淺析220 kV 母線差動及失效保護應用

李湘韶，楊 丹

（徐州華潤電力有限公司，江蘇徐州 221000）

0 引言

母線是變電所十分重要的一種匯流設備，母線本身或母線中的某個元件發生故障，都將導致大面積的停電，如果沒有對故障進行及時解決，將會導致事件進一步加劇。在設置母線的過程中，如果在保護裝置中出現的瞬間正確動作能夠完成，則可以有效降低停電事故的影響，避免造成過大的損失，減小事故的影響范圍。本文分析的兩種保護裝置是完全獨立的，分別是差動保護和失靈保護，具備母線差動保護、母聯充電保護以及母聯失靈保護等功能。

1 220 kV 母線差動保護

1.1 母線差動保護基本原理

母線差動保護裝置主要由差動元件構成，其回路主要包括母線大差和各段小差回路，并由這些回路共同構成差動回路。母線大差回路主要包括母線開關和分段開關，此外還有由支路電流構成的差動回路。母線的小差回路主要包括連接的所有支路電流，并通過這些支路電流構成差動回路。通過分析母線大差比率，可以對其區域內和區域外的故障進行判斷；通過分析母線小差比率，可以判斷出現故障的母線，從而及時進行處理。

1.2 220 kV 系統的正常運行方式

如圖1 所示，220 kV 系統共包括兩條進線，分別為涂橋1路和涂橋2 路。在正常運行方式中，涂橋1 路經過開關可以將系統啟動，并使220 kVIM 運行，而涂橋2 路經過開關后可以使220 kVIIM 運行。母線差動在具體應用過程中使用的差動元件表現為分項式比率差動元件，該元件的電流可以以其中一項進行相關分析。母聯開關打開后，系統開始正常運行?？梢杂么髮懽帜副硎疽粶y電流，用小寫字母表示二測電流，用正負號表明電流方向，而大小則需要用字母表示。二側電流形成的母大差和一側電流母小差以及二測電流母小差分別用d、d1、d2表示。

1.2.1 系統正常運行狀態

系統正常運行時，根據基爾霍夫節點電流定律，結合一次側電流流向，二次側平衡電流用i1+i2=i3+i4表達式表示，由此可得d=i3+i4-i1-i2，結果為0，進而確定母大差不發生動作。而由于i3=i1+i0，可以得到表達式d1=i3-i0-i1，其結果為0，因此I 母小差不發生動作。同理可證，由于i2=i4+i0，表達式d2=i4+i0-i2結果同樣為0，因此II 母小差不發生動作。當IM 出現故障后，短路點在K1位置。由于發生了短路故障，所以系統電流會向故障母線段進行流動，根據d=-i3-i4-i1-i2，其結果不為0，因此大差會出現相關動作。根據表達式i0=i2+i4，d1=-i3-i0-i1=-i3-i2-i4-i1的結果不為0，所以一測電流母小差出現動作。而d2=-i4+i0-i2表達式的結果為0，因此二測電流母小差不發生相關動作。在一測電流母線發生故障后，一旦在K1位置發生短路，相關保護裝置應該立刻打開母聯，并將I 母所有斷路器跳開。

1.2.2 220 kVIIM 發生故障

當二測電流母線發生故障，即K2位置出現短路，系統電流會流向故障母線，導致d=-i3-i4-i1-i2的結果不為0，母大差會產生相關動作。由于i0=i1+i3，因此表達式d1=-i3+i0-i1的結果為0，所以I 母小差不發生動作。根據d2=-i4-i0-i2=-i4-i1-i3-i2的結果不為0，二測電流母小差會發生動作。當二測電流母線出現故障時，即K2位置發生短路，保護裝置會立刻打開母聯開關，并跳開二測電流母線斷路器。

1.2.3 區外故障

一旦在區外出現故障，即K4位置出現短路，系統電流會流向故障位置，二次側平衡電流可以用i4=i1+i3+i2表示，因d=-i3+i4-i1-i2的結果為0，母大差不發生動作。根據i0=i1+i3，得到d1=-i3+i0-i1結果為0，因此I 母小差也不發生動作。結合表達式d2=i4-i0-i2=i4-i1-i3-i2的結果為0，因此II 母小差同樣不發生動作。因此，在區外出現故障時，即K4處出現短路故障，保護裝置可以有效啟動，不會發生動作。

