母線充電時投入母差保護的必要性分析

付振強，侯明辰

(鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114002)

1 固定連接方式的母線完全差動保護

固定連線方式的母線完全差動保護是常規的電磁型保護，是指在雙母線并列運行方式下，按照一定的要求，將引出線和有電源的支路固定連接于兩母線上，這種母線稱為固定連接母線，這種母線的差動保護稱為固定連接方式的母線完全差動保護。任一母線故障時，只切除接于該母線的元件，另一母線可以繼續運行，即母線差動保護有選擇故障母線的能力。當運行的雙母線的固定連接方式被破壞時，該保護將無選擇故障母線的能力，而將雙母線上所有連接元件切除。

固定連接方式的母線完全差動保護由以下3部分組成。

a． TA1、TA2、TA5和 KD1構成Ⅰ母小差啟動元件，用于選擇判定Ⅰ母線的故障。

b． TA3、TA4、TA5和KD2構成Ⅱ母小差啟動元件，用于選擇判定Ⅱ母線的故障。

c． TA1、TA2、TA3、TA4和 KD構成母線大差啟動元件，用于選擇判定母線區內、區外故障。

母線大差繼電器KD接點和Ⅰ母小差繼電器KD1接點串聯啟動出口中間繼電器跳1號線、2號線、母聯斷路器，母線大差繼電器KD接點和Ⅱ母小差繼電器KD2接點串聯啟動出口中間繼電器跳3號線、4號線、母聯斷路器。母線差動保護有選擇故障母線的能力。

1.1 固定連接方式母線區內故障

圖1為雙母線固定連接方式發生母線區內故障時差動回路差流流向示意圖。由圖1可知，當d1點發生短路時，id=i1+i2+i3+i4;id1=i1+i2+i3+i4;id2=0母線大差繼電器KD和Ⅰ母小差繼電器KD1動作，差動保護動作跳開連接于Ⅰ母線上的1號線、2號線、母聯斷路器，Ⅱ母線繼續運行，母線差動保護有正確選擇故障母線的能力。

1.2 固定連接被破壞時母線區內故障母差保護動作邏輯

圖1 固定連接時Ⅰ母區內故障差流示意圖

假設4號線固定連接于Ⅱ母線，在倒母線時將4號線連接于Ⅰ母線，這樣就破壞了固定連接。圖2為雙母線固定連接方式被破壞時發生母線區內故障時差動回路差流流向示意圖。

圖2 固定連接破壞時Ⅰ母區內故障差流示意圖

由圖2可知，當d1點發生短路時，繼電器KD、KD1、KD2中流過的差流計算結果如下:id=i1+i2+i3+i4;id1=i1+i2+i3;id2=i4。Ⅰ母小差選擇元件啟動，大差啟動元件啟動。但繼電器KD2中流過很小的電流，如果未達到保護定值，Ⅱ母小差選擇元件不會啟動。KD和KD1的觸點閉合，差動保護出口固定跳開 QF1、QF2、QF5，但 QF4不會跳閘，繼續向故障點提供很大的短路電流，故障并未切除。基于這個原因，在倒閘操作中，當固定連接被破壞時，運行人員會將Ⅰ、Ⅱ母小差選擇元件KD1、KD2的接點短接 (單母線運行方式)，只要大差啟動元件KD動作，差動保護就會無選擇性的跳開兩段母線上的所有元件斷路器。那么，當固定連接由于倒閘操作被破壞時，差動保護不能選擇故障母線，只能將兩段母線上的元件全部跳開。

1.3 空母線充電時母線區內故障

一次接線方式為雙母線接線，充電時的運行方式:Ⅰ母在運行狀態，Ⅱ母檢修結束，QF1、QF2、QF3、QF4在合位且均連接于Ⅰ母線上，QF5在分位，這時固定連接被破壞屬于單線運行方式，利用母聯斷路器對Ⅱ母線進行充電，母聯斷路器充電保護投入。圖3為Ⅰ母線對Ⅱ母線充電時發生故障，差動回路差流流向示意圖。

