基于GIS設備的母差保護接線方式研究

翁利國

（蕭山供電局，杭州 311200）

目前，220 kV變電站的220 kV母線大多采用雙母線并列運行的接線方式。為了快速切除母線上發生的各種類型的短路故障，保證電力系統的穩定運行，母線上都需要配置快速動作的母差保護，保護設備大多采用深圳南瑞公司的BP-2C或南瑞繼保的RCS-915。由于這兩類裝置都存在保護死區，即當母聯斷路器在運行狀態，如果在母聯斷路器的電流互感器和母聯開關之間發生故障，母差保護最終會同時切除兩條母線，從而造成整個220 kV變電站失電。當母聯電路回路斷線時，母差保護會自動轉入母線互聯模式，如果此時發生區內故障，母差保護就會選擇切除兩條母線。

在傳統的變電站中，由于設備結構上的限制，上述問題一直得不到有效解決。隨著GIS設備在變電站的大量應用，為這個問題的解決提供了有效的設備平臺。

1 母差保護原理及存在的問題

1.1 母差保護基本原理

母線差動保護的動作原理建立在基爾霍夫電流定律的基礎上。理想情況下可將母線視為一個節點，在正常運行和外部故障時流入母線的電流之和為零，而內部短路時為總的短路電流。實際上，因電流互感器有誤差，在外部短路時存在不平衡電流，所以差動保護的啟動電流必須躲過最大不平衡電流，才能保證保護動作的選擇性。

差動回路包括母線大差回路和各段母線小差回路。大差回路是除母聯外所有支路電流構成的差動回路，小差回路是該段母線上所連接的各路（包括母聯）電流所構成的差動回路。大差回路作為小差回路的起動元件，用以區分母線區內、外故障，小差回路用于選擇具體的故障母線。

1.2 母聯與電流互感器之間的保護死區

傳統變電站中的雙母線并列運行系統只在母聯單元上安裝一組電流互感器。當母聯斷路器運行時，如果在母聯斷路器和電流互感器之間發生故障，依靠母差保護的動作原理是不能有效切除故障的。例如，當圖1中的F點發生故障時，Ⅰ段母線差動保護判其為外部故障，Ⅰ段母線差動保護不會動作，此時由Ⅱ段母線差動保護動作，跳開Ⅱ段母線上的所有連接元件及母聯斷路器，但故障仍不能切除。因此，在母聯斷路器與母聯電流互感器之間發生故障時，母差保護存在保護死區。對于保護死區內的故障，一般的微機保護采用封母聯電流互感器的方式來切除故障。當母線并列運行（聯絡斷路器合位）發生母聯死區故障，母線差動保護動作，切除Ⅰ段母線及母聯斷路器，檢測母聯斷路器處于分位后經150 ms延時確認分裂狀態，母聯電流不計入小差電流，由差動保護切除母聯死區故障。當母線分裂運行時，如果母聯斷路器與母聯電流互感器之間發生故障，由于母聯斷路器分位已確認，故障母線差動保護滿足動作條件，將直接切除故障母線，避免故障切除范圍的擴大。如果在圖1中的F點發生故障，Ⅱ段母線差動保護動作，跳開Ⅱ段母線所有斷路器后，故障電流仍存在，且此時大差不返回，檢測母聯斷路器處于分位后經150 ms延時確認分裂狀態，母聯電流不計入小差電流，由Ⅰ段母線差動動作切除母聯死區故障。故障雖然切除了，但是也造成了全所失電。

圖1 傳統的雙母接線圖

1.3 母聯電流互感器斷線

現有的母差保護中，母聯電流回路斷線并不會影響保護對區內、區外故障的判別，只是會失去對故障母線的選擇性。因此，母聯斷路器電流回路斷線不需閉鎖差動保護，只需轉入母線互聯（單母方式）即可。母聯電流回路正常后，需手動復歸恢復正常運行。由于母聯斷路器的電流不計入大差，母聯電流回路斷線時大差不會動作。而此時與該母聯斷路器相連的兩段母線小差電流都會越限，且大小相等、方向相反。這時如果在大差范圍內發生故障，母差將切除兩條母線。

2 GIS設備簡介

GIS（Gas Insulating metal-encolsed Switchgears，六氟化硫封閉式組合電器）由斷路器、隔離開關、接地開關、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等元件組成，全部封閉在金屬接地外殼中，內部分成用氣體隔離絕緣子的各個獨立氣室，充以一定壓力的SF6氣體作為絕緣和滅弧介質，具有運行可靠、操作安全性高、維護工作量小、檢修周期長、安裝方便，不受雨、鹽霧等周圍環境因素污染的影響等優點，因而廣泛應用于電力系統。為了保證設備在結構上的對稱性，一般在斷路器的兩側特別是母聯斷路器的兩側同時安裝電流互感器。

3 基于GIS設備的母差保護接線方式改進

GIS設備的一次接線如圖2所示，在母聯斷路器兩側各有一個電流互感器。為了充分發揮GIS設備的這一優勢，消除保護在采用單側電流互感器時的不足，提出了母差保護接線的改進方案，即同時把母聯斷路器Ⅰ段母線側電流互感器和母聯斷路器Ⅱ段母線側電流互感器接入母差保護，并以母聯斷路器Ⅰ段母線側電流互感器為主，母聯斷路器Ⅱ段母線側電流互感器為輔，即令母聯斷路器包括在Ⅱ段母線小差差動范圍之內。當為主的電流互感器發生電流回路斷線時，保護可以自動切換到輔助的電流互感器，雖然兩個小差的范圍略有不同，卻避免了因母聯電流互感器斷線引起的互聯。令流過兩側電流互感器的電流分別為I1和I2，參考方向如圖2所示，改進后的母差邏輯如圖3所示。

母差保護邏輯和接線改進后，保護動作過程如下：

（1）母聯斷路器在分位時，母聯電流互感器的電流不計入小差，所以母差能可靠動作，快速切除故障。

圖2 GIS設備的雙母接線圖

圖3 改進后的母差邏輯框圖

（2）母聯斷路器在合位時，如果在圖3中A點發生故障，因為I1和I2方向相反，母差可以判斷故障發生在母聯死區，即母聯斷路器兩側的電流互感器之間。為了快速準確地切除故障，母差可先跳開母聯斷路器，等150 ms后封母聯電流互感器，裝置判為Ⅰ段母線母差范圍內故障，Ⅰ段母線母差動作，跳開Ⅰ段母線上所有斷路器，故障切除，而Ⅱ段母線可以繼續供電。如果在圖3中B點發生故障，因為I1和I2方向相同，則母差可以判斷為死區外故障，且在Ⅰ段母線小差范圍內，直接跳開Ⅰ段母線上的所有斷路器和母聯斷路器，故障切除。

4 結語

（1）利用GIS設備在母聯斷路器兩側同時具備電流互感器的特點，把兩個電流互感器的電流同時接入母差保護，消除母差保護的保護死區，避免了在保護死區內發生故障時引起的全所失電，提高了電力系統的供電可靠性。

（2）母差保護接入母聯兩側的兩個電流互感器后，當一個電流互感器斷線時，可以切換到另一個電流互感器，避免了在母聯電流互感器斷線同時發生區內故障時，將造成兩條母線同時失電的可能。

[1]天津大學．電力系統繼電保護原理（第3版）[M]．北京：中國電力出版社，2000．