1　前言

　　在電力系統(tǒng)中，35kV及以下電壓等級的母線由于沒有穩(wěn)定問題，一般未裝設(shè)專用母線保護(hù)。但由于高壓變電站的10kV系統(tǒng)出線多、操作頻繁、容易受小動物危害、設(shè)備絕緣老化和機(jī)械磨損等原因，10kV開關(guān)柜故障時有發(fā)生。多年的運(yùn)行實(shí)踐表明，雖然國內(nèi)外的高壓開關(guān)柜的制造技術(shù)進(jìn)步很快，10kV母線發(fā)生故障的機(jī)率大為減少，但是仍然有因個別開關(guān)柜故障引發(fā)整段開關(guān)柜“火燒聯(lián)營”的事故發(fā)生，甚至波及到變壓器，造成變壓器的燒毀。雖然造成此類事故的原因是多方面的，但是在發(fā)生10kV母線短路故障時沒有配備快速母線保護(hù)也是重要原因之一。變電站的10kV母線一般不配置專用的快速母線保護(hù)是目前國內(nèi)的典型設(shè)計做法，是符合國標(biāo)及現(xiàn)行的電力行業(yè)規(guī)程規(guī)范要求的。因此，長期以來人們對中低壓母線保護(hù)一直不夠重視。但是，慘痛的事故教訓(xùn)已經(jīng)引起電力部門的廣泛關(guān)注，在技術(shù)上尋求新的繼電保護(hù)方案也是廣大繼電保護(hù)工作者的目標(biāo)之一。

　　2　10kV母線保護(hù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及技術(shù)要求

　　2．1　10kV母線保護(hù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
　　根據(jù)國標(biāo)《電力裝置的繼電保護(hù)和自動裝置設(shè)計規(guī)范》(GB50062－92)，對于發(fā)電廠和主要變電所的3～10kV母線及并列運(yùn)行的雙母線，只有在下列情況下才裝設(shè)專用的母線保護(hù)：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(fā)電廠及電力網(wǎng)安全運(yùn)行和重要負(fù)荷的可靠供電時；②當(dāng)線路斷路器不允許切除線路電抗器前的短路時。
　　在變電站的設(shè)計中，10kV母線故障要靠主變壓器低壓側(cè)的后備保護(hù)來切除。如圖1所示，該圖表示的是常見的220kV(110kV)變電站10kV母線的某一段接線情況，在K1點(diǎn)發(fā)生故障時，要靠變壓器低壓側(cè)的過流保護(hù)跳開DL1斷路器來切除故障。同樣的問題也存在于發(fā)電廠的6kV(10kV)廠用電系統(tǒng)，當(dāng)中壓廠用電系統(tǒng)發(fā)生母線故障時，要靠廠用變壓器或啟動／備用變壓器低壓側(cè)的過流后備保護(hù)來切除。這種設(shè)計方案的弊端是一旦發(fā)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(hù)動作。因后備過流保護(hù)動作時間一般整定為1．2～2．0s，所以在切除故障時將會加大設(shè)備的損壞程度，甚至引發(fā)相鄰設(shè)備的大面積燒毀。

　　2．2　對10kV母線保護(hù)的技術(shù)要求
　　對10kV母線保護(hù)的要求，主要包括以下幾個方面：
　　(a)保護(hù)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(jié)果是故障還可以靠進(jìn)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(hù)的結(jié)果是一樣的，使用單位從心理上還可以接受，但是如果是發(fā)生誤動，后　　果很嚴(yán)重，直接影響到用戶的供電可靠性，運(yùn)行單位會產(chǎn)生抵觸，影響到采用該保護(hù)的積極性。
　　(b)保護(hù)的構(gòu)成盡可能簡單。不大量增加一次設(shè)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。
　　(c)保護(hù)不受運(yùn)行方式的影響，可以自動適應(yīng)母線上連接元件的改變。如從電源進(jìn)線切換到分段開關(guān)運(yùn)行，個別或部分元件的投入及退出運(yùn)行，綜合微機(jī)保護(hù)的調(diào)試和維護(hù)修理等情況。
　　(d)保護(hù)可以適應(yīng)安裝在開關(guān)柜上的運(yùn)行條件。

