母线差动保护在矿井地面主变电所的应用

王国锋，陈瑞云，尹玉龙，王守军

(淮河能源集团， 安徽 淮南 232001)

0 引言

矿井上级区域变关于矿井电源输电线路电流保护采用三段式，即无时限电流速断，保护线路全长60%～70%；限时电流速断，伸入矿井主变器；定时限过电流保护。地方供电公司对矿区各矿地面主变电所继电保护的限额要求“母线所有出线开关保护电流Ⅰ段，时限0 s；电流Ⅱ段，时限1.5～2.5 s”。上述限额存在两个主要问题：一是电流Ⅰ段作为无时限速断，定值小，在最大运行方式下，主变压器二次侧母线或负荷发生三相短路时，都可能引起电源进线开关跳闸，造成矿井大面积跳电；矿井供电网络继电保护无法实现分级整定，定值、时限级差关系不符合要求，也不满足继电保护的“选择性”要求。

目前矿井设计通常在地面设置110 kV/10(6) kV工广变电所，而常规的三段式保护并没有在110 kV侧开关装设母差保护。当母线发生短路故障时，主要依靠110 kV进线保护作为母线故障的后备保护，这种保护方式存在两个问题：进线保护定值限额过小或存在保护死区；矿井主变压器二次侧短路故障可能引起进线保护误动作。为了解决这个问题，需要在110 kV母线侧装设专用的保护装置用于切除故障。

母差保护的优点：有效解决进线保护定值限额过小和死区问题；通过KCL基尔霍夫电流定律计算故障位置是否在保护区内，解决矿井主变二次侧短路故障可能引起进线保护误动作的问题，缩小矿井110 kV变电所在110 kV母线发生短路故障时的影响范围。[1]

1 母线保护的研究背景和研究意义

2016年1月25日，某矿工广变两回电源线路按分列方式运行。9时44分，国网区域变Ⅰ段母线(矿工作电源母线段)发生A相接地，造成母线B、C相电压升高。10时5分，区域变包括负责矿1#电源在内的两个间隔开关过流Ⅱ段跳闸。矿工广变运行人员发现1#进线失电后，断开工广变1#进线开关，合上母联，全矿井由2#进线供电。运行约4～5 min，工广变开关室有烟雾和异味。几秒后，区域变负责矿2#电源的间隔开关过流Ⅱ段跳闸，全矿井停电。

1.1 停电原因及技术分析

国网区域变Ⅰ段母线跳闸的另一个间隔开关(其中一个为矿井1#电源间隔)，其线路A相间歇性电弧接地，时长21 min，B、C相电压升高，导致矿工广变Ⅰ段母线PT长时间过载，B、C相绝缘破坏，故障电流造成B、C相熔断器爆炸，引发PT上口B、C两相弧光接地短路。矿进线开关电流Ⅰ段2 000 A/0 s保护没有投入，投入电流Ⅱ段保护，定值为960 A/1.5 s。上级区域变间隔开关Ⅰ段保护到线路全长的60%～70%，Ⅱ段过流定值3 240 A/0.3 s。矿电流Ⅱ段动作时间1.5 s长于区域变Ⅱ段0.3 s，造成上级区域变1#电源间隔越级跳闸。1#电源失电后，由于矿内继电保护没有跳闸信号，运行人员认为是线路故障或线路失电，紧急将Ⅰ段母线负荷切换至2#电源，Ⅰ段母线PT由于上次故障时绝缘下降，在带电运行4～5 min后，柜内绝缘持续降低，形成AB相短路故障，产生4 229 A的短路电流，结果与1#电源一样，区域变2#电源间隔开关越级跳闸，过流Ⅱ段动作。该矿的事故充分暴露出矿井继电保护存在的风险，其危害极其严重。[2]

为消除风险，保障矿井安全，必须对目前的电源进线继电保护方案进行完善，为此提出了两个方案,即输电线路纵联保护和在地面主变电所装设母线保护。考虑到已建成线路，若装备输电线路纵联保护，需要自区域变至矿井工广变随线路再敷设一路通信通道，施工难度和工程量大。经了解，国网区域变电所一般都装设专用的母线保护，在工厂、煤矿供配电系统尚未广泛应用。

因此对已建电源线路选择方案二，装设专用母线保护；新建电源线路，考虑选择方案一即装备输电线路纵联保护。[3]

