雙母雙分段母線保護(hù)配置及母聯(lián)分段開(kāi)關(guān)失靈和死區(qū)保護(hù)動(dòng)作分析

車(chē)曉駿 楊 波 徐 軍 袁仁彪 劉長(zhǎng)發(fā)

?

雙母雙分段母線保護(hù)配置及母聯(lián)分段開(kāi)關(guān)失靈和死區(qū)保護(hù)動(dòng)作分析

車(chē)曉駿 楊 波 徐 軍 袁仁彪 劉長(zhǎng)發(fā)

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司貴陽(yáng)局，貴陽(yáng) 550003）

本文介紹了青巖變電站220kV雙母線雙分段接線方式下母差保護(hù)的配置方式，對(duì)母聯(lián)和分段開(kāi)關(guān)在失靈和死區(qū)故障情況下母差保護(hù)的動(dòng)作邏輯進(jìn)行了分析，闡明了母差保護(hù)中母聯(lián)及分段開(kāi)關(guān)的失靈保護(hù)和死區(qū)保護(hù)的動(dòng)作原理和動(dòng)作過(guò)程，為運(yùn)行人員處理此類(lèi)事故提供了參考。

雙母雙分段；母線保護(hù)；開(kāi)關(guān)失靈；死區(qū)故障；動(dòng)作分析

隨著青巖變電站220kV間隔出線的不斷增多，考慮到地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行越來(lái)越重要，青巖變電站進(jìn)行了220kV雙母雙分段工程改造，把原來(lái)220kV的雙母線接線方式改造成為雙母線雙分段接線方式。雙母雙分段母線運(yùn)行方式擁有諸多優(yōu)點(diǎn)：①運(yùn)行調(diào)度靈活，對(duì)于母線上的任一線路，可以選擇由該條母線上的電源供電，也可以通過(guò)母聯(lián)單元或分段單元由其他母線單元電源供電；②當(dāng)雙母雙分段中一段母線停電檢修時(shí)，可將檢修母線上的線路單元切換至另一條母線運(yùn)行，雙母雙分段接線方式需要切換的線路單元減少約一半，降低了運(yùn)行人員的工作量和誤操作風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)行更加可靠直機(jī)關(guān)；③當(dāng)母線發(fā)生故障時(shí)，母差保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)其中一條母線，故障影響的回路也減少了約一半，增強(qiáng)了電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。下面對(duì)改造后的母線保護(hù)配置、母聯(lián)及分段開(kāi)關(guān)的失靈和死區(qū)保護(hù)等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析探討。

1 母線保護(hù)配置

圖1中230開(kāi)關(guān)是連接Ⅰ母和Ⅲ母的分段開(kāi)關(guān)，240開(kāi)關(guān)是連接Ⅱ母和Ⅳ母的分段開(kāi)關(guān)，210開(kāi)關(guān)是連接Ⅰ母和Ⅱ母的母聯(lián)開(kāi)關(guān)，220開(kāi)關(guān)是連接Ⅲ母和Ⅳ母的母聯(lián)開(kāi)關(guān)。所有間隔包括母聯(lián)和分段開(kāi)關(guān)間隔均采用單電流互感器的配置方式。其中230分段開(kāi)關(guān)的CT在Ⅲ母?jìng)?cè)，240分段開(kāi)關(guān)的CT在Ⅳ側(cè)，210母聯(lián)開(kāi)關(guān)的CT在Ⅰ母?jìng)?cè)，220母聯(lián)開(kāi)關(guān)的CT在Ⅲ母?jìng)?cè)。母差保護(hù)采用雙重化配置，具體配置如下：Ⅰ母和Ⅱ母配置兩套不同廠家的母線保護(hù)，分別為第一套微機(jī)母線保護(hù)（南瑞PCS-915NB）和第二套微機(jī)母線保護(hù)（深瑞B(yǎng)P-2C）；Ⅲ母和Ⅳ母也配置兩套不同廠家的母線保護(hù)，分別為第一套微機(jī)母線保護(hù)（南瑞PCS-915NB）和第二套微機(jī)母線保護(hù)（深瑞B(yǎng)P-2C）。Ⅰ/Ⅱ母兩套保護(hù)和Ⅲ/Ⅳ母兩套保護(hù)的保護(hù)范圍在兩個(gè)分段開(kāi)關(guān)處交疊。以下將分別分析母聯(lián)開(kāi)關(guān)和分段開(kāi)關(guān)發(fā)生失靈拒動(dòng)以及死區(qū)故障后保護(hù)的一系列動(dòng)作邏輯和動(dòng)作過(guò)程。

