充電至母聯(lián)死區(qū)保護的研究及應用

占捷文，譚 凌，祖連興

（國網(wǎng)電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇 南京 210003）

0 引言

目前，在我國電網(wǎng)中廣泛使用的微機型母線保護裝置一般采用電流差動保護原理[1-3]，除了配置作為主保護的母線差動保護外，還配置有斷路器失靈保護、母聯(lián)死區(qū)保護、母聯(lián)失靈保護、母聯(lián)充電過流保護等，可對處于各種運行方式下的母線及母聯(lián)等一次設備提供全方位的保護。但是傳統(tǒng)的微機母線差動保護裝置均沒有考慮充電至母聯(lián)死區(qū)這種特殊故障[4-5]，因此研究及應用安全可靠的充電至母聯(lián)死區(qū)保護，可提高母線的安全運行水平，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 充電至母聯(lián)死區(qū)故障

充電至母聯(lián)死區(qū)故障是指對于具有多段母線的主接線（如雙母線），某段停運母線準備重新投入運行，若此時母聯(lián)開關與母聯(lián)電流互感器（TA）（在停運母線側）之間存在故障，通過合上母聯(lián)開關向停運母線充電的操作將會導致直接合于死區(qū)故障上。故障示意圖見圖1，其中母線I為運行母線，母線II為停運母線，K1為死區(qū)故障點。

圖1 充電至母聯(lián)死區(qū)故障示意圖Fig.1 Schematic diagram of BED fault

系統(tǒng)發(fā)生充電至母聯(lián)死區(qū)故障時各保護的動作行為如下。

a.母線差動保護。對于采用電流差動原理的母線差動保護一般以大差電流為故障判斷元件、小差電流為故障選擇元件[6]，2段母線的保護范圍以母聯(lián)TA為界。若系統(tǒng)發(fā)生上述故障，由于故障點在母線I的差動保護范圍內(nèi)，母線差動保護的大差動作元件與母線I的小差動作元件均滿足動作條件，母線I差動保護動作并將母線I上所有元件切除。

b.母聯(lián)充電保護。雖然含有母聯(lián)充電保護的母線保護裝置可以實現(xiàn)充電期間閉鎖母線差動保護的功能[7-8]，但是由于故障點在母聯(lián)死區(qū)，母聯(lián)TA在母線II側，且母線II是空母線，故障發(fā)生時將不會有故障電流流過母聯(lián)TA，母聯(lián)充電保護因采集不到母聯(lián)電流而無法動作，也無法通過啟動母聯(lián)充電保護來閉鎖母線差動保護。

綜上所述，系統(tǒng)發(fā)生充電至母聯(lián)死區(qū)故障時，母線差動保護將會切除運行母線，而此時另一段母線是空母線，將有可能造成全站失壓。因此，在國家電網(wǎng)發(fā)布的Q/GDW175—2008《變壓器、高壓并聯(lián)電抗器和母線保護及輔助裝置標準化設計規(guī)范》中，明確提出“母線保護應能自動識別母聯(lián)（分段）的充電狀態(tài)，合閘于死區(qū)故障時，應瞬時跳母聯(lián)（分段），不應誤切除運行母線”[9]，這就要求母線保護裝置必須設置充電至母聯(lián)死區(qū)保護，妥善解決此問題[10]。

2 故障狀態(tài)分析

以雙母線為例，對各種運行方式下發(fā)生死區(qū)故障時，母線保護裝置接入的電氣量及開關量在故障前后的狀態(tài)進行分析，分析結果見表1。

分析結果顯示，要在各種故障中辨別出充電至母聯(lián)死區(qū)故障，僅根據(jù)某個時刻的電氣量或開關量是無法實現(xiàn)的，必須依靠故障前后全過程的電氣量和開關量才能完成。

3 故障判斷的難點

雖然充電至母聯(lián)死區(qū)故障可由表1中所列的5個狀態(tài)量唯一確定，但在實際應用中，必須要考慮接入母線保護裝置的母聯(lián)開關狀態(tài)量變化與一次開關的同步問題：母線保護裝置通過母聯(lián)開關TWJ來判斷母聯(lián)開關的狀態(tài)，如果母聯(lián)開關TWJ滯后而非實時反映母聯(lián)一次開關的變化，由于在開關合上后持續(xù)一段時間內(nèi)TWJ仍為1，此時的狀態(tài)與“僅母線Ⅰ運行時的母線故障”（見表1中的第12種故障）的狀態(tài)一致，裝置將不能判別出是充電至死區(qū)故障。由于合閘于故障，在母聯(lián)開關合上的時刻將會出現(xiàn)差流，母線差動保護啟動，微機母線差動保護在5 ms內(nèi)即可判斷為區(qū)內(nèi)故障[11]，最快可在故障發(fā)生10 ms后整組動作出口，因此最終還是會將運行母線切除，即母聯(lián)TWJ延時反映一次開關的變化將會導致充電至母聯(lián)死區(qū)故障的判據(jù)失效。