2 母线差动保护基本原理

为满足速动性和选择性的要求，母线保护都是按差动原理构成的，实现保护的基本原则如下：

3) 从每个连接元件中电流的相位来看，在正常运行及外部故障时，至少有一个元件中的电流相位和其余元件中电流的相位相反。具体说来，就是电流流入的元件和电流流出的元件中，电流的相位相反。而当母线故障时，除电流等于零的元件以外，其他元件中电流是接近同相位的。

根据原则1和原则2可构成电流差动保护，根据原则3可构成电流比相式差动保护。结合以上原则，用于母线的电流差动保护有：单母线完全电流母线差动保护，高阻抗母线差动保护，具有比率制动特性的中阻抗母线差动保护，电流比相式差动保护，元件固定连接的双母线电流差动保护，母联电流比相式母线差动保护。

按照母线差动保护装置差电流回路输入阻抗的大小，分为低阻抗母线差动保护(一般为几欧)、中阻抗母线差动保护(一般为几百欧)和高阻抗母线差动保护(一般为几千欧)。

常规的母线保护及目前使用的数字式母线保护均为低阻抗母线差动保护。低阻抗母线差动保护装置比较简单，一般采用先进的、久经考验的判据，系统的监视较为简单。但低阻抗母线差动保护在外部故障使TA饱和时，母线差动继电器中会出现较大不平衡电流，可能使母差保护误动作。目前数字式低阻抗母线保护通过采用TA饱和识别和闭锁辅助措施，能有效地防止TA饱和引起的误动。[4]

3 母差保护应用实例

以南自SG B750 数字式母线保护装置为例，采用比率制动差动作为判据, 制动系数0.3。针对不同容量的电力系统和不同故障类型的特征，设置了两种启动功能：差电流变化量快速起动；差电流积分慢速启动。快速启动，判别迅速准确；慢速启动，确保动作灵敏度。

3.1 快速起动的主要判据

ΔId≥I1

(1)

ΔId≥K1ΔIr

(2)

3.2 慢速起动的主要判据

Id≥I2

(3)

Id≥K2Ir

(4)

3.3 差动保护的子功能

该功能有Ⅰ段母线比率小差动保护功能、Ⅱ段母线比率小差动保护功能、双母线比率大差动保护功能。

3.3.1 Ⅰ段母线比率小差动保护功能

采集Ⅰ段母线上所有连接单元(包括引出线、母联、旁路、分段)的电流量，等效于仅在图1所示连接单元上装设电流互感器，并将二次电流引人保护装置，通过软件计算出Ⅰ段母线的差电流和制动电流。

图1 I段母线比率小差动保护采集电流

保护功能的判据:

(5)

式中：|∑IΙ| Ⅰ段母线所有连接单元电流向量之和的模，为差电流;∑|IΙ|Ⅰ段母线所有连接单元电流绝对值之和，为制动电流。

3.3.2 Ⅱ段母线比率小差动保护功能

采集Ⅱ段母线上所有连接单元(包括引出线、母联、旁路、分段)的电流量，等效于仅在图2 所示连接单元上装设电流互感器，并将二次电流引人保护装置，通过软件计算出Ⅱ段母线的差电流和制动电流。

保护功能的判据:

(6)

式中：|∑IЦ|Ⅱ段母线所有连接单元电流向量之和的模，为差电流;∑|IЦ|Ⅱ段母线所有连接单元电流绝对值之和，为制动电流。

电流互感器之间的电路如图2所示，即Ⅱ段母线，为本子功能的保护区。

图2 Ⅱ段母线比率小差动保护采集电流

3.3.3 双母线比率大差动保护功能

采集除了母联外的所有连接单元的电流量，通过软件计算出差电流和制动电流。等效于没有装设母联单元的电流互感器，如图3 所示，将Ⅰ、Ⅱ两段母线及其母联单元看成一个整体，构成Ⅰ、Ⅱ双母线共同的比率差动保护功能。

保护功能的判据:

(7)

式中：|∑I|大差除了母联单元外的双母线所有连接单元电流相量之和的模，为差电流;∑|I|除了母联单元外的双母线所有连接单元电流绝对值之和，为制动电流。

电流互感器之间的电路如图3所示，即Ⅰ母线、Ⅱ母线和两段母线间的母联单元为本子功能的保护区。

图3 双母线比率大差动保护采集电流

3.3.4 比率差动保护的最小动作电流

无论是大差、还是小差，除了具有比率差动保护功能外，还要求差流大于整定值(最小动作电流)，才允许出口跳闸。即

|∑I|≥Iset

(8)

