差流值的增大量綜合判斷母線是否存在故障。110kV母線分列運(yùn)行時(shí)母線上發(fā)生故障，110kV母線保護(hù)會(huì)動(dòng)作切除與故障母線相連的間隔斷路器，包括分段斷路器、線路斷路器及變壓器高壓側(cè)斷路器。110kV母線保護(hù)的動(dòng)作條件包括母線失壓（低于無(wú)壓定值）、大差動(dòng)作（大差差流滿足動(dòng)作條件），而判斷及選擇故障母線的條件則是小差動(dòng)作（通過(guò)差流大小來(lái)判斷母線是否存在故障）來(lái)完成。

2.1.1 分段備自投動(dòng)作分析

以110kV單母分段接線的變電站為例，110kV母線分列運(yùn)行時(shí)，分段備自投方式充電，當(dāng)某一條110kV母線發(fā)生故障時(shí)，母線保護(hù)會(huì)瞬時(shí)切除相連斷路器。當(dāng)母線失壓時(shí)，備自投裝置將啟動(dòng)計(jì)時(shí)，經(jīng)3500ms延時(shí)跳開(kāi)失壓母線上電源線路斷路器，收到該線路斷路器跳位后，備自投動(dòng)作合上分段開(kāi)關(guān)。由于備自投裝置無(wú)法識(shí)別導(dǎo)致母線失壓的原因是母線故障還是電源線路故障，在母線故障時(shí)備自投裝置同樣會(huì)動(dòng)作于分段斷路器合閘，致使合于故障母線。綜上所述，在分列運(yùn)行的母線上發(fā)生故障時(shí)，由母線保護(hù)切除故障后分段備自投會(huì)使分段斷路器合于母線故障，導(dǎo)致事故擴(kuò)大。因此，母線保護(hù)動(dòng)作后，分段備自投不應(yīng)動(dòng)作，應(yīng)被閉鎖。[[[] ?張新來(lái). 110kV變電站母線保護(hù)與備自投配合關(guān)系分析[J]. 電工技術(shù)， 2017（5）： 86-87.]]

2.1.2 強(qiáng)制進(jìn)線備自投動(dòng)作分析

強(qiáng)制進(jìn)線備自投在110kV母線分列運(yùn)行時(shí)投入，當(dāng)單段母線故障時(shí)，強(qiáng)制進(jìn)線備自投不會(huì)動(dòng)作，不會(huì)擴(kuò)大事故范圍。在兩段母線同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，母線保護(hù)動(dòng)作切除所有斷路器后，強(qiáng)制進(jìn)線備自投會(huì)動(dòng)作合上備用電源線路斷路器，即合于母線故障，短路電流會(huì)流經(jīng)上一級(jí)電源的變壓器，嚴(yán)重時(shí)燒壞變壓器。因此，母線保護(hù)動(dòng)作后，強(qiáng)制進(jìn)線備自投不應(yīng)動(dòng)作，應(yīng)被閉鎖。

2.2 并列運(yùn)行時(shí)母線故障

同以110kV單母分段接線的變電站為例，110kV母線并列運(yùn)行時(shí)，單段母線上發(fā)生故障時(shí)，兩段母線電壓同時(shí)降低，短路電流流經(jīng)分段斷路器，母線保護(hù)能夠選擇出故障母線予以切除。母線保護(hù)動(dòng)作的原理以及特征與分列運(yùn)行時(shí)的情況一致。

2.2.1 進(jìn)線備自投動(dòng)作分析

在110kV母線上有2條及以上電源線路且進(jìn)線備自投充電的運(yùn)行方式下，母線發(fā)生故障時(shí)，兩段母線同時(shí)失壓，母線保護(hù)動(dòng)作切除分段斷路器及故障母線上相連間隔的斷路器，非故障母線維持正常運(yùn)行。當(dāng)分段斷路器被切除后，兩段母線中一段有電壓，另一段無(wú)電壓，滿足備自投裝置放電邏輯，備自投裝置不會(huì)動(dòng)作。

當(dāng)并列的母線上只有1條電源線路運(yùn)行且進(jìn)線備自投充電的情況下，母線發(fā)生故障時(shí)，兩段母線同時(shí)失壓，母線保護(hù)動(dòng)作切除分段斷路器及故障母線上相連間隔的斷路器。若故障母線為電源線路所掛接的母線，則母線保護(hù)動(dòng)作后，全站母線將失壓，進(jìn)線備自投會(huì)動(dòng)作合上備用電源線路斷路器，恢復(fù)非故障母線電壓。若故障母線不是電源線路所掛接的母線，則母線保護(hù)動(dòng)作后，故障母線被切除隔離，非故障母線繼續(xù)運(yùn)行，備自投裝置不會(huì)動(dòng)作。綜上所述，并列運(yùn)行的母線發(fā)生故障，母線保護(hù)動(dòng)作后不需要對(duì)備自投裝置進(jìn)行閉鎖。

