母線死區故障分析及保護邏輯優化探討

湛江供電局 陳然秋

1 引言

電網規模和電網構建的趨勢不斷擴大，具有一定的復雜性，對當前電力系統的安全性提出了更高的要求。本文以南瑞繼保的PCA-915A-DG-N 母線保護裝置為例，介紹母線保護的基本原理以及其在遇到死區故障時的動作邏輯，并探討其優化方向。

2 母線保護原理

南瑞繼保的PCA-915A-DG-N 母線保護裝置主要使用的是母線差動保護，其由分相式比率差動元件構成[1]。比率差動元件的動作判據為：

式中，K 為比率制動系數；Ij為第j 個連接元件的電流；Icdzd為差動電流啟動定值。

其差動回路包括母線大差回路和各段母線的小差回路。母線大差回路是指除母聯開關和分段開關以外的所有支路電流構成的差動回路。而小差回路是指對應的某段母線上包括母聯開關、分段開關和該段母線上連接的所有支路電流構成的差動回路。大差比率差動用于判別母線區內和區外故障，小差比率差動用于故障母線的選擇。同時，為了防止保護各種原因導致的誤動作，還采用了電壓閉鎖元件進行保護，其判據為：

式中，Uφ為相電壓；3U0為三倍零序電壓；U2為負序相電壓；Ubs為相電壓閉鎖值；U0bs和U2bs分別為零序、負序電壓閉鎖值。以上三個判據任一個動作時，電壓閉鎖元件開放[2]。

3 死區故障及死區保護

當雙母接線，母聯開關僅配置一組CT 時，小差回路保護范圍以母聯開關CT 為分界，小差保護范圍如圖1所示。母聯開關在合位時，若母聯開關和母聯CT 之間發生故障K1。對于母聯CT 來說故障點位于母聯開關側的母線（即1母），此時大差回路，1母小差回路均動作，兩段母線的電壓閉鎖均開放。此時裝置認為故障位于母聯開關側母線，出口跳開母聯及1母上所有斷路器[3]。

圖1 單CT 配置的雙母接線方式下小差保護范圍

但實際上故障位于2母，母聯及1母所有支路的斷路器雖已跳開，但故障仍然存在，大差回路有差流，有故障電流流經母聯CT。為了切除上述死區的故障，其在母聯開關跳閘經一定延時后，將母聯電流退出小差。待小差退出后，由于母聯開關已在分位，且母聯電流已退出小差，大差動作未返回，2母小差動作。保護出口跳開2母上所有斷路器。其邏輯如圖2所示。雖然成功將故障隔離，但故障并未能在第一時間切除，而且還跳開了一條無故障的母線。

圖2 母線并列運行時死區保護邏輯

而當雙母接線，母聯開關兩側各配置一組CT時，小差回路保護范圍交叉配置，1母小差回路包括母聯開關2母側電流互感器CT1，2母小差回路包括母聯開關1母側電流互感器CT2，小差保護范圍如圖3所示。母聯開關在合位時，若母聯開關和CT1之間發生故障K2，故障點既存在1母小差回路范圍內，同時也存在2母小差回路范圍內[4]。

圖3 雙CT 配置的雙母接線方式下小差保護范圍

此時大差回路，1母、2母小差回路均動作，兩段母線的電壓閉鎖均開放，保護出口跳開母聯開關和1母、2母上所有斷路器。在配置兩組CT 的情況下，雖然兩組CT 交叉覆蓋了死區范圍內的故障，無須等待母聯電流退出小差才能夠切除死區故障，但依然將無故障的其中一條母線也跳開了，擴大了故障范圍。

因此，是否有辦法使當母聯開關與母聯CT 之間出現故障時，保護僅跳開故障母線，而正常母線不被意外切除成為研究重點。

4 死區保護邏輯優化設想

當母線死區發生故障時，差流回路判斷的范圍與斷路器切除的范圍不一定一致。當故障發生在母聯兩組CT 之間時，電氣回路無法準確判斷出該故障到底是位于斷路器的哪一側，導致保護失去選擇性，最終兩段母線都被跳開。

由上述可知，當母聯開關僅配置一組CT 時，在母聯開關跳閘，母聯電流退出小差后，雖然故障位于母聯開關和母聯CT 之間，保護依然能夠切除掉故障母線。若故障點K2位于母聯開關與CT1之間，當母聯開關在分位且母聯電流退出小差時，大差回路及2母小差回路均存在差流，2母能夠以正確的動作切除故障。而1母因母聯電流退出小差，其不存在差流，故1母不會被切除。當母線并列運行時，若母聯開關跳閘并將母聯電流退出1母小差回路及2母小差回路后，母線保護就能夠正確識別出死區故障的故障點位于哪條母線上[5]。

