占捷文，譚 凌，祖連興

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003）

0 引言

目前，在我國電網(wǎng)中廣泛使用的微機(jī)型母線保護(hù)裝置一般采用電流差動保護(hù)原理[1-3]，除了配置作為主保護(hù)的母線差動保護(hù)外，還配置有斷路器失靈保護(hù)、母聯(lián)死區(qū)保護(hù)、母聯(lián)失靈保護(hù)、母聯(lián)充電過流保護(hù)等，可對處于各種運(yùn)行方式下的母線及母聯(lián)等一次設(shè)備提供全方位的保護(hù)。但是傳統(tǒng)的微機(jī)母線差動保護(hù)裝置均沒有考慮充電至母聯(lián)死區(qū)這種特殊故障[4-5]，因此研究及應(yīng)用安全可靠的充電至母聯(lián)死區(qū)保護(hù)，可提高母線的安全運(yùn)行水平，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 充電至母聯(lián)死區(qū)故障

充電至母聯(lián)死區(qū)故障是指對于具有多段母線的主接線（如雙母線），某段停運(yùn)母線準(zhǔn)備重新投入運(yùn)行，若此時(shí)母聯(lián)開關(guān)與母聯(lián)電流互感器（TA）（在停運(yùn)母線側(cè)）之間存在故障，通過合上母聯(lián)開關(guān)向停運(yùn)母線充電的操作將會導(dǎo)致直接合于死區(qū)故障上。故障示意圖見圖1，其中母線I為運(yùn)行母線，母線II為停運(yùn)母線，K1為死區(qū)故障點(diǎn)。

圖1 充電至母聯(lián)死區(qū)故障示意圖Fig.1 Schematic diagram of BED fault

系統(tǒng)發(fā)生充電至母聯(lián)死區(qū)故障時(shí)各保護(hù)的動作行為如下。

a.母線差動保護(hù)。對于采用電流差動原理的母線差動保護(hù)一般以大差電流為故障判斷元件、小差電流為故障選擇元件[6]，2段母線的保護(hù)范圍以母聯(lián)TA為界。若系統(tǒng)發(fā)生上述故障，由于故障點(diǎn)在母線I的差動保護(hù)范圍內(nèi)，母線差動保護(hù)的大差動作元件與母線I的小差動作元件均滿足動作條件，母線I差動保護(hù)動作并將母線I上所有元件切除。

b.母聯(lián)充電保護(hù)。雖然含有母聯(lián)充電保護(hù)的母線保護(hù)裝置可以實(shí)現(xiàn)充電期間閉鎖母線差動保護(hù)的功能[7-8]，但是由于故障點(diǎn)在母聯(lián)死區(qū)，母聯(lián)TA在母線II側(cè)，且母線II是空母線，故障發(fā)生時(shí)將不會有故障電流流過母聯(lián)TA，母聯(lián)充電保護(hù)因采集不到母聯(lián)電流而無法動作，也無法通過啟動母聯(lián)充電保護(hù)來閉鎖母線差動保護(hù)。

綜上所述，系統(tǒng)發(fā)生充電至母聯(lián)死區(qū)故障時(shí)，母線差動保護(hù)將會切除運(yùn)行母線，而此時(shí)另一段母線是空母線，將有可能造成全站失壓。因此，在國家電網(wǎng)發(fā)布的Q/GDW175—2008《變壓器、高壓并聯(lián)電抗器和母線保護(hù)及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范》中，明確提出“母線保護(hù)應(yīng)能自動識別母聯(lián)（分段）的充電狀態(tài)，合閘于死區(qū)故障時(shí)，應(yīng)瞬時(shí)跳母聯(lián)（分段），不應(yīng)誤切除運(yùn)行母線”[9]，這就要求母線保護(hù)裝置必須設(shè)置充電至母聯(lián)死區(qū)保護(hù)，妥善解決此問題[10]。

2 故障狀態(tài)分析

以雙母線為例，對各種運(yùn)行方式下發(fā)生死區(qū)故障時(shí)，母線保護(hù)裝置接入的電氣量及開關(guān)量在故障前后的狀態(tài)進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表1。

分析結(jié)果顯示，要在各種故障中辨別出充電至母聯(lián)死區(qū)故障，僅根據(jù)某個(gè)時(shí)刻的電氣量或開關(guān)量是無法實(shí)現(xiàn)的，必須依靠故障前后全過程的電氣量和開關(guān)量才能完成。

