母差保護原理及故障分析

張曉園

[摘要]安全可靠的電力系統(tǒng)對于我廠的長周期連續(xù)穩(wěn)定運行有著非常重要的意義，而總變35kV系統(tǒng)作為整個電力系統(tǒng)的樞紐環(huán)節(jié)，其穩(wěn)定運行對于整個電力系統(tǒng)有著不可估量的作用，如果母線發(fā)生故障就可能引起電力系統(tǒng)解列、大面積停電，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至是電力系統(tǒng)崩潰瓦解，對我廠安全穩(wěn)定生產(chǎn)產(chǎn)生巨大威脅。本文將通過分析35kV母線不同位置故障時母差保護動作情況，來闡述35kV母線保護的可靠性。

[關鍵詞]雙母線；母差保護；死區(qū)；互聯(lián)；大差；小差

1前言

傳統(tǒng)比率制動式母差保護的原理是采用被保護母線各支路（含母聯(lián)）電流的矢量和作為動作量，以各分路電流的絕對值之和附以小于1的制動系數(shù)作為制動量。在區(qū)外故障時可靠不動，區(qū)內(nèi)故障時則具有相當?shù)撵`敏度。算法簡單但自適應能力差，二次負載大，易受回路的復雜程度的影響。

而微機型母線差動保護由能夠反映單相故障和相間故障的分相式比率差動元件構(gòu)成。同時微機母差還引入了大差和小差的概念作為故障判據(jù)，來判斷是否真正發(fā)生母線故障，并具有可靠性高、接線簡單，調(diào)試簡單、運行維護簡單等優(yōu)點，使得微機型母差保護在電氣系統(tǒng)維護中得到了廣泛的應用。

2母差保護的原理分析

首先，介紹一下母線故障的原因，一般可分為四大類：a）母線絕緣子及斷路器套管的閃絡，b）裝設在母線上的電壓互感器以及母線與線路電流互感器之間的故障：c）母線隔離開關支持絕緣子的損壞：d）運行人員的誤操作。

其次，介紹一下母差保護對其采樣元件一電流互感器的接線方式及變比的要求。電流互感器作為母差保護的采樣元件，對母差的可靠穩(wěn)定運行起著決定性作用，母差對其也有著嚴格的要求：用于母差保護的CT其準確等級和變比必須相等，鐵芯也應選擇相同的型號，若變比不同，可采用軟件進行補償，滿足∑I=0。因為當母線區(qū)外發(fā)生故障時，其故障電流必然大于母差保護所選用的電流互感器的額定一次電流，若母差保護的電流互感器性能或鐵芯型號不一樣時，則電流互感器的伏安特性不同，就會導致其二次側(cè)電流的差流比較大，這樣可能引起母差保護誤動作或使母差保護的整定值偏大，影響母差保護的靈敏性，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行。

然后重點介紹一下母差的動作原理，母差保護一般采取大差和小差相互配合的方式來完成保護動作，大差作為啟動元件，判斷是否為區(qū)內(nèi)故障，小差則作為選擇元件，判斷故障在哪一條母線上。當大差元件和某一段的小差元件中都流過大于整定值的電流時，則判斷該段母線發(fā)生故障，跳開該線路的所有開關，切除故障。為了防止母差保護出現(xiàn)誤動所以增加了電壓元件，因為當母線出現(xiàn)故障時必然伴隨著正序電壓下降、負序電壓或零序電壓上升，以此作為電壓閉鎖元件，一是可以防止相關人員誤碰母差保護出口繼電器時，發(fā)生母差保護誤動作，二是可以防止電流回路斷線引起差動保護動作，同時也可以有效預防了特殊工況下電流突然增加導致母差動作的風險，其保護邏輯關系如圖1所示。

母差保護內(nèi)共有三個差動元件，分別是Ⅰ段母線小差元件、Ⅱ段小差元件和大差元件，其中Ⅰ（Ⅱ）段母線小差元件取其母線上所有線路（包括進線和饋線）和母聯(lián)開關的電流矢量和，而大差元件則取Ⅰ、Ⅱ段進線和饋線開關矢量之和。正常運行方式下，由于任意一段母線上進線電流與總的負荷電流基本平衡（即流入母線電流與流出母線電流一次值矢量和為零），因而三個差動元件中基本無電流流過，所以均不動作。

2.1當區(qū)內(nèi)母線上A、B點分別發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，母差的動作情況

當位于Ⅰ段母線的A點發(fā)生故障時（不論母聯(lián)開關在分位還是合位），Ⅰ段母線的進線和饋線電流都流向故障點，如圖2所示，則此時就會有一個大于母差

整定值的電流流經(jīng)大差元件和Ⅰ母小差元件，同時Ⅰ段母線復合電壓繼電器也會動作，導致Ⅰ段母差保護動作，跳開Ⅰ段母線上所有線路包括母聯(lián)開關，及時切除故障，保護Ⅱ段母線正常運行。同理當B點發(fā)生短路故障時，Ⅱ段母差動作，跳開Ⅱ段母線上所有開關包括母聯(lián)開關，保證I段母線正常運行，切除故障，達到穩(wěn)定供電的目的。

