母线差动保护中母联电流互感器布置分析及保护逻辑改进

陈安鹏, 熊良根

上海电气电站工程公司 上海 201199

1 分析背景

母线是发电厂升压站和变电站的重要组成部分,是汇集电能及分配电能的重要设备。连接至母线的元件众多,对于主变压器进出线、母线电压互感器等间隔,由于绝缘子老化,污秽会引起闪络接地故障，雷击会造成短路故障。如不及时隔离故障设备,将会损坏众多电力设备,破坏系统的稳定性,造成全厂或全变电所大停电,甚至是系统瓦解[1]。可见,设置可靠、性能良好的母线差动保护,能够迅速检测出故障母线,进而有选择性地隔离故障[2-4]。

在对母线差动保护装置的要求中,除了装置自身高度安全性、可靠性、选择性,以及与其它保护及自动装置配合外,还有使用专用电流互感器[5-6],否则容易引起保护误动作[7-9]。接入母线差动保护装置的电流互感器，其安装位置应尽量靠近线路或变压器一侧,使母线差动保护与线路保护或变压器保护有重叠保护区。对于母联电流互感器的安装位置,通常有两种方案,一种是两组母联电流互感器均布置在母联断路器一侧,另一种是两组母联电流互感器对称布置在母联断路器两侧。

笔者对接入母线差动保护的母联电流互感器两种安装位置对母线差动保护的影响进行分析,并在第二种方案的基础上,对相应的保护逻辑进行改进。改进后的保护逻辑可以避免交叉区域发生两条母线被全部断开的现象。

2 第一种布置方案

2.1 方案原理

采用第一种布置方案,两组母联电流互感器均布置在母联断路器一侧,靠近母线Ⅰ,如图1所示。采用双母线接线方式,一般为220 kV及以上电压等级,按照GB/T 14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》可知,220 kV及以上双母线接线宜装设两套母线差动保护装置。母线差动保护和线路保护需要交叉配合,CB1～CB4为进出线断路器,CB5为母联断路器,进线与出线间隔中CT1～CT6为电流互感器,接入母线差动保护,其中CT5和CT6分别接入母线差动保护装置BBP1、BBP2，FR为故障录波器,CBP为母联断路器保护装置,NCS为测控装置，SPARE为备用。国产母线差动保护装置的原理基本相同,只是在电流互感器极性问题上有所不同,现以南瑞继保RCS-915GB双母双分段母线保护装置为例进行分析[10]。

根据南瑞继保说明书,母线差动保护由大差差动保护和小差差动保护组成。其中,大差差动保护判断区内外故障,小差差动保护选择故障母线。图1中，母线差动保护装置的大差差动电流Id为:

Id=|ICT1+ICT2+ICT3+ICT4|

(1)

式中:ICTn为流经各电流互感器的电流。

母线Ⅰ小差差动电流I1为:

I1=|ICT1+ICT2+ICT5|

(2)

母联电流互感器极性靠近母线Ⅰ侧,母线Ⅱ小差差动电流I2为:

I2=|ICT3+ICT4-ICT6|

(3)

在图1中设置六个故障点k1～k6,分析对于六个故障点两套母线差动保护装置的动作情况。

2.2 故障点k1

由图1可知,不考虑故障发生在电流互感器CT5、CT6之间的情况,无论对于哪个故障点,流经两组母联电流互感器的短路电流方向一致,两套母线差动保护装置的计算结果一样,动作出口方式相同,因此分析其中一组母线差动保护装置。

图1 第一种布置方案

故障点k1位于母联电流互感器与母线Ⅰ区域位置,根据大差差动电流和小差差动电流计算式,有:

式中:Ik为故障电流。

在故障点k1的情况下,母线差动保护装置判断母线Ⅰ故障,保护动作,断开母线Ⅰ上的进出线断路器及母联断路器,并启动断路器失灵保护,正确隔离故障。

2.3 故障点k2

故障点k2位于母联电流互感器与母联断路器之间的区域位置,同样根据大差差动电流和小差差动电流计算式,有:

大差差动电流不为零,母线Ⅱ小差差动电流也不为零,母线差动保护装置判断母线Ⅱ故障,保护动作,断开母线Ⅱ上的进出线断路器及母联断路器。但实际上故障属于母线Ⅰ范围,此时故障依然存在,母线死区保护动作,断开母线Ⅰ上的进出线断路器,直接导致两条母线全部停电。

2.4 故障点k3与k4

与故障点k2不同,故障点k3与k4发生在母联断路器上口与母线Ⅱ区域位置,两个故障点动作情况一致。根据大差差动电流和小差差动电流计算式,有:

在故障点k3和k4的情况下,母线差动保护装置判断母线Ⅱ故障,保护动作,断开母线Ⅱ上的进出线断路器及母联断路器,并启动断路器失灵保护,正确隔离故障。

2.5 故障点k5与k6

故障点k5发生在母线Ⅰ出线母线差动保护范围外,但是在出线线路保护范围内。故障点k6发生在母线Ⅱ进线母线差动保护范围外,但是在进线线路保护范围内。大差差动电流为:

Id=|ICT1+ICT2+ICT3+ICT4|=0

大差差动电流为零,母线差动保护装置判断为区外故障,由线路保护断开断路器CB1。如果线路保护装置发出跳闸指令,但断路器CB1由于故障未断开,那么启动断路器失灵保护,由母线差动保护动作,断开与断路器CB1相同母线的其它断路器。

3 第二种布置方案

第二种布置方案如图2所示。与第一种布置方案的不同之处在于,两组母联电流互感器分别布置在母联断路器的两侧最外端,其余情况均相同。两组母联电流互感器分别接入两套母线差动保护装置,在某些故障情况下,两组母联电流互感器的电流流向不同,将直接导致两套母线差动保护装置的动作结果不同。以下分析六个不同故障点情况下母线保护动作方式。

