母線差動(dòng)保護(hù)中母聯(lián)電流互感器布置分析及保護(hù)邏輯改進(jìn)

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(duì)于主變壓器進(jìn)出線、母線電壓互感器等間隔,由于絕緣子老化,污穢會(huì)引起閃絡(luò)接地故障，雷擊會(huì)造成短路故障。如不及時(shí)隔離故障設(shè)備,將會(huì)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]。可見,設(shè)置可靠、性能良好的母線差動(dòng)保護(hù),能夠迅速檢測(cè)出故障母線,進(jìn)而有選擇性地隔離故障[2-4]。

在對(duì)母線差動(dòng)保護(hù)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(hù)及自動(dòng)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(hù)誤動(dòng)作[7-9]。接入母線差動(dòng)保護(hù)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(dòng)保護(hù)與線路保護(hù)或變壓器保護(hù)有重疊保護(hù)區(qū)。對(duì)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(duì)稱布置在母聯(lián)斷路器兩側(cè)。

筆者對(duì)接入母線差動(dòng)保護(hù)的母聯(lián)電流互感器兩種安裝位置對(duì)母線差動(dòng)保護(hù)的影響進(jìn)行分析,并在第二種方案的基礎(chǔ)上,對(duì)相應(yīng)的保護(hù)邏輯進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的保護(hù)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(jí),按照GB/T 14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)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(dòng)保護(hù)裝置。母線差動(dòng)保護(hù)和線路保護(hù)需要交叉配合,CB1～CB4為進(jìn)出線斷路器,CB5為母聯(lián)斷路器,進(jìn)線與出線間隔中CT1～CT6為電流互感器,接入母線差動(dòng)保護(hù),其中CT5和CT6分別接入母線差動(dòng)保護(hù)裝置BBP1、BBP2，F(xiàn)R為故障錄波器,CBP為母聯(lián)斷路器保護(hù)裝置,NCS為測(cè)控裝置，SPARE為備用。國(guó)產(chǎn)母線差動(dòng)保護(hù)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(hù)裝置為例進(jìn)行分析[10]。

根據(jù)南瑞繼保說明書,母線差動(dòng)保護(hù)由大差差動(dòng)保護(hù)和小差差動(dòng)保護(hù)組成。其中,大差差動(dòng)保護(hù)判斷區(qū)內(nèi)外故障,小差差動(dòng)保護(hù)選擇故障母線。圖1中，母線差動(dòng)保護(hù)裝置的大差差動(dòng)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(dòng)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(dòng)電流I2為:

I2=|ICT3+ICT4-ICT6|

(3)

在圖1中設(shè)置六個(gè)故障點(diǎn)k1～k6,分析對(duì)于六個(gè)故障點(diǎn)兩套母線差動(dòng)保護(hù)裝置的動(dòng)作情況。

2.2 故障點(diǎn)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(duì)于哪個(gè)故障點(diǎn),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(dòng)保護(hù)裝置的計(jì)算結(jié)果一樣,動(dòng)作出口方式相同,因此分析其中一組母線差動(dòng)保護(hù)裝置。

圖1 第一種布置方案

故障點(diǎn)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(dòng)電流和小差差動(dòng)電流計(jì)算式,有:

式中:Ik為故障電流。

在故障點(diǎn)k1的情況下,母線差動(dòng)保護(hù)裝置判斷母線Ⅰ故障,保護(hù)動(dòng)作,斷開母線Ⅰ上的進(jìn)出線斷路器及母聯(lián)斷路器,并啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù),正確隔離故障。

2.3 故障點(diǎn)k2

故障點(diǎn)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(dòng)電流和小差差動(dòng)電流計(jì)算式,有:

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

2.4 故障點(diǎn)k3與k4

與故障點(diǎn)k2不同,故障點(diǎn)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(gè)故障點(diǎn)動(dòng)作情況一致。根據(jù)大差差動(dòng)電流和小差差動(dòng)電流計(jì)算式,有:

在故障點(diǎn)k3和k4的情況下,母線差動(dòng)保護(hù)裝置判斷母線Ⅱ故障,保護(hù)動(dòng)作,斷開母線Ⅱ上的進(jìn)出線斷路器及母聯(lián)斷路器,并啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù),正確隔離故障。

2.5 故障點(diǎn)k5與k6

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

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

大差差動(dòng)電流為零,母線差動(dòng)保護(hù)裝置判斷為區(qū)外故障,由線路保護(hù)斷開斷路器CB1。如果線路保護(hù)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(dòng)斷路器失靈保護(hù),由母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)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(dòng)保護(hù)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(dòng)保護(hù)裝置的動(dòng)作結(jié)果不同。以下分析六個(gè)不同故障點(diǎn)情況下母線保護(hù)動(dòng)作方式。

3.1 故障點(diǎn)k1、k4、k5、k6

對(duì)于故障點(diǎn)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(dòng)保護(hù)裝置的動(dòng)作情況一致。

