母差保護(hù)原理及故障分析

張曉園

[摘要]安全可靠的電力系統(tǒng)對(duì)于我廠的長(zhǎng)周期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行有著非常重要的意義，而總變35kV系統(tǒng)作為整個(gè)電力系統(tǒng)的樞紐環(huán)節(jié)，其穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)有著不可估量的作用，如果母線發(fā)生故障就可能引起電力系統(tǒng)解列、大面積停電，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至是電力系統(tǒng)崩潰瓦解，對(duì)我廠安全穩(wěn)定生產(chǎn)產(chǎn)生巨大威脅。本文將通過(guò)分析35kV母線不同位置故障時(shí)母差保護(hù)動(dòng)作情況，來(lái)闡述35kV母線保護(hù)的可靠性。

[關(guān)鍵詞]雙母線；母差保護(hù)；死區(qū)；互聯(lián)；大差；小差

1前言

傳統(tǒng)比率制動(dòng)式母差保護(hù)的原理是采用被保護(hù)母線各支路（含母聯(lián)）電流的矢量和作為動(dòng)作量，以各分路電流的絕對(duì)值之和附以小于1的制動(dòng)系數(shù)作為制動(dòng)量。在區(qū)外故障時(shí)可靠不動(dòng)，區(qū)內(nèi)故障時(shí)則具有相當(dāng)?shù)撵`敏度。算法簡(jiǎn)單但自適應(yīng)能力差，二次負(fù)載大，易受回路的復(fù)雜程度的影響。

而微機(jī)型母線差動(dòng)保護(hù)由能夠反映單相故障和相間故障的分相式比率差動(dòng)元件構(gòu)成。同時(shí)微機(jī)母差還引入了大差和小差的概念作為故障判據(jù)，來(lái)判斷是否真正發(fā)生母線故障，并具有可靠性高、接線簡(jiǎn)單，調(diào)試簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，使得微機(jī)型母差保護(hù)在電氣系統(tǒng)維護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用。

2母差保護(hù)的原理分析

首先，介紹一下母線故障的原因，一般可分為四大類：a）母線絕緣子及斷路器套管的閃絡(luò)，b）裝設(shè)在母線上的電壓互感器以及母線與線路電流互感器之間的故障：c）母線隔離開關(guān)支持絕緣子的損壞：d）運(yùn)行人員的誤操作。

其次，介紹一下母差保護(hù)對(duì)其采樣元件一電流互感器的接線方式及變比的要求。電流互感器作為母差保護(hù)的采樣元件，對(duì)母差的可靠穩(wěn)定運(yùn)行起著決定性作用，母差對(duì)其也有著嚴(yán)格的要求：用于母差保護(hù)的CT其準(zhǔn)確等級(jí)和變比必須相等，鐵芯也應(yīng)選擇相同的型號(hào)，若變比不同，可采用軟件進(jìn)行補(bǔ)償，滿足∑I=0。因?yàn)楫?dāng)母線區(qū)外發(fā)生故障時(shí)，其故障電流必然大于母差保護(hù)所選用的電流互感器的額定一次電流，若母差保護(hù)的電流互感器性能或鐵芯型號(hào)不一樣時(shí)，則電流互感器的伏安特性不同，就會(huì)導(dǎo)致其二次側(cè)電流的差流比較大，這樣可能引起母差保護(hù)誤動(dòng)作或使母差保護(hù)的整定值偏大，影響母差保護(hù)的靈敏性，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

然后重點(diǎn)介紹一下母差的動(dòng)作原理，母差保護(hù)一般采取大差和小差相互配合的方式來(lái)完成保護(hù)動(dòng)作，大差作為啟動(dòng)元件，判斷是否為區(qū)內(nèi)故障，小差則作為選擇元件，判斷故障在哪一條母線上。當(dāng)大差元件和某一段的小差元件中都流過(guò)大于整定值的電流時(shí)，則判斷該段母線發(fā)生故障，跳開該線路的所有開關(guān)，切除故障。為了防止母差保護(hù)出現(xiàn)誤動(dòng)所以增加了電壓元件，因?yàn)楫?dāng)母線出現(xiàn)故障時(shí)必然伴隨著正序電壓下降、負(fù)序電壓或零序電壓上升，以此作為電壓閉鎖元件，一是可以防止相關(guān)人員誤碰母差保護(hù)出口繼電器時(shí)，發(fā)生母差保護(hù)誤動(dòng)作，二是可以防止電流回路斷線引起差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)也可以有效預(yù)防了特殊工況下電流突然增加導(dǎo)致母差動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)，其保護(hù)邏輯關(guān)系如圖1所示。

