母線差動(dòng)保護(hù)在礦井地面主變電所的應(yīng)用

王國(guó)鋒，陳瑞云，尹玉龍，王守軍

(淮河能源集團(tuán)， 安徽 淮南 232001)

0 引言

礦井上級(jí)區(qū)域變關(guān)于礦井電源輸電線路電流保護(hù)采用三段式，即無(wú)時(shí)限電流速斷，保護(hù)線路全長(zhǎng)60%～70%；限時(shí)電流速斷，伸入礦井主變器；定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)。地方供電公司對(duì)礦區(qū)各礦地面主變電所繼電保護(hù)的限額要求“母線所有出線開(kāi)關(guān)保護(hù)電流Ⅰ段，時(shí)限0 s；電流Ⅱ段，時(shí)限1.5～2.5 s”。上述限額存在兩個(gè)主要問(wèn)題：一是電流Ⅰ段作為無(wú)時(shí)限速斷，定值小，在最大運(yùn)行方式下，主變壓器二次側(cè)母線或負(fù)荷發(fā)生三相短路時(shí)，都可能引起電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)跳閘，造成礦井大面積跳電；礦井供電網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)分級(jí)整定，定值、時(shí)限級(jí)差關(guān)系不符合要求，也不滿足繼電保護(hù)的“選擇性”要求。

目前礦井設(shè)計(jì)通常在地面設(shè)置110 kV/10(6) kV工廣變電所，而常規(guī)的三段式保護(hù)并沒(méi)有在110 kV側(cè)開(kāi)關(guān)裝設(shè)母差保護(hù)。當(dāng)母線發(fā)生短路故障時(shí)，主要依靠110 kV進(jìn)線保護(hù)作為母線故障的后備保護(hù)，這種保護(hù)方式存在兩個(gè)問(wèn)題：進(jìn)線保護(hù)定值限額過(guò)小或存在保護(hù)死區(qū)；礦井主變壓器二次側(cè)短路故障可能引起進(jìn)線保護(hù)誤動(dòng)作。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要在110 kV母線側(cè)裝設(shè)專(zhuān)用的保護(hù)裝置用于切除故障。

母差保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)：有效解決進(jìn)線保護(hù)定值限額過(guò)小和死區(qū)問(wèn)題；通過(guò)KCL基爾霍夫電流定律計(jì)算故障位置是否在保護(hù)區(qū)內(nèi)，解決礦井主變二次側(cè)短路故障可能引起進(jìn)線保護(hù)誤動(dòng)作的問(wèn)題，縮小礦井110 kV變電所在110 kV母線發(fā)生短路故障時(shí)的影響范圍。[1]

1 母線保護(hù)的研究背景和研究意義

2016年1月25日，某礦工廣變兩回電源線路按分列方式運(yùn)行。9時(shí)44分，國(guó)網(wǎng)區(qū)域變Ⅰ段母線(礦工作電源母線段)發(fā)生A相接地，造成母線B、C相電壓升高。10時(shí)5分，區(qū)域變包括負(fù)責(zé)礦1#電源在內(nèi)的兩個(gè)間隔開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅱ段跳閘。礦工廣變運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)1#進(jìn)線失電后，斷開(kāi)工廣變1#進(jìn)線開(kāi)關(guān)，合上母聯(lián)，全礦井由2#進(jìn)線供電。運(yùn)行約4～5 min，工廣變開(kāi)關(guān)室有煙霧和異味。幾秒后，區(qū)域變負(fù)責(zé)礦2#電源的間隔開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅱ段跳閘，全礦井停電。

