220 k V母線差動保護死區故障分析

于海波，姚洪波，帥志飛

（1.國網上海市電力公司檢修公司，上海 200063；2.國網上海市電力公司浦東供電公司，上海 200122）

母線故障是最嚴重的電氣故障之一，而母聯斷路器和單側電流互感器（TA）之間發生故障，將對保護的要求很高。雖然這類故障的概率較小，但是后果十分嚴重。母線的主接線形式，不管是采用雙母線配置，還是采用單母線分段配置；不管保護是電磁型保護，還是全微機型保護，其母線差動采用母聯或分段的TA，如果是單側TA，那么就存在死區問題。

1220 k V母線差動保護的發展歷程

上海地區的220 k V母線差動保護裝置，主要經歷了3個不同階段的變化，即電磁型保護、集成型母差保護和微機型保護。

第一代的純電磁型差動保護使用年限最長，使用了將近半個世紀，直至20世紀90年代末才被淘汰，其代表裝置是通過將BCH-2差動繼電器等一系列分列電磁型繼電器，通過外部接線連接構成的保護裝置。保護原理是由BCH-2差動繼電器構成大差動保護（不接入母聯電流），母線范圍內（包括死區）故障，差動保護都先跳開母聯，再通過低電壓來選擇切除故障母線；優點是保護原理、結構簡單，但保護固有動作時間較慢，已不適應電網的發展。

第二代的集成型或半微機型母差保護，主要是指1990年后引進國外比較先進的產品，例如：ABB公司的RADSS和REB103，GE公司的BUS1000等母差保護裝置。特點是差動繼電器都是集成型或微機型的裝置，所采集的電流都須進行二次變換和整流；優點是精度高、動作靈敏；缺點是其外回路設計較為復雜，如電流鏡像回路、跳閘回路、失靈啟動回路、不聯回路、互聯回路等，都是將數個電磁型中間繼電器通過二次線和電纜連接，調試比較繁復，容易出現回路接線錯誤。

第三代的微機型母差保護，大多采用國產裝置，例如：南瑞繼保公司的RCS-915AB和深圳南瑞的BP-2B微機母線保護裝置，不但繼承了第二代保護動作快的優點外，還簡化了外部回路，取消了諸如鏡像、互聯、不聯等回路，使保護動作更加可靠，而且方便了調試。

不管保護裝置如何更新換代，目前，都必須面對雙母線接線，母聯斷路器單側TA的死區問題，而目前解決死區故障的方法，首先由大差動元件動作先跳開母聯斷路器，然后由故障母線的小差元件（或低電壓選排元件）動作，再跳開故障母線上所有斷路器，切除故障。

2220 kV母線差動保護死區故障原因

1）死區故障的定義 母線并列運行時，當故障發生在母聯斷路器與母聯TA之間時，斷路器側母線段跳閘出口無法切除該故障，而TA側母線段的小差元件不會動作，這種狀況稱之為死區故障。

2）死區故障的原因 在母聯斷路器與TA之間發生故障時，其電流流向如圖1所示。當母聯（或分段）與TA之間發生故障時，由于故障點在TA靠近正母側，故母差的正母小差動作，跳開正母上的所有斷路器。此時故障點仍然存在，但副母小差的故障電流仍然滿足流入等于流出的平衡，無法啟動副母小差動作隔離故障點。

為了消除此類母線差動保護死區故障，母差保護就需要在正母小差動作跳掉母聯斷路器后，副母小差的計算電流中，將母聯TA的電流不計入副母小差，從而啟動副母小差，跳開副母上的所有斷路器。當母聯配置單側TA，由于正母差和副母差無法正確判斷區內故障還是區外故障，由此產生了死區。

圖1 斷路器單側配置TA

3220 k V母線差動保護死區動作原理

3.1 電磁型母差保護

220 k V電網BUS-1000、RADSS和REB-103等電磁型母差保護，不聯退出原理圖，見圖2。

圖2 電磁型母差不聯退出原理

在母聯合閘同時自動將母聯雙位置繼電器（MLJ1、MLJ2）投入，則母聯的兩組TA的電流經其閉合的常開接點分別切入正、副母REB103母差差動電流輸入回路中。反之，一旦母差保護、母聯解列保護及母差失靈保護動作，即將MLJ1、MLJ2退出，使得兩組TA電流被短接而不流入差動回路中。該“不聯回路”的作用，是在確保母聯斷路器交流電流回路分別接入正母差及副母差后，才允許合閘，以保證母差保護正確動作。如發生MLJ1、MLJ2與母聯斷路器不對應時，發“電流斷線”告警信號，并閉鎖母差。所以，只要母聯斷路器位置發生變化，都應檢查母聯投退MLJ1、 MLJ2的位置是否正確。當母聯分閘后，母聯投退MLJ1、MLJ2返回，兩組TA從各自的REB103輸入回路退出，并被短接。