3.1 故障点k1、k4、k5、k6

对于故障点k1、k4、k5、k6的情况,流过电流互感器CT5和CT6的故障电流方向一致,两套母线差动保护装置的动作情况一致。

3.2 故障点k2与k3

在故障点k2的情况下,母线差动保护装置BBP1的大差差动电流和小差差动电流为:

Id=|ICT1+ICT2+ICT3+ICT4|=|Ik|≠0

I1=|ICT1+ICT2+ICT5|=|Ik|≠0

图2 第二种布置方案

母线差动保护装置BBP1判断母线Ⅰ故障,保护动作,断开母线Ⅰ上的进出线断路器及母联断路器,并启动断路器失灵保护,隔离故障。

母线差动保护装置BBP2的大差差动电流和小差差动电流为:

大差差动电流不为零,母线Ⅱ小差差动电流不为零,母线差动保护装置BBP2判断母线Ⅱ故障,保护动作，断开母线Ⅱ上的进出线断路器及母联断路器。但实际上故障属于母线Ⅰ范围,此时故障依然存在,母线死区保护动作,断开母线Ⅰ上的进出线断路器,导致两条母线全部断开。

两套母线差动保护装置对于故障点k2的动作方式不一样。母线差动保护装置BBP1判断故障点k2属于母线Ⅰ故障,断开母线Ⅰ上所有断路器,隔离故障。母线差动保护装置BBP2判断故障点k2属于母线Ⅱ故障,首先断开母线Ⅱ，再经死区保护动作后断开母线Ⅰ,扩大了故障范围。同理,对于故障点k3的情况,母线保护装置BBP1判断故障点k3属于母线Ⅰ故障,断开母线Ⅰ上的所有进出线断路器及母联断路器,再经死区保护动作后断开母线Ⅱ上所有断路器,使得两条母线全部断开。母线保护装置BBP2则判断故障点k3属于母线Ⅱ故障,直接断开母线Ⅱ上的所有断路器,从而隔离故障。可见,在故障点k2、k3的情况下,两套母线差动保护装置的动作方式不一致。对于故障点k2的情况,采用第二种布置方案,有几种情况可能出现。

(1) 母线差动保护装置BBP1首先动作,母线Ⅰ上所有进出线断路器跳闸,同时母联断路器跳闸,母联跳位继电器闭合。如果母联跳位继电器闭合较母线差动保护装置BBP2动作早,那么母线差动保护装置BBP2不将母联电流互感器电流计入小差差动电流计算,此时母线差动保护装置BBP2将不动作。

(2) 如果母联断路器已经断开,但是母联跳位继电器闭合较慢,那么母线差动保护装置BBP2还是将母联电流互感器电流计入小差差动电流计算。由于母联断路器已经断开,其电流为零,母线差动保护装置BBP2计算大差差动电流为零,计算母线Ⅱ小差差动电流也为零,因此母线差动保护装置BBP2不动作。

(3) 母线差动保护装置BBP2首先动作,断开母线Ⅱ上所有进出线断路器,同时断开母联断路器,母联跳位继电器闭合,母联电流仍然存在,此时大差差动电流和母线Ⅰ小差差动电流不为零,经死区保护动作,断开母线Ⅰ。

(4) 如果母线差动保护装置BBP1和BBP2同时满足判据,几乎同时动作,那么直接断开两条母线上的所有断路器。

4 布置方案比较及保护逻辑改进

通过上述分析可知,按照第一种布置方案,在故障点k2的情况下,最终还是由于死区断开两条母线,在时间上会比较长。

按照第二种布置方案,在故障点k2和k3的情况下,两套母线差动保护装置均判断为区内故障,母线差动保护装置BBP1判断为母线Ⅰ故障,母线差动保护装置BBP2判为母线Ⅱ故障,不论母联断路器是否优先于线路断路器动作,只要线路断路器没有全部跳闸,那么最终还是两条母线全部断开。

可见,第一种布置方案误动的区域较小,仅仅是电流互感器和断路器之间的死区部分,会造成两条母线都断开,但动作时间较长,对系统的稳定性不利。第二种布置方案误动的区域相对较大,在母联断路器两侧两组母联电流互感器交叉的范围内发生故障时,很大程度上会造成两条母线同时断开,扩大事故范围,断开两条母线对系统的影响比第一种布置方案大,后果较为严重。

对第二种布置方案进行改进,如图3所示,虚线表示电流互感器CT5与CT6之间进行电流大小比较。改进后,增加电流互感器CT5和CT6的差电流Imd作为辅助判据。如果Imd为零,那么判断故障位置不在死区,母线差动保护装置将按照正常逻辑判断动作。如果Imd不为零,那么先断开母联断路器,再进行新的保护逻辑运算。

图3 改进后第二种布置方案

改进后母线差动保护动作见表1。

5 结束语

在双母线接线工程设计中,采用母联电流互感器常规布置的两种方案,对于在死区或者交叉区域位置的故障点,都会存在两条母线被断开的风险。笔者在第二种布置方案的基础上,提出采用两组母联电流互感器差电流进行冗余判据。如果没有差电流,那么判断故障位置不在CT5与CT6交叉区域,母线差动保护装置将按照正常逻辑动作。如果有冗余差电流,那么先断开母联断路器,再进行新的母线差动保护逻辑运算。采用改进后的第二种布置方案,可以有效避免在交叉区域故障时两条母线全部被断开的现象。

表1 改进后母线差动保护装置保护动作