3 故障判斷的難點(diǎn)

雖然充電至母聯(lián)死區(qū)故障可由表1中所列的5個(gè)狀態(tài)量唯一確定，但在實(shí)際應(yīng)用中，必須要考慮接入母線保護(hù)裝置的母聯(lián)開關(guān)狀態(tài)量變化與一次開關(guān)的同步問題：母線保護(hù)裝置通過母聯(lián)開關(guān)TWJ來判斷母聯(lián)開關(guān)的狀態(tài)，如果母聯(lián)開關(guān)TWJ滯后而非實(shí)時(shí)反映母聯(lián)一次開關(guān)的變化，由于在開關(guān)合上后持續(xù)一段時(shí)間內(nèi)TWJ仍為1，此時(shí)的狀態(tài)與“僅母線Ⅰ運(yùn)行時(shí)的母線故障”（見表1中的第12種故障）的狀態(tài)一致，裝置將不能判別出是充電至死區(qū)故障。由于合閘于故障，在母聯(lián)開關(guān)合上的時(shí)刻將會出現(xiàn)差流，母線差動保護(hù)啟動，微機(jī)母線差動保護(hù)在5 ms內(nèi)即可判斷為區(qū)內(nèi)故障[11]，最快可在故障發(fā)生10 ms后整組動作出口，因此最終還是會將運(yùn)行母線切除，即母聯(lián)TWJ延時(shí)反映一次開關(guān)的變化將會導(dǎo)致充電至母聯(lián)死區(qū)故障的判據(jù)失效。

如圖2所示，操作箱中TWJ回路的接線方式主要有3種。其中在接線方式2中，就地/遠(yuǎn)方切換把手及防跳回路在斷路器中實(shí)現(xiàn)，如圖中虛線框所示。

對于接線方式1和接線方式2，合閘回路導(dǎo)通后繼電器TWJ兩端電壓相同，繼電器TWJ動作返回、接點(diǎn)斷開，TWJ接點(diǎn)由1變?yōu)?。因此TWJ反應(yīng)時(shí)間與手合接點(diǎn)時(shí)間保持同步，TWJ狀態(tài)將在一次開關(guān)真正合上之前發(fā)生變位。

對于接線方式3，TWJ直接通過DL接至負(fù)電，TWJ將與DL同步，不能保證與一次開關(guān)同步，會出現(xiàn)滯后于一次開關(guān)合狀態(tài)的情況，造成TWJ狀態(tài)無法快速準(zhǔn)確反映母聯(lián)的合閘過程。

4 保護(hù)方案分析

充電至母聯(lián)死區(qū)保護(hù)方案的思路是：若母線處于充電預(yù)備狀態(tài)，則一直監(jiān)視母聯(lián)狀態(tài)，在母聯(lián)合閘過程中發(fā)生故障且母聯(lián)持續(xù)無流，則判斷為充電至母聯(lián)死區(qū)故障，立即閉鎖母線差動保護(hù)，避免誤切運(yùn)行母線，僅切除母聯(lián)開關(guān)，隔離故障。閉鎖母線差動保護(hù)的持續(xù)時(shí)間可取300 ms，確保母聯(lián)開關(guān)可靠跳開并留有一定的裕度。

快速準(zhǔn)確地判斷出母聯(lián)開關(guān)合閘充電過程是保護(hù)邏輯實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，有以下解決方案。

4.1 方案1：全程監(jiān)視的TWJ

母聯(lián)操作箱中TWJ回路接線采用圖2中的方式1或方式2，可保證TWJ在一次開關(guān)合閘前變位。母線處于充電預(yù)備狀態(tài)時(shí)，母線保護(hù)裝置捕捉到TWJ狀態(tài)由10的變化脈沖，在其后的一段時(shí)間內(nèi)（如100 ms）認(rèn)為處于母聯(lián)合閘階段，在此期間若差動啟動且母聯(lián)無流，則可判斷發(fā)生充電至母聯(lián)死區(qū)故障。

方案的優(yōu)點(diǎn)為母線保護(hù)裝置不需增加回路接線，實(shí)現(xiàn)簡單；缺點(diǎn)為對母聯(lián)操作箱中TWJ回路接線方式有限制，不能適應(yīng)現(xiàn)場的所有場合。