3 備自投裝置的閉鎖方式

通過(guò)上文的分析，可以采取多種方式來(lái)閉鎖備自投裝置的動(dòng)作行為。閉鎖的邏輯需要考慮母線是否在并列運(yùn)行，當(dāng)母線在并列運(yùn)行時(shí)，母線保護(hù)動(dòng)作不需要閉鎖備自投裝置。當(dāng)母線在分列運(yùn)行時(shí)，母線保護(hù)動(dòng)作需要閉鎖備自投裝置。另外，在單段母線檢修時(shí)，備自投裝置無(wú)相關(guān)運(yùn)行方式，為簡(jiǎn)化二次回路設(shè)計(jì)，可以并入母線分列運(yùn)行的情況。閉鎖的方式包括增設(shè)開(kāi)入、退出總功能開(kāi)入、斷開(kāi)開(kāi)入電源或改變線路斷路器合后位置狀態(tài)。[[[] ?黃劍. 220kV備自投裝置外部閉鎖回路設(shè)計(jì)問(wèn)題[J]. 廣東輸電與變電技術(shù)， 2010（2）：19-20

3.1 增設(shè)備自投總閉鎖開(kāi)入

增加備自投總閉鎖開(kāi)入的設(shè)計(jì)是最直接的閉鎖方式。對(duì)于具備總閉鎖開(kāi)入的備自投裝置而言，將母線保護(hù)動(dòng)作接點(diǎn)串接入其總閉鎖開(kāi)入回路當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)母線保護(hù)動(dòng)作時(shí)閉鎖備自投?？紤]到母線分列、并列時(shí)母線保護(hù)動(dòng)作后閉鎖備自投的情況不同，需要在閉鎖回路中串接反應(yīng)母線并列的接點(diǎn)，如串接分段斷路器節(jié)點(diǎn)及其兩側(cè)刀閘的節(jié)點(diǎn)作為母線并列的接點(diǎn)、電壓互感器并列裝置的并列繼電器接點(diǎn)。另外，若備自投裝置有裝置總閉鎖壓板，則需要將上述閉鎖開(kāi)入的首尾并接至總閉鎖壓板兩端?？紤]防止母線保護(hù)檢修時(shí)誤閉鎖備自投的情況，具體實(shí)現(xiàn)的回路如圖3.1所示，圖中省略備自投裝置屏內(nèi)部接線。

3.2 退出備自投總功能

部分110kV備自投裝置缺少閉鎖總功能開(kāi)入，但具有備自投功能開(kāi)入。因此閉鎖備自投可以采取退出備自投總功能的方式，其原理與增設(shè)閉鎖回路相似。區(qū)別在于備自投裝置的開(kāi)入邏輯完全相反，退出備自投總功能回路需要應(yīng)用母線保護(hù)動(dòng)作的動(dòng)斷接點(diǎn)，當(dāng)母線保護(hù)動(dòng)作時(shí)，斷開(kāi)備自投總功能開(kāi)入回路以實(shí)現(xiàn)閉鎖備自投。同時(shí)需要將母線并列反應(yīng)到回路當(dāng)中，因此需要將表示母線并列的動(dòng)合接點(diǎn)并接至母線保護(hù)動(dòng)作的動(dòng)斷接點(diǎn)。具體回路實(shí)現(xiàn)如圖3.2所示。圖中省略備自投裝置屏內(nèi)部接線。

3.3 母線保護(hù)采用手動(dòng)跳閘

當(dāng)母線保護(hù)跳開(kāi)斷路器方式采用手動(dòng)跳閘時(shí)，電源線路斷路器的合后位置被復(fù)歸，使備自投裝置放電。在二次回路設(shè)計(jì)上，此方法較容易實(shí)現(xiàn)。但采取手動(dòng)跳閘時(shí)，會(huì)不利于事故后故障分析，并且無(wú)法生成事故總信號(hào)，有礙于調(diào)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如采取母線保護(hù)手動(dòng)跳閘各線路斷路器的方式，則應(yīng)該完善變電站故障錄波功能及加強(qiáng)母線保護(hù)動(dòng)作的遙信級(jí)別。

4 結(jié)束語(yǔ)

在110kV變電站內(nèi)，當(dāng)110kV母線分列運(yùn)行或有母線檢修時(shí)，母線發(fā)生故障并由母線保護(hù)切除后，需將備自投裝置閉鎖，以防止其動(dòng)作合閘于故障，擴(kuò)大事故范圍。本文通過(guò)分析不同運(yùn)行方式下的母線故障情況，探討了對(duì)應(yīng)運(yùn)行方式下備自投的動(dòng)作是否應(yīng)該被閉鎖。并結(jié)合了現(xiàn)場(chǎng)二次回路的簡(jiǎn)化目的，總結(jié)出母線分列運(yùn)行及單段母線檢修狀態(tài)下，母線保護(hù)動(dòng)作應(yīng)閉鎖備自投裝置，而在母線并列運(yùn)行狀態(tài)下，母線保護(hù)動(dòng)作不閉鎖備自投裝置。設(shè)計(jì)了三種能夠防止備自投裝置動(dòng)作合閘于故障的方式。從簡(jiǎn)化回路的角度，第一種方式實(shí)施難度較小，實(shí)施后果影響及風(fēng)險(xiǎn)較小。但對(duì)于不具備閉鎖備自投開(kāi)入的裝置而言，需要采取第二種或者第三種方式。當(dāng)母線保護(hù)采取手跳斷路器的方式時(shí)，需要加強(qiáng)完善變電站故障錄波能力及母線保護(hù)動(dòng)作遙信告警等級(jí)。