220 k V母線差動保護(hù)死區(qū)故障分析

于海波，姚洪波，帥志飛

（1.國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200063；2.國網(wǎng)上海市電力公司浦東供電公司，上海 200122）

母線故障是最嚴(yán)重的電氣故障之一，而母聯(lián)斷路器和單側(cè)電流互感器（TA）之間發(fā)生故障，將對保護(hù)的要求很高。雖然這類故障的概率較小，但是后果十分嚴(yán)重。母線的主接線形式，不管是采用雙母線配置，還是采用單母線分段配置；不管保護(hù)是電磁型保護(hù)，還是全微機(jī)型保護(hù)，其母線差動采用母聯(lián)或分段的TA，如果是單側(cè)TA，那么就存在死區(qū)問題。

1220 k V母線差動保護(hù)的發(fā)展歷程

上海地區(qū)的220 k V母線差動保護(hù)裝置，主要經(jīng)歷了3個(gè)不同階段的變化，即電磁型保護(hù)、集成型母差保護(hù)和微機(jī)型保護(hù)。

第一代的純電磁型差動保護(hù)使用年限最長，使用了將近半個(gè)世紀(jì)，直至20世紀(jì)90年代末才被淘汰，其代表裝置是通過將BCH-2差動繼電器等一系列分列電磁型繼電器，通過外部接線連接構(gòu)成的保護(hù)裝置。保護(hù)原理是由BCH-2差動繼電器構(gòu)成大差動保護(hù)（不接入母聯(lián)電流），母線范圍內(nèi)（包括死區(qū)）故障，差動保護(hù)都先跳開母聯(lián)，再通過低電壓來選擇切除故障母線；優(yōu)點(diǎn)是保護(hù)原理、結(jié)構(gòu)簡單，但保護(hù)固有動作時(shí)間較慢，已不適應(yīng)電網(wǎng)的發(fā)展。

第二代的集成型或半微機(jī)型母差保護(hù)，主要是指1990年后引進(jìn)國外比較先進(jìn)的產(chǎn)品，例如：ABB公司的RADSS和REB103，GE公司的BUS1000等母差保護(hù)裝置。特點(diǎn)是差動繼電器都是集成型或微機(jī)型的裝置，所采集的電流都須進(jìn)行二次變換和整流；優(yōu)點(diǎn)是精度高、動作靈敏；缺點(diǎn)是其外回路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，如電流鏡像回路、跳閘回路、失靈啟動回路、不聯(lián)回路、互聯(lián)回路等，都是將數(shù)個(gè)電磁型中間繼電器通過二次線和電纜連接，調(diào)試比較繁復(fù)，容易出現(xiàn)回路接線錯誤。

第三代的微機(jī)型母差保護(hù)，大多采用國產(chǎn)裝置，例如：南瑞繼保公司的RCS-915AB和深圳南瑞的BP-2B微機(jī)母線保護(hù)裝置，不但繼承了第二代保護(hù)動作快的優(yōu)點(diǎn)外，還簡化了外部回路，取消了諸如鏡像、互聯(lián)、不聯(lián)等回路，使保護(hù)動作更加可靠，而且方便了調(diào)試。

不管保護(hù)裝置如何更新?lián)Q代，目前，都必須面對雙母線接線，母聯(lián)斷路器單側(cè)TA的死區(qū)問題，而目前解決死區(qū)故障的方法，首先由大差動元件動作先跳開母聯(lián)斷路器，然后由故障母線的小差元件（或低電壓選排元件）動作，再跳開故障母線上所有斷路器，切除故障。

2220 kV母線差動保護(hù)死區(qū)故障原因

1）死區(qū)故障的定義 母線并列運(yùn)行時(shí)，當(dāng)故障發(fā)生在母聯(lián)斷路器與母聯(lián)TA之間時(shí)，斷路器側(cè)母線段跳閘出口無法切除該故障，而TA側(cè)母線段的小差元件不會動作，這種狀況稱之為死區(qū)故障。

2）死區(qū)故障的原因 在母聯(lián)斷路器與TA之間發(fā)生故障時(shí)，其電流流向如圖1所示。當(dāng)母聯(lián)（或分段）與TA之間發(fā)生故障時(shí)，由于故障點(diǎn)在TA靠近正母側(cè)，故母差的正母小差動作，跳開正母上的所有斷路器。此時(shí)故障點(diǎn)仍然存在，但副母小差的故障電流仍然滿足流入等于流出的平衡，無法啟動副母小差動作隔離故障點(diǎn)。

