消除死區(qū)故障的雙母線保護(hù)

徐泰來, 黃少鋒，宋小舟

(1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206； 2.北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京 100085)

0 引 言

對(duì)于雙母線接線方式，若電流互感器僅安裝在母聯(lián)斷路器一側(cè)，電流互感器與母聯(lián)斷路器之間發(fā)生故障時(shí)，僅靠母線差動(dòng)保護(hù)無法跳開故障，這就是母線保護(hù)死區(qū)[1]。發(fā)生死區(qū)故障而不能及時(shí)切除會(huì)造成嚴(yán)重電網(wǎng)事故。針對(duì)這一問題的解決方法通常是引入斷路器跳位輔助接點(diǎn)作為母聯(lián)斷路器開合狀態(tài)的判斷條件，母聯(lián)斷路器跳閘后封掉母聯(lián)電流，使母差保護(hù)正確動(dòng)作[2]。但若由于跳位輔助接點(diǎn)粘連而未能正確反映母聯(lián)斷路器狀態(tài)，可能會(huì)使母差保護(hù)誤動(dòng)。文獻(xiàn)[3]提出同時(shí)引入母聯(lián)斷路器的跳位和合位輔助接點(diǎn)作為母聯(lián)斷路器運(yùn)行狀態(tài)的判斷條件，避免不能正確退出母聯(lián)電流，但是延時(shí)較長。而文獻(xiàn)[4-5]建議在母聯(lián)斷路器兩側(cè)分別配置一組電流互感器(CT)并提出兩種母聯(lián)死區(qū)保護(hù)方法，但是對(duì)于已建成的變電站，可能沒有足夠的安全距離加裝一組電流互感器。文獻(xiàn)[6]提出了一種母聯(lián)死區(qū)保護(hù)改進(jìn)設(shè)計(jì)，當(dāng)母線區(qū)內(nèi)發(fā)生故障后先跳開母聯(lián)，之后母聯(lián)CT退出小差計(jì)算，重新計(jì)算大差、小差和復(fù)合電壓閉鎖是否滿足條件，這種方式雖然能切除死區(qū)故障，但犧牲了母線上故障的速動(dòng)性。

本文針對(duì)上述問題提出一種改進(jìn)判據(jù)解決死區(qū)故障問題，既不需要依靠輔助觸點(diǎn)判斷斷路器開合狀態(tài)，也不用增加CT來增加母線接線復(fù)雜度。核心思想是在母聯(lián)死區(qū)故障情況下，利用已跳閘母線各間隔和電流為零及母聯(lián)電流非零這一特征判斷為母聯(lián)死區(qū)故障，無論母線是并列或分列運(yùn)行，都能準(zhǔn)確跳開故障母線，避免了死區(qū)故障不能及時(shí)切除而造成嚴(yán)重后果。

1 雙母線差動(dòng)保護(hù)基本原理

1.1 雙母線差動(dòng)保護(hù)

雙母線是發(fā)電廠和變電站廣泛采用的一種接線方式。一般情況下，雙母線經(jīng)常同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)一組母線上發(fā)生故障時(shí)，通過繼電保護(hù)快速切除發(fā)生故障母線，另一組母線仍可繼續(xù)運(yùn)行，提高了供電穩(wěn)定性。在母聯(lián)斷路器只配置了一組電流互感器的情況下，母線保護(hù)邏輯通常如圖1所示[7]。

圖1 單電流互感器雙母線保護(hù)

1.2 傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)邏輯缺陷

圖2 母聯(lián)斷路器只配一組電流互感器

以圖2為例，當(dāng)母聯(lián)斷路器處于合位時(shí)，K1或K2處發(fā)生短路，保護(hù)邏輯能正確識(shí)別。但是如果是母聯(lián)斷路器與母聯(lián)互感器之間K3發(fā)生故障，按照邏輯圖，識(shí)別為Ⅰ母線故障，跳開Ⅰ母上所有斷路器后，短路點(diǎn)仍存在，且在Ⅱ母線保護(hù)范圍之外，不能被及時(shí)切除，即死區(qū)故障。