圖3 充電時Ⅱ母故障差流示意圖

由圖3可知，當d1點發生短路時，繼電器KD、KD1、KD2中流過的差流計算結果如下:id=i1+i2+i3+i4;id1=i3+i4;id2=i1+i2+2i3+2i4，由于運行人員在進行倒閘操作前將Ⅰ、Ⅱ母小差選擇元件KD1、KD2的觸點短接，Ⅰ、Ⅱ母小差選擇元件KD1、KD2不能正確選擇故障母線，大差啟動元件 KD動作瞬時跳開 QF1、QF2、QF3、QF4和QF5。根據以上分析，在利用母聯斷路器對Ⅱ母線進行充電時Ⅰ母線發生故障，母線差動保護動作跳開母線所有元件，使停電范圍擴大。為了保證無故障母線繼續運行，運行操作規程規定:在利用母聯斷路器對空母線進行充電操作過程中，退出母線差動保護 (固定連接方式的母線完全差動保護)而只投入母聯充電保護，利用母聯充電保護跳開母聯斷路器切除故障。

2 220 kV母聯充電保護原理

220 kV母聯充電保護主要是為了在母線充電過程中，能更可靠地切除被充電母線上故障而配置的一套保護功能。

保護在正常程序中檢查母聯斷路器跳閘位置及手合接點狀態，在充電保護投入情況下，保護根據母聯斷路器跳閘位置或手合接點狀態決定是否開放充電保護。

母聯斷路器跳閘位置開放充電保護:當有跳閘位置接點開入時，表示開關在斷開位置，固定投入充電保護，當有電流或開關位置接點返回，則表明開關合閘，經400 ms后充電保護退出。

手合接點開放充電保護:當有手合接點開入，則手合接點開入的400 ms內投入充電保護，400 ms后退出。

上述方法可保證在線路充電或母線充電的400 ms內，可靠啟動充電保護。

充電保護采用相電流過流元件，當滿足充電動作條件，充電保護經20 ms延時跳閘。

如圖4所示，Ⅰ母線給Ⅱ母線充電，充電保護動作邏輯如下:

XL1在合位，斷路器XL2在分位，Ⅰ母有壓，Ⅱ母無壓，ML3在開位。當ML3合上后，d1點發生故障，母聯電流從無到有并達到了母聯充電保護電流定值，充電保護跳開ML3切除故障點d1。

圖4 Ⅱ母故障時故障電流示意圖

3 微機型比例式母線差動保護

220 kV變電站母線差動保護全部更換為微機型比例式差動保護，微機型母線差動保護與電磁型的固定連接方式下母線差動保護有所不同，具有雙母線運行方式識別功能，雙母線運行方式識別功能是根據母線上各連接單元隔離開關和母聯斷路器的分、合閘狀態，給出母線的運行方式，供保護裝置識別雙母線一次接線運行方式的變化。母線差動保護根據保護裝置識別雙母線一次接線運行方式進行故障母線選擇。大差差動電流不計及母聯電流，各段小差差動電流均應根據母聯斷路器位置的狀態和母聯TA的極性計及母聯電流。N單元雙母線專用母聯差動電流表達式如下:

id=|Kmliml+K1i1+… +KN－1iN－1|

式中，Km為母聯支路系數，K1，…，KN－1為非母聯支路系數;im1，i1，…，In－1為經過換算后的一次電流或二次電流。計算大差差動電流和制動電流時Km1=0，K1=…=KN－1=1;計算Ⅰ母差動電流時K1，…，KN－1根據對應支路運行于Ⅰ母取1，不運行于Ⅰ母取0，當母聯投入運行時，若母聯TA極性與Ⅰ母一致，則Km1=1，若母聯TA極性與Ⅱ母一致，則Km1=－1，當母聯退出運行時Km1=0。計算Ⅱ母差動電流時原則同上。

如圖5所示，設一次接線方式為雙母線接線，充電時的運行方式:Ⅰ母在運行狀態，Ⅱ母檢修結束，QF1、QF2在合位且均連接于Ⅰ母線上，QF3在分位。啟用充電保護對Ⅱ母線進行充電。

圖5 Ⅱ母故障時故障電流示意圖

差流計算結果:

大差電流:id=i1+i2

Ⅰ母小差電流:id1=i1+i2－i3=0

Ⅱ母小差電流:id2=i1+i2

因此，大差啟動元件動作，Ⅰ母小差選擇元件不動作，Ⅱ母小差選擇元件動作跳開QF3。

微機型比例式差動保護在母線充電時能正確選擇故障母線，確保無故障母線繼續運行，因此在利用母聯斷路器對空母線進行充電操作過程中，不需停用母線差動保護。

4 死區保護在母線充電時的動作邏輯

4.1 母聯死區保護的定義

對于雙母線，在母聯單元上只安裝1組TA的情況下，母聯TA與母聯斷路器之間發生故障，差動保護存在盲區。如圖6所示d1處故障，屬Ⅰ母小差動保護的區內，不屬Ⅱ母小差動保護范圍，Ⅰ母保護動作并跳開XL1、ML3，而Ⅱ母保護不動作。母聯斷路器跳閘后，d1故障點繼續由XL2提供短路電流而無法切除，形成母差和充電保護盲區。因此，微機型比例式差動保護中配置死區保護，當母線差動保護停用時死區保護也會隨之退出。

