湛江供電局 陳然秋

1 引言

電網(wǎng)規(guī)模和電網(wǎng)構(gòu)建的趨勢不斷擴(kuò)大，具有一定的復(fù)雜性，對當(dāng)前電力系統(tǒng)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(hù)裝置為例，介紹母線保護(hù)的基本原理以及其在遇到死區(qū)故障時(shí)的動作邏輯，并探討其優(yōu)化方向。

2 母線保護(hù)原理

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

式中，K 為比率制動系數(shù)；Ij為第j 個(gè)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(lián)開關(guān)和分段開關(guān)以外的所有支路電流構(gòu)成的差動回路。而小差回路是指對應(yīng)的某段母線上包括母聯(lián)開關(guān)、分段開關(guān)和該段母線上連接的所有支路電流構(gòu)成的差動回路。大差比率差動用于判別母線區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障，小差比率差動用于故障母線的選擇。同時(shí)，為了防止保護(hù)各種原因?qū)е碌恼`動作，還采用了電壓閉鎖元件進(jìn)行保護(hù)，其判據(jù)為：

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

3 死區(qū)故障及死區(qū)保護(hù)

當(dāng)雙母接線，母聯(lián)開關(guān)僅配置一組CT 時(shí)，小差回路保護(hù)范圍以母聯(lián)開關(guān)CT 為分界，小差保護(hù)范圍如圖1所示。母聯(lián)開關(guān)在合位時(shí)，若母聯(lián)開關(guān)和母聯(lián)CT 之間發(fā)生故障K1。對于母聯(lián)CT 來說故障點(diǎn)位于母聯(lián)開關(guān)側(cè)的母線（即1母），此時(shí)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(shí)裝置認(rèn)為故障位于母聯(lián)開關(guān)側(cè)母線，出口跳開母聯(lián)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(hù)范圍

但實(shí)際上故障位于2母，母聯(lián)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(jīng)母聯(lián)CT。為了切除上述死區(qū)的故障，其在母聯(lián)開關(guān)跳閘經(jīng)一定延時(shí)后，將母聯(lián)電流退出小差。待小差退出后，由于母聯(lián)開關(guān)已在分位，且母聯(lián)電流已退出小差，大差動作未返回，2母小差動作。保護(hù)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(shí)間切除，而且還跳開了一條無故障的母線。

圖2 母線并列運(yùn)行時(shí)死區(qū)保護(hù)邏輯

而當(dāng)雙母接線，母聯(lián)開關(guān)兩側(cè)各配置一組CT時(shí)，小差回路保護(hù)范圍交叉配置，1母小差回路包括母聯(lián)開關(guān)2母側(cè)電流互感器CT1，2母小差回路包括母聯(lián)開關(guān)1母側(cè)電流互感器CT2，小差保護(hù)范圍如圖3所示。母聯(lián)開關(guān)在合位時(shí)，若母聯(lián)開關(guān)和CT1之間發(fā)生故障K2，故障點(diǎn)既存在1母小差回路范圍內(nèi)，同時(shí)也存在2母小差回路范圍內(nèi)[4]。

圖3 雙CT 配置的雙母接線方式下小差保護(hù)范圍

此時(shí)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(hù)出口跳開母聯(lián)開關(guān)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(qū)范圍內(nèi)的故障，無須等待母聯(lián)電流退出小差才能夠切除死區(qū)故障，但依然將無故障的其中一條母線也跳開了，擴(kuò)大了故障范圍。

因此，是否有辦法使當(dāng)母聯(lián)開關(guān)與母聯(lián)CT 之間出現(xiàn)故障時(shí)，保護(hù)僅跳開故障母線，而正常母線不被意外切除成為研究重點(diǎn)。

4 死區(qū)保護(hù)邏輯優(yōu)化設(shè)想

當(dāng)母線死區(qū)發(fā)生故障時(shí)，差流回路判斷的范圍與斷路器切除的范圍不一定一致。當(dāng)故障發(fā)生在母聯(lián)兩組CT 之間時(shí)，電氣回路無法準(zhǔn)確判斷出該故障到底是位于斷路器的哪一側(cè)，導(dǎo)致保護(hù)失去選擇性，最終兩段母線都被跳開。

由上述可知，當(dāng)母聯(lián)開關(guān)僅配置一組CT 時(shí)，在母聯(lián)開關(guān)跳閘，母聯(lián)電流退出小差后，雖然故障位于母聯(lián)開關(guān)和母聯(lián)CT 之間，保護(hù)依然能夠切除掉故障母線。若故障點(diǎn)K2位于母聯(lián)開關(guān)與CT1之間，當(dāng)母聯(lián)開關(guān)在分位且母聯(lián)電流退出小差時(shí)，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(lián)電流退出小差，其不存在差流，故1母不會被切除。當(dāng)母線并列運(yùn)行時(shí)，若母聯(lián)開關(guān)跳閘并將母聯(lián)電流退出1母小差回路及2母小差回路后，母線保護(hù)就能夠正確識別出死區(qū)故障的故障點(diǎn)位于哪條母線上[5]。

