220 kV GIS母线保护和线路纵联保护交叉区内故障分析

杜晓平，李涛，蒋瑞金，孙学武，郭淳

（国网山东省电力公司，济南250001）

220 kV GIS母线保护和线路纵联保护交叉区内故障分析

杜晓平，李涛，蒋瑞金，孙学武，郭淳

（国网山东省电力公司，济南250001）

阐述220 kV母差保护和220 kV线路纵联保护动作基本原理，同时对一起典型的母线保护和线路纵联保护交叉区内GIS故障具体保护动作行为进行剖析，定位其具体故障范围。最后，通过对一次设备检查印证保护分析的正确性。此类GIS典型故障与保护动作行为分析的思路，为快速、准确判断并及时处理故障提供借鉴。

GIS；母线保护；纵联保护；交叉区内故障；事故分析

0引言

母线是电力系统的中枢点，如果高压母线发生故障，其性质比较严重，对电力系统的安全运行带来较大危害。实际运行中，母线故障是极少发生的，母差保护和线路纵差保护的交叉区内的故障更是少之又少。近年来由于GIS组合电器在电力系统中的广泛应用，这种小概率的母线故障近期也频繁发生，对电力系统安全稳定运行造成极大的危害。

2013年，220 kV甲站220 kV 1号母线母差及线路纵联保护动作，造成甲站220 kV母联开关跳闸，220 kV 1号母线失压，该母线上所有线路两侧开关均跳闸，1号主变停电。本次故障非常典型，性质较严重。因此，有必要对此次故障做进一步分析验证。

1 220 kV母差保护原理

母差保护是将母线上所有的各连接元件的CT按同名相、同极性连接到差动回路，正常运行时满足∑I=0［1］。

双母线接线某一运行方式下Ⅰ母线故障原理图如图1所示。差动回路分为母线大差回路I3和各段母线小差回路I1和I2。母线大差回路用于判别母线区内和区外故障，小差回路用于故障母线的选择。

图1 母差保护原理图

2 220 kV线路纵联保护原理

判别量与通信是纵联保护装置的主要组成部分，配置如图2所示［2］。

图2 纵联保护图示

纵联保护按照保护动作原理可分为方向纵联、距离纵联和分相纵联；按照所利用通信通道的类型可分为高频纵联和光纤纵联，光纤纵联又分为PCM复用纵联和专用光纤纵联；纵联保护按照正方向保护范围是否超出本线路全长可分为超范围式纵联保护和欠范围式纵联保护；一般线路为了保证区内故障时动作的可靠性，宜采用超范围保护方式；按照纵联保护与专用收发信机配合实现保护的方式可分为允许式纵联保护和闭锁式纵联保护。

闭锁式纵联保护实质：长期发信，一旦停信，保护动作于跳闸。信号作为闭锁保护，反方向故障发信，正方向故障停信。其位置停信、其他保护动作停信、通道交换逻辑等都由保护装置实现，这些信号都接入保护装置而不接至收发信机，即发信或停信只由保护发信接点控制，发信接点动作即发信，不动作则为停信。

允许式保护实质：信号作为允许保护跳闸，反方向故障不发允许信号，正方向故障发信。允许式保护控制发信的接点为闭锁式保护停信的接点。为了提高保护在区内故障时动作安全性，光纤纵联保护都采用允许式，如RCS-931A系列保护，保护逻辑如图3所示。

图3 RCS-931A纵联差动保护逻辑

3 220 kV典型保护配置

电力系统中，应用较广的微机母线保护成套装置有BP-2A、BP-2B、BP-2C，RCS-915系列，SG B750系列。这些保护装置在保护配置和实现原理上各有特色。以RCS-915AB型微机母线成套保护装置为例，其设有母线差动保护、母联充电保护、母联死区保护、母联失灵保护、母联过流保护、母联非全相保护以及断路器失灵保护等功能。

国内典型高压线路保护成套装置如表1所示，可用作220 kV及以上电压等级输电线路的主保护、后备保护及重合闸功能。

表1 电网中典型纵联保护装置成套装置

220 kV高压线路保护典型配置为双主双后（包括重合闸）配置，运行一套重合闸［3］，如有设备检修或异常不能实现重合闸时，投入另一套重合闸。主保护包括纵联变化量方向和零序方向、纵联距离和零序方向、纵联分相电流差动和零序电流差动配置。

双套保护组合方式为：1）一套保护为纵联变化量方向和零序方向，另一套保护为纵联距离和零序方向，两套保护都采用闭锁式高频通道；2）对于不能实现电压互感器（PT）双重化的新建变电站，其中一套线路主保护必须采用与电压回路无关的保护，即纵联分相电流差动保护；这种情况下，一般纵联保护的通道一套采用专用光纤，另一套采用PCM复用通道，如同杆双回线配置光纤分相电流纵差保护RCS-931A和光纤分相允许式距离保护RCS-902C。

