基于GIS設(shè)備的母差保護(hù)接線方式研究

翁利國

（蕭山供電局，杭州 311200）

目前，220 kV變電站的220 kV母線大多采用雙母線并列運(yùn)行的接線方式。為了快速切除母線上發(fā)生的各種類型的短路故障，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，母線上都需要配置快速動(dòng)作的母差保護(hù)，保護(hù)設(shè)備大多采用深圳南瑞公司的BP-2C或南瑞繼保的RCS-915。由于這兩類裝置都存在保護(hù)死區(qū)，即當(dāng)母聯(lián)斷路器在運(yùn)行狀態(tài)，如果在母聯(lián)斷路器的電流互感器和母聯(lián)開關(guān)之間發(fā)生故障，母差保護(hù)最終會(huì)同時(shí)切除兩條母線，從而造成整個(gè)220 kV變電站失電。當(dāng)母聯(lián)電路回路斷線時(shí)，母差保護(hù)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入母線互聯(lián)模式，如果此時(shí)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，母差保護(hù)就會(huì)選擇切除兩條母線。

在傳統(tǒng)的變電站中，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)上的限制，上述問題一直得不到有效解決。隨著GIS設(shè)備在變電站的大量應(yīng)用，為這個(gè)問題的解決提供了有效的設(shè)備平臺(tái)。

1 母差保護(hù)原理及存在的問題

1.1 母差保護(hù)基本原理

母線差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作原理建立在基爾霍夫電流定律的基礎(chǔ)上。理想情況下可將母線視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在正常運(yùn)行和外部故障時(shí)流入母線的電流之和為零，而內(nèi)部短路時(shí)為總的短路電流。實(shí)際上，因電流互感器有誤差，在外部短路時(shí)存在不平衡電流，所以差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)電流必須躲過最大不平衡電流，才能保證保護(hù)動(dòng)作的選擇性。

差動(dòng)回路包括母線大差回路和各段母線小差回路。大差回路是除母聯(lián)外所有支路電流構(gòu)成的差動(dòng)回路，小差回路是該段母線上所連接的各路（包括母聯(lián)）電流所構(gòu)成的差動(dòng)回路。大差回路作為小差回路的起動(dòng)元件，用以區(qū)分母線區(qū)內(nèi)、外故障，小差回路用于選擇具體的故障母線。

1.2 母聯(lián)與電流互感器之間的保護(hù)死區(qū)

傳統(tǒng)變電站中的雙母線并列運(yùn)行系統(tǒng)只在母聯(lián)單元上安裝一組電流互感器。當(dāng)母聯(lián)斷路器運(yùn)行時(shí)，如果在母聯(lián)斷路器和電流互感器之間發(fā)生故障，依靠母差保護(hù)的動(dòng)作原理是不能有效切除故障的。例如，當(dāng)圖1中的F點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，Ⅰ段母線差動(dòng)保護(hù)判其為外部故障，Ⅰ段母線差動(dòng)保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，此時(shí)由Ⅱ段母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，跳開Ⅱ段母線上的所有連接元件及母聯(lián)斷路器，但故障仍不能切除。因此，在母聯(lián)斷路器與母聯(lián)電流互感器之間發(fā)生故障時(shí)，母差保護(hù)存在保護(hù)死區(qū)。對于保護(hù)死區(qū)內(nèi)的故障，一般的微機(jī)保護(hù)采用封母聯(lián)電流互感器的方式來切除故障。當(dāng)母線并列運(yùn)行（聯(lián)絡(luò)斷路器合位）發(fā)生母聯(lián)死區(qū)故障，母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，切除Ⅰ段母線及母聯(lián)斷路器，檢測母聯(lián)斷路器處于分位后經(jīng)150 ms延時(shí)確認(rèn)分裂狀態(tài)，母聯(lián)電流不計(jì)入小差電流，由差動(dòng)保護(hù)切除母聯(lián)死區(qū)故障。當(dāng)母線分裂運(yùn)行時(shí)，如果母聯(lián)斷路器與母聯(lián)電流互感器之間發(fā)生故障，由于母聯(lián)斷路器分位已確認(rèn)，故障母線差動(dòng)保護(hù)滿足動(dòng)作條件，將直接切除故障母線，避免故障切除范圍的擴(kuò)大。如果在圖1中的F點(diǎn)發(fā)生故障，Ⅱ段母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，跳開Ⅱ段母線所有斷路器后，故障電流仍存在，且此時(shí)大差不返回，檢測母聯(lián)斷路器處于分位后經(jīng)150 ms延時(shí)確認(rèn)分裂狀態(tài)，母聯(lián)電流不計(jì)入小差電流，由Ⅰ段母線差動(dòng)動(dòng)作切除母聯(lián)死區(qū)故障。故障雖然切除了，但是也造成了全所失電。