2.2當區(qū)外線路上C點發(fā)生故障時，母差保護的閉鎖情況

當在C處發(fā)生故障時，雖然母線電壓會降低，零序或負序電壓會升高，可能導致復合電壓繼電器動作，但是Ⅰ段母線小差和大差均無電流流過，所以母差不動作，做到保護范圍外的故障，母差不動作的目的。

2.3當兩段母線在互聯(lián)模式下，母差的動作情況

雙母線運行方式下，當一個供電間隔的兩把刀閘均在合位時，則這種運行方式在母差中稱為母差保護的互聯(lián)模式，母差保護裝置上也有互聯(lián)壓板，當投入此壓板時，母差裝置會默認其工作于互聯(lián)模式下。形成互聯(lián)模式之后，小差退出，大差作為動作元件，則此時母差為“非選擇性模式”，即35kV Ⅰ、Ⅱ兩段母線合成為一段母線，不論故障在哪一段母線上，35kV Ⅰ、Ⅱ兩段母線所有開關都會全部跳閘，以此來切出故障。

2.4一個進線帶兩段母線運行時，母差的動作情況

變電所日常運行中，還有一種運行方式，就是一個進線帶兩段母線運行。例如當35kV Ⅰ段進線帶35kV Ⅰ、Ⅱ段母線運行時，當故障點發(fā)生在35kV Ⅰ段母線，則35kV Ⅰ段母線所有開關包括母聯(lián)開關全部跳閘，同時35kVⅡ段母線失電；而當故障點在35kVⅡ段母線，則35kVⅡ段母線所有開關全部跳閘包括母聯(lián)開關，35kVⅠ段母線運行正常。

3母差保護死區(qū)介紹及應對辦法

3.1母差保護的死區(qū)介紹

當故障點在D點即母聯(lián)斷路器和母聯(lián)CT之間時，如圖4所示，情況就會有所不同：從保護范圍來說，其屬于Ⅰ段母差的保護范圍，當故障發(fā)生時，Ⅰ段母線差動動作，跳開Ⅰ段母線所有負荷和母聯(lián)開關，但是故障電流仍然存在，而Ⅱ段母差保護認定故障在區(qū)外，所以不動作，導致故障未能及時切除，需要啟動其他后備保護將其切除，這對安全穩(wěn)定供電造成了極大地威脅，則將此區(qū)域稱為母差保護的死區(qū)。

3.2死區(qū)的應對方法分析

對于死區(qū)一般可以通過改變母差保護的邏輯可以實現(xiàn)，也可以通過增加一組CT的方法來實現(xiàn)。首先介紹一下通過改變母差保護的邏輯來實現(xiàn)對死區(qū)的保護，其新邏輯圖如圖5所示。

根據(jù)新邏輯可知：當其中一段母線出現(xiàn)故障時，則故障段所有負荷和母聯(lián)斷路器會跳開，而母聯(lián)電流互感器上的電流取值將為零，由此可以判斷為區(qū)內(nèi)且非死區(qū)故障，使得無故障母線可以保持正常的運行狀態(tài)。若在母線的連接外部出現(xiàn)故障時，雖然母聯(lián)電流互感器上的電流不會變成零值，但是Ⅰ、Ⅱ段母差不動作，可以達到區(qū)外故障不動作的目的。若在母差保護的死區(qū)出現(xiàn)故障，則Ⅰ段母線小差及大差會動作，致使Ⅰ段母線所有負荷包括母聯(lián)開關跳閘，然而故障依然存在，故障電流流經(jīng)母聯(lián)電流互感器并大于整定值，根據(jù)新邏輯圖可知，保護經(jīng)延時跳開Ⅱ段母線開關，由此實現(xiàn)了對死區(qū)的保護。

另一種方法就是在原接線圖的基礎上增加一組CT，即在母聯(lián)斷路器的兩端分別裝設一組CT，并以交叉的方式接線，則死區(qū)為Ⅰ、Ⅱ段母差保護的重疊保護區(qū)域，所以當線路中的D點出現(xiàn)故障時，Ⅰ、Ⅱ段母差會同時動作，跳開Ⅰ、Ⅱ段母線負荷及母聯(lián)開關，從而起到了保護死區(qū)的作用。

4結(jié)語

母線故障是電氣運行中最嚴重的電氣故障之一，因為它與各個電氣元件相聯(lián)，一旦發(fā)生故障就可能引起電力系統(tǒng)解列、大面積停電，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至是電力系統(tǒng)崩潰瓦解，所以作為正確迅速切除母線故障的母線保護裝置，它的拒動或誤動將給電氣系統(tǒng)帶來嚴重危害。本文以某變電所運行方式為例介紹了母差保護的原理，并分析了不同運行方式下、不同位置發(fā)生故障時，母差的動作情況，同時還介紹了母差的死區(qū)以及應對辦法，從而提高了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。endprint