為了消除此類母線差動保護(hù)死區(qū)故障，母差保護(hù)就需要在正母小差動作跳掉母聯(lián)斷路器后，副母小差的計(jì)算電流中，將母聯(lián)TA的電流不計(jì)入副母小差，從而啟動副母小差，跳開副母上的所有斷路器。當(dāng)母聯(lián)配置單側(cè)TA，由于正母差和副母差無法正確判斷區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障，由此產(chǎn)生了死區(qū)。

圖1 斷路器單側(cè)配置TA

3220 k V母線差動保護(hù)死區(qū)動作原理

3.1 電磁型母差保護(hù)

220 k V電網(wǎng)BUS-1000、RADSS和REB-103等電磁型母差保護(hù)，不聯(lián)退出原理圖，見圖2。

圖2 電磁型母差不聯(lián)退出原理

在母聯(lián)合閘同時(shí)自動將母聯(lián)雙位置繼電器（MLJ1、MLJ2）投入，則母聯(lián)的兩組TA的電流經(jīng)其閉合的常開接點(diǎn)分別切入正、副母REB103母差差動電流輸入回路中。反之，一旦母差保護(hù)、母聯(lián)解列保護(hù)及母差失靈保護(hù)動作，即將MLJ1、MLJ2退出，使得兩組TA電流被短接而不流入差動回路中。該“不聯(lián)回路”的作用，是在確保母聯(lián)斷路器交流電流回路分別接入正母差及副母差后，才允許合閘，以保證母差保護(hù)正確動作。如發(fā)生MLJ1、MLJ2與母聯(lián)斷路器不對應(yīng)時(shí)，發(fā)“電流斷線”告警信號，并閉鎖母差。所以，只要母聯(lián)斷路器位置發(fā)生變化，都應(yīng)檢查母聯(lián)投退MLJ1、 MLJ2的位置是否正確。當(dāng)母聯(lián)分閘后，母聯(lián)投退MLJ1、MLJ2返回，兩組TA從各自的REB103輸入回路退出，并被短接。

對于單側(cè)TA來說，當(dāng)在TA和斷路器之間發(fā)生故障時(shí)，TA側(cè)母線判定為區(qū)外故障而不動；斷路器側(cè)母差雖然判斷區(qū)內(nèi)故障，正確動作，將母聯(lián)斷路器跳閘。但故障仍然存在，此時(shí)啟動母聯(lián)的“不聯(lián)回路”?！安宦?lián)回路”經(jīng)150 ms延時(shí)后自動將母聯(lián)斷路器的MLJ1和MLJ2退出，將電流回路短接，使電流不流入母差回路，TA側(cè)母差感受到故障存在，TA側(cè)差動元件動作，從而使該母差保護(hù)相繼動作，以較短時(shí)限切除故障。

3.2 微機(jī)型母差保護(hù)

對于220 k V電網(wǎng)使用南瑞繼保RCS-915AB微機(jī)型母差保護(hù)而言，當(dāng)母聯(lián)斷路器和TA之間發(fā)生故障，斷路器側(cè)母線跳開后故障依然存在，正好處于TA側(cè)母線小差的死區(qū)，為了提高保護(hù)動作速度，專設(shè)了母聯(lián)死區(qū)保護(hù)。在差動保護(hù)發(fā)母聯(lián)跳閘命令后，母聯(lián)斷路器已跳開Ⅱ母聯(lián)，而母聯(lián)TA仍有電流，且大差比率差動元件及斷路器側(cè)小差比率差動元件不返回的狀況下，經(jīng)死區(qū)動作延時(shí)Tsq跳開另一條母線。

為防止母聯(lián)在跳位時(shí)發(fā)生死區(qū)故障，將母線全切除。當(dāng)Ⅱ母線都有電壓，且母聯(lián)在跳位時(shí)母聯(lián)電流不計(jì)入小差。母聯(lián)TWJ為三相常開接點(diǎn)（母聯(lián)斷路器處跳閘位置時(shí)接點(diǎn)閉合）串聯(lián)。RCS-915母差不聯(lián)退出原理圖，如圖3所示。

圖3 RCS-915母差不聯(lián)退出原理

對于220 k V電網(wǎng)使用深圳南瑞B(yǎng)P-2B微機(jī)型母差保護(hù)而言，死區(qū)故障時(shí)，母差保護(hù)已動作于一段母線，大差電流元件不返回，母聯(lián)斷路器已跳開，而母聯(lián)TA仍有電流，死區(qū)保護(hù)應(yīng)經(jīng)母線差動復(fù)合電壓閉鎖后切除相關(guān)母線。