圖1 傳統(tǒng)的雙母接線圖

1.3 母聯(lián)電流互感器斷線

現(xiàn)有的母差保護(hù)中，母聯(lián)電流回路斷線并不會(huì)影響保護(hù)對區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障的判別，只是會(huì)失去對故障母線的選擇性。因此，母聯(lián)斷路器電流回路斷線不需閉鎖差動(dòng)保護(hù)，只需轉(zhuǎn)入母線互聯(lián)（單母方式）即可。母聯(lián)電流回路正常后，需手動(dòng)復(fù)歸恢復(fù)正常運(yùn)行。由于母聯(lián)斷路器的電流不計(jì)入大差，母聯(lián)電流回路斷線時(shí)大差不會(huì)動(dòng)作。而此時(shí)與該母聯(lián)斷路器相連的兩段母線小差電流都會(huì)越限，且大小相等、方向相反。這時(shí)如果在大差范圍內(nèi)發(fā)生故障，母差將切除兩條母線。

2 GIS設(shè)備簡介

GIS（Gas Insulating metal-encolsed Switchgears，六氟化硫封閉式組合電器）由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等元件組成，全部封閉在金屬接地外殼中，內(nèi)部分成用氣體隔離絕緣子的各個(gè)獨(dú)立氣室，充以一定壓力的SF6氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)，具有運(yùn)行可靠、操作安全性高、維護(hù)工作量小、檢修周期長、安裝方便，不受雨、鹽霧等周圍環(huán)境因素污染的影響等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。為了保證設(shè)備在結(jié)構(gòu)上的對稱性，一般在斷路器的兩側(cè)特別是母聯(lián)斷路器的兩側(cè)同時(shí)安裝電流互感器。

3 基于GIS設(shè)備的母差保護(hù)接線方式改進(jìn)

GIS設(shè)備的一次接線如圖2所示，在母聯(lián)斷路器兩側(cè)各有一個(gè)電流互感器。為了充分發(fā)揮GIS設(shè)備的這一優(yōu)勢，消除保護(hù)在采用單側(cè)電流互感器時(shí)的不足，提出了母差保護(hù)接線的改進(jìn)方案，即同時(shí)把母聯(lián)斷路器Ⅰ段母線側(cè)電流互感器和母聯(lián)斷路器Ⅱ段母線側(cè)電流互感器接入母差保護(hù)，并以母聯(lián)斷路器Ⅰ段母線側(cè)電流互感器為主，母聯(lián)斷路器Ⅱ段母線側(cè)電流互感器為輔，即令母聯(lián)斷路器包括在Ⅱ段母線小差差動(dòng)范圍之內(nèi)。當(dāng)為主的電流互感器發(fā)生電流回路斷線時(shí)，保護(hù)可以自動(dòng)切換到輔助的電流互感器，雖然兩個(gè)小差的范圍略有不同，卻避免了因母聯(lián)電流互感器斷線引起的互聯(lián)。令流過兩側(cè)電流互感器的電流分別為I1和I2，參考方向如圖2所示，改進(jìn)后的母差邏輯如圖3所示。

母差保護(hù)邏輯和接線改進(jìn)后，保護(hù)動(dòng)作過程如下：

（1）母聯(lián)斷路器在分位時(shí)，母聯(lián)電流互感器的電流不計(jì)入小差，所以母差能可靠動(dòng)作，快速切除故障。

圖2 GIS設(shè)備的雙母接線圖

圖3 改進(jìn)后的母差邏輯框圖

（2）母聯(lián)斷路器在合位時(shí)，如果在圖3中A點(diǎn)發(fā)生故障，因?yàn)镮1和I2方向相反，母差可以判斷故障發(fā)生在母聯(lián)死區(qū)，即母聯(lián)斷路器兩側(cè)的電流互感器之間。為了快速準(zhǔn)確地切除故障，母差可先跳開母聯(lián)斷路器，等150 ms后封母聯(lián)電流互感器，裝置判為Ⅰ段母線母差范圍內(nèi)故障，Ⅰ段母線母差動(dòng)作，跳開Ⅰ段母線上所有斷路器，故障切除，而Ⅱ段母線可以繼續(xù)供電。如果在圖3中B點(diǎn)發(fā)生故障，因?yàn)镮1和I2方向相同，則母差可以判斷為死區(qū)外故障，且在Ⅰ段母線小差范圍內(nèi)，直接跳開Ⅰ段母線上的所有斷路器和母聯(lián)斷路器，故障切除。

4 結(jié)語

（1）利用GIS設(shè)備在母聯(lián)斷路器兩側(cè)同時(shí)具備電流互感器的特點(diǎn)，把兩個(gè)電流互感器的電流同時(shí)接入母差保護(hù)，消除母差保護(hù)的保護(hù)死區(qū)，避免了在保護(hù)死區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)引起的全所失電，提高了電力系統(tǒng)的供電可靠性。

（2）母差保護(hù)接入母聯(lián)兩側(cè)的兩個(gè)電流互感器后，當(dāng)一個(gè)電流互感器斷線時(shí)，可以切換到另一個(gè)電流互感器，避免了在母聯(lián)電流互感器斷線同時(shí)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，將造成兩條母線同時(shí)失電的可能。

[1]天津大學(xué)．電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理（第3版）[M]．北京：中國電力出版社，2000．