對于單側TA來說，當在TA和斷路器之間發生故障時，TA側母線判定為區外故障而不動；斷路器側母差雖然判斷區內故障，正確動作，將母聯斷路器跳閘。但故障仍然存在，此時啟動母聯的“不聯回路”。“不聯回路”經150 ms延時后自動將母聯斷路器的MLJ1和MLJ2退出，將電流回路短接，使電流不流入母差回路，TA側母差感受到故障存在，TA側差動元件動作，從而使該母差保護相繼動作，以較短時限切除故障。

3.2 微機型母差保護

對于220 k V電網使用南瑞繼保RCS-915AB微機型母差保護而言，當母聯斷路器和TA之間發生故障，斷路器側母線跳開后故障依然存在，正好處于TA側母線小差的死區，為了提高保護動作速度，專設了母聯死區保護。在差動保護發母聯跳閘命令后，母聯斷路器已跳開Ⅱ母聯，而母聯TA仍有電流，且大差比率差動元件及斷路器側小差比率差動元件不返回的狀況下，經死區動作延時Tsq跳開另一條母線。

為防止母聯在跳位時發生死區故障，將母線全切除。當Ⅱ母線都有電壓，且母聯在跳位時母聯電流不計入小差。母聯TWJ為三相常開接點（母聯斷路器處跳閘位置時接點閉合）串聯。RCS-915母差不聯退出原理圖，如圖3所示。

圖3 RCS-915母差不聯退出原理

對于220 k V電網使用深圳南瑞BP-2B微機型母差保護而言，死區故障時，母差保護已動作于一段母線，大差電流元件不返回，母聯斷路器已跳開，而母聯TA仍有電流，死區保護應經母線差動復合電壓閉鎖后切除相關母線。

母線分段運行時，如斷路器TA處發生故障，由于母聯TA已退出，所以保護可以直接跳故障母線，避免了故障切除范圍的擴大。BP-2B母差不聯退出原理圖，如圖4所示。

圖4 BP-2B母差不聯退出原理

對于110 k V電網使用深圳南瑞BP-2A微機型母差保護而言，在母聯斷路器和TA之間發生故障時，當斷路器側母差動作跳閘無法切除故障，就需要進一步切除母線上的其余單元。因此，在保護動作，發出跳開母聯斷路器的命令后，經延時180 ms，判別母聯電流是否越限。如延時或母聯電流滿足越限條件，且母線復合電壓動作，則跳開電壓不正常母線上的所有斷路器。BP-2A母差不聯退出原理圖，如圖5所示。

圖5 BP-2A母差不聯退出原理

4 改進措施

4.1 斷路器兩側配置TA

消除保護死區的措施是在斷路器兩側配置TA，從源頭上解決保護死區問題。在母聯和TA之間發生故障時，其電流流向如圖6所示。

圖6 斷路器兩側配置TA

當母聯（或分段）與TA之間發生故障時，因故障點在斷路器和副母TA中間，故正母差動保護動作，跳開正母上的所有斷路器。倘若故障點在斷路器和正母TA中間，那么副母差動保護動作，跳開副母上的所有斷路器，從而將故障點隔離。

從上海市電力公司的現狀來說，敞開式布置、采用獨立元件構成的斷路器配置的都是單側TA，只有110 k V及以上主接線采用成套GIS組合電器的，其每個斷路器的兩側都配置TA。因此，對于采用敞開式布置、獨立元件構成的一些老變電站，若要分段或母聯斷路器兩側都有TA，可以通過將分段或母聯斷路器直接改造為GIS組合式電器的方式，不失為當前最經濟、最行之有效方案。目前，上海市電力公司所屬西郊站和機場站，其部分220 k V分段、母聯斷路器已進行改造，效果很好。

4.2 改變運行方式

對于無法改造為雙側TA的分段或母聯斷路器，如果分段或母聯斷路器一直在運行位置，死區將繼續存在，因為單側TA導致了保護死區問題。針對這種情況，可以通過改變電網運行方式，將單側TA的斷路器改為分區解列點，或者改為斷路器常處于熱備用的運行狀態，也可以達到消除保護死區的目的。

5 結語

目前，還沒有保護裝置能在死區故障時正確判斷故障發生在母聯斷路器的哪一側，并準確選擇故障母線切除故障的方法。在死區發生故障時，母聯（或分段）兩側的母線都將相繼被切除，造成兩段母線都失電。但對于正副母差動分別采集的保護，如RADSS、REB103等電磁型保護，如果采用斷路器兩側TA分別交叉接入正副母差，那么在死區發生故障時，兩段母線均會正確判斷區內故障，0 s跳閘，相對于斷路器單側裝TA的接線方式，節約了150 ms，減少了故障電流對設備的沖擊和損害，同時也減少了故障對系統的沖擊影響。

在當前電網的主接線形式下，通過對上海220 k V電網內各類保護死區的動作特點進行分析和總結，用以提高對死區故障的判斷和準確處理，對確保電網的安全、穩定運行，起到技術支撐作用。