3.1 光纤纵差保护

3.1.1 保护配置

RCS-931A属于光纤纵差保护，保护装置信道类型可采用专用光纤和复用通道，一般多采用专用光纤［4］。其包括以分相电流差动和零序电流差动为主体的快速主保护，由工频变化量距离元件构成的快速Ⅰ段保护，由三段式相间和接地距离及两个延时段零序方向过流构成的全套后备保护，同时有分相出口，配有自动重合闸功能。

3.1.2 保护远跳、远传功能的实现

RCS-931A利用数字通道，交换两侧电流数据及开关量信息，实现一些辅助功能，如远跳及远传，且可靠性极高。图4、图5分别为专用光纤及复用光纤通信的纵差保护示意图。

图4 专用光纤方式下的保护连接

图5 线路纵差保护复用光纤通信

对于RCS-931A当需要通过远方跳闸来切除故障点时，收到经校验确认的远跳信号后，若整定控制字“远跳受本侧控制”整定为“0”，无条件置三跳出口，起动A、B、C三相出口跳闸继电器，同时闭锁重合闸；若整定为“1”，则需本装置起动、同时收到远跳信号，三相跳闸并闭锁重合闸。

同远跳一样，远传区别只在于接收侧收到远传信号后，并不作用于本装置的跳闸出口。

3.2 允许式距离纵联

允许式距离纵联通常采用光纤或复用载波通道，RCS-902C一般采用PCM复用通道，包括以纵联距离和零序方向元件为主体的快速主保护，由工频变化量距离元件构成的快速Ⅰ段保护。RCS-902C设有分相命令，纵联保护的方向按相比较，通过分相比较逻辑保证跨线故障仅切除故障相适用于同杆并架双回线，全套后备保护及自动重合闸同RCS-931A。

3.3 方向高频保护

方向高频保护采用复用载波通道，一般为闭锁式高频保护。RCS-901A包括以纵联变化量方向和零序方向元件为主体的快速主保护，由工频变化量距离元件构成的快速Ⅰ段保护。全套后备保护、重合闸功能同RCS-931A。

4 交叉区域接法与故障分析

4.1 CT二次接线的交叉接法

一组CT，其内部二次绕组的排列方式如图6所示，L1靠母线侧，L2靠线路侧。若线路保护接第1组CT，母差保护应接第2组CT，即母差保护与线路保护CT采用交叉接法，这种接线方式能够消除CT内部故障的保护死区；因CT底部故障率较高，若接第3组，可能会扩大事故范围［2］。

图6 母差保护与线路纵联保护交叉接法

4.2 交叉区内故障分析

如果故障点在母差保护和线路纵差保护的交叉区内，致使两套保护同时动作，则母差保护和线路纵差保护分别评价，“对侧纵联”不予评价［2］。

当故障发生在CT与断路器之间时，母差保护虽然正确动作，但故障点依然存在。

1）闭锁式高频保护。母线保护出口继电器动作三相跳闸跳本侧线路断路器后为使对侧高频保护能快速跳闸，应采取的措施是母差保护动作三相跳闸停信措施。母线差动保护动作使纵联保护停信造成对侧跳闸，则对侧按母线所属“对侧纵联”评价正确动作一次。

2）允许式高频保护。控制载波机发信的接点为闭锁式保护停信的接点。母线保护出口继电器动作允许该线路高频保护发信，让对侧断路器跳闸快速切除故障。

3）数字光纤保护。母线保护出口继电器动作向对侧发远跳信号通过远方三相跳闸来切除故障同时闭锁重合闸。如图7所示，RCS-915AB母线保护，5A21线路跟跳即为母线保护中的远跳信号。

图7 RCS-915AB保护中的远跳信号

5 故障实例分析

2013年，电网中220 kV甲站220 kV 1号母线上220 kV甲乙I线213间隔-1隔离开关与CT之间气室出现闪络击穿故障，造成甲站220 kV母联开关跳闸，220 kV 1号母线失压，其上所有220 kV线路的两侧开关均跳闸及1号主变停电。

5.1 保护配置

甲站220 kV母线保护配置：RCS-915AB。甲乙I线两侧开关、1号母线上另一条线路甲丙I线两侧开关双套主保护均配有：允许式距离纵联保护RCS-902C（采用PCM复用通道）；数字光纤保护RCS-931A（采用专用光纤通道）。

