充电至母联死区保护的研究及应用

占捷文，谭 凌，祖连兴

（国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏 南京 210003）

0 引言

目前，在我国电网中广泛使用的微机型母线保护装置一般采用电流差动保护原理[1-3]，除了配置作为主保护的母线差动保护外，还配置有断路器失灵保护、母联死区保护、母联失灵保护、母联充电过流保护等，可对处于各种运行方式下的母线及母联等一次设备提供全方位的保护。但是传统的微机母线差动保护装置均没有考虑充电至母联死区这种特殊故障[4-5]，因此研究及应用安全可靠的充电至母联死区保护，可提高母线的安全运行水平，具有重要的现实意义。

1 充电至母联死区故障

充电至母联死区故障是指对于具有多段母线的主接线（如双母线），某段停运母线准备重新投入运行，若此时母联开关与母联电流互感器（TA）（在停运母线侧）之间存在故障，通过合上母联开关向停运母线充电的操作将会导致直接合于死区故障上。故障示意图见图1，其中母线I为运行母线，母线II为停运母线，K1为死区故障点。

图1 充电至母联死区故障示意图Fig.1 Schematic diagram of BED fault

系统发生充电至母联死区故障时各保护的动作行为如下。

a.母线差动保护。对于采用电流差动原理的母线差动保护一般以大差电流为故障判断元件、小差电流为故障选择元件[6]，2段母线的保护范围以母联TA为界。若系统发生上述故障，由于故障点在母线I的差动保护范围内，母线差动保护的大差动作元件与母线I的小差动作元件均满足动作条件，母线I差动保护动作并将母线I上所有元件切除。

b.母联充电保护。虽然含有母联充电保护的母线保护装置可以实现充电期间闭锁母线差动保护的功能[7-8]，但是由于故障点在母联死区，母联TA在母线II侧，且母线II是空母线，故障发生时将不会有故障电流流过母联TA，母联充电保护因采集不到母联电流而无法动作，也无法通过启动母联充电保护来闭锁母线差动保护。

综上所述，系统发生充电至母联死区故障时，母线差动保护将会切除运行母线，而此时另一段母线是空母线，将有可能造成全站失压。因此，在国家电网发布的Q/GDW175—2008《变压器、高压并联电抗器和母线保护及辅助装置标准化设计规范》中，明确提出“母线保护应能自动识别母联（分段）的充电状态，合闸于死区故障时，应瞬时跳母联（分段），不应误切除运行母线”[9]，这就要求母线保护装置必须设置充电至母联死区保护，妥善解决此问题[10]。

2 故障状态分析

以双母线为例，对各种运行方式下发生死区故障时，母线保护装置接入的电气量及开关量在故障前后的状态进行分析，分析结果见表1。

分析结果显示，要在各种故障中辨别出充电至母联死区故障，仅根据某个时刻的电气量或开关量是无法实现的，必须依靠故障前后全过程的电气量和开关量才能完成。

3 故障判断的难点

虽然充电至母联死区故障可由表1中所列的5个状态量唯一确定，但在实际应用中，必须要考虑接入母线保护装置的母联开关状态量变化与一次开关的同步问题：母线保护装置通过母联开关TWJ来判断母联开关的状态，如果母联开关TWJ滞后而非实时反映母联一次开关的变化，由于在开关合上后持续一段时间内TWJ仍为1，此时的状态与“仅母线Ⅰ运行时的母线故障”（见表1中的第12种故障）的状态一致，装置将不能判别出是充电至死区故障。由于合闸于故障，在母联开关合上的时刻将会出现差流，母线差动保护启动，微机母线差动保护在5 ms内即可判断为区内故障[11]，最快可在故障发生10 ms后整组动作出口，因此最终还是会将运行母线切除，即母联TWJ延时反映一次开关的变化将会导致充电至母联死区故障的判据失效。

如图2所示，操作箱中TWJ回路的接线方式主要有3种。其中在接线方式2中，就地/远方切换把手及防跳回路在断路器中实现，如图中虚线框所示。

对于接线方式1和接线方式2，合闸回路导通后继电器TWJ两端电压相同，继电器TWJ动作返回、接点断开，TWJ接点由1变为0。因此TWJ反应时间与手合接点时间保持同步，TWJ状态将在一次开关真正合上之前发生变位。

对于接线方式3，TWJ直接通过DL接至负电，TWJ将与DL同步，不能保证与一次开关同步，会出现滞后于一次开关合状态的情况，造成TWJ状态无法快速准确反映母联的合闸过程。

4 保护方案分析

充电至母联死区保护方案的思路是：若母线处于充电预备状态，则一直监视母联状态，在母联合闸过程中发生故障且母联持续无流，则判断为充电至母联死区故障，立即闭锁母线差动保护，避免误切运行母线，仅切除母联开关，隔离故障。闭锁母线差动保护的持续时间可取300 ms，确保母联开关可靠跳开并留有一定的裕度。

快速准确地判断出母联开关合闸充电过程是保护逻辑实现的关键，有以下解决方案。

4.1 方案1：全程监视的TWJ

母联操作箱中TWJ回路接线采用图2中的方式1或方式2，可保证TWJ在一次开关合闸前变位。母线处于充电预备状态时，母线保护装置捕捉到TWJ状态由10的变化脉冲，在其后的一段时间内（如100 ms）认为处于母联合闸阶段，在此期间若差动启动且母联无流，则可判断发生充电至母联死区故障。