因此，只要在死區發生故障時，讓母聯開關能夠正常跳閘，而母線上各支路則在母聯開關跳閘且母聯電流退出小差后再出口跳閘，就能夠正確切除故障母線，保留正常母線。

方案1，在跳1（2）母出口處增加延時T，等母聯開關跳閘后，再出口跳閘故障母線。從前面死區保護邏輯圖可知，母聯電流退出小差必須保護跳母聯，且母聯開關在分閘位置，經150ms 延時后，母聯電流才退出小差。因此，延時T 還需要加上母線差動保護動作時間與母聯開關固定分閘時間，時間較長。而且無論母線故障位置是否位于死區，保護均需等待這個延時T 才能夠出口，犧牲了保護的快速性。由此可見，此方案單純的增加延時并不合適。

方案2，先判斷故障點是否位于死區范圍，再決定是否延時跳母線。當故障點位于K2時，大差回路，CT1及1母所有支路CT 組成的1母小差回路，CT2及2母所有支路CT 組成的2母小差回路均存在差流。而此時，CT2（考慮極性，CT2與CT1極性相反，CT2與1母支路電流合并計算時需取反）及1母所有支路CT 這個范圍內，并不存在差流。CT1（考慮極性，CT1與CT2極性相反，CT1與2母支路電流合并計算時需取反）及2母所有支路CT 這個范圍內也無差流。而當故障點位于K3，在1母上的死區外時，CT2（考慮極性后）及1母所有支路CT 這個范圍內存在差流，CT1及1母所有支路CT 組成的1母小差回路也存在差流。并且1母各支路與CT1、CT2之間形成的范圍差是死區范圍。暫時將CT2（考慮極性后）及1母所有支路CT 組成的回路稱為1母死區閉鎖回路，其開放判據與1母小差回路動作判據一致。

其母線保護1母動作邏輯如圖4所示實線區域及增加虛線區域部分（以1母為例）。

圖4 母線保護1母動作邏輯

當母聯開關在合位，故障點在母線上死區以外K3時，大差回路、1母小差回路（母聯電流計入小差）均存在差流，1母、2母電壓閉鎖開放，1母死區閉鎖回路（CT2（考慮極性后）及1母所有支路CT 組成的回路）也滿足開放條件，保護出口跳閘母聯及1母所有支路的斷路器。保護正確、快速動作，不受1母死區閉鎖回路影響。

當母聯開關在合位，故障點在死區K2時，大差回路、1母小差回路、2母小差回路（母聯電流計入小差）均存在差流，1母、2母電壓閉鎖開放，母聯開關滿足跳閘條件，保護出口跳閘母聯開關，而1母死區閉鎖回路（CT2（考慮極性后）及1母所有支路CT 組成的回路）及2母死區閉鎖回路并不滿足開放條件，閉鎖1母、2母其余支路出口跳閘。待母聯開關跳閘后，由于故障點K1尚未切除，CT1仍有電流流過，大差差動元件仍未返回，經過延時后，死區保護動作，將母聯電流（CT1、CT2）退出小差，1母在母聯電流退出小差后，1母小差回路不存在差流，小差差動元件返回。而此時故障點所在的2母，2母小差回路存在差流，2母死區閉鎖回路在母聯電流退出后，也滿足了開放條件。2母出口切除母線上所有支路斷路器，將故障隔離，大差動元件返回。成功將故障母線切除，保留了正常的母線。

5 結語

傳統母差保護在當母線死區發生故障時，因差流回路判斷的范圍與斷路器切除的范圍不一定一致，當故障發生在母聯開關與母聯CT 之間時，電氣回路無法準確判斷出該故障到底是位于斷路器的哪一側，導致保護失去選擇性，最終兩段母線都被跳開。而在母聯開關兩側均配置母聯CT 的接線方式下，將該母線小差回路以外的另一組母聯CT 與該母線的支路CT 組成閉鎖回路，能夠有效地防止母差保護死區故障時失去選擇性，將兩段母線都跳開。該方案雖然在死區故障發生時無法以原來同樣的速度切除故障，但其能夠有效保留正常母線，防止擴大故障切除范圍，縮小了停電范圍，較原保護邏輯有了更大的選擇空間。