母線分段運(yùn)行時(shí)，如斷路器TA處發(fā)生故障，由于母聯(lián)TA已退出，所以保護(hù)可以直接跳故障母線，避免了故障切除范圍的擴(kuò)大。BP-2B母差不聯(lián)退出原理圖，如圖4所示。

圖4 BP-2B母差不聯(lián)退出原理

對于110 k V電網(wǎng)使用深圳南瑞B(yǎng)P-2A微機(jī)型母差保護(hù)而言，在母聯(lián)斷路器和TA之間發(fā)生故障時(shí)，當(dāng)斷路器側(cè)母差動作跳閘無法切除故障，就需要進(jìn)一步切除母線上的其余單元。因此，在保護(hù)動作，發(fā)出跳開母聯(lián)斷路器的命令后，經(jīng)延時(shí)180 ms，判別母聯(lián)電流是否越限。如延時(shí)或母聯(lián)電流滿足越限條件，且母線復(fù)合電壓動作，則跳開電壓不正常母線上的所有斷路器。BP-2A母差不聯(lián)退出原理圖，如圖5所示。

圖5 BP-2A母差不聯(lián)退出原理

4 改進(jìn)措施

4.1 斷路器兩側(cè)配置TA

消除保護(hù)死區(qū)的措施是在斷路器兩側(cè)配置TA，從源頭上解決保護(hù)死區(qū)問題。在母聯(lián)和TA之間發(fā)生故障時(shí)，其電流流向如圖6所示。

圖6 斷路器兩側(cè)配置TA

當(dāng)母聯(lián)（或分段）與TA之間發(fā)生故障時(shí)，因故障點(diǎn)在斷路器和副母TA中間，故正母差動保護(hù)動作，跳開正母上的所有斷路器。倘若故障點(diǎn)在斷路器和正母TA中間，那么副母差動保護(hù)動作，跳開副母上的所有斷路器，從而將故障點(diǎn)隔離。

從上海市電力公司的現(xiàn)狀來說，敞開式布置、采用獨(dú)立元件構(gòu)成的斷路器配置的都是單側(cè)TA，只有110 k V及以上主接線采用成套GIS組合電器的，其每個(gè)斷路器的兩側(cè)都配置TA。因此，對于采用敞開式布置、獨(dú)立元件構(gòu)成的一些老變電站，若要分段或母聯(lián)斷路器兩側(cè)都有TA，可以通過將分段或母聯(lián)斷路器直接改造為GIS組合式電器的方式，不失為當(dāng)前最經(jīng)濟(jì)、最行之有效方案。目前，上海市電力公司所屬西郊站和機(jī)場站，其部分220 k V分段、母聯(lián)斷路器已進(jìn)行改造，效果很好。

4.2 改變運(yùn)行方式

對于無法改造為雙側(cè)TA的分段或母聯(lián)斷路器，如果分段或母聯(lián)斷路器一直在運(yùn)行位置，死區(qū)將繼續(xù)存在，因?yàn)閱蝹?cè)TA導(dǎo)致了保護(hù)死區(qū)問題。針對這種情況，可以通過改變電網(wǎng)運(yùn)行方式，將單側(cè)TA的斷路器改為分區(qū)解列點(diǎn)，或者改為斷路器常處于熱備用的運(yùn)行狀態(tài)，也可以達(dá)到消除保護(hù)死區(qū)的目的。

5 結(jié)語

目前，還沒有保護(hù)裝置能在死區(qū)故障時(shí)正確判斷故障發(fā)生在母聯(lián)斷路器的哪一側(cè)，并準(zhǔn)確選擇故障母線切除故障的方法。在死區(qū)發(fā)生故障時(shí)，母聯(lián)（或分段）兩側(cè)的母線都將相繼被切除，造成兩段母線都失電。但對于正副母差動分別采集的保護(hù)，如RADSS、REB103等電磁型保護(hù)，如果采用斷路器兩側(cè)TA分別交叉接入正副母差，那么在死區(qū)發(fā)生故障時(shí)，兩段母線均會正確判斷區(qū)內(nèi)故障，0 s跳閘，相對于斷路器單側(cè)裝TA的接線方式，節(jié)約了150 ms，減少了故障電流對設(shè)備的沖擊和損害，同時(shí)也減少了故障對系統(tǒng)的沖擊影響。

在當(dāng)前電網(wǎng)的主接線形式下，通過對上海220 k V電網(wǎng)內(nèi)各類保護(hù)死區(qū)的動作特點(diǎn)進(jìn)行分析和總結(jié)，用以提高對死區(qū)故障的判斷和準(zhǔn)確處理，對確保電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，起到技術(shù)支撐作用。