因此，只要在死區(qū)發(fā)生故障時(shí)，讓母聯(lián)開關(guān)能夠正常跳閘，而母線上各支路則在母聯(lián)開關(guān)跳閘且母聯(lián)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(shí)T，等母聯(lián)開關(guān)跳閘后，再出口跳閘故障母線。從前面死區(qū)保護(hù)邏輯圖可知，母聯(lián)電流退出小差必須保護(hù)跳母聯(lián)，且母聯(lián)開關(guān)在分閘位置，經(jīng)150ms 延時(shí)后，母聯(lián)電流才退出小差。因此，延時(shí)T 還需要加上母線差動保護(hù)動作時(shí)間與母聯(lián)開關(guān)固定分閘時(shí)間，時(shí)間較長。而且無論母線故障位置是否位于死區(qū)，保護(hù)均需等待這個(gè)延時(shí)T 才能夠出口，犧牲了保護(hù)的快速性。由此可見，此方案單純的增加延時(shí)并不合適。

方案2，先判斷故障點(diǎn)是否位于死區(qū)范圍，再決定是否延時(shí)跳母線。當(dāng)故障點(diǎn)位于K2時(shí)，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(shí)，CT2（考慮極性，CT2與CT1極性相反，CT2與1母支路電流合并計(jì)算時(shí)需取反）及1母所有支路CT 這個(gè)范圍內(nèi)，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(jì)算時(shí)需取反）及2母所有支路CT 這個(gè)范圍內(nèi)也無差流。而當(dāng)故障點(diǎn)位于K3，在1母上的死區(qū)外時(shí)，CT2（考慮極性后）及1母所有支路CT 這個(gè)范圍內(nèi)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(qū)范圍。暫時(shí)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(qū)閉鎖回路，其開放判據(jù)與1母小差回路動作判據(jù)一致。

其母線保護(hù)1母動作邏輯如圖4所示實(shí)線區(qū)域及增加虛線區(qū)域部分（以1母為例）。

圖4 母線保護(hù)1母動作邏輯

當(dāng)母聯(lián)開關(guān)在合位，故障點(diǎn)在母線上死區(qū)以外K3時(shí)，大差回路、1母小差回路（母聯(lián)電流計(jì)入小差）均存在差流，1母、2母電壓閉鎖開放，1母死區(qū)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(hù)出口跳閘母聯(lián)及1母所有支路的斷路器。保護(hù)正確、快速動作，不受1母死區(qū)閉鎖回路影響。

當(dāng)母聯(lián)開關(guān)在合位，故障點(diǎn)在死區(qū)K2時(shí)，大差回路、1母小差回路、2母小差回路（母聯(lián)電流計(jì)入小差）均存在差流，1母、2母電壓閉鎖開放，母聯(lián)開關(guān)滿足跳閘條件，保護(hù)出口跳閘母聯(lián)開關(guān)，而1母死區(qū)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(qū)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(lián)開關(guān)跳閘后，由于故障點(diǎn)K1尚未切除，CT1仍有電流流過，大差差動元件仍未返回，經(jīng)過延時(shí)后，死區(qū)保護(hù)動作，將母聯(lián)電流（CT1、CT2）退出小差，1母在母聯(lián)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(shí)故障點(diǎn)所在的2母，2母小差回路存在差流，2母死區(qū)閉鎖回路在母聯(lián)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(jié)語

傳統(tǒng)母差保護(hù)在當(dāng)母線死區(qū)發(fā)生故障時(shí)，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(dāng)故障發(fā)生在母聯(lián)開關(guān)與母聯(lián)CT 之間時(shí)，電氣回路無法準(zhǔn)確判斷出該故障到底是位于斷路器的哪一側(cè)，導(dǎo)致保護(hù)失去選擇性，最終兩段母線都被跳開。而在母聯(lián)開關(guān)兩側(cè)均配置母聯(lián)CT 的接線方式下，將該母線小差回路以外的另一組母聯(lián)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(hù)死區(qū)故障時(shí)失去選擇性，將兩段母線都跳開。該方案雖然在死區(qū)故障發(fā)生時(shí)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(kuò)大故障切除范圍，縮小了停電范圍，較原保護(hù)邏輯有了更大的選擇空間。