3.2 故障點(diǎn)k2與k3

在故障點(diǎn)k2的情況下,母線差動(dòng)保護(hù)裝置BBP1的大差差動(dòng)電流和小差差動(dòng)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(dòng)保護(hù)裝置BBP1判斷母線Ⅰ故障,保護(hù)動(dòng)作,斷開母線Ⅰ上的進(jìn)出線斷路器及母聯(lián)斷路器,并啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù),隔離故障。

母線差動(dòng)保護(hù)裝置BBP2的大差差動(dòng)電流和小差差動(dòng)電流為:

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

兩套母線差動(dòng)保護(hù)裝置對(duì)于故障點(diǎn)k2的動(dòng)作方式不一樣。母線差動(dòng)保護(hù)裝置BBP1判斷故障點(diǎn)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(dòng)保護(hù)裝置BBP2判斷故障點(diǎn)k2屬于母線Ⅱ故障,首先斷開母線Ⅱ，再經(jīng)死區(qū)保護(hù)動(dòng)作后斷開母線Ⅰ,擴(kuò)大了故障范圍。同理,對(duì)于故障點(diǎn)k3的情況,母線保護(hù)裝置BBP1判斷故障點(diǎn)k3屬于母線Ⅰ故障,斷開母線Ⅰ上的所有進(jìn)出線斷路器及母聯(lián)斷路器,再經(jīng)死區(qū)保護(hù)動(dòng)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(hù)裝置BBP2則判斷故障點(diǎn)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。可見,在故障點(diǎn)k2、k3的情況下,兩套母線差動(dòng)保護(hù)裝置的動(dòng)作方式不一致。對(duì)于故障點(diǎn)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(dòng)保護(hù)裝置BBP1首先動(dòng)作,母線Ⅰ上所有進(jìn)出線斷路器跳閘,同時(shí)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(dòng)保護(hù)裝置BBP2動(dòng)作早,那么母線差動(dòng)保護(hù)裝置BBP2不將母聯(lián)電流互感器電流計(jì)入小差差動(dòng)電流計(jì)算,此時(shí)母線差動(dòng)保護(hù)裝置BBP2將不動(dòng)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(dòng)保護(hù)裝置BBP2還是將母聯(lián)電流互感器電流計(jì)入小差差動(dòng)電流計(jì)算。由于母聯(lián)斷路器已經(jīng)斷開,其電流為零,母線差動(dòng)保護(hù)裝置BBP2計(jì)算大差差動(dòng)電流為零,計(jì)算母線Ⅱ小差差動(dòng)電流也為零,因此母線差動(dòng)保護(hù)裝置BBP2不動(dòng)作。

(3) 母線差動(dòng)保護(hù)裝置BBP2首先動(dòng)作,斷開母線Ⅱ上所有進(jìn)出線斷路器,同時(shí)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(shí)大差差動(dòng)電流和母線Ⅰ小差差動(dòng)電流不為零,經(jīng)死區(qū)保護(hù)動(dòng)作,斷開母線Ⅰ。

(4) 如果母線差動(dòng)保護(hù)裝置BBP1和BBP2同時(shí)滿足判據(jù),幾乎同時(shí)動(dòng)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(hù)邏輯改進(jìn)

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

按照第二種布置方案,在故障點(diǎn)k2和k3的情況下,兩套母線差動(dòng)保護(hù)裝置均判斷為區(qū)內(nèi)故障,母線差動(dòng)保護(hù)裝置BBP1判斷為母線Ⅰ故障,母線差動(dòng)保護(hù)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(dòng)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(dòng)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(huì)造成兩條母線都斷開,但動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利。第二種布置方案誤動(dòng)的區(qū)域相對(duì)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(shí),很大程度上會(huì)造成兩條母線同時(shí)斷開,擴(kuò)大事故范圍,斷開兩條母線對(duì)系統(tǒng)的影響比第一種布置方案大,后果較為嚴(yán)重。

對(duì)第二種布置方案進(jìn)行改進(jìn),如圖3所示,虛線表示電流互感器CT5與CT6之間進(jìn)行電流大小比較。改進(jìn)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(dòng)保護(hù)裝置將按照正常邏輯判斷動(dòng)作。如果Imd不為零,那么先斷開母聯(lián)斷路器,再進(jìn)行新的保護(hù)邏輯運(yùn)算。

圖3 改進(jìn)后第二種布置方案

改進(jìn)后母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作見表1。

5 結(jié)束語

在雙母線接線工程設(shè)計(jì)中,采用母聯(lián)電流互感器常規(guī)布置的兩種方案,對(duì)于在死區(qū)或者交叉區(qū)域位置的故障點(diǎn),都會(huì)存在兩條母線被斷開的風(fēng)險(xiǎn)。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(jìn)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(dòng)保護(hù)裝置將按照正常邏輯動(dòng)作。如果有冗余差電流,那么先斷開母聯(lián)斷路器,再進(jìn)行新的母線差動(dòng)保護(hù)邏輯運(yùn)算。采用改進(jìn)后的第二種布置方案,可以有效避免在交叉區(qū)域故障時(shí)兩條母線全部被斷開的現(xiàn)象。

表1 改進(jìn)后母線差動(dòng)保護(hù)裝置保護(hù)動(dòng)作