李湘韶，楊 丹

（徐州華潤(rùn)電力有限公司，江蘇徐州 221000）

0 引言

母線是變電所十分重要的一種匯流設(shè)備，母線本身或母線中的某個(gè)元件發(fā)生故障，都將導(dǎo)致大面積的停電，如果沒(méi)有對(duì)故障進(jìn)行及時(shí)解決，將會(huì)導(dǎo)致事件進(jìn)一步加劇。在設(shè)置母線的過(guò)程中，如果在保護(hù)裝置中出現(xiàn)的瞬間正確動(dòng)作能夠完成，則可以有效降低停電事故的影響，避免造成過(guò)大的損失，減小事故的影響范圍。本文分析的兩種保護(hù)裝置是完全獨(dú)立的，分別是差動(dòng)保護(hù)和失靈保護(hù)，具備母線差動(dòng)保護(hù)、母聯(lián)充電保護(hù)以及母聯(lián)失靈保護(hù)等功能。

1 220 kV 母線差動(dòng)保護(hù)

1.1 母線差動(dòng)保護(hù)基本原理

母線差動(dòng)保護(hù)裝置主要由差動(dòng)元件構(gòu)成，其回路主要包括母線大差和各段小差回路，并由這些回路共同構(gòu)成差動(dòng)回路。母線大差回路主要包括母線開(kāi)關(guān)和分段開(kāi)關(guān)，此外還有由支路電流構(gòu)成的差動(dòng)回路。母線的小差回路主要包括連接的所有支路電流，并通過(guò)這些支路電流構(gòu)成差動(dòng)回路。通過(guò)分析母線大差比率，可以對(duì)其區(qū)域內(nèi)和區(qū)域外的故障進(jìn)行判斷；通過(guò)分析母線小差比率，可以判斷出現(xiàn)故障的母線，從而及時(shí)進(jìn)行處理。

1.2 220 kV 系統(tǒng)的正常運(yùn)行方式

如圖1 所示，220 kV 系統(tǒng)共包括兩條進(jìn)線，分別為涂橋1路和涂橋2 路。在正常運(yùn)行方式中，涂橋1 路經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)可以將系統(tǒng)啟動(dòng)，并使220 kVIM 運(yùn)行，而涂橋2 路經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)后可以使220 kVIIM 運(yùn)行。母線差動(dòng)在具體應(yīng)用過(guò)程中使用的差動(dòng)元件表現(xiàn)為分項(xiàng)式比率差動(dòng)元件，該元件的電流可以以其中一項(xiàng)進(jìn)行相關(guān)分析。母聯(lián)開(kāi)關(guān)打開(kāi)后，系統(tǒng)開(kāi)始正常運(yùn)行?？梢杂么髮?xiě)字母表示一測(cè)電流，用小寫(xiě)字母表示二測(cè)電流，用正負(fù)號(hào)表明電流方向，而大小則需要用字母表示。二側(cè)電流形成的母大差和一側(cè)電流母小差以及二測(cè)電流母小差分別用d、d1、d2表示。

1.2.1 系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，根據(jù)基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流定律，結(jié)合一次側(cè)電流流向，二次側(cè)平衡電流用i1+i2=i3+i4表達(dá)式表示，由此可得d=i3+i4-i1-i2，結(jié)果為0，進(jìn)而確定母大差不發(fā)生動(dòng)作。而由于i3=i1+i0，可以得到表達(dá)式d1=i3-i0-i1，其結(jié)果為0，因此I 母小差不發(fā)生動(dòng)作。同理可證，由于i2=i4+i0，表達(dá)式d2=i4+i0-i2結(jié)果同樣為0，因此II 母小差不發(fā)生動(dòng)作。當(dāng)IM 出現(xiàn)故障后，短路點(diǎn)在K1位置。由于發(fā)生了短路故障，所以系統(tǒng)電流會(huì)向故障母線段進(jìn)行流動(dòng)，根據(jù)d=-i3-i4-i1-i2，其結(jié)果不為0，因此大差會(huì)出現(xiàn)相關(guān)動(dòng)作。根據(jù)表達(dá)式i0=i2+i4，d1=-i3-i0-i1=-i3-i2-i4-i1的結(jié)果不為0，所以一測(cè)電流母小差出現(xiàn)動(dòng)作。而d2=-i4+i0-i2表達(dá)式的結(jié)果為0，因此二測(cè)電流母小差不發(fā)生相關(guān)動(dòng)作。在一測(cè)電流母線發(fā)生故障后，一旦在K1位置發(fā)生短路，相關(guān)保護(hù)裝置應(yīng)該立刻打開(kāi)母聯(lián)，并將I 母所有斷路器跳開(kāi)。