如圖2所示，操作箱中TWJ回路的接線方式主要有3種。其中在接線方式2中，就地/遠方切換把手及防跳回路在斷路器中實現(xiàn)，如圖中虛線框所示。

對于接線方式1和接線方式2，合閘回路導通后繼電器TWJ兩端電壓相同，繼電器TWJ動作返回、接點斷開，TWJ接點由1變?yōu)?。因此TWJ反應時間與手合接點時間保持同步，TWJ狀態(tài)將在一次開關真正合上之前發(fā)生變位。

對于接線方式3，TWJ直接通過DL接至負電，TWJ將與DL同步，不能保證與一次開關同步，會出現(xiàn)滯后于一次開關合狀態(tài)的情況，造成TWJ狀態(tài)無法快速準確反映母聯(lián)的合閘過程。

4 保護方案分析

充電至母聯(lián)死區(qū)保護方案的思路是：若母線處于充電預備狀態(tài)，則一直監(jiān)視母聯(lián)狀態(tài)，在母聯(lián)合閘過程中發(fā)生故障且母聯(lián)持續(xù)無流，則判斷為充電至母聯(lián)死區(qū)故障，立即閉鎖母線差動保護，避免誤切運行母線，僅切除母聯(lián)開關，隔離故障。閉鎖母線差動保護的持續(xù)時間可取300 ms，確保母聯(lián)開關可靠跳開并留有一定的裕度。

快速準確地判斷出母聯(lián)開關合閘充電過程是保護邏輯實現(xiàn)的關鍵，有以下解決方案。

4.1 方案1：全程監(jiān)視的TWJ

母聯(lián)操作箱中TWJ回路接線采用圖2中的方式1或方式2，可保證TWJ在一次開關合閘前變位。母線處于充電預備狀態(tài)時，母線保護裝置捕捉到TWJ狀態(tài)由10的變化脈沖，在其后的一段時間內(nèi)（如100 ms）認為處于母聯(lián)合閘階段，在此期間若差動啟動且母聯(lián)無流，則可判斷發(fā)生充電至母聯(lián)死區(qū)故障。

方案的優(yōu)點為母線保護裝置不需增加回路接線，實現(xiàn)簡單；缺點為對母聯(lián)操作箱中TWJ回路接線方式有限制，不能適應現(xiàn)場的所有場合。

表1 死區(qū)故障狀態(tài)表Tab.1 State of BED fault

圖2 TWJ回路接線示意圖Fig.2 Wiring diagram of TWJ circuit

4.2 方案2：母聯(lián)充電壓板

母線保護裝置增設母聯(lián)充電壓板，在母聯(lián)合閘充電之前投入該壓板，使裝置獲知將進行母聯(lián)合閘操作；在母聯(lián)開關合上之后，將該壓板退出。在該壓板投入期間若差動啟動且母聯(lián)無流，則認為故障發(fā)生，瞬時閉鎖母線差動保護并切除母聯(lián)開關。

方案的優(yōu)點為對回路接線沒有限制，適應范圍廣。缺點為母線裝置需增加壓板；母聯(lián)合閘充電過程，需運行人員投切母線保護裝置上的母聯(lián)充電壓板，增加工作量；母聯(lián)充電壓板一旦投入后，母線差動保護相當于由瞬動的保護切換為帶延時的保護，在母聯(lián)合閘前若運行母線發(fā)生故障，裝置也會誤判為充電至母聯(lián)死區(qū)故障，閉鎖結束后母線差動保護才能動作出口切除運行母線，影響了母線差動保護動作的快速性。

4.3 方案3：母聯(lián)手合接點

母線保護裝置增加接入母聯(lián)開關的手合接點SHJ，用SHJ代替其中的TWJ，實現(xiàn)方法與方案1類似，通過捕抓SHJ狀態(tài)由01的變化脈沖來確定母聯(lián)合閘的過程。

方案的優(yōu)點為只需接入SHJ即可，對TWJ回路接線沒有限制，也不需要人工干預，適應范圍廣。缺點為母線保護裝置需增加SHJ的外回路接線；母聯(lián)操作箱的SHJ接點數(shù)目不足時，提供額外的接點將會比較困難。

5 保護邏輯的實現(xiàn)

