雙母雙分段母線保護配置及母聯分段開關失靈和死區保護動作分析

車曉駿 楊 波 徐 軍 袁仁彪 劉長發

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雙母雙分段母線保護配置及母聯分段開關失靈和死區保護動作分析

車曉駿 楊 波 徐 軍 袁仁彪 劉長發

（中國南方電網超高壓輸電公司貴陽局，貴陽 550003）

本文介紹了青巖變電站220kV雙母線雙分段接線方式下母差保護的配置方式，對母聯和分段開關在失靈和死區故障情況下母差保護的動作邏輯進行了分析，闡明了母差保護中母聯及分段開關的失靈保護和死區保護的動作原理和動作過程，為運行人員處理此類事故提供了參考。

雙母雙分段；母線保護；開關失靈；死區故障；動作分析

隨著青巖變電站220kV間隔出線的不斷增多，考慮到地區電網的安全穩定運行越來越重要，青巖變電站進行了220kV雙母雙分段工程改造，把原來220kV的雙母線接線方式改造成為雙母線雙分段接線方式。雙母雙分段母線運行方式擁有諸多優點：①運行調度靈活，對于母線上的任一線路，可以選擇由該條母線上的電源供電，也可以通過母聯單元或分段單元由其他母線單元電源供電；②當雙母雙分段中一段母線停電檢修時，可將檢修母線上的線路單元切換至另一條母線運行，雙母雙分段接線方式需要切換的線路單元減少約一半，降低了運行人員的工作量和誤操作風險，運行更加可靠直機關；③當母線發生故障時，母差保護動作跳開其中一條母線，故障影響的回路也減少了約一半，增強了電網的可靠性和穩定性。下面對改造后的母線保護配置、母聯及分段開關的失靈和死區保護等相關問題進行分析探討。

1 母線保護配置

圖1中230開關是連接Ⅰ母和Ⅲ母的分段開關，240開關是連接Ⅱ母和Ⅳ母的分段開關，210開關是連接Ⅰ母和Ⅱ母的母聯開關，220開關是連接Ⅲ母和Ⅳ母的母聯開關。所有間隔包括母聯和分段開關間隔均采用單電流互感器的配置方式。其中230分段開關的CT在Ⅲ母側，240分段開關的CT在Ⅳ側，210母聯開關的CT在Ⅰ母側，220母聯開關的CT在Ⅲ母側。母差保護采用雙重化配置，具體配置如下：Ⅰ母和Ⅱ母配置兩套不同廠家的母線保護，分別為第一套微機母線保護（南瑞PCS-915NB）和第二套微機母線保護（深瑞BP-2C）；Ⅲ母和Ⅳ母也配置兩套不同廠家的母線保護，分別為第一套微機母線保護（南瑞PCS-915NB）和第二套微機母線保護（深瑞BP-2C）。Ⅰ/Ⅱ母兩套保護和Ⅲ/Ⅳ母兩套保護的保護范圍在兩個分段開關處交疊。以下將分別分析母聯開關和分段開關發生失靈拒動以及死區故障后保護的一系列動作邏輯和動作過程。

圖1 青巖站改造后220kV雙母雙分段一次接線簡圖

2 母聯失靈保護

現以Ⅰ母上發生短路故障、210母聯開關失靈拒動為例來分析母聯失靈保護的動作邏輯。Ⅰ母上發生短路故障后，Ⅰ/Ⅱ母母線保護大差元件動作,判別為母線區內故障，Ⅰ母小差元件動作，判別Ⅰ母為故障母線，同時Ⅰ母復合電壓閉鎖開放，保護出口跳Ⅰ母上各出線開關、230分段開關和210母聯開關。210母聯開關失靈拒動使得Ⅱ母上的電源線路經210母聯開關流經210開關電流互感器的短路電流仍然存在，這時保護經母聯失靈延時，封210開關電流互感器電流，即210開關電流不再計入Ⅱ母小差差流的計算中。封210開關電流后，Ⅱ母小差只有流入電流而沒有流出電流使得Ⅱ母小差元件動作，且故障期間母線復合電壓閉鎖元件一直保持開放，保護出口跳Ⅱ母上各出線開關和240分段開關，整個母線短路故障就此全部切除。上述動作過程的保護邏輯框圖如圖2所示。

圖2 母聯失靈保護動作邏輯框圖

綜上所述，母聯失靈保護的關鍵點在于，保護跳開故障段母線的出線和分段開關后封掉失靈拒動的母聯開關電流使得相鄰段母線的小差元件動作來徹底切除故障點。母聯失靈保護的動作后果即為一段母線故障造成兩段母線同時失電。

3 母聯死區保護

通常把發生在母聯開關和母聯電流互感器之間的故障稱為母聯死區故障。現以210母聯開關和電流互感器之間發生故障為例來說明母聯死區保護的動作過程。值得注意的是，死區故障發生時母聯開關在合位或分位時保護的動作情況不一樣。現就這兩種情況分別加以討論。