1.2.2 220 kVIIM 發(fā)生故障

當(dāng)二測(cè)電流母線發(fā)生故障，即K2位置出現(xiàn)短路，系統(tǒng)電流會(huì)流向故障母線，導(dǎo)致d=-i3-i4-i1-i2的結(jié)果不為0，母大差會(huì)產(chǎn)生相關(guān)動(dòng)作。由于i0=i1+i3，因此表達(dá)式d1=-i3+i0-i1的結(jié)果為0，所以I 母小差不發(fā)生動(dòng)作。根據(jù)d2=-i4-i0-i2=-i4-i1-i3-i2的結(jié)果不為0，二測(cè)電流母小差會(huì)發(fā)生動(dòng)作。當(dāng)二測(cè)電流母線出現(xiàn)故障時(shí)，即K2位置發(fā)生短路，保護(hù)裝置會(huì)立刻打開(kāi)母聯(lián)開(kāi)關(guān)，并跳開(kāi)二測(cè)電流母線斷路器。

1.2.3 區(qū)外故障

一旦在區(qū)外出現(xiàn)故障，即K4位置出現(xiàn)短路，系統(tǒng)電流會(huì)流向故障位置，二次側(cè)平衡電流可以用i4=i1+i3+i2表示，因d=-i3+i4-i1-i2的結(jié)果為0，母大差不發(fā)生動(dòng)作。根據(jù)i0=i1+i3，得到d1=-i3+i0-i1結(jié)果為0，因此I 母小差也不發(fā)生動(dòng)作。結(jié)合表達(dá)式d2=i4-i0-i2=i4-i1-i3-i2的結(jié)果為0，因此II 母小差同樣不發(fā)生動(dòng)作。因此，在區(qū)外出現(xiàn)故障時(shí)，即K4處出現(xiàn)短路故障，保護(hù)裝置可以有效啟動(dòng)，不會(huì)發(fā)生動(dòng)作。

2 母聯(lián)死區(qū)分析

如圖1 所示，當(dāng)K3位置發(fā)生故障時(shí)，其位于CT 和母聯(lián)斷路器之間，該區(qū)域被稱為母聯(lián)死區(qū)。K3位置發(fā)生故障，會(huì)對(duì)線路造成影響，而該故障對(duì)于線路母線保護(hù)裝置1 和CT1 來(lái)說(shuō)，屬于IM 區(qū)域外的故障，但同時(shí)也屬于II 母內(nèi)部區(qū)域故障，因此當(dāng)母線保護(hù)裝置1 跳開(kāi)母聯(lián)開(kāi)關(guān)后，即使將II 母所有斷路器跳開(kāi)，依然會(huì)存在故障電流，會(huì)導(dǎo)致保護(hù)裝置1 開(kāi)啟，并使母聯(lián)死區(qū)保護(hù)程序啟動(dòng)，從而產(chǎn)生相關(guān)動(dòng)作。而該故障對(duì)于母線保護(hù)裝置2以及CT2 來(lái)說(shuō)，屬于II 母區(qū)域外故障，也屬于I 母區(qū)域內(nèi)故障，通常在這種情況下，會(huì)導(dǎo)致母線保護(hù)裝置2 跳開(kāi)母聯(lián)，使母聯(lián)裝置正式開(kāi)啟后，解決母線保護(hù)裝置2 和CT2 中的故障，但由于這兩套保護(hù)裝置都處于遠(yuǎn)距離運(yùn)行，裝置中跳閘出口和分閘線圈同樣都是獨(dú)立存在，兩套母線保護(hù)裝置將此時(shí)同時(shí)發(fā)生相關(guān)動(dòng)作，跳開(kāi)母聯(lián)22M 開(kāi)關(guān)，并引起母線保護(hù)裝置保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)I、II 母所有斷路器，在CT 保護(hù)范圍中并沒(méi)有相關(guān)的交叉現(xiàn)象，因此會(huì)明顯提升母聯(lián)死區(qū)的保護(hù)動(dòng)作速度，這也是220 kV保護(hù)雙重配置的優(yōu)勢(shì)。K5位置短路故障分析可以借鑒K3故障分析方法。

圖1 220 kV 簡(jiǎn)化系統(tǒng)

3 斷路器失效保護(hù)

母線上接入并運(yùn)行的斷路器包括221、222、22A 和22B 開(kāi)關(guān)，發(fā)生拒動(dòng)現(xiàn)象后，可以開(kāi)啟保護(hù)設(shè)置，使RCS-915 啟動(dòng)，從而有效保護(hù)斷路器失效，一方面能確保供電可靠，同時(shí)還能降低停電所造成的影響，使事故危害性得到降低，避免由于故障導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

