母線死區(qū)故障分析及保護邏輯優(yōu)化探討

湛江供電局 陳然秋

1 引言

電網(wǎng)規(guī)模和電網(wǎng)構建的趨勢不斷擴大，具有一定的復雜性，對當前電力系統(tǒng)的安全性提出了更高的要求。本文以南瑞繼保的PCA-915A-DG-N 母線保護裝置為例，介紹母線保護的基本原理以及其在遇到死區(qū)故障時的動作邏輯，并探討其優(yōu)化方向。

2 母線保護原理

南瑞繼保的PCA-915A-DG-N 母線保護裝置主要使用的是母線差動保護，其由分相式比率差動元件構成[1]。比率差動元件的動作判據(jù)為：

式中，K 為比率制動系數(shù)；Ij為第j 個連接元件的電流；Icdzd為差動電流啟動定值。

其差動回路包括母線大差回路和各段母線的小差回路。母線大差回路是指除母聯(lián)開關和分段開關以外的所有支路電流構成的差動回路。而小差回路是指對應的某段母線上包括母聯(lián)開關、分段開關和該段母線上連接的所有支路電流構成的差動回路。大差比率差動用于判別母線區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障，小差比率差動用于故障母線的選擇。同時，為了防止保護各種原因導致的誤動作，還采用了電壓閉鎖元件進行保護，其判據(jù)為：

式中，Uφ為相電壓；3U0為三倍零序電壓；U2為負序相電壓；Ubs為相電壓閉鎖值；U0bs和U2bs分別為零序、負序電壓閉鎖值。以上三個判據(jù)任一個動作時，電壓閉鎖元件開放[2]。

3 死區(qū)故障及死區(qū)保護

當雙母接線，母聯(lián)開關僅配置一組CT 時，小差回路保護范圍以母聯(lián)開關CT 為分界，小差保護范圍如圖1所示。母聯(lián)開關在合位時，若母聯(lián)開關和母聯(lián)CT 之間發(fā)生故障K1。對于母聯(lián)CT 來說故障點位于母聯(lián)開關側的母線（即1母），此時大差回路，1母小差回路均動作，兩段母線的電壓閉鎖均開放。此時裝置認為故障位于母聯(lián)開關側母線，出口跳開母聯(lián)及1母上所有斷路器[3]。

圖1 單CT 配置的雙母接線方式下小差保護范圍

但實際上故障位于2母，母聯(lián)及1母所有支路的斷路器雖已跳開，但故障仍然存在，大差回路有差流，有故障電流流經(jīng)母聯(lián)CT。為了切除上述死區(qū)的故障，其在母聯(lián)開關跳閘經(jīng)一定延時后，將母聯(lián)電流退出小差。待小差退出后，由于母聯(lián)開關已在分位，且母聯(lián)電流已退出小差，大差動作未返回，2母小差動作。保護出口跳開2母上所有斷路器。其邏輯如圖2所示。雖然成功將故障隔離，但故障并未能在第一時間切除，而且還跳開了一條無故障的母線。

圖2 母線并列運行時死區(qū)保護邏輯

而當雙母接線，母聯(lián)開關兩側各配置一組CT時，小差回路保護范圍交叉配置，1母小差回路包括母聯(lián)開關2母側電流互感器CT1，2母小差回路包括母聯(lián)開關1母側電流互感器CT2，小差保護范圍如圖3所示。母聯(lián)開關在合位時，若母聯(lián)開關和CT1之間發(fā)生故障K2，故障點既存在1母小差回路范圍內(nèi)，同時也存在2母小差回路范圍內(nèi)[4]。

圖3 雙CT 配置的雙母接線方式下小差保護范圍

此時大差回路，1母、2母小差回路均動作，兩段母線的電壓閉鎖均開放，保護出口跳開母聯(lián)開關和1母、2母上所有斷路器。在配置兩組CT 的情況下，雖然兩組CT 交叉覆蓋了死區(qū)范圍內(nèi)的故障，無須等待母聯(lián)電流退出小差才能夠切除死區(qū)故障，但依然將無故障的其中一條母線也跳開了，擴大了故障范圍。

因此，是否有辦法使當母聯(lián)開關與母聯(lián)CT 之間出現(xiàn)故障時，保護僅跳開故障母線，而正常母線不被意外切除成為研究重點。

4 死區(qū)保護邏輯優(yōu)化設想

當母線死區(qū)發(fā)生故障時，差流回路判斷的范圍與斷路器切除的范圍不一定一致。當故障發(fā)生在母聯(lián)兩組CT 之間時，電氣回路無法準確判斷出該故障到底是位于斷路器的哪一側，導致保護失去選擇性，最終兩段母線都被跳開。

由上述可知，當母聯(lián)開關僅配置一組CT 時，在母聯(lián)開關跳閘，母聯(lián)電流退出小差后，雖然故障位于母聯(lián)開關和母聯(lián)CT 之間，保護依然能夠切除掉故障母線。若故障點K2位于母聯(lián)開關與CT1之間，當母聯(lián)開關在分位且母聯(lián)電流退出小差時，大差回路及2母小差回路均存在差流，2母能夠以正確的動作切除故障。而1母因母聯(lián)電流退出小差，其不存在差流，故1母不會被切除。當母線并列運行時，若母聯(lián)開關跳閘并將母聯(lián)電流退出1母小差回路及2母小差回路后，母線保護就能夠正確識別出死區(qū)故障的故障點位于哪條母線上[5]。