1.1 停電原因及技術(shù)分析

國(guó)網(wǎng)區(qū)域變Ⅰ段母線跳閘的另一個(gè)間隔開(kāi)關(guān)(其中一個(gè)為礦井1#電源間隔)，其線路A相間歇性電弧接地，時(shí)長(zhǎng)21 min，B、C相電壓升高，導(dǎo)致礦工廣變Ⅰ段母線PT長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載，B、C相絕緣破壞，故障電流造成B、C相熔斷器爆炸，引發(fā)PT上口B、C兩相弧光接地短路。礦進(jìn)線開(kāi)關(guān)電流Ⅰ段2 000 A/0 s保護(hù)沒(méi)有投入，投入電流Ⅱ段保護(hù)，定值為960 A/1.5 s。上級(jí)區(qū)域變間隔開(kāi)關(guān)Ⅰ段保護(hù)到線路全長(zhǎng)的60%～70%，Ⅱ段過(guò)流定值3 240 A/0.3 s。礦電流Ⅱ段動(dòng)作時(shí)間1.5 s長(zhǎng)于區(qū)域變Ⅱ段0.3 s，造成上級(jí)區(qū)域變1#電源間隔越級(jí)跳閘。1#電源失電后，由于礦內(nèi)繼電保護(hù)沒(méi)有跳閘信號(hào)，運(yùn)行人員認(rèn)為是線路故障或線路失電，緊急將Ⅰ段母線負(fù)荷切換至2#電源，Ⅰ段母線PT由于上次故障時(shí)絕緣下降，在帶電運(yùn)行4～5 min后，柜內(nèi)絕緣持續(xù)降低，形成AB相短路故障，產(chǎn)生4 229 A的短路電流，結(jié)果與1#電源一樣，區(qū)域變2#電源間隔開(kāi)關(guān)越級(jí)跳閘，過(guò)流Ⅱ段動(dòng)作。該礦的事故充分暴露出礦井繼電保護(hù)存在的風(fēng)險(xiǎn)，其危害極其嚴(yán)重。[2]

為消除風(fēng)險(xiǎn)，保障礦井安全，必須對(duì)目前的電源進(jìn)線繼電保護(hù)方案進(jìn)行完善，為此提出了兩個(gè)方案,即輸電線路縱聯(lián)保護(hù)和在地面主變電所裝設(shè)母線保護(hù)。考慮到已建成線路，若裝備輸電線路縱聯(lián)保護(hù)，需要自區(qū)域變至礦井工廣變隨線路再敷設(shè)一路通信通道，施工難度和工程量大。經(jīng)了解，國(guó)網(wǎng)區(qū)域變電所一般都裝設(shè)專(zhuān)用的母線保護(hù)，在工廠、煤礦供配電系統(tǒng)尚未廣泛應(yīng)用。

因此對(duì)已建電源線路選擇方案二，裝設(shè)專(zhuān)用母線保護(hù)；新建電源線路，考慮選擇方案一即裝備輸電線路縱聯(lián)保護(hù)。[3]

2 母線差動(dòng)保護(hù)基本原理

為滿足速動(dòng)性和選擇性的要求，母線保護(hù)都是按差動(dòng)原理構(gòu)成的，實(shí)現(xiàn)保護(hù)的基本原則如下：

3) 從每個(gè)連接元件中電流的相位來(lái)看，在正常運(yùn)行及外部故障時(shí)，至少有一個(gè)元件中的電流相位和其余元件中電流的相位相反。具體說(shuō)來(lái)，就是電流流入的元件和電流流出的元件中，電流的相位相反。而當(dāng)母線故障時(shí)，除電流等于零的元件以外，其他元件中電流是接近同相位的。

根據(jù)原則1和原則2可構(gòu)成電流差動(dòng)保護(hù)，根據(jù)原則3可構(gòu)成電流比相式差動(dòng)保護(hù)。結(jié)合以上原則，用于母線的電流差動(dòng)保護(hù)有：?jiǎn)文妇€完全電流母線差動(dòng)保護(hù)，高阻抗母線差動(dòng)保護(hù)，具有比率制動(dòng)特性的中阻抗母線差動(dòng)保護(hù)，電流比相式差動(dòng)保護(hù)，元件固定連接的雙母線電流差動(dòng)保護(hù)，母聯(lián)電流比相式母線差動(dòng)保護(hù)。

