母線差動保護中母聯(lián)電流互感器布置分析及保護邏輯改進

陳安鵬, 熊良根

上海電氣電站工程公司 上海 201199

1 分析背景

母線是發(fā)電廠升壓站和變電站的重要組成部分,是匯集電能及分配電能的重要設(shè)備。連接至母線的元件眾多,對于主變壓器進出線、母線電壓互感器等間隔,由于絕緣子老化,污穢會引起閃絡(luò)接地故障，雷擊會造成短路故障。如不及時隔離故障設(shè)備,將會損壞眾多電力設(shè)備,破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性,造成全廠或全變電所大停電,甚至是系統(tǒng)瓦解[1]?？梢?設(shè)置可靠、性能良好的母線差動保護,能夠迅速檢測出故障母線,進而有選擇性地隔離故障[2-4]。

在對母線差動保護裝置的要求中,除了裝置自身高度安全性、可靠性、選擇性,以及與其它保護及自動裝置配合外,還有使用專用電流互感器[5-6],否則容易引起保護誤動作[7-9]。接入母線差動保護裝置的電流互感器，其安裝位置應(yīng)盡量靠近線路或變壓器一側(cè),使母線差動保護與線路保護或變壓器保護有重疊保護區(qū)。對于母聯(lián)電流互感器的安裝位置,通常有兩種方案,一種是兩組母聯(lián)電流互感器均布置在母聯(lián)斷路器一側(cè),另一種是兩組母聯(lián)電流互感器對稱布置在母聯(lián)斷路器兩側(cè)。

筆者對接入母線差動保護的母聯(lián)電流互感器兩種安裝位置對母線差動保護的影響進行分析,并在第二種方案的基礎(chǔ)上,對相應(yīng)的保護邏輯進行改進。改進后的保護邏輯可以避免交叉區(qū)域發(fā)生兩條母線被全部斷開的現(xiàn)象。

2 第一種布置方案

2.1 方案原理

采用第一種布置方案,兩組母聯(lián)電流互感器均布置在母聯(lián)斷路器一側(cè),靠近母線Ⅰ,如圖1所示。采用雙母線接線方式,一般為220 kV及以上電壓等級,按照GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》可知,220 kV及以上雙母線接線宜裝設(shè)兩套母線差動保護裝置。母線差動保護和線路保護需要交叉配合,CB1～CB4為進出線斷路器,CB5為母聯(lián)斷路器,進線與出線間隔中CT1～CT6為電流互感器,接入母線差動保護,其中CT5和CT6分別接入母線差動保護裝置BBP1、BBP2，F(xiàn)R為故障錄波器,CBP為母聯(lián)斷路器保護裝置,NCS為測控裝置，SPARE為備用。國產(chǎn)母線差動保護裝置的原理基本相同,只是在電流互感器極性問題上有所不同,現(xiàn)以南瑞繼保RCS-915GB雙母雙分段母線保護裝置為例進行分析[10]。

根據(jù)南瑞繼保說明書,母線差動保護由大差差動保護和小差差動保護組成。其中,大差差動保護判斷區(qū)內(nèi)外故障,小差差動保護選擇故障母線。圖1中，母線差動保護裝置的大差差動電流Id為:

Id=|ICT1+ICT2+ICT3+ICT4|

(1)

式中:ICTn為流經(jīng)各電流互感器的電流。

母線Ⅰ小差差動電流I1為:

I1=|ICT1+ICT2+ICT5|

(2)

母聯(lián)電流互感器極性靠近母線Ⅰ側(cè),母線Ⅱ小差差動電流I2為:

I2=|ICT3+ICT4-ICT6|

(3)

在圖1中設(shè)置六個故障點k1～k6,分析對于六個故障點兩套母線差動保護裝置的動作情況。

2.2 故障點k1

由圖1可知,不考慮故障發(fā)生在電流互感器CT5、CT6之間的情況,無論對于哪個故障點,流經(jīng)兩組母聯(lián)電流互感器的短路電流方向一致,兩套母線差動保護裝置的計算結(jié)果一樣,動作出口方式相同,因此分析其中一組母線差動保護裝置。

圖1 第一種布置方案

故障點k1位于母聯(lián)電流互感器與母線Ⅰ區(qū)域位置,根據(jù)大差差動電流和小差差動電流計算式,有:

式中:Ik為故障電流。

在故障點k1的情況下,母線差動保護裝置判斷母線Ⅰ故障,保護動作,斷開母線Ⅰ上的進出線斷路器及母聯(lián)斷路器,并啟動斷路器失靈保護,正確隔離故障。

2.3 故障點k2

故障點k2位于母聯(lián)電流互感器與母聯(lián)斷路器之間的區(qū)域位置,同樣根據(jù)大差差動電流和小差差動電流計算式,有:

大差差動電流不為零,母線Ⅱ小差差動電流也不為零,母線差動保護裝置判斷母線Ⅱ故障,保護動作,斷開母線Ⅱ上的進出線斷路器及母聯(lián)斷路器。但實際上故障屬于母線Ⅰ范圍,此時故障依然存在,母線死區(qū)保護動作,斷開母線Ⅰ上的進出線斷路器,直接導(dǎo)致兩條母線全部停電。

2.4 故障點k3與k4

與故障點k2不同,故障點k3與k4發(fā)生在母聯(lián)斷路器上口與母線Ⅱ區(qū)域位置,兩個故障點動作情況一致。根據(jù)大差差動電流和小差差動電流計算式,有:

在故障點k3和k4的情況下,母線差動保護裝置判斷母線Ⅱ故障,保護動作,斷開母線Ⅱ上的進出線斷路器及母聯(lián)斷路器,并啟動斷路器失靈保護,正確隔離故障。

2.5 故障點k5與k6

故障點k5發(fā)生在母線Ⅰ出線母線差動保護范圍外,但是在出線線路保護范圍內(nèi)。故障點k6發(fā)生在母線Ⅱ進線母線差動保護范圍外,但是在進線線路保護范圍內(nèi)。大差差動電流為:

Id=|ICT1+ICT2+ICT3+ICT4|=0

大差差動電流為零,母線差動保護裝置判斷為區(qū)外故障,由線路保護斷開斷路器CB1。如果線路保護裝置發(fā)出跳閘指令,但斷路器CB1由于故障未斷開,那么啟動斷路器失靈保護,由母線差動保護動作,斷開與斷路器CB1相同母線的其它斷路器。

3 第二種布置方案

第二種布置方案如圖2所示。與第一種布置方案的不同之處在于,兩組母聯(lián)電流互感器分別布置在母聯(lián)斷路器的兩側(cè)最外端,其余情況均相同。兩組母聯(lián)電流互感器分別接入兩套母線差動保護裝置,在某些故障情況下,兩組母聯(lián)電流互感器的電流流向不同,將直接導(dǎo)致兩套母線差動保護裝置的動作結(jié)果不同。以下分析六個不同故障點情況下母線保護動作方式。

3.1 故障點k1、k4、k5、k6

對于故障點k1、k4、k5、k6的情況,流過電流互感器CT5和CT6的故障電流方向一致,兩套母線差動保護裝置的動作情況一致。

3.2 故障點k2與k3

在故障點k2的情況下,母線差動保護裝置BBP1的大差差動電流和小差差動電流為:

Id=|ICT1+ICT2+ICT3+ICT4|=|Ik|≠0

I1=|ICT1+ICT2+ICT5|=|Ik|≠0

圖2 第二種布置方案

母線差動保護裝置BBP1判斷母線Ⅰ故障,保護動作,斷開母線Ⅰ上的進出線斷路器及母聯(lián)斷路器,并啟動斷路器失靈保護,隔離故障。

母線差動保護裝置BBP2的大差差動電流和小差差動電流為:

大差差動電流不為零,母線Ⅱ小差差動電流不為零,母線差動保護裝置BBP2判斷母線Ⅱ故障,保護動作，斷開母線Ⅱ上的進出線斷路器及母聯(lián)斷路器。但實際上故障屬于母線Ⅰ范圍,此時故障依然存在,母線死區(qū)保護動作,斷開母線Ⅰ上的進出線斷路器,導(dǎo)致兩條母線全部斷開。

兩套母線差動保護裝置對于故障點k2的動作方式不一樣。母線差動保護裝置BBP1判斷故障點k2屬于母線Ⅰ故障,斷開母線Ⅰ上所有斷路器,隔離故障。母線差動保護裝置BBP2判斷故障點k2屬于母線Ⅱ故障,首先斷開母線Ⅱ，再經(jīng)死區(qū)保護動作后斷開母線Ⅰ,擴大了故障范圍。同理,對于故障點k3的情況,母線保護裝置BBP1判斷故障點k3屬于母線Ⅰ故障,斷開母線Ⅰ上的所有進出線斷路器及母聯(lián)斷路器,再經(jīng)死區(qū)保護動作后斷開母線Ⅱ上所有斷路器,使得兩條母線全部斷開。母線保護裝置BBP2則判斷故障點k3屬于母線Ⅱ故障,直接斷開母線Ⅱ上的所有斷路器,從而隔離故障?？梢?在故障點k2、k3的情況下,兩套母線差動保護裝置的動作方式不一致。對于故障點k2的情況,采用第二種布置方案,有幾種情況可能出現(xiàn)。