　　3　兩種有應(yīng)用業(yè)績的10kV專用母線保護(hù)方案　　
　　為了解決在10kV系統(tǒng)發(fā)生母線故障時沒有快速保護(hù)的問題，最直接的保護(hù)方案就是配置常規(guī)的母線差動保護(hù)，把所有母線段上各回路的電流量引入差動保護(hù)裝置(或差動繼電器)，但是在實(shí)施上這種方案還存在一些弊端，具體應(yīng)用時會受到限制，很難得到運(yùn)行單位的認(rèn)可(其存在的問題在下述章節(jié)中有討論)。以下是兩種有應(yīng)用業(yè)績的保護(hù)方案介紹。
3．1　采用電流互感器第三個二次線圈構(gòu)成差動保護(hù)的方案
　　過去因10kV系統(tǒng)開關(guān)柜內(nèi)的電流互感器只有兩個二次線圈，一個0．5級用于測量，一個P級用于本單元的保護(hù)。如要增加一個用于母差保護(hù)的二次線圈，只能再增加一組電流互感器，但受開關(guān)柜內(nèi)空間的限制，一個開關(guān)柜根本布置不下，除非再增加一個柜，這樣對由很多面柜構(gòu)成的一段母線來說，造價大大增加。近幾年，具備三個二次線圈的電流互感器開始出現(xiàn)和應(yīng)用，這為實(shí)現(xiàn)10kV母線短路故障的快速保護(hù)創(chuàng)造了有利條件。如圖2所示，各元件電流互感器的第三個二次線圈專用于母線差動保護(hù)，為提高可靠性，保護(hù)可以經(jīng)電壓元件閉鎖，只有在出現(xiàn)差電流和系統(tǒng)電壓條件滿足的前提下，保護(hù)才能出口。差動保護(hù)動作后跳開電源進(jìn)線斷路器(或分段斷路器)。
　　該方案的特點(diǎn)是構(gòu)成簡單，利用了目前電流互感器制造方面的新特點(diǎn)，開關(guān)柜投資增加不多。缺點(diǎn)是需增加的二次電纜較多，電纜投資大，現(xiàn)場施工工作量大。但如不增加電壓閉鎖回路，在發(fā)生TA斷線情況時，保護(hù)的安全性較低。該方案保護(hù)可以集中組屏布置在繼電器室內(nèi)，也可以將保護(hù)布置在進(jìn)線開關(guān)柜上。

　3．2　利用各開關(guān)柜內(nèi)綜合保護(hù)構(gòu)成的母線快速保護(hù)方案
　　其原理是：利用各開關(guān)柜綜合保護(hù)提供的故障信息(硬接點(diǎn))，經(jīng)匯總后進(jìn)行綜合分析和邏輯判別，來實(shí)現(xiàn)10kV母線短路故障的快速切除。母線故障的快速保護(hù)功能“鑲嵌”在進(jìn)線保護(hù)裝置及分段保護(hù)裝置內(nèi)，不以獨(dú)立的母線保護(hù)裝置形態(tài)出現(xiàn)，從而進(jìn)線保護(hù)裝置及分段保護(hù)裝置的設(shè)計也是非常規(guī)范的。
　　其原理是如故障發(fā)生在母線之外，則必有某一個回路的綜合保護(hù)發(fā)出閉鎖信號，這樣進(jìn)線保護(hù)(或分段保護(hù))被可靠閉鎖；如果故障發(fā)生在母線上，則進(jìn)線保護(hù)接收不到閉鎖信號，經(jīng)一短延時(該延時主要是為躲開暫態(tài)過程，提高保護(hù)可靠性，一般小于100ms)后出口跳閘。在母線區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障時，將快速切除進(jìn)線斷路器，在用分段斷路器帶母線運(yùn)行時，保護(hù)將快速切除分段斷路器。該方案的構(gòu)成如圖3所示。
　　該方案的特點(diǎn)是在構(gòu)成上不需要增加和改變TA和TV設(shè)備和回路，只是在綜合保護(hù)上增加構(gòu)成母線快速接點(diǎn)的配合接點(diǎn)，增加的電纜也不多。其缺點(diǎn)是母線保護(hù)依賴于進(jìn)線保護(hù)(或分段保護(hù))，保護(hù)裝置本身在物理上不獨(dú)立，另外，目前的保護(hù)還沒有考慮電壓閉鎖條件，保護(hù)的可靠性略感不足。這種保護(hù)方案已經(jīng)出現(xiàn)了幾年時間，但沒有得到推廣應(yīng)用，估計原因是用戶對該保護(hù)方案信心不足。