4.2 向空母線充電過程中母聯死區保護動作邏輯分析

如圖7所示，當充電保護不配置在母差保護裝置中時，裝置能夠自動識別母聯的充電保護，當母聯斷路器手合觸點由斷開變為閉合時，通過追溯1個周波 (20 ms)前的兩段母線電壓、母聯TA電流，判定是否進入充電狀態。當檢測到至少有1條母線無電壓、母聯TA無電流 (IBC=0)，裝置自動識別為母聯斷路器對空母線充電 (此時展寬1 s)。如果充電過程中母聯斷路器合于故障母線，則閉鎖差動300 ms。

假設Ⅰ母線運行，Ⅱ母線檢修工作結束，斷路器XL1在合位，斷路器XL2在分位，斷路器ML3在分位。現在要用Ⅰ母線對Ⅱ母線進行充電，充電時母聯斷路器和TA之間故障可能有以下兩種情況。

a． 如圖8所示，母聯TA裝在電源母線 (Ⅰ母線)側，隔離開關GL1合閘立即發生故障，此時充電保護尚未啟動 (母聯斷路器在分位，不滿足充電保護動作條件)，即使跳開母聯斷路器也無法切除故障，只能靠Ⅰ母差動保護動作跳開電源母線 (Ⅰ母線)的所有連接單元斷路器 (母聯斷路器未合，差流不計及母聯電流，該故障被差動保護判斷為區內)。

b． 如圖9所示，母聯TA裝在被充電母線(Ⅱ母線)側，只有當母聯斷路器ML3合閘才能發生故障，但母聯TA無電流，跳開母聯斷路器可切除故障，但由于電源母線段的差動保護符合動作條件，會誤跳電源母線段上的所有連接單元。為防止這種誤動，充電時應閉鎖母線差動保護300 ms，并在差流Id過量時作為充電一段的動作條件 (考慮差流誤差，提高為1.1倍差動定值)，充電保護動作不帶延時先跳母聯斷路器ML3。300ms后若有故障發展或母聯失靈則差動保護動作跳運行母線。

5 母線存在無保護運行狀態

假設一次接線方式為雙母線接線，充電時的運行方式:Ⅰ母在運行狀態，Ⅱ母檢修結束，母聯斷路器在分位。運行人員在操作中完全退出了差動保護，只投入了母聯充電保護。當運行人員將母聯斷路器合閘后，但還未能將差動保護投入運行。那么在這段時間內，無論是運行母線 (Ⅰ母線)還是被充電母線 (Ⅱ母線)都是在無保護的狀態下運行。如果恰巧母線在這個時間段內發生短路故障，則差動保護不會動作，將直接影響電力系統的安全穩定運行，造成嚴重后果。這也是在母線充電過程中退出差動保護的缺陷。

6 結束語

通過對各種保護原理在各類型故障時動作邏輯的分析可知，在對空母線充電的過程中差動保護不但能瞬時且有選擇性的切除故障，死區保護還能切除死區故障。退出差動保護時母聯死區保護退出，當母聯TA裝設在被充電母線側，發生死區故障時，母聯TA無電流，充電保護不能動作切除故障點，只能靠母線各元件對端保護帶時限跳開故障點。

現在運行人員還會在對空母線充電的操作過程中將差動保護完全退出，是因為運行人員還延續著常規的固定連接方式母線完全差動保護操作規程，防止差動保護動作跳開兩段母線上所有元件。微機型比例式差動保護的邏輯與功能都與常規保護有了很大不同。而運行人員未能掌握常規繼電保護和微機保護的區別，未能從傳統的運行思路中走出來，導致操作步驟過多，容易造成一次設備在無保護狀態下運行。

因此，建議運行人員在進行對空母線充電的操作中，不應該退出差動保護。運行人員應結合微機型保護特點，對保護原理、裝置組成、壓板配置及具體應用情況等進行認真總結、分析，尋找微機技術應用的特點，盡快地在新設備使用過程中掌握主動，有效地防止誤操作事故的發生和提高突發性事故的處理水平。

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