表1 死區(qū)故障狀態(tài)表Tab.1 State of BED fault

圖2 TWJ回路接線示意圖Fig.2 Wiring diagram of TWJ circuit

4.2 方案2：母聯(lián)充電壓板

母線保護(hù)裝置增設(shè)母聯(lián)充電壓板，在母聯(lián)合閘充電之前投入該壓板，使裝置獲知將進(jìn)行母聯(lián)合閘操作；在母聯(lián)開關(guān)合上之后，將該壓板退出。在該壓板投入期間若差動啟動且母聯(lián)無流，則認(rèn)為故障發(fā)生，瞬時(shí)閉鎖母線差動保護(hù)并切除母聯(lián)開關(guān)。

方案的優(yōu)點(diǎn)為對回路接線沒有限制，適應(yīng)范圍廣。缺點(diǎn)為母線裝置需增加壓板；母聯(lián)合閘充電過程，需運(yùn)行人員投切母線保護(hù)裝置上的母聯(lián)充電壓板，增加工作量；母聯(lián)充電壓板一旦投入后，母線差動保護(hù)相當(dāng)于由瞬動的保護(hù)切換為帶延時(shí)的保護(hù)，在母聯(lián)合閘前若運(yùn)行母線發(fā)生故障，裝置也會誤判為充電至母聯(lián)死區(qū)故障，閉鎖結(jié)束后母線差動保護(hù)才能動作出口切除運(yùn)行母線，影響了母線差動保護(hù)動作的快速性。

4.3 方案3：母聯(lián)手合接點(diǎn)

母線保護(hù)裝置增加接入母聯(lián)開關(guān)的手合接點(diǎn)SHJ，用SHJ代替其中的TWJ，實(shí)現(xiàn)方法與方案1類似，通過捕抓SHJ狀態(tài)由01的變化脈沖來確定母聯(lián)合閘的過程。

方案的優(yōu)點(diǎn)為只需接入SHJ即可，對TWJ回路接線沒有限制，也不需要人工干預(yù)，適應(yīng)范圍廣。缺點(diǎn)為母線保護(hù)裝置需增加SHJ的外回路接線；母聯(lián)操作箱的SHJ接點(diǎn)數(shù)目不足時(shí)，提供額外的接點(diǎn)將會比較困難。

5 保護(hù)邏輯的實(shí)現(xiàn)

采用方案3的充電至母聯(lián)死區(qū)保護(hù)的邏輯框圖見圖3。實(shí)現(xiàn)保護(hù)邏輯的關(guān)鍵點(diǎn)如下。

5.1 母聯(lián)TWJ監(jiān)視

5.2 母聯(lián)SHJ監(jiān)視

5.3 母聯(lián)無流狀態(tài)監(jiān)視

故障期間母聯(lián)無流是充電至母聯(lián)死區(qū)故障的重要特征，需全程監(jiān)視母聯(lián)電流的狀態(tài)。

圖3中的邏輯門G4是在差動啟動（即故障發(fā)生）時(shí)刻進(jìn)行判斷，此時(shí)的母聯(lián)無流是反映故障發(fā)生前1個(gè)周期的母聯(lián)狀態(tài)：若母聯(lián)有流，說明不是充電至母聯(lián)死區(qū)故障，該保護(hù)不投入；若母聯(lián)無流，同時(shí)處于母聯(lián)充電預(yù)備狀態(tài)（邏輯門G3的其他條件滿足），則投入充電至母聯(lián)死區(qū)保護(hù)。由于母線差動保護(hù)一般采用電流采樣值突變量作為啟動元件，可在故障發(fā)生1～2 ms后快速啟動，上述判據(jù)可保證在故障發(fā)生時(shí)刻，充電至母聯(lián)死區(qū)保護(hù)即可快速投入并閉鎖差動保護(hù)出口。

因?yàn)槟妇€差動保護(hù)的啟動元件比母聯(lián)無流檢測元件（采用全周傅氏算法計(jì)算）靈敏很多[12]，發(fā)生充電條件下其他類型故障時(shí)，母聯(lián)TA會流過故障電流，但在母線差動保護(hù)啟動時(shí)刻，由于母聯(lián)電流幅值計(jì)算滯后，此時(shí)仍有可能判斷為母聯(lián)無流，將導(dǎo)致充電至母聯(lián)死區(qū)保護(hù)誤投入。因此保護(hù)投入后需繼續(xù)監(jiān)視母聯(lián)電流狀態(tài)（見邏輯門G5），一旦發(fā)現(xiàn)母聯(lián)有流需立即退出充電至母聯(lián)死區(qū)保護(hù)，恢復(fù)正常的差動保護(hù)邏輯。