　　4　兩種新型10kV母線保護(hù)的設(shè)想方案

　　4．1　基于數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的10kV母線保護(hù)方案　　
10kV母線網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的核心思路是利用母線上各回路的綜合保護(hù)裝置和保護(hù)專用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　各回路的綜合微機(jī)保護(hù)需增加一個保護(hù)專用數(shù)字通訊接口，同時在保護(hù)程序中增加一段配合母線保護(hù)的服務(wù)程序。采用數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來構(gòu)成變電站的綜合自動化功能是已經(jīng)非常成熟的技術(shù)，如采用LONWORK、Profibus、CAN網(wǎng)等。目前在變電站綜合自動化技術(shù)方案里，數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)主要用來傳送控制命令和監(jiān)視、測量數(shù)據(jù)，不用作實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能，原因是繼電保護(hù)對可靠性的要求高，必須設(shè)置獨(dú)立的、專用的裝置和數(shù)字通道。
正常運(yùn)行時，母線保護(hù)管理單元循環(huán)向網(wǎng)絡(luò)上每個10kV就地綜合保護(hù)單元發(fā)出詢問信息，其目的有兩個：一是實(shí)時掌握本段母線上各回路的運(yùn)行狀態(tài)，即運(yùn)行方式，作為母線保護(hù)條件滿足時的出口依據(jù)，即在分段斷路器處斷開，電源進(jìn)線帶本段母線運(yùn)行時，保護(hù)去跳進(jìn)線斷路器，而由分段斷路器帶本段運(yùn)行時，保護(hù)去跳分段斷路器；第二個目的是在母線保護(hù)管理單元感受到系統(tǒng)發(fā)生了故障時，要詢問各回路的綜合保護(hù)是否感受到有短路電流流過本保護(hù)單元，以作為母線保護(hù)管理單元發(fā)出動作跳閘命令的依據(jù)。
　　母線保護(hù)管理單元是本保護(hù)方案的核心，可以安裝在進(jìn)線斷路器開關(guān)柜上。它是信息搜集和處理的中心，也是保護(hù)動作的執(zhí)行者。為了提高本保護(hù)的可靠性，在母線保護(hù)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(hù)出口的閉鎖條件，降低保護(hù)誤動的風(fēng)險。

　　4．2　基于電弧光傳感技術(shù)的10kV母線保護(hù)方案　　
其原理是通過檢測開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生母線故障時產(chǎn)生弧光這一特性，并結(jié)合過流閉鎖的動作原理，即它采用檢測弧光和過流雙判據(jù)原理。該原理保護(hù)有以下特點(diǎn)：
　　(a)該保護(hù)原理簡單，通過檢測弧光短路故障產(chǎn)生的電弧這一簡單原理來實(shí)現(xiàn)，其技術(shù)核心是電弧光傳感器的采用。電弧光傳感器安裝在開關(guān)柜內(nèi)部，作為光感應(yīng)元件，將檢測發(fā)生弧光故障時突然增加的光強(qiáng)，并將光信號轉(zhuǎn)換成電信號傳送給母線保護(hù)單元。
　　(b)動作可靠性高，由于采用了“雙判據(jù)”，即使弧光傳感器誤報信號，也不會出口。
　　(c)動作迅速，通過檢測弧光信號，整套保護(hù)的動作速度可達(dá)5～7ms。
(d)無論新建或技改工程均容易實(shí)施。
(e)造價低。
　　基于該原理的保護(hù)在國外已有應(yīng)用，運(yùn)行效果令人滿意，但國內(nèi)很少報道。鑒于該保護(hù)的上述優(yōu)點(diǎn)，可以預(yù)計這種原理的母線快速保護(hù)也會在國內(nèi)得到推廣應(yīng)用。

　　5　結(jié)束語
　　綜上所述，在高壓變電站的10kV母線上裝設(shè)快速保護(hù)很有必要，電力系統(tǒng)現(xiàn)行的保護(hù)方案顯然不能滿足快速切除故障的要求。電力系統(tǒng)迫切需要采用安全可靠、簡單經(jīng)濟(jì)的新型保護(hù)系統(tǒng)，來解決中低壓母線故障的快速切除問題。希望筆者提出的母線快速保護(hù)的新方案能得到有關(guān)方面的重視，并在此基礎(chǔ)上推出高質(zhì)量的產(chǎn)品，為電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行作出貢獻(xiàn)。