2 雙母線保護(hù)改進(jìn)邏輯

本文提出一種能彌補(bǔ)上述缺陷，解決死區(qū)故障，提高供電可靠性的改進(jìn)邏輯，判斷邏輯如圖3所示。

圖3 母線保護(hù)改進(jìn)邏輯圖

由1.2小節(jié)分析可知：母聯(lián)斷路器分別處于分位與合位時(shí)工況有所不同，并且實(shí)際工程中可能存在只有母線一側(cè)有電源，另一側(cè)全是饋線的情況。下面以圖2為例進(jìn)行逐個(gè)分析。

2.1 母線兩側(cè)均有電源，母聯(lián)斷路器閉合

1) K1處發(fā)生短路

2) K2處發(fā)生短路

3) K3處發(fā)生短路

2) Permanent magnet synchronous electricity generation system

2.2 母聯(lián)斷路器斷開

1) K1處發(fā)生短路

2) K2處發(fā)生短路

3) K3處發(fā)生短路

2.3 只有Ⅰ母?jìng)?cè)有電源，母聯(lián)斷路器閉合

1) K1或K3處發(fā)生短路

2) K2處發(fā)生短路

2.4 只有Ⅰ母?jìng)?cè)有電源，母聯(lián)斷路器斷開

2.5 只有Ⅱ母?jìng)?cè)有電源，母聯(lián)斷路器閉合

1) K1處發(fā)生短路

2) K2處發(fā)生短路

3)K3處發(fā)生短路

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)邏輯在各種不同工況下都能識(shí)別母線故障位置及其故障，又能兼顧特殊位置的死區(qū)故障，既不需要輔助觸點(diǎn)判斷斷路器分合狀態(tài)，也不用增加一組電流互感器就能及時(shí)切除死區(qū)故障。

3 Simulink仿真驗(yàn)證

圖4 Simulink仿真模型

以圖2為例，利用Simulink搭建仿真模型來驗(yàn)證改進(jìn)邏輯可行性。仿真模型如圖4所示。該模型一次側(cè)母線兩側(cè)均有一個(gè)等效220 kV電源G1和G2，線路參數(shù)采用集中參數(shù);L為線路電感；R為線路電阻；TA為電流互感器；QF為斷路器。

本文重點(diǎn)分析發(fā)生死區(qū)故障時(shí)的仿真結(jié)果，如圖5、圖6所示。

圖5是當(dāng)母聯(lián)斷路器閉合發(fā)生死區(qū)故障時(shí)各線路電流互感器所測(cè)得的電流波形。發(fā)生故障后先是判斷為Ⅰ母線故障，50 ms后跳閘，由于跳閘后故障仍然存在，滿足Ⅱ母線故障判據(jù)，再經(jīng)50 msⅡ母線也跳閘，及時(shí)切除了死區(qū)故障。

圖5 母聯(lián)斷路器閉合發(fā)生死區(qū)故障各線路電流波形

圖6 母聯(lián)斷路器斷開發(fā)生死區(qū)故障各線路電流波形

圖6是當(dāng)母聯(lián)斷路器本就斷開運(yùn)行時(shí)發(fā)生死區(qū)故障各線路電流波形。顯然此時(shí)發(fā)生死區(qū)故障只希望Ⅱ母線跳閘，Ⅰ母線能夠正常運(yùn)行。從仿真結(jié)果來看，Ⅰ母線兩條出線保持正常工作，而母聯(lián)斷路器線路上電流只出現(xiàn)了50 ms，說明死區(qū)故障被及時(shí)切除，符合預(yù)期。所有位置仿真的跳閘結(jié)果如表1所示。

表1 所有位置仿真結(jié)果

從仿真的結(jié)果來看，改進(jìn)判據(jù)符合預(yù)期能有效解決死區(qū)故障問題而又不增加任何成本，只需更改微機(jī)繼電保護(hù)裝置的保護(hù)邏輯，可以有效解決工程實(shí)際問題。

4 結(jié)束語

本文從傳統(tǒng)雙母線保護(hù)邏輯出發(fā)，在母聯(lián)斷路器只安裝有一組電流互感器的條件下，提出了一種母線保護(hù)的改進(jìn)邏輯，在母聯(lián)斷路器運(yùn)行方式切換以及死區(qū)故障等工況下都能正確識(shí)別并及時(shí)切除故障。通過對(duì)各種可能工況的分析，可以發(fā)現(xiàn)該邏輯彌補(bǔ)了利用母聯(lián)斷路器輔助觸點(diǎn)判斷母線運(yùn)行方式，從而使保護(hù)延時(shí)較長的缺陷，更加符合繼電保護(hù)四性要求。