1）當母聯開關在合位時，電流互感器在Ⅰ母側，Ⅰ/Ⅱ母母線保護大差元件和Ⅱ母小差元件都動作，同時經Ⅱ母復合電壓閉鎖開放后，保護出口跳Ⅱ母上各出線開關、240分段開關和210母聯開關。Ⅱ母上所有開關都跳開后，Ⅰ母上的電源線路仍然向故障點送短路電流。這時雖然大差元件動作，但是對Ⅰ母小差，流入電流等于流出電流，小差元件不動作，故障無法切除。在這種情況下，保護于210母聯開關跳開后經150ms延時使母聯電流退出小差差流計算。封母聯電流后，Ⅰ母小差元件動作，保護出口跳Ⅰ母上各出線開關和230分段開關，致此，210開關母聯死區故障被全部切除。保護封母聯電流邏輯框圖如圖3所示。

圖3 母聯死區保護（母聯開關在合位）動作邏輯框圖

2）當母聯開關在分位、Ⅰ母和Ⅱ母分裂運行時，死區故障發生后，Ⅰ/Ⅱ母母線保護大差元件動作，同時母線復合電壓閉鎖被解除，而Ⅰ母和Ⅱ母的小差元件均不動作。在這種情況下，保護經400ms延時封母聯開關電流。在母聯開關電流不計入小差差流計算后，Ⅰ母小差元件動作，跳Ⅰ母上各出線開關和230分段開關，死區故障就此切除。保護封母聯電流邏輯框圖如圖4所示。

圖4 母聯死區保護（母聯開關在分位）動作邏輯框圖

由以上分析可知，母聯開關在合位時發生死區故障要同時切除兩段母線，造成兩段母線同時失電，故障范圍很大；而母聯開關在分位時發生死區故障只需切除電流互感器側母線，母聯開關側母線則可以繼續正常運行，減小了停電范圍。

4 分段失靈保護

現以Ⅰ母發生短路故障、230分段開關失靈拒動為例來說明分段失靈保護的動作過程。在Ⅰ母發生短路故障后，Ⅰ/Ⅱ母母線保護大差元件動作，Ⅰ母小差元件動作，同時解除Ⅰ母復合電壓閉鎖，保護出口跳Ⅰ母上各出線開關，230分段開關和210母聯開關。由于230分段開關失靈拒動，所以保護在跳開其他開關以后故障沒有被切除，這種情況下Ⅰ/Ⅱ母母線保護的出口繼電器觸點將一直動作不返回，同時Ⅰ/Ⅱ母母線保護經本屏的起動分段失靈壓板，再經Ⅲ/Ⅳ母母線保護屏的起動分段失靈壓板向Ⅲ/Ⅳ母母線保護提供起動分段失靈開入。這時，Ⅲ/Ⅳ母母線保護在滿足230開關電流大于分段失靈電流整定值以及Ⅲ母復合電壓閉鎖開放的條件后，經分段失靈延時跳Ⅲ母上各出線開關和220母聯開關，至此故障被徹底切除。分段開關的失靈起動和動作邏輯回路框圖如圖5、圖6所示。

圖5 Ⅰ/Ⅱ母母線保護起動分段開關失靈保護動作邏輯框圖

圖6 Ⅲ/Ⅳ母母線保護起動分段開關失靈保護動作邏輯框圖

由以上分析可知，分段失靈保護的動作行為與母聯失靈保護相比有很大不同。母聯開關失靈后，是在一套母差保護中完成母聯電流封鎖，起動另外一段母線的小差動作來切除無故障母線上的所有開關。但是分段開關失靈后，需要兩套母差保護的配合，由故障母線的母差保護向非故障母線的母差保護起動外部失靈回路來切除故障。

5 分段死區保護

與母聯開關的死區故障相比，分段開關死區故障的保護動作行為要復雜一些。同樣，以230分段開關在合位和分位兩種情況為例來進行分析。首先假設分段開關在合閘位置。在死區故障發生后，由于230分段開關電流互感器位于Ⅲ母側，所以對Ⅰ母來說故障屬于區內故障，而對Ⅲ母來說則屬于區外故障。這時Ⅰ/Ⅱ母母線保護的大差元件動作，Ⅰ母的小差元件動作，同時開放Ⅰ母復合電壓閉鎖，保護出口跳Ⅰ母上各出線開關，230分段開關和210母聯開關。在Ⅰ母所有開關都跳開后，電源線路仍然通過Ⅲ母向故障點送短路電流。在這種情況下，Ⅲ/Ⅳ母母線保護裝置檢測分段開關處于分位后延時150ms確認母線分裂狀態，封230分段開關電流，即230開關電流不再計入Ⅲ母小差差流計算中。此后，Ⅲ/Ⅳ母母線保護大差元件動作，Ⅲ母小差原件動作，同時Ⅲ母復合電壓閉鎖開放，保護出口跳Ⅲ母上各出線開關和220母聯開關，故障被完全切除。保護的動作邏輯框圖如圖7所示。