母差保護(hù)內(nèi)共有三個(gè)差動(dòng)元件，分別是Ⅰ段母線小差元件、Ⅱ段小差元件和大差元件，其中Ⅰ（Ⅱ）段母線小差元件取其母線上所有線路（包括進(jìn)線和饋線）和母聯(lián)開關(guān)的電流矢量和，而大差元件則?、瘛ⅱ蚨芜M(jìn)線和饋線開關(guān)矢量之和。正常運(yùn)行方式下，由于任意一段母線上進(jìn)線電流與總的負(fù)荷電流基本平衡（即流入母線電流與流出母線電流一次值矢量和為零），因而三個(gè)差動(dòng)元件中基本無(wú)電流流過(guò)，所以均不動(dòng)作。

2.1當(dāng)區(qū)內(nèi)母線上A、B點(diǎn)分別發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，母差的動(dòng)作情況

當(dāng)位于Ⅰ段母線的A點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)（不論母聯(lián)開關(guān)在分位還是合位），Ⅰ段母線的進(jìn)線和饋線電流都流向故障點(diǎn)，如圖2所示，則此時(shí)就會(huì)有一個(gè)大于母差

整定值的電流流經(jīng)大差元件和Ⅰ母小差元件，同時(shí)Ⅰ段母線復(fù)合電壓繼電器也會(huì)動(dòng)作，導(dǎo)致Ⅰ段母差保護(hù)動(dòng)作，跳開Ⅰ段母線上所有線路包括母聯(lián)開關(guān)，及時(shí)切除故障，保護(hù)Ⅱ段母線正常運(yùn)行。同理當(dāng)B點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，Ⅱ段母差動(dòng)作，跳開Ⅱ段母線上所有開關(guān)包括母聯(lián)開關(guān)，保證I段母線正常運(yùn)行，切除故障，達(dá)到穩(wěn)定供電的目的。

2.2當(dāng)區(qū)外線路上C點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，母差保護(hù)的閉鎖情況

當(dāng)在C處發(fā)生故障時(shí)，雖然母線電壓會(huì)降低，零序或負(fù)序電壓會(huì)升高，可能導(dǎo)致復(fù)合電壓繼電器動(dòng)作，但是Ⅰ段母線小差和大差均無(wú)電流流過(guò)，所以母差不動(dòng)作，做到保護(hù)范圍外的故障，母差不動(dòng)作的目的。

2.3當(dāng)兩段母線在互聯(lián)模式下，母差的動(dòng)作情況

雙母線運(yùn)行方式下，當(dāng)一個(gè)供電間隔的兩把刀閘均在合位時(shí)，則這種運(yùn)行方式在母差中稱為母差保護(hù)的互聯(lián)模式，母差保護(hù)裝置上也有互聯(lián)壓板，當(dāng)投入此壓板時(shí)，母差裝置會(huì)默認(rèn)其工作于互聯(lián)模式下。形成互聯(lián)模式之后，小差退出，大差作為動(dòng)作元件，則此時(shí)母差為“非選擇性模式”，即35kV Ⅰ、Ⅱ兩段母線合成為一段母線，不論故障在哪一段母線上，35kV Ⅰ、Ⅱ兩段母線所有開關(guān)都會(huì)全部跳閘，以此來(lái)切出故障。

2.4一個(gè)進(jìn)線帶兩段母線運(yùn)行時(shí)，母差的動(dòng)作情況

變電所日常運(yùn)行中，還有一種運(yùn)行方式，就是一個(gè)進(jìn)線帶兩段母線運(yùn)行。例如當(dāng)35kV Ⅰ段進(jìn)線帶35kV Ⅰ、Ⅱ段母線運(yùn)行時(shí)，當(dāng)故障點(diǎn)發(fā)生在35kV Ⅰ段母線，則35kV Ⅰ段母線所有開關(guān)包括母聯(lián)開關(guān)全部跳閘，同時(shí)35kVⅡ段母線失電；而當(dāng)故障點(diǎn)在35kVⅡ段母線，則35kVⅡ段母線所有開關(guān)全部跳閘包括母聯(lián)開關(guān)，35kVⅠ段母線運(yùn)行正常。