(1) 母線差動保護裝置BBP1首先動作,母線Ⅰ上所有進出線斷路器跳閘,同時母聯(lián)斷路器跳閘,母聯(lián)跳位繼電器閉合。如果母聯(lián)跳位繼電器閉合較母線差動保護裝置BBP2動作早,那么母線差動保護裝置BBP2不將母聯(lián)電流互感器電流計入小差差動電流計算,此時母線差動保護裝置BBP2將不動作。

(2) 如果母聯(lián)斷路器已經(jīng)斷開,但是母聯(lián)跳位繼電器閉合較慢,那么母線差動保護裝置BBP2還是將母聯(lián)電流互感器電流計入小差差動電流計算。由于母聯(lián)斷路器已經(jīng)斷開,其電流為零,母線差動保護裝置BBP2計算大差差動電流為零,計算母線Ⅱ小差差動電流也為零,因此母線差動保護裝置BBP2不動作。

(3) 母線差動保護裝置BBP2首先動作,斷開母線Ⅱ上所有進出線斷路器,同時斷開母聯(lián)斷路器,母聯(lián)跳位繼電器閉合,母聯(lián)電流仍然存在,此時大差差動電流和母線Ⅰ小差差動電流不為零,經(jīng)死區(qū)保護動作,斷開母線Ⅰ。

(4) 如果母線差動保護裝置BBP1和BBP2同時滿足判據(jù),幾乎同時動作,那么直接斷開兩條母線上的所有斷路器。

4 布置方案比較及保護邏輯改進

通過上述分析可知,按照第一種布置方案,在故障點k2的情況下,最終還是由于死區(qū)斷開兩條母線,在時間上會比較長。

按照第二種布置方案,在故障點k2和k3的情況下,兩套母線差動保護裝置均判斷為區(qū)內(nèi)故障,母線差動保護裝置BBP1判斷為母線Ⅰ故障,母線差動保護裝置BBP2判為母線Ⅱ故障,不論母聯(lián)斷路器是否優(yōu)先于線路斷路器動作,只要線路斷路器沒有全部跳閘,那么最終還是兩條母線全部斷開。

可見,第一種布置方案誤動的區(qū)域較小,僅僅是電流互感器和斷路器之間的死區(qū)部分,會造成兩條母線都斷開,但動作時間較長,對系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利。第二種布置方案誤動的區(qū)域相對較大,在母聯(lián)斷路器兩側(cè)兩組母聯(lián)電流互感器交叉的范圍內(nèi)發(fā)生故障時,很大程度上會造成兩條母線同時斷開,擴大事故范圍,斷開兩條母線對系統(tǒng)的影響比第一種布置方案大,后果較為嚴重。

對第二種布置方案進行改進,如圖3所示,虛線表示電流互感器CT5與CT6之間進行電流大小比較。改進后,增加電流互感器CT5和CT6的差電流Imd作為輔助判據(jù)。如果Imd為零,那么判斷故障位置不在死區(qū),母線差動保護裝置將按照正常邏輯判斷動作。如果Imd不為零,那么先斷開母聯(lián)斷路器,再進行新的保護邏輯運算。

圖3 改進后第二種布置方案

改進后母線差動保護動作見表1。

5 結(jié)束語

在雙母線接線工程設(shè)計中,采用母聯(lián)電流互感器常規(guī)布置的兩種方案,對于在死區(qū)或者交叉區(qū)域位置的故障點,都會存在兩條母線被斷開的風險。筆者在第二種布置方案的基礎(chǔ)上,提出采用兩組母聯(lián)電流互感器差電流進行冗余判據(jù)。如果沒有差電流,那么判斷故障位置不在CT5與CT6交叉區(qū)域,母線差動保護裝置將按照正常邏輯動作。如果有冗余差電流,那么先斷開母聯(lián)斷路器,再進行新的母線差動保護邏輯運算。采用改進后的第二種布置方案,可以有效避免在交叉區(qū)域故障時兩條母線全部被斷開的現(xiàn)象。

表1 改進后母線差動保護裝置保護動作