圖1 青巖站改造后220kV雙母雙分段一次接線簡(jiǎn)圖

2 母聯(lián)失靈保護(hù)

現(xiàn)以Ⅰ母上發(fā)生短路故障、210母聯(lián)開(kāi)關(guān)失靈拒動(dòng)為例來(lái)分析母聯(lián)失靈保護(hù)的動(dòng)作邏輯。Ⅰ母上發(fā)生短路故障后，Ⅰ/Ⅱ母母線保護(hù)大差元件動(dòng)作,判別為母線區(qū)內(nèi)故障，Ⅰ母小差元件動(dòng)作，判別Ⅰ母為故障母線，同時(shí)Ⅰ母復(fù)合電壓閉鎖開(kāi)放，保護(hù)出口跳Ⅰ母上各出線開(kāi)關(guān)、230分段開(kāi)關(guān)和210母聯(lián)開(kāi)關(guān)。210母聯(lián)開(kāi)關(guān)失靈拒動(dòng)使得Ⅱ母上的電源線路經(jīng)210母聯(lián)開(kāi)關(guān)流經(jīng)210開(kāi)關(guān)電流互感器的短路電流仍然存在，這時(shí)保護(hù)經(jīng)母聯(lián)失靈延時(shí)，封210開(kāi)關(guān)電流互感器電流，即210開(kāi)關(guān)電流不再計(jì)入Ⅱ母小差差流的計(jì)算中。封210開(kāi)關(guān)電流后，Ⅱ母小差只有流入電流而沒(méi)有流出電流使得Ⅱ母小差元件動(dòng)作，且故障期間母線復(fù)合電壓閉鎖元件一直保持開(kāi)放，保護(hù)出口跳Ⅱ母上各出線開(kāi)關(guān)和240分段開(kāi)關(guān)，整個(gè)母線短路故障就此全部切除。上述動(dòng)作過(guò)程的保護(hù)邏輯框圖如圖2所示。

圖2 母聯(lián)失靈保護(hù)動(dòng)作邏輯框圖

綜上所述，母聯(lián)失靈保護(hù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于，保護(hù)跳開(kāi)故障段母線的出線和分段開(kāi)關(guān)后封掉失靈拒動(dòng)的母聯(lián)開(kāi)關(guān)電流使得相鄰段母線的小差元件動(dòng)作來(lái)徹底切除故障點(diǎn)。母聯(lián)失靈保護(hù)的動(dòng)作后果即為一段母線故障造成兩段母線同時(shí)失電。

3 母聯(lián)死區(qū)保護(hù)

通常把發(fā)生在母聯(lián)開(kāi)關(guān)和母聯(lián)電流互感器之間的故障稱(chēng)為母聯(lián)死區(qū)故障?，F(xiàn)以210母聯(lián)開(kāi)關(guān)和電流互感器之間發(fā)生故障為例來(lái)說(shuō)明母聯(lián)死區(qū)保護(hù)的動(dòng)作過(guò)程。值得注意的是，死區(qū)故障發(fā)生時(shí)母聯(lián)開(kāi)關(guān)在合位或分位時(shí)保護(hù)的動(dòng)作情況不一樣。現(xiàn)就這兩種情況分別加以討論。

1）當(dāng)母聯(lián)開(kāi)關(guān)在合位時(shí)，電流互感器在Ⅰ母?jìng)?cè)，Ⅰ/Ⅱ母母線保護(hù)大差元件和Ⅱ母小差元件都動(dòng)作，同時(shí)經(jīng)Ⅱ母復(fù)合電壓閉鎖開(kāi)放后，保護(hù)出口跳Ⅱ母上各出線開(kāi)關(guān)、240分段開(kāi)關(guān)和210母聯(lián)開(kāi)關(guān)。Ⅱ母上所有開(kāi)關(guān)都跳開(kāi)后，Ⅰ母上的電源線路仍然向故障點(diǎn)送短路電流。這時(shí)雖然大差元件動(dòng)作，但是對(duì)Ⅰ母小差，流入電流等于流出電流，小差元件不動(dòng)作，故障無(wú)法切除。在這種情況下，保護(hù)于210母聯(lián)開(kāi)關(guān)跳開(kāi)后經(jīng)150ms延時(shí)使母聯(lián)電流退出小差差流計(jì)算。封母聯(lián)電流后，Ⅰ母小差元件動(dòng)作，保護(hù)出口跳Ⅰ母上各出線開(kāi)關(guān)和230分段開(kāi)關(guān)，致此，210開(kāi)關(guān)母聯(lián)死區(qū)故障被全部切除。保護(hù)封母聯(lián)電流邏輯框圖如圖3所示。