采用上述保護(hù)方案實(shí)現(xiàn)的充電至母聯(lián)死區(qū)保護(hù)，可保證在發(fā)生此類故障時(shí)保護(hù)能快速動作，跳開母聯(lián)開關(guān)，切除故障，保全運(yùn)行母線；而對于其他故障該保護(hù)均不會誤啟動，也不會誤閉鎖母線差動保護(hù)（參見圖3邏輯框圖及表1中列舉的各類型母線區(qū)內(nèi)故障對應(yīng)的狀態(tài)）。對于母聯(lián)TWJ在合閘后未能及時(shí)變位，或者在一次開關(guān)合閘前發(fā)生變位這些不利情況，均不會影響充電至母聯(lián)死區(qū)保護(hù)的正常運(yùn)作（參見5.1節(jié)），不受TWJ回路接線方式的限制，對母聯(lián)TWJ接點(diǎn)的要求降到最低；同時(shí)對于非充電條件下母聯(lián)SHJ誤閉合的異常情況，也能確保保護(hù)不會誤動（參見5.2節(jié)）。因此本保護(hù)方案能完善地解決充電至母聯(lián)死區(qū)故障的問題。

圖3 充電至母聯(lián)死區(qū)保護(hù)邏輯框圖Fig.3 Logic diagram of BED protection

6 保護(hù)應(yīng)用情況

將上述充電至母聯(lián)死區(qū)保護(hù)邏輯應(yīng)用于ARP-371母線保護(hù)裝置，并進(jìn)行動模實(shí)驗(yàn)，模擬充電至母聯(lián)死區(qū)K1點(diǎn)A相接地故障（如圖1所示），TWJ回路采用圖2（c）的接線方式，實(shí)驗(yàn)波形見圖4。錄波圖中，波形由上至下分別為大差動作元件的A相電流、母線Ⅰ小差動作元件的A相電流、母線Ⅱ小差動作元件的A相電流、母線Ⅰ的A相電壓、母聯(lián)A相電流、母線Ⅰ2條支路的A相電流；母聯(lián)開關(guān)TWJ接點(diǎn)狀態(tài)、SHJ接點(diǎn)狀態(tài)、充電至母聯(lián)死區(qū)保護(hù)動作出口接點(diǎn)狀態(tài)、母線Ⅰ差動保護(hù)動作出口接點(diǎn)狀態(tài)和母線Ⅱ差動保護(hù)的動作出口接點(diǎn)狀態(tài)。由波形可看出：故障發(fā)生后，充電至母聯(lián)死區(qū)保護(hù)快速動作出口，跳開母聯(lián)開關(guān)，切除故障；在實(shí)驗(yàn)的全過程中，運(yùn)行母線（母線I）的差動保護(hù)沒有動作出口，運(yùn)行母線得到保全；母聯(lián)TWJ狀態(tài)滯后反映一次開關(guān)的合閘，但是沒有影響保護(hù)的判斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所提保護(hù)方案是切實(shí)可行的。

圖4 充電至母聯(lián)死區(qū)故障實(shí)驗(yàn)波形Fig.4 Waveforms of dynamic emulation

7 結(jié)語

母線保護(hù)裝置增設(shè)充電至母聯(lián)死區(qū)保護(hù)是有必要的，否則系統(tǒng)發(fā)生此類型故障時(shí)，母線差動保護(hù)將會切除運(yùn)行母線，擴(kuò)大停電范圍。

本文在對充電至母聯(lián)死區(qū)故障的故障特征進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，提出3種解決方案并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，選擇母聯(lián)手合接點(diǎn)方案，設(shè)計(jì)出充電至母聯(lián)死區(qū)保護(hù)邏輯且應(yīng)用在母線保護(hù)裝置上。動模實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該保護(hù)方案可明確區(qū)分充電至母聯(lián)死區(qū)故障與其他類型的故障，保護(hù)靈敏可靠，并具有一定的容錯(cuò)能力，同時(shí)對母線保護(hù)裝置外回路接線設(shè)計(jì)沒有額外的限制，可完善解決充電至母聯(lián)死區(qū)故障的問題，能滿足現(xiàn)場工程應(yīng)用的要求。