按照母線差動(dòng)保護(hù)裝置差電流回路輸入阻抗的大小，分為低阻抗母線差動(dòng)保護(hù)(一般為幾歐)、中阻抗母線差動(dòng)保護(hù)(一般為幾百歐)和高阻抗母線差動(dòng)保護(hù)(一般為幾千歐)。

常規(guī)的母線保護(hù)及目前使用的數(shù)字式母線保護(hù)均為低阻抗母線差動(dòng)保護(hù)。低阻抗母線差動(dòng)保護(hù)裝置比較簡(jiǎn)單，一般采用先進(jìn)的、久經(jīng)考驗(yàn)的判據(jù)，系統(tǒng)的監(jiān)視較為簡(jiǎn)單。但低阻抗母線差動(dòng)保護(hù)在外部故障使TA飽和時(shí)，母線差動(dòng)繼電器中會(huì)出現(xiàn)較大不平衡電流，可能使母差保護(hù)誤動(dòng)作。目前數(shù)字式低阻抗母線保護(hù)通過(guò)采用TA飽和識(shí)別和閉鎖輔助措施，能有效地防止TA飽和引起的誤動(dòng)。[4]

3 母差保護(hù)應(yīng)用實(shí)例

以南自SG B750 數(shù)字式母線保護(hù)裝置為例，采用比率制動(dòng)差動(dòng)作為判據(jù), 制動(dòng)系數(shù)0.3。針對(duì)不同容量的電力系統(tǒng)和不同故障類(lèi)型的特征，設(shè)置了兩種啟動(dòng)功能：差電流變化量快速起動(dòng)；差電流積分慢速啟動(dòng)?？焖賳?dòng)，判別迅速準(zhǔn)確；慢速啟動(dòng)，確保動(dòng)作靈敏度。

3.1 快速起動(dòng)的主要判據(jù)

ΔId≥I1

(1)

ΔId≥K1ΔIr

(2)

3.2 慢速起動(dòng)的主要判據(jù)

Id≥I2

(3)

Id≥K2Ir

(4)

3.3 差動(dòng)保護(hù)的子功能

該功能有Ⅰ段母線比率小差動(dòng)保護(hù)功能、Ⅱ段母線比率小差動(dòng)保護(hù)功能、雙母線比率大差動(dòng)保護(hù)功能。

3.3.1 Ⅰ段母線比率小差動(dòng)保護(hù)功能

采集Ⅰ段母線上所有連接單元(包括引出線、母聯(lián)、旁路、分段)的電流量，等效于僅在圖1所示連接單元上裝設(shè)電流互感器，并將二次電流引人保護(hù)裝置，通過(guò)軟件計(jì)算出Ⅰ段母線的差電流和制動(dòng)電流。

圖1 I段母線比率小差動(dòng)保護(hù)采集電流

保護(hù)功能的判據(jù):

(5)

式中：|∑IΙ| Ⅰ段母線所有連接單元電流向量之和的模，為差電流;∑|IΙ|Ⅰ段母線所有連接單元電流絕對(duì)值之和，為制動(dòng)電流。

3.3.2 Ⅱ段母線比率小差動(dòng)保護(hù)功能

采集Ⅱ段母線上所有連接單元(包括引出線、母聯(lián)、旁路、分段)的電流量，等效于僅在圖2 所示連接單元上裝設(shè)電流互感器，并將二次電流引人保護(hù)裝置，通過(guò)軟件計(jì)算出Ⅱ段母線的差電流和制動(dòng)電流。

保護(hù)功能的判據(jù):

(6)