圖3 母聯(lián)死區(qū)保護(hù)（母聯(lián)開(kāi)關(guān)在合位）動(dòng)作邏輯框圖

2）當(dāng)母聯(lián)開(kāi)關(guān)在分位、Ⅰ母和Ⅱ母分裂運(yùn)行時(shí)，死區(qū)故障發(fā)生后，Ⅰ/Ⅱ母母線保護(hù)大差元件動(dòng)作，同時(shí)母線復(fù)合電壓閉鎖被解除，而Ⅰ母和Ⅱ母的小差元件均不動(dòng)作。在這種情況下，保護(hù)經(jīng)400ms延時(shí)封母聯(lián)開(kāi)關(guān)電流。在母聯(lián)開(kāi)關(guān)電流不計(jì)入小差差流計(jì)算后，Ⅰ母小差元件動(dòng)作，跳Ⅰ母上各出線開(kāi)關(guān)和230分段開(kāi)關(guān)，死區(qū)故障就此切除。保護(hù)封母聯(lián)電流邏輯框圖如圖4所示。

圖4 母聯(lián)死區(qū)保護(hù)（母聯(lián)開(kāi)關(guān)在分位）動(dòng)作邏輯框圖

由以上分析可知，母聯(lián)開(kāi)關(guān)在合位時(shí)發(fā)生死區(qū)故障要同時(shí)切除兩段母線，造成兩段母線同時(shí)失電，故障范圍很大；而母聯(lián)開(kāi)關(guān)在分位時(shí)發(fā)生死區(qū)故障只需切除電流互感器側(cè)母線，母聯(lián)開(kāi)關(guān)側(cè)母線則可以繼續(xù)正常運(yùn)行，減小了停電范圍。

4 分段失靈保護(hù)

現(xiàn)以Ⅰ母發(fā)生短路故障、230分段開(kāi)關(guān)失靈拒動(dòng)為例來(lái)說(shuō)明分段失靈保護(hù)的動(dòng)作過(guò)程。在Ⅰ母發(fā)生短路故障后，Ⅰ/Ⅱ母母線保護(hù)大差元件動(dòng)作，Ⅰ母小差元件動(dòng)作，同時(shí)解除Ⅰ母復(fù)合電壓閉鎖，保護(hù)出口跳Ⅰ母上各出線開(kāi)關(guān)，230分段開(kāi)關(guān)和210母聯(lián)開(kāi)關(guān)。由于230分段開(kāi)關(guān)失靈拒動(dòng)，所以保護(hù)在跳開(kāi)其他開(kāi)關(guān)以后故障沒(méi)有被切除，這種情況下Ⅰ/Ⅱ母母線保護(hù)的出口繼電器觸點(diǎn)將一直動(dòng)作不返回，同時(shí)Ⅰ/Ⅱ母母線保護(hù)經(jīng)本屏的起動(dòng)分段失靈壓板，再經(jīng)Ⅲ/Ⅳ母母線保護(hù)屏的起動(dòng)分段失靈壓板向Ⅲ/Ⅳ母母線保護(hù)提供起動(dòng)分段失靈開(kāi)入。這時(shí)，Ⅲ/Ⅳ母母線保護(hù)在滿足230開(kāi)關(guān)電流大于分段失靈電流整定值以及Ⅲ母復(fù)合電壓閉鎖開(kāi)放的條件后，經(jīng)分段失靈延時(shí)跳Ⅲ母上各出線開(kāi)關(guān)和220母聯(lián)開(kāi)關(guān)，至此故障被徹底切除。分段開(kāi)關(guān)的失靈起動(dòng)和動(dòng)作邏輯回路框圖如圖5、圖6所示。

圖5 Ⅰ/Ⅱ母母線保護(hù)起動(dòng)分段開(kāi)關(guān)失靈保護(hù)動(dòng)作邏輯框圖

圖6 Ⅲ/Ⅳ母母線保護(hù)起動(dòng)分段開(kāi)關(guān)失靈保護(hù)動(dòng)作邏輯框圖

由以上分析可知，分段失靈保護(hù)的動(dòng)作行為與母聯(lián)失靈保護(hù)相比有很大不同。母聯(lián)開(kāi)關(guān)失靈后，是在一套母差保護(hù)中完成母聯(lián)電流封鎖，起動(dòng)另外一段母線的小差動(dòng)作來(lái)切除無(wú)故障母線上的所有開(kāi)關(guān)。但是分段開(kāi)關(guān)失靈后，需要兩套母差保護(hù)的配合，由故障母線的母差保護(hù)向非故障母線的母差保護(hù)起動(dòng)外部失靈回路來(lái)切除故障。