圖7 分段死區保護（分段開關在合位）動作邏輯框圖

如果230分段開關在分閘位置，那么當死區故障發生時，兩套母線保護檢測分段開關處于分位并延時400ms確認Ⅰ母和Ⅲ母確是分裂運行狀態后封230分段開關電流。封鎖分段開關電流后，Ⅰ/Ⅱ母母線保護的大差和小差元件均不動作，而Ⅲ/Ⅳ母母線保護大差元件動作，Ⅲ母小差元件動作，同時Ⅲ母復合電壓閉鎖開放，保護出口跳Ⅲ母上各出線開關和220母聯開關，故障被切除。保護的動作邏輯框圖如圖8所示。

圖8 分段死區保護（分段開關在分位）動作邏輯框圖

由以上分析可知，分段死區故障的切除同樣需要兩套母線保護的配合來完成，而母聯死區故障的切除在一套母線保護裝置中就可完成。保護動作的后果，在兩種情況下也各不相同：①分段開關在合位時，保護動作需切除分段開關連接的兩段母線，引起的停電范圍很大；②而分段開關在分位時，保護動作只需切除電流互感器側母線，分段開關側母線則可以繼續正常運行，減小了故障引起的停電范圍。但理論上來說，母線并列運行時發生分段死區故障，只需切除230分段開關和Ⅲ上所有連接開關，而不需要切除Ⅰ母。而實際結果確是Ⅰ母先被切除了，保護在230分段開關跳開后經150ms延時才切除了Ⅲ母，不但擴大了停電范圍，而且還沒能在第一時間瞬時切除故障。這樣的情況在母聯死區故障（母聯開關在合位）時也是一樣。這是母聯開關和分段開關只有單側電流互感器死區故障保護的一個明顯缺點，而優點是只用一組電流互感器，節約了成本且保護的二次接線簡單。

6 結論

1）雙母雙分段接線方式下，母聯失靈保護和母聯死區保護都只在一套母線保護里完成，而另一套母線保護不動作。

2）分段失靈保護和分段死區保護需要兩套母線保護的配合才能完全切除故障。分段失靈保護是一套母線保護動作不返回，起動外部分段失靈回路給另一套母線保護提供分段失靈保護開入來最終切除故障；分段死區保護在封鎖分段開關電流后，也需要另一套母線保護的配合來切除故障。

3）母聯失靈故障、母聯死區故障（聯絡開關在合位）、分段失靈故障和分段死區故障（聯絡開關在合位）都需要切除兩段母線才能將故障點徹底隔離，停電范圍很大；母聯死區故障（聯絡開關在分位）和分段死區故障（聯絡開關在分位）只需要切除電流互感器側的母線就能將故障點隔離，減小了停電范圍。

4）對于聯絡開關在合位時，關于母聯死區故障和分段死區故障母線保護無選擇性且不能第一時間瞬時切除故障擴大停電范圍的問題，還需要進一步研究探討，相信隨著繼電保護技術理論的不斷發展創新，這個問題定能得到完美解決。

[1] PCS-915NB. 母線保護裝置說明書[Z]. 南瑞繼保電氣有限公司. 2013.

[2] 何燕燕. 母線保護裝置性能分析與應用[J]. 電氣技術, 2007, 8(S1): 96-99.

[3] 林霞, 陸于平, 王聯合. 分布式發電條件下的多電源故障區域定位新方法[J]. 電工技術學報, 2008, 23(11): 139-145, 165.

[4] 鄭祥云, 周暉, 朱啟晨, 等. 基于差流諧波波形特點的判別母差保護中電流互感器飽和的方案[J]. 電氣技術, 2006, 7(10): 25-29.

[5] 武一, 李奎, 岳大為, 等. 消除剩余電流保護動作死區的理論與方法[J]. 電工技術學報, 2008, 23(6): 44-49.

[6] 孫兆健. 一起母線失壓造成距離保護誤動作的事故分析[J]. 電氣技術, 2015, 16(5): 135, 138.

Analyses on 4-section Busbar Protection Configuration with Protection Acting Logic for Bus-tie and Subsection Switch Malfunction and Dead Zone Fault

Chen Xiaojun Yang Bo Xu Jun Yuan Renbiao Liu Changfa

(China Southern Power Grid EHV Transmission Company Guiyang Bureau, Guiyang 550003)

This article introduces Qingyan transformer substation 4-section busbar protection configuration mode for 220kV lines. The acting logic of busbar protection at the time bus-tie or subsection switch malfunction or its dead zone fault occurs is discussed. The specific acting principle and process of this circuit breaker malfunction protection and its dead zone fault protection are fully illustrated, which provides a reference for substation operators to deal with accidents of this kind in real cases.

4-section busbar; busbar protection; switch malfunction; dead zone fault; acting logic analyses

車曉駿（1990-），男，碩士研究生，助理工程師，主要從事電力系統繼電保護方面的檢修與研究工作。