式中：|∑IЦ|Ⅱ段母線所有連接單元電流向量之和的模，為差電流;∑|IЦ|Ⅱ段母線所有連接單元電流絕對(duì)值之和，為制動(dòng)電流。

電流互感器之間的電路如圖2所示，即Ⅱ段母線，為本子功能的保護(hù)區(qū)。

圖2 Ⅱ段母線比率小差動(dòng)保護(hù)采集電流

3.3.3 雙母線比率大差動(dòng)保護(hù)功能

采集除了母聯(lián)外的所有連接單元的電流量，通過(guò)軟件計(jì)算出差電流和制動(dòng)電流。等效于沒(méi)有裝設(shè)母聯(lián)單元的電流互感器，如圖3 所示，將Ⅰ、Ⅱ兩段母線及其母聯(lián)單元看成一個(gè)整體，構(gòu)成Ⅰ、Ⅱ雙母線共同的比率差動(dòng)保護(hù)功能。

保護(hù)功能的判據(jù):

(7)

式中：|∑I|大差除了母聯(lián)單元外的雙母線所有連接單元電流相量之和的模，為差電流;∑|I|除了母聯(lián)單元外的雙母線所有連接單元電流絕對(duì)值之和，為制動(dòng)電流。

電流互感器之間的電路如圖3所示，即Ⅰ母線、Ⅱ母線和兩段母線間的母聯(lián)單元為本子功能的保護(hù)區(qū)。

圖3 雙母線比率大差動(dòng)保護(hù)采集電流

3.3.4 比率差動(dòng)保護(hù)的最小動(dòng)作電流

無(wú)論是大差、還是小差，除了具有比率差動(dòng)保護(hù)功能外，還要求差流大于整定值(最小動(dòng)作電流)，才允許出口跳閘。即

|∑I|≥Iset

(8)

式中：|∑I| 大差為除了母聯(lián)單元外的雙母線所有連接單元電流之和的模，小差為 I或Ⅱ段母線所有連接單元電流之和的模，即差電流；Iset為差電流整定值，即最小動(dòng)作電流。

南自SG B750裝置的大差、小差保護(hù)的動(dòng)作特性曲線如圖4所示。

圖4 區(qū)外故障時(shí)動(dòng)作曲線

4 礦井繼電保護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

采用上述母差保護(hù)裝置，以某礦為例，進(jìn)行了繼電保護(hù)的整定優(yōu)化設(shè)計(jì)：

該礦井地面主變電所兩回110 kV電源供電，雙母線分段,三圈變壓器SSZ10-31500/110(110/38.5/6.3)。上級(jí)區(qū)域變限額要求：礦變電所110 kV母線上所有出線開(kāi)關(guān)保護(hù)定值，電流Ⅰ段：I≤1 000 A,t=0 s；電流Ⅱ段：I≤400 A,t≤2.5 s。

礦井變110 kV母線,最大運(yùn)行方式下，35 kV側(cè)短路電流1 152 A；最小運(yùn)行方式下，35 kV側(cè)短路電流1 100 A。區(qū)域變限額值已伸入變壓器二次側(cè)。若按限額值投入保護(hù)，在發(fā)生變壓器二次側(cè)短路時(shí)，就可能造成上級(jí)區(qū)域變?cè)郊?jí)跳閘，故礦井電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)之前沒(méi)有投入保護(hù)。[5]

裝備母線差動(dòng)保護(hù)后，繼電保護(hù)方案按下列原則優(yōu)化：

1) 上級(jí)區(qū)域變只保護(hù)到礦井母線段，不延伸至變壓器二次側(cè)母線。

2) 投入礦井進(jìn)線開(kāi)關(guān)速斷保護(hù)，作為母差保護(hù)的后備保護(hù)。

3) 礦井進(jìn)線開(kāi)關(guān)速斷時(shí)限不受“0 s”限制，但不得超過(guò)“0.3 s”。(0.3 s，上級(jí)區(qū)域變繼保規(guī)定的時(shí)間階梯差)。[6]