如圖2 所示，以涂橋I 路221 斷路器失靈為例，RCS-915通過(guò)刀閘模擬盤(pán)收集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，自動(dòng)識(shí)別斷路器失效的母線段，在221 斷路器和微機(jī)保護(hù)裝置同時(shí)收到跳閘命令后，211 斷路可以在正常狀態(tài)下跳閘，當(dāng)211 開(kāi)關(guān)失靈后，跳閘命令會(huì)同時(shí)啟動(dòng)RCS-915AB，經(jīng)過(guò)復(fù)合電壓的閉鎖處理后，可以根據(jù)221 斷路器失效保護(hù)動(dòng)作，在第一時(shí)間內(nèi)再次發(fā)送相關(guān)命令，跳開(kāi)221 開(kāi)關(guān)，并在第二時(shí)限內(nèi)跳開(kāi)母聯(lián)22M、跳22A1#主變開(kāi)關(guān)。如果按照同樣的方法進(jìn)行試驗(yàn)，包含主變回路的22A 斷路器失效后，會(huì)不同于221 開(kāi)關(guān)失效動(dòng)作，解除復(fù)合電壓閉鎖。而解除復(fù)合電壓的目的是，當(dāng)主變低壓側(cè)或中壓側(cè)發(fā)生短路故障后，母線電壓可能不會(huì)出現(xiàn)很大的降低，這樣一來(lái)，無(wú)法達(dá)到復(fù)合電壓的動(dòng)作值，因此，如果不斷開(kāi)復(fù)合電壓閉鎖，在啟動(dòng)失效后，斷路器保護(hù)裝置可能會(huì)拒絕動(dòng)作，無(wú)法切除故障。

4 案例分析

某220 kV 變電站線路某日凌晨受到雷擊，A 相出現(xiàn)接地故障，線路兩側(cè)的雙高壓保護(hù)裝置快速啟動(dòng)將故障切除，但變電站的線路在A 相開(kāi)關(guān)跳開(kāi)一段時(shí)間后，再次受到雷擊，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的加速保護(hù)后，線路的B、C 相也出現(xiàn)跳開(kāi)動(dòng)作，一段時(shí)間后開(kāi)關(guān)三跳。但此時(shí)由于A 相開(kāi)關(guān)并沒(méi)有斷弧，導(dǎo)致故障電流依舊存在，在某一時(shí)刻母線出現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作，220 kV 母聯(lián)開(kāi)關(guān)跳位改變。當(dāng)?shù)诙喂收辖Y(jié)束后，故障位置發(fā)生到了B 相位置后，在某一時(shí)刻出現(xiàn)了母線差動(dòng)保護(hù)B 相動(dòng)作，將220 kV 正母上所有的開(kāi)關(guān)全部切除。經(jīng)過(guò)分析總結(jié)得出，本次故障主要是由于線路連續(xù)兩次遭到雷擊導(dǎo)致線路開(kāi)關(guān)A、B 兩相絕緣被連續(xù)擊穿，雖然保護(hù)裝置使開(kāi)關(guān)跳開(kāi)，但不能滅弧，進(jìn)而導(dǎo)致短路電流依舊存在，最后產(chǎn)生母線差動(dòng)保護(hù)和母線失效保護(hù)。本次故障從開(kāi)始到故障點(diǎn)被隔離，共持續(xù)了530 ms，根據(jù)發(fā)展情況可以將故障分為3 個(gè)階段，分別是線路第一次故障、第二次故障和第三次故障。通過(guò)母線差動(dòng)保護(hù)和母線失效保護(hù)的應(yīng)用解決了故障，降低了故障造成的影響。對(duì)此，變電站根據(jù)線路設(shè)計(jì)和保護(hù)裝置的設(shè)置進(jìn)行了完善，以便能在出現(xiàn)此類問(wèn)題時(shí)更好地解決。

圖2 保護(hù)裝置斷路器失效保護(hù)原理

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，和傳統(tǒng)繼電器母線保護(hù)裝置相比，微機(jī)母線保護(hù)裝置具有著明顯的優(yōu)越性，從接線方式上，微機(jī)母線保護(hù)裝置更加可靠，而且動(dòng)作速度更快，在功能集成化和成本投入等方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)。因此，使用微機(jī)保護(hù)裝置，是電力系統(tǒng)保護(hù)功能的一次巨大突破，能夠更好地提升保護(hù)效果，確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。