方案的优点为母线保护装置不需增加回路接线，实现简单；缺点为对母联操作箱中TWJ回路接线方式有限制，不能适应现场的所有场合。

表1 死区故障状态表Tab.1 State of BED fault

图2 TWJ回路接线示意图Fig.2 Wiring diagram of TWJ circuit

4.2 方案2：母联充电压板

母线保护装置增设母联充电压板，在母联合闸充电之前投入该压板，使装置获知将进行母联合闸操作；在母联开关合上之后，将该压板退出。在该压板投入期间若差动启动且母联无流，则认为故障发生，瞬时闭锁母线差动保护并切除母联开关。

方案的优点为对回路接线没有限制，适应范围广。缺点为母线装置需增加压板；母联合闸充电过程，需运行人员投切母线保护装置上的母联充电压板，增加工作量；母联充电压板一旦投入后，母线差动保护相当于由瞬动的保护切换为带延时的保护，在母联合闸前若运行母线发生故障，装置也会误判为充电至母联死区故障，闭锁结束后母线差动保护才能动作出口切除运行母线，影响了母线差动保护动作的快速性。

4.3 方案3：母联手合接点

母线保护装置增加接入母联开关的手合接点SHJ，用SHJ代替其中的TWJ，实现方法与方案1类似，通过捕抓SHJ状态由01的变化脉冲来确定母联合闸的过程。

方案的优点为只需接入SHJ即可，对TWJ回路接线没有限制，也不需要人工干预，适应范围广。缺点为母线保护装置需增加SHJ的外回路接线；母联操作箱的SHJ接点数目不足时，提供额外的接点将会比较困难。

5 保护逻辑的实现

采用方案3的充电至母联死区保护的逻辑框图见图3。实现保护逻辑的关键点如下。

5.1 母联TWJ监视

5.2 母联SHJ监视

5.3 母联无流状态监视

故障期间母联无流是充电至母联死区故障的重要特征，需全程监视母联电流的状态。

图3中的逻辑门G4是在差动启动（即故障发生）时刻进行判断，此时的母联无流是反映故障发生前1个周期的母联状态：若母联有流，说明不是充电至母联死区故障，该保护不投入；若母联无流，同时处于母联充电预备状态（逻辑门G3的其他条件满足），则投入充电至母联死区保护。由于母线差动保护一般采用电流采样值突变量作为启动元件，可在故障发生1～2 ms后快速启动，上述判据可保证在故障发生时刻，充电至母联死区保护即可快速投入并闭锁差动保护出口。

因为母线差动保护的启动元件比母联无流检测元件（采用全周傅氏算法计算）灵敏很多[12]，发生充电条件下其他类型故障时，母联TA会流过故障电流，但在母线差动保护启动时刻，由于母联电流幅值计算滞后，此时仍有可能判断为母联无流，将导致充电至母联死区保护误投入。因此保护投入后需继续监视母联电流状态（见逻辑门G5），一旦发现母联有流需立即退出充电至母联死区保护，恢复正常的差动保护逻辑。

采用上述保护方案实现的充电至母联死区保护，可保证在发生此类故障时保护能快速动作，跳开母联开关，切除故障，保全运行母线；而对于其他故障该保护均不会误启动，也不会误闭锁母线差动保护（参见图3逻辑框图及表1中列举的各类型母线区内故障对应的状态）。对于母联TWJ在合闸后未能及时变位，或者在一次开关合闸前发生变位这些不利情况，均不会影响充电至母联死区保护的正常运作（参见5.1节），不受TWJ回路接线方式的限制，对母联TWJ接点的要求降到最低；同时对于非充电条件下母联SHJ误闭合的异常情况，也能确保保护不会误动（参见5.2节）。因此本保护方案能完善地解决充电至母联死区故障的问题。

图3 充电至母联死区保护逻辑框图Fig.3 Logic diagram of BED protection

6 保护应用情况

将上述充电至母联死区保护逻辑应用于ARP-371母线保护装置，并进行动模实验，模拟充电至母联死区K1点A相接地故障（如图1所示），TWJ回路采用图2（c）的接线方式，实验波形见图4。录波图中，波形由上至下分别为大差动作元件的A相电流、母线Ⅰ小差动作元件的A相电流、母线Ⅱ小差动作元件的A相电流、母线Ⅰ的A相电压、母联A相电流、母线Ⅰ2条支路的A相电流；母联开关TWJ接点状态、SHJ接点状态、充电至母联死区保护动作出口接点状态、母线Ⅰ差动保护动作出口接点状态和母线Ⅱ差动保护的动作出口接点状态。由波形可看出：故障发生后，充电至母联死区保护快速动作出口，跳开母联开关，切除故障；在实验的全过程中，运行母线（母线I）的差动保护没有动作出口，运行母线得到保全；母联TWJ状态滞后反映一次开关的合闸，但是没有影响保护的判断。实验结果证明所提保护方案是切实可行的。

图4 充电至母联死区故障实验波形Fig.4 Waveforms of dynamic emulation

7 结语

母线保护装置增设充电至母联死区保护是有必要的，否则系统发生此类型故障时，母线差动保护将会切除运行母线，扩大停电范围。

本文在对充电至母联死区故障的故障特征进行深入研究的基础上，提出3种解决方案并对其优缺点进行分析，选择母联手合接点方案，设计出充电至母联死区保护逻辑且应用在母线保护装置上。动模实验结果表明，该保护方案可明确区分充电至母联死区故障与其他类型的故障，保护灵敏可靠，并具有一定的容错能力，同时对母线保护装置外回路接线设计没有额外的限制，可完善解决充电至母联死区故障的问题，能满足现场工程应用的要求。