4.1 母差保護(hù)整定計(jì)算

1) 按躲開(kāi)外部故障時(shí)的最大不平衡電流整定。

Ibmax=0.1·Idmax=0.1×4 000=400 A

Idzj=Kk·Ibpmax=1.5×400=600 A

式中：K為可靠系數(shù)，取1.5；Ibpmax為外部故障時(shí)，流過(guò)差動(dòng)保護(hù)的最大不平衡電流；Idmax為外部故障時(shí)流過(guò)某一支路的最大短路電流。

2) 保證電流互感器二次回路斷線時(shí)，保護(hù)不誤動(dòng)作。

Idzj=Kk·Ifhmax=1.5×263=394.5 A

式中：Ifhmax為正常運(yùn)行情況下流過(guò)差動(dòng)保護(hù)最大負(fù)荷支路的最大負(fù)荷電流；Kk為可靠系數(shù)，取1.5～1.8。

3) 躲過(guò)最大負(fù)荷時(shí)的不平衡電流。

Idzj=0.1Ifhmax=0.1×45 000/(1.732×110×0.9)=26.4 A

式中：Ifhmax為正常運(yùn)行情況下，流過(guò)差動(dòng)保護(hù)最大負(fù)荷支路的最大負(fù)荷電流；nTA為電流互感器變比400/5。

4) 母差保護(hù)電流取校驗(yàn)值中最大值600 A，動(dòng)作時(shí)限 0 s。

5) 低電壓動(dòng)作值(按相電壓整定)Udzj=45 V。

6) 負(fù)序電壓=4 V。

7) 零序電壓=6 V。

8) 母差保護(hù)制動(dòng)系數(shù)為0.3。

4.2 進(jìn)線保護(hù)整定計(jì)算

1) 過(guò)流保護(hù)。

這里計(jì)算一次電流大于保護(hù)限額，因此取一次值為390 A，t=2.2 s。

式中：Krel為可靠系數(shù)，取1.3；Kjx為接線系數(shù)，取1；Kr為返回系數(shù)，取0.85。

靈敏系數(shù)Ksen=I2k2.min/Iop=0.866×3 320/390=7.4>1.5,滿足靈敏度要求。

式中：Iop為保護(hù)裝置一次動(dòng)作電流；I2k2.min為最小運(yùn)行方式下線路末端兩相短路穩(wěn)態(tài)電流。

2) 速斷保護(hù)。

按躲過(guò)35 kV側(cè)短路時(shí)穿過(guò)110 kV電流計(jì)算：

Iopk=1.2×1 160=1 392 A，t=0.2 s

靈敏系數(shù)Ksen=I1k2.min/Iop=0.866×3 320/1 392=2.1>1.5,滿足靈敏度要求。

式中：Iopk為保護(hù)裝置一次動(dòng)作電流；I1k2.min為最小運(yùn)行方式下線路末端兩相短路穩(wěn)態(tài)電流[7]。

在母差保護(hù)動(dòng)作試驗(yàn)中，母差保護(hù)可靠切除故障母線開(kāi)關(guān)，其動(dòng)作曲線如圖5所示。

圖5 區(qū)內(nèi)故障時(shí)各相電流曲線

5 結(jié)論

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分析了母線差動(dòng)保護(hù)的研究意義，簡(jiǎn)述了母線保護(hù)的原理及工作過(guò)程，并用實(shí)例論證母線差動(dòng)保護(hù)在礦井供電系統(tǒng)中的可行性，并據(jù)此對(duì)公司各礦供電繼電保護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了上級(jí)區(qū)域變和礦井變繼電保護(hù)的配合問(wèn)題，礦井進(jìn)線保護(hù)得以正常投入，實(shí)現(xiàn)了供電系統(tǒng)的全線保護(hù)。在母線發(fā)生故障時(shí)，母差保護(hù)動(dòng)作，不會(huì)造成上級(jí)區(qū)域變間隔開(kāi)關(guān)越級(jí)跳閘。進(jìn)線開(kāi)關(guān)速斷定值取消了“0 s”限制，解決了煤礦供電系統(tǒng)級(jí)數(shù)多不能分級(jí)整定的問(wèn)題。