式中：|∑I| 大差为除了母联单元外的双母线所有连接单元电流之和的模，小差为 I或Ⅱ段母线所有连接单元电流之和的模，即差电流；Iset为差电流整定值，即最小动作电流。

南自SG B750装置的大差、小差保护的动作特性曲线如图4所示。

图4 区外故障时动作曲线

4 矿井继电保护设计优化方案

采用上述母差保护装置，以某矿为例，进行了继电保护的整定优化设计：

该矿井地面主变电所两回110 kV电源供电，双母线分段,三圈变压器SSZ10-31500/110(110/38.5/6.3)。上级区域变限额要求：矿变电所110 kV母线上所有出线开关保护定值，电流Ⅰ段：I≤1 000 A,t=0 s；电流Ⅱ段：I≤400 A,t≤2.5 s。

矿井变110 kV母线,最大运行方式下，35 kV侧短路电流1 152 A；最小运行方式下，35 kV侧短路电流1 100 A。区域变限额值已伸入变压器二次侧。若按限额值投入保护，在发生变压器二次侧短路时，就可能造成上级区域变越级跳闸，故矿井电源进线开关之前没有投入保护。[5]

装备母线差动保护后，继电保护方案按下列原则优化：

1) 上级区域变只保护到矿井母线段，不延伸至变压器二次侧母线。

2) 投入矿井进线开关速断保护，作为母差保护的后备保护。

3) 矿井进线开关速断时限不受“0 s”限制，但不得超过“0.3 s”。(0.3 s，上级区域变继保规定的时间阶梯差)。[6]

4.1 母差保护整定计算

1) 按躲开外部故障时的最大不平衡电流整定。

Ibmax=0.1·Idmax=0.1×4 000=400 A

Idzj=Kk·Ibpmax=1.5×400=600 A

式中：K为可靠系数，取1.5；Ibpmax为外部故障时，流过差动保护的最大不平衡电流；Idmax为外部故障时流过某一支路的最大短路电流。

2) 保证电流互感器二次回路断线时，保护不误动作。

Idzj=Kk·Ifhmax=1.5×263=394.5 A

式中：Ifhmax为正常运行情况下流过差动保护最大负荷支路的最大负荷电流；Kk为可靠系数，取1.5～1.8。

3) 躲过最大负荷时的不平衡电流。

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

式中：Ifhmax为正常运行情况下，流过差动保护最大负荷支路的最大负荷电流；nTA为电流互感器变比400/5。

4) 母差保护电流取校验值中最大值600 A，动作时限 0 s。

5) 低电压动作值(按相电压整定)Udzj=45 V。

6) 负序电压=4 V。

7) 零序电压=6 V。

8) 母差保护制动系数为0.3。

4.2 进线保护整定计算

1) 过流保护。

这里计算一次电流大于保护限额，因此取一次值为390 A，t=2.2 s。

式中：Krel为可靠系数，取1.3；Kjx为接线系数，取1；Kr为返回系数，取0.85。

灵敏系数Ksen=I2k2.min/Iop=0.866×3 320/390=7.4>1.5,满足灵敏度要求。

式中：Iop为保护装置一次动作电流；I2k2.min为最小运行方式下线路末端两相短路稳态电流。

2) 速断保护。

按躲过35 kV侧短路时穿过110 kV电流计算：

Iopk=1.2×1 160=1 392 A，t=0.2 s

灵敏系数Ksen=I1k2.min/Iop=0.866×3 320/1 392=2.1>1.5,满足灵敏度要求。

式中：Iopk为保护装置一次动作电流；I1k2.min为最小运行方式下线路末端两相短路稳态电流[7]。

在母差保护动作试验中，母差保护可靠切除故障母线开关，其动作曲线如图5所示。

图5 区内故障时各相电流曲线

5 结论

从现场实际分析了母线差动保护的研究意义，简述了母线保护的原理及工作过程，并用实例论证母线差动保护在矿井供电系统中的可行性，并据此对公司各矿供电继电保护进行优化设计，解决了上级区域变和矿井变继电保护的配合问题，矿井进线保护得以正常投入，实现了供电系统的全线保护。在母线发生故障时，母差保护动作，不会造成上级区域变间隔开关越级跳闸。进线开关速断定值取消了“0 s”限制，解决了煤矿供电系统级数多不能分级整定的问题。