3母差保護(hù)死區(qū)介紹及應(yīng)對(duì)辦法

3.1母差保護(hù)的死區(qū)介紹

當(dāng)故障點(diǎn)在D點(diǎn)即母聯(lián)斷路器和母聯(lián)CT之間時(shí)，如圖4所示，情況就會(huì)有所不同：從保護(hù)范圍來(lái)說(shuō)，其屬于Ⅰ段母差的保護(hù)范圍，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，Ⅰ段母線差動(dòng)動(dòng)作，跳開Ⅰ段母線所有負(fù)荷和母聯(lián)開關(guān)，但是故障電流仍然存在，而Ⅱ段母差保護(hù)認(rèn)定故障在區(qū)外，所以不動(dòng)作，導(dǎo)致故障未能及時(shí)切除，需要啟動(dòng)其他后備保護(hù)將其切除，這對(duì)安全穩(wěn)定供電造成了極大地威脅，則將此區(qū)域稱為母差保護(hù)的死區(qū)。

3.2死區(qū)的應(yīng)對(duì)方法分析

對(duì)于死區(qū)一般可以通過(guò)改變母差保護(hù)的邏輯可以實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)增加一組CT的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先介紹一下通過(guò)改變母差保護(hù)的邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)死區(qū)的保護(hù)，其新邏輯圖如圖5所示。

根據(jù)新邏輯可知：當(dāng)其中一段母線出現(xiàn)故障時(shí)，則故障段所有負(fù)荷和母聯(lián)斷路器會(huì)跳開，而母聯(lián)電流互感器上的電流取值將為零，由此可以判斷為區(qū)內(nèi)且非死區(qū)故障，使得無(wú)故障母線可以保持正常的運(yùn)行狀態(tài)。若在母線的連接外部出現(xiàn)故障時(shí)，雖然母聯(lián)電流互感器上的電流不會(huì)變成零值，但是Ⅰ、Ⅱ段母差不動(dòng)作，可以達(dá)到區(qū)外故障不動(dòng)作的目的。若在母差保護(hù)的死區(qū)出現(xiàn)故障，則Ⅰ段母線小差及大差會(huì)動(dòng)作，致使Ⅰ段母線所有負(fù)荷包括母聯(lián)開關(guān)跳閘，然而故障依然存在，故障電流流經(jīng)母聯(lián)電流互感器并大于整定值，根據(jù)新邏輯圖可知，保護(hù)經(jīng)延時(shí)跳開Ⅱ段母線開關(guān)，由此實(shí)現(xiàn)了對(duì)死區(qū)的保護(hù)。

另一種方法就是在原接線圖的基礎(chǔ)上增加一組CT，即在母聯(lián)斷路器的兩端分別裝設(shè)一組CT，并以交叉的方式接線，則死區(qū)為Ⅰ、Ⅱ段母差保護(hù)的重疊保護(hù)區(qū)域，所以當(dāng)線路中的D點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，Ⅰ、Ⅱ段母差會(huì)同時(shí)動(dòng)作，跳開Ⅰ、Ⅱ段母線負(fù)荷及母聯(lián)開關(guān)，從而起到了保護(hù)死區(qū)的作用。

4結(jié)語(yǔ)

母線故障是電氣運(yùn)行中最嚴(yán)重的電氣故障之一，因?yàn)樗c各個(gè)電氣元件相聯(lián)，一旦發(fā)生故障就可能引起電力系統(tǒng)解列、大面積停電，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至是電力系統(tǒng)崩潰瓦解，所以作為正確迅速切除母線故障的母線保護(hù)裝置，它的拒動(dòng)或誤動(dòng)將給電氣系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重危害。本文以某變電所運(yùn)行方式為例介紹了母差保護(hù)的原理，并分析了不同運(yùn)行方式下、不同位置發(fā)生故障時(shí)，母差的動(dòng)作情況，同時(shí)還介紹了母差的死區(qū)以及應(yīng)對(duì)辦法，從而提高了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。endprint