5 分段死區(qū)保護(hù)

與母聯(lián)開(kāi)關(guān)的死區(qū)故障相比，分段開(kāi)關(guān)死區(qū)故障的保護(hù)動(dòng)作行為要復(fù)雜一些。同樣，以230分段開(kāi)關(guān)在合位和分位兩種情況為例來(lái)進(jìn)行分析。首先假設(shè)分段開(kāi)關(guān)在合閘位置。在死區(qū)故障發(fā)生后，由于230分段開(kāi)關(guān)電流互感器位于Ⅲ母?jìng)?cè)，所以對(duì)Ⅰ母來(lái)說(shuō)故障屬于區(qū)內(nèi)故障，而對(duì)Ⅲ母來(lái)說(shuō)則屬于區(qū)外故障。這時(shí)Ⅰ/Ⅱ母母線保護(hù)的大差元件動(dòng)作，Ⅰ母的小差元件動(dòng)作，同時(shí)開(kāi)放Ⅰ母復(fù)合電壓閉鎖，保護(hù)出口跳Ⅰ母上各出線開(kāi)關(guān)，230分段開(kāi)關(guān)和210母聯(lián)開(kāi)關(guān)。在Ⅰ母所有開(kāi)關(guān)都跳開(kāi)后，電源線路仍然通過(guò)Ⅲ母向故障點(diǎn)送短路電流。在這種情況下，Ⅲ/Ⅳ母母線保護(hù)裝置檢測(cè)分段開(kāi)關(guān)處于分位后延時(shí)150ms確認(rèn)母線分裂狀態(tài)，封230分段開(kāi)關(guān)電流，即230開(kāi)關(guān)電流不再計(jì)入Ⅲ母小差差流計(jì)算中。此后，Ⅲ/Ⅳ母母線保護(hù)大差元件動(dòng)作，Ⅲ母小差原件動(dòng)作，同時(shí)Ⅲ母復(fù)合電壓閉鎖開(kāi)放，保護(hù)出口跳Ⅲ母上各出線開(kāi)關(guān)和220母聯(lián)開(kāi)關(guān)，故障被完全切除。保護(hù)的動(dòng)作邏輯框圖如圖7所示。

圖7 分段死區(qū)保護(hù)（分段開(kāi)關(guān)在合位）動(dòng)作邏輯框圖

如果230分段開(kāi)關(guān)在分閘位置，那么當(dāng)死區(qū)故障發(fā)生時(shí)，兩套母線保護(hù)檢測(cè)分段開(kāi)關(guān)處于分位并延時(shí)400ms確認(rèn)Ⅰ母和Ⅲ母確是分裂運(yùn)行狀態(tài)后封230分段開(kāi)關(guān)電流。封鎖分段開(kāi)關(guān)電流后，Ⅰ/Ⅱ母母線保護(hù)的大差和小差元件均不動(dòng)作，而Ⅲ/Ⅳ母母線保護(hù)大差元件動(dòng)作，Ⅲ母小差元件動(dòng)作，同時(shí)Ⅲ母復(fù)合電壓閉鎖開(kāi)放，保護(hù)出口跳Ⅲ母上各出線開(kāi)關(guān)和220母聯(lián)開(kāi)關(guān)，故障被切除。保護(hù)的動(dòng)作邏輯框圖如圖8所示。

圖8 分段死區(qū)保護(hù)（分段開(kāi)關(guān)在分位）動(dòng)作邏輯框圖

由以上分析可知，分段死區(qū)故障的切除同樣需要兩套母線保護(hù)的配合來(lái)完成，而母聯(lián)死區(qū)故障的切除在一套母線保護(hù)裝置中就可完成。保護(hù)動(dòng)作的后果，在兩種情況下也各不相同：①分段開(kāi)關(guān)在合位時(shí)，保護(hù)動(dòng)作需切除分段開(kāi)關(guān)連接的兩段母線，引起的停電范圍很大；②而分段開(kāi)關(guān)在分位時(shí)，保護(hù)動(dòng)作只需切除電流互感器側(cè)母線，分段開(kāi)關(guān)側(cè)母線則可以繼續(xù)正常運(yùn)行，減小了故障引起的停電范圍。但理論上來(lái)說(shuō)，母線并列運(yùn)行時(shí)發(fā)生分段死區(qū)故障，只需切除230分段開(kāi)關(guān)和Ⅲ上所有連接開(kāi)關(guān)，而不需要切除Ⅰ母。而實(shí)際結(jié)果確是Ⅰ母先被切除了，保護(hù)在230分段開(kāi)關(guān)跳開(kāi)后經(jīng)150ms延時(shí)才切除了Ⅲ母，不但擴(kuò)大了停電范圍，而且還沒(méi)能在第一時(shí)間瞬時(shí)切除故障。這樣的情況在母聯(lián)死區(qū)故障（母聯(lián)開(kāi)關(guān)在合位）時(shí)也是一樣。這是母聯(lián)開(kāi)關(guān)和分段開(kāi)關(guān)只有單側(cè)電流互感器死區(qū)故障保護(hù)的一個(gè)明顯缺點(diǎn)，而優(yōu)點(diǎn)是只用一組電流互感器，節(jié)約了成本且保護(hù)的二次接線簡(jiǎn)單。