采用方案3的充電至母聯(lián)死區(qū)保護的邏輯框圖見圖3。實現(xiàn)保護邏輯的關鍵點如下。

5.1 母聯(lián)TWJ監(jiān)視

5.2 母聯(lián)SHJ監(jiān)視

5.3 母聯(lián)無流狀態(tài)監(jiān)視

故障期間母聯(lián)無流是充電至母聯(lián)死區(qū)故障的重要特征，需全程監(jiān)視母聯(lián)電流的狀態(tài)。

圖3中的邏輯門G4是在差動啟動（即故障發(fā)生）時刻進行判斷，此時的母聯(lián)無流是反映故障發(fā)生前1個周期的母聯(lián)狀態(tài)：若母聯(lián)有流，說明不是充電至母聯(lián)死區(qū)故障，該保護不投入；若母聯(lián)無流，同時處于母聯(lián)充電預備狀態(tài)（邏輯門G3的其他條件滿足），則投入充電至母聯(lián)死區(qū)保護。由于母線差動保護一般采用電流采樣值突變量作為啟動元件，可在故障發(fā)生1～2 ms后快速啟動，上述判據(jù)可保證在故障發(fā)生時刻，充電至母聯(lián)死區(qū)保護即可快速投入并閉鎖差動保護出口。

因為母線差動保護的啟動元件比母聯(lián)無流檢測元件（采用全周傅氏算法計算）靈敏很多[12]，發(fā)生充電條件下其他類型故障時，母聯(lián)TA會流過故障電流，但在母線差動保護啟動時刻，由于母聯(lián)電流幅值計算滯后，此時仍有可能判斷為母聯(lián)無流，將導致充電至母聯(lián)死區(qū)保護誤投入。因此保護投入后需繼續(xù)監(jiān)視母聯(lián)電流狀態(tài)（見邏輯門G5），一旦發(fā)現(xiàn)母聯(lián)有流需立即退出充電至母聯(lián)死區(qū)保護，恢復正常的差動保護邏輯。

采用上述保護方案實現(xiàn)的充電至母聯(lián)死區(qū)保護，可保證在發(fā)生此類故障時保護能快速動作，跳開母聯(lián)開關，切除故障，保全運行母線；而對于其他故障該保護均不會誤啟動，也不會誤閉鎖母線差動保護（參見圖3邏輯框圖及表1中列舉的各類型母線區(qū)內(nèi)故障對應的狀態(tài)）。對于母聯(lián)TWJ在合閘后未能及時變位，或者在一次開關合閘前發(fā)生變位這些不利情況，均不會影響充電至母聯(lián)死區(qū)保護的正常運作（參見5.1節(jié)），不受TWJ回路接線方式的限制，對母聯(lián)TWJ接點的要求降到最低；同時對于非充電條件下母聯(lián)SHJ誤閉合的異常情況，也能確保保護不會誤動（參見5.2節(jié)）。因此本保護方案能完善地解決充電至母聯(lián)死區(qū)故障的問題。

圖3 充電至母聯(lián)死區(qū)保護邏輯框圖Fig.3 Logic diagram of BED protection

6 保護應用情況

將上述充電至母聯(lián)死區(qū)保護邏輯應用于ARP-371母線保護裝置，并進行動模實驗，模擬充電至母聯(lián)死區(qū)K1點A相接地故障（如圖1所示），TWJ回路采用圖2（c）的接線方式，實驗波形見圖4。錄波圖中，波形由上至下分別為大差動作元件的A相電流、母線Ⅰ小差動作元件的A相電流、母線Ⅱ小差動作元件的A相電流、母線Ⅰ的A相電壓、母聯(lián)A相電流、母線Ⅰ2條支路的A相電流；母聯(lián)開關TWJ接點狀態(tài)、SHJ接點狀態(tài)、充電至母聯(lián)死區(qū)保護動作出口接點狀態(tài)、母線Ⅰ差動保護動作出口接點狀態(tài)和母線Ⅱ差動保護的動作出口接點狀態(tài)。由波形可看出：故障發(fā)生后，充電至母聯(lián)死區(qū)保護快速動作出口，跳開母聯(lián)開關，切除故障；在實驗的全過程中，運行母線（母線I）的差動保護沒有動作出口，運行母線得到保全；母聯(lián)TWJ狀態(tài)滯后反映一次開關的合閘，但是沒有影響保護的判斷。實驗結果證明所提保護方案是切實可行的。

圖4 充電至母聯(lián)死區(qū)故障實驗波形Fig.4 Waveforms of dynamic emulation

7 結語

母線保護裝置增設充電至母聯(lián)死區(qū)保護是有必要的，否則系統(tǒng)發(fā)生此類型故障時，母線差動保護將會切除運行母線，擴大停電范圍。

本文在對充電至母聯(lián)死區(qū)故障的故障特征進行深入研究的基礎上，提出3種解決方案并對其優(yōu)缺點進行分析，選擇母聯(lián)手合接點方案，設計出充電至母聯(lián)死區(qū)保護邏輯且應用在母線保護裝置上。動模實驗結果表明，該保護方案可明確區(qū)分充電至母聯(lián)死區(qū)故障與其他類型的故障，保護靈敏可靠，并具有一定的容錯能力，同時對母線保護裝置外回路接線設計沒有額外的限制，可完善解決充電至母聯(lián)死區(qū)故障的問題，能滿足現(xiàn)場工程應用的要求。