5.2 保护动作行为分析及故障范围确定

如图8所示，220 kV甲站220 kV 1号母线上甲乙I线213间隔-1刀闸与CT之间气室故障，故障点在CT与断路器之间K处，即母差保护和线路纵差保护的交叉区内，故障发生后母差保护大差启动，母联开关200跳闸，小差选故障母线为1号母线故障，动作跳甲站220 kV 1号母线上所有开关。

1）220 kV 1号主变201开关速动跳闸。

2）220 kV甲乙Ⅰ线213开关速动跳闸。

3）220 kV甲丙Ⅰ线211开关动作速动跳闸；220 kV甲乙Ⅰ线213开关两套主保护可能启动，但213开关已经在母差保护作用下跳闸；此时故障点依然存在。

4）对于甲乙Ⅰ线乙侧，甲站母差保护动作通过RCS-931A光纤通道向220 kV甲乙Ⅰ线乙站侧的间隔发远跳信号，甲乙Ⅰ线乙站侧间隔远方三相跳闸切除故障，同时闭锁重合闸。

图8 事故分析原理

母差保护动作，启动该线路RCS-902C保护远传逻辑，发允许信号给220 kV甲乙Ⅰ线乙站侧间隔，对侧同时也判断有区内正方向故障点，符合跳闸条件，甲乙Ⅰ线乙站侧间隔迅速三相跳闸同时闭锁重合闸切除故障点。甲乙Ⅰ线乙侧两套主保护同时启动，并作用于跳闸。

5）对于甲丙Ⅰ线丙侧，甲站母差保护动作通过RCS-931A光纤通道向220 kV甲丙Ⅰ线丙侧间隔发远跳信号，丙侧间隔远方三相跳闸同时闭锁重合闸。

母差保护动作，起动该线路RCS-902C保护远传允许信号给丙侧间隔，当对侧发现区外正方向故障，同时收到甲站信号，符合跳闸条件三相跳闸闭锁重合闸。

5.3 相关的保护动作行为分析

如果甲站1号母线上220 kV甲乙Ⅰ线开关失灵跳不开，故障电流达到失灵启动相电流时，通过RCS-915AB母线保护中的失灵保护出口，短延时跳开母联，长延时跳开1号母线上所有开关，致使1号主变失电，同时1号母线上各220 kV线路对侧间隔与5.2处有相似的动作行为，唯一的不同在于这种类型故障时母差保护不启动。

5.4 一次设备检查

GIS的CT气室与母线刀闸气室相通（CT内置），通过一次设备检查发现此甲乙Ⅰ线路下位CT闪络击穿。事故是由内置式CT气室内的丁腈橡胶板中的腐蚀性硫与气室内触头等镀银件反应形成硫化银，最终形成导电通道，引起CT气室闪络击穿，造成GIS故障。一次故障定位与保护动作分析结果完全吻合。

6 结语

针对近期发生的典型GIS故障，系统阐述了220 kV母差保护和220 kV线路纵联保护及其交叉区内故障保护动作原理，并对本次故障保护动作行为进行剖析，定位其具体故障范围，并通过后来一次设备的事故处理印证了保护动作行为分析及故障定位的正确性。2014年，某220 kV站发生表象相同的故障，凭借上述故障处理的经验，故障得到了最迅速地处理，并恢复送电。再遇到此类电网故障时，该思路有助于及时对故障准确判断并进行处理。

［1］王琴.微机母线保护装置的研究与开发［D］.西安；西安理工大学，2005.

［2］姚李孝，王琴.一种新的微机母线保护运行方式自适应方案研究［J］.电网技术，2005，29（7）：60-64．

［3］周玉兰，詹荣荣，舒志淮，等．2003年全国电网继电保护与安全自动装置运行情况与分析［J］．电网技术，2004，28（20）：48-53．

［4］孟智东.光纤电流纵联差动保护在大同电网的运行分析［D］.北京：华北电力大学，2005．

GIS Fault in the Overlap between Digital Bus-bar Protection Scope and Differential Current Protection Scope

DU Xiaoping，LI Tao，JIANG Ruijin，SUN Xuewu，GUO Chun
（State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

Basic principles of digital bus-bar protection and differential current protection in systems of 220 kV are laid out.A typical GIS fault protection behavior in the overlap between the digital bus-bar protection scope and differential current protection scope is analyzed，and the fault scope is located.Accuracy of protection analysis is corroborated by primary device checking.This is believed to be of high guiding value for a rapid accurate judgment and for the fault handling whenever this kind of GIS faults occur.

GIS；digital bus-bar protection；differential current protection；fault in the overlap；fault analysis

TM773

B

1007－9904（2015）08－0047－04

2015-06-19

杜晓平（1978），女，高级工程师，从事电力系统生产工作；

李涛（1977），男，高级工程师，从事电力系统高压技术与设备质量监督工作。