2 母聯死區分析

如圖1 所示，當K3位置發生故障時，其位于CT 和母聯斷路器之間，該區域被稱為母聯死區。K3位置發生故障，會對線路造成影響，而該故障對于線路母線保護裝置1 和CT1 來說，屬于IM 區域外的故障，但同時也屬于II 母內部區域故障，因此當母線保護裝置1 跳開母聯開關后，即使將II 母所有斷路器跳開，依然會存在故障電流，會導致保護裝置1 開啟，并使母聯死區保護程序啟動，從而產生相關動作。而該故障對于母線保護裝置2以及CT2 來說，屬于II 母區域外故障，也屬于I 母區域內故障，通常在這種情況下，會導致母線保護裝置2 跳開母聯，使母聯裝置正式開啟后，解決母線保護裝置2 和CT2 中的故障，但由于這兩套保護裝置都處于遠距離運行，裝置中跳閘出口和分閘線圈同樣都是獨立存在，兩套母線保護裝置將此時同時發生相關動作，跳開母聯22M 開關，并引起母線保護裝置保護動作，跳開I、II 母所有斷路器，在CT 保護范圍中并沒有相關的交叉現象，因此會明顯提升母聯死區的保護動作速度，這也是220 kV保護雙重配置的優勢。K5位置短路故障分析可以借鑒K3故障分析方法。

圖1 220 kV 簡化系統

3 斷路器失效保護

母線上接入并運行的斷路器包括221、222、22A 和22B 開關，發生拒動現象后，可以開啟保護設置，使RCS-915 啟動，從而有效保護斷路器失效，一方面能確保供電可靠，同時還能降低停電所造成的影響，使事故危害性得到降低，避免由于故障導致系統崩潰。

如圖2 所示，以涂橋I 路221 斷路器失靈為例，RCS-915通過刀閘模擬盤收集相關數據信息，自動識別斷路器失效的母線段，在221 斷路器和微機保護裝置同時收到跳閘命令后，211 斷路可以在正常狀態下跳閘，當211 開關失靈后，跳閘命令會同時啟動RCS-915AB，經過復合電壓的閉鎖處理后，可以根據221 斷路器失效保護動作，在第一時間內再次發送相關命令，跳開221 開關，并在第二時限內跳開母聯22M、跳22A1#主變開關。如果按照同樣的方法進行試驗，包含主變回路的22A 斷路器失效后，會不同于221 開關失效動作，解除復合電壓閉鎖。而解除復合電壓的目的是，當主變低壓側或中壓側發生短路故障后，母線電壓可能不會出現很大的降低，這樣一來，無法達到復合電壓的動作值，因此，如果不斷開復合電壓閉鎖，在啟動失效后，斷路器保護裝置可能會拒絕動作，無法切除故障。

4 案例分析

某220 kV 變電站線路某日凌晨受到雷擊，A 相出現接地故障，線路兩側的雙高壓保護裝置快速啟動將故障切除，但變電站的線路在A 相開關跳開一段時間后，再次受到雷擊，經過相應的加速保護后，線路的B、C 相也出現跳開動作，一段時間后開關三跳。但此時由于A 相開關并沒有斷弧，導致故障電流依舊存在，在某一時刻母線出現保護動作，220 kV 母聯開關跳位改變。當第二次故障結束后，故障位置發生到了B 相位置后，在某一時刻出現了母線差動保護B 相動作，將220 kV 正母上所有的開關全部切除。經過分析總結得出，本次故障主要是由于線路連續兩次遭到雷擊導致線路開關A、B 兩相絕緣被連續擊穿，雖然保護裝置使開關跳開，但不能滅弧，進而導致短路電流依舊存在，最后產生母線差動保護和母線失效保護。本次故障從開始到故障點被隔離，共持續了530 ms，根據發展情況可以將故障分為3 個階段，分別是線路第一次故障、第二次故障和第三次故障。通過母線差動保護和母線失效保護的應用解決了故障，降低了故障造成的影響。對此，變電站根據線路設計和保護裝置的設置進行了完善，以便能在出現此類問題時更好地解決。

圖2 保護裝置斷路器失效保護原理

5 結束語

綜上所述，和傳統繼電器母線保護裝置相比，微機母線保護裝置具有著明顯的優越性，從接線方式上，微機母線保護裝置更加可靠，而且動作速度更快，在功能集成化和成本投入等方面都具有一定的優勢。因此，使用微機保護裝置，是電力系統保護功能的一次巨大突破，能夠更好地提升保護效果，確保電力系統穩定運行。