因此，只要在死區(qū)發(fā)生故障時，讓母聯(lián)開關能夠正常跳閘，而母線上各支路則在母聯(lián)開關跳閘且母聯(lián)電流退出小差后再出口跳閘，就能夠正確切除故障母線，保留正常母線。

方案1，在跳1（2）母出口處增加延時T，等母聯(lián)開關跳閘后，再出口跳閘故障母線。從前面死區(qū)保護邏輯圖可知，母聯(lián)電流退出小差必須保護跳母聯(lián)，且母聯(lián)開關在分閘位置，經(jīng)150ms 延時后，母聯(lián)電流才退出小差。因此，延時T 還需要加上母線差動保護動作時間與母聯(lián)開關固定分閘時間，時間較長。而且無論母線故障位置是否位于死區(qū)，保護均需等待這個延時T 才能夠出口，犧牲了保護的快速性。由此可見，此方案單純的增加延時并不合適。

方案2，先判斷故障點是否位于死區(qū)范圍，再決定是否延時跳母線。當故障點位于K2時，大差回路，CT1及1母所有支路CT 組成的1母小差回路，CT2及2母所有支路CT 組成的2母小差回路均存在差流。而此時，CT2（考慮極性，CT2與CT1極性相反，CT2與1母支路電流合并計算時需取反）及1母所有支路CT 這個范圍內(nèi)，并不存在差流。CT1（考慮極性，CT1與CT2極性相反，CT1與2母支路電流合并計算時需取反）及2母所有支路CT 這個范圍內(nèi)也無差流。而當故障點位于K3，在1母上的死區(qū)外時，CT2（考慮極性后）及1母所有支路CT 這個范圍內(nèi)存在差流，CT1及1母所有支路CT 組成的1母小差回路也存在差流。并且1母各支路與CT1、CT2之間形成的范圍差是死區(qū)范圍。暫時將CT2（考慮極性后）及1母所有支路CT 組成的回路稱為1母死區(qū)閉鎖回路，其開放判據(jù)與1母小差回路動作判據(jù)一致。

其母線保護1母動作邏輯如圖4所示實線區(qū)域及增加虛線區(qū)域部分（以1母為例）。

圖4 母線保護1母動作邏輯

當母聯(lián)開關在合位，故障點在母線上死區(qū)以外K3時，大差回路、1母小差回路（母聯(lián)電流計入小差）均存在差流，1母、2母電壓閉鎖開放，1母死區(qū)閉鎖回路（CT2（考慮極性后）及1母所有支路CT 組成的回路）也滿足開放條件，保護出口跳閘母聯(lián)及1母所有支路的斷路器。保護正確、快速動作，不受1母死區(qū)閉鎖回路影響。

當母聯(lián)開關在合位，故障點在死區(qū)K2時，大差回路、1母小差回路、2母小差回路（母聯(lián)電流計入小差）均存在差流，1母、2母電壓閉鎖開放，母聯(lián)開關滿足跳閘條件，保護出口跳閘母聯(lián)開關，而1母死區(qū)閉鎖回路（CT2（考慮極性后）及1母所有支路CT 組成的回路）及2母死區(qū)閉鎖回路并不滿足開放條件，閉鎖1母、2母其余支路出口跳閘。待母聯(lián)開關跳閘后，由于故障點K1尚未切除，CT1仍有電流流過，大差差動元件仍未返回，經(jīng)過延時后，死區(qū)保護動作，將母聯(lián)電流（CT1、CT2）退出小差，1母在母聯(lián)電流退出小差后，1母小差回路不存在差流，小差差動元件返回。而此時故障點所在的2母，2母小差回路存在差流，2母死區(qū)閉鎖回路在母聯(lián)電流退出后，也滿足了開放條件。2母出口切除母線上所有支路斷路器，將故障隔離，大差動元件返回。成功將故障母線切除，保留了正常的母線。

5 結語

傳統(tǒng)母差保護在當母線死區(qū)發(fā)生故障時，因差流回路判斷的范圍與斷路器切除的范圍不一定一致，當故障發(fā)生在母聯(lián)開關與母聯(lián)CT 之間時，電氣回路無法準確判斷出該故障到底是位于斷路器的哪一側，導致保護失去選擇性，最終兩段母線都被跳開。而在母聯(lián)開關兩側均配置母聯(lián)CT 的接線方式下，將該母線小差回路以外的另一組母聯(lián)CT 與該母線的支路CT 組成閉鎖回路，能夠有效地防止母差保護死區(qū)故障時失去選擇性，將兩段母線都跳開。該方案雖然在死區(qū)故障發(fā)生時無法以原來同樣的速度切除故障，但其能夠有效保留正常母線，防止擴大故障切除范圍，縮小了停電范圍，較原保護邏輯有了更大的選擇空間。