6 結(jié)論

1）雙母雙分段接線方式下，母聯(lián)失靈保護(hù)和母聯(lián)死區(qū)保護(hù)都只在一套母線保護(hù)里完成，而另一套母線保護(hù)不動(dòng)作。

2）分段失靈保護(hù)和分段死區(qū)保護(hù)需要兩套母線保護(hù)的配合才能完全切除故障。分段失靈保護(hù)是一套母線保護(hù)動(dòng)作不返回，起動(dòng)外部分段失靈回路給另一套母線保護(hù)提供分段失靈保護(hù)開(kāi)入來(lái)最終切除故障；分段死區(qū)保護(hù)在封鎖分段開(kāi)關(guān)電流后，也需要另一套母線保護(hù)的配合來(lái)切除故障。

3）母聯(lián)失靈故障、母聯(lián)死區(qū)故障（聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)在合位）、分段失靈故障和分段死區(qū)故障（聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)在合位）都需要切除兩段母線才能將故障點(diǎn)徹底隔離，停電范圍很大；母聯(lián)死區(qū)故障（聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)在分位）和分段死區(qū)故障（聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)在分位）只需要切除電流互感器側(cè)的母線就能將故障點(diǎn)隔離，減小了停電范圍。

4）對(duì)于聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)在合位時(shí)，關(guān)于母聯(lián)死區(qū)故障和分段死區(qū)故障母線保護(hù)無(wú)選擇性且不能第一時(shí)間瞬時(shí)切除故障擴(kuò)大停電范圍的問(wèn)題，還需要進(jìn)一步研究探討，相信隨著繼電保護(hù)技術(shù)理論的不斷發(fā)展創(chuàng)新，這個(gè)問(wèn)題定能得到完美解決。

[1] PCS-915NB. 母線保護(hù)裝置說(shuō)明書(shū)[Z]. 南瑞繼保電氣有限公司. 2013.

[2] 何燕燕. 母線保護(hù)裝置性能分析與應(yīng)用[J]. 電氣技術(shù), 2007, 8(S1): 96-99.

[3] 林霞, 陸于平, 王聯(lián)合. 分布式發(fā)電條件下的多電源故障區(qū)域定位新方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2008, 23(11): 139-145, 165.

[4] 鄭祥云, 周暉, 朱啟晨, 等. 基于差流諧波波形特點(diǎn)的判別母差保護(hù)中電流互感器飽和的方案[J]. 電氣技術(shù), 2006, 7(10): 25-29.

[5] 武一, 李奎, 岳大為, 等. 消除剩余電流保護(hù)動(dòng)作死區(qū)的理論與方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2008, 23(6): 44-49.

[6] 孫兆健. 一起母線失壓造成距離保護(hù)誤動(dòng)作的事故分析[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(5): 135, 138.

Analyses on 4-section Busbar Protection Configuration with Protection Acting Logic for Bus-tie and Subsection Switch Malfunction and Dead Zone Fault

Chen Xiaojun Yang Bo Xu Jun Yuan Renbiao Liu Changfa

(China Southern Power Grid EHV Transmission Company Guiyang Bureau, Guiyang 550003)

This article introduces Qingyan transformer substation 4-section busbar protection configuration mode for 220kV lines. The acting logic of busbar protection at the time bus-tie or subsection switch malfunction or its dead zone fault occurs is discussed. The specific acting principle and process of this circuit breaker malfunction protection and its dead zone fault protection are fully illustrated, which provides a reference for substation operators to deal with accidents of this kind in real cases.

4-section busbar; busbar protection; switch malfunction; dead zone fault; acting logic analyses

車(chē)曉駿（1990-），男，碩士研究生，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)方面的檢修與研究工作。