消除死区故障的双母线保护

徐泰来, 黄少锋，宋小舟

(1.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206； 2.北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100085)

0 引 言

对于双母线接线方式，若电流互感器仅安装在母联断路器一侧，电流互感器与母联断路器之间发生故障时，仅靠母线差动保护无法跳开故障，这就是母线保护死区[1]。发生死区故障而不能及时切除会造成严重电网事故。针对这一问题的解决方法通常是引入断路器跳位辅助接点作为母联断路器开合状态的判断条件，母联断路器跳闸后封掉母联电流，使母差保护正确动作[2]。但若由于跳位辅助接点粘连而未能正确反映母联断路器状态，可能会使母差保护误动。文献[3]提出同时引入母联断路器的跳位和合位辅助接点作为母联断路器运行状态的判断条件，避免不能正确退出母联电流，但是延时较长。而文献[4-5]建议在母联断路器两侧分别配置一组电流互感器(CT)并提出两种母联死区保护方法，但是对于已建成的变电站，可能没有足够的安全距离加装一组电流互感器。文献[6]提出了一种母联死区保护改进设计，当母线区内发生故障后先跳开母联，之后母联CT退出小差计算，重新计算大差、小差和复合电压闭锁是否满足条件，这种方式虽然能切除死区故障，但牺牲了母线上故障的速动性。

本文针对上述问题提出一种改进判据解决死区故障问题，既不需要依靠辅助触点判断断路器开合状态，也不用增加CT来增加母线接线复杂度。核心思想是在母联死区故障情况下，利用已跳闸母线各间隔和电流为零及母联电流非零这一特征判断为母联死区故障，无论母线是并列或分列运行，都能准确跳开故障母线，避免了死区故障不能及时切除而造成严重后果。

1 双母线差动保护基本原理

1.1 双母线差动保护

双母线是发电厂和变电站广泛采用的一种接线方式。一般情况下，双母线经常同时运行，当一组母线上发生故障时，通过继电保护快速切除发生故障母线，另一组母线仍可继续运行，提高了供电稳定性。在母联断路器只配置了一组电流互感器的情况下，母线保护逻辑通常如图1所示[7]。

图1 单电流互感器双母线保护

1.2 传统差动保护逻辑缺陷

图2 母联断路器只配一组电流互感器

以图2为例，当母联断路器处于合位时，K1或K2处发生短路，保护逻辑能正确识别。但是如果是母联断路器与母联互感器之间K3发生故障，按照逻辑图，识别为Ⅰ母线故障，跳开Ⅰ母上所有断路器后，短路点仍存在，且在Ⅱ母线保护范围之外，不能被及时切除，即死区故障。

2 双母线保护改进逻辑

本文提出一种能弥补上述缺陷，解决死区故障，提高供电可靠性的改进逻辑，判断逻辑如图3所示。

图3 母线保护改进逻辑图

由1.2小节分析可知：母联断路器分别处于分位与合位时工况有所不同，并且实际工程中可能存在只有母线一侧有电源，另一侧全是馈线的情况。下面以图2为例进行逐个分析。

2.1 母线两侧均有电源，母联断路器闭合

1) K1处发生短路

2) K2处发生短路

3) K3处发生短路

2) Permanent magnet synchronous electricity generation system

2.2 母联断路器断开

1) K1处发生短路

2) K2处发生短路

3) K3处发生短路

2.3 只有Ⅰ母侧有电源，母联断路器闭合

1) K1或K3处发生短路

2) K2处发生短路

2.4 只有Ⅰ母侧有电源，母联断路器断开

2.5 只有Ⅱ母侧有电源，母联断路器闭合

1) K1处发生短路

2) K2处发生短路

3)K3处发生短路

通过以上分析可以发现，改进逻辑在各种不同工况下都能识别母线故障位置及其故障，又能兼顾特殊位置的死区故障，既不需要辅助触点判断断路器分合状态，也不用增加一组电流互感器就能及时切除死区故障。

3 Simulink仿真验证

图4 Simulink仿真模型

以图2为例，利用Simulink搭建仿真模型来验证改进逻辑可行性。仿真模型如图4所示。该模型一次侧母线两侧均有一个等效220 kV电源G1和G2，线路参数采用集中参数;L为线路电感；R为线路电阻；TA为电流互感器；QF为断路器。

本文重点分析发生死区故障时的仿真结果，如图5、图6所示。

图5是当母联断路器闭合发生死区故障时各线路电流互感器所测得的电流波形。发生故障后先是判断为Ⅰ母线故障，50 ms后跳闸，由于跳闸后故障仍然存在，满足Ⅱ母线故障判据，再经50 msⅡ母线也跳闸，及时切除了死区故障。

图5 母联断路器闭合发生死区故障各线路电流波形

图6 母联断路器断开发生死区故障各线路电流波形

图6是当母联断路器本就断开运行时发生死区故障各线路电流波形。显然此时发生死区故障只希望Ⅱ母线跳闸，Ⅰ母线能够正常运行。从仿真结果来看，Ⅰ母线两条出线保持正常工作，而母联断路器线路上电流只出现了50 ms，说明死区故障被及时切除，符合预期。所有位置仿真的跳闸结果如表1所示。

表1 所有位置仿真结果

从仿真的结果来看，改进判据符合预期能有效解决死区故障问题而又不增加任何成本，只需更改微机继电保护装置的保护逻辑，可以有效解决工程实际问题。

4 结束语

本文从传统双母线保护逻辑出发，在母联断路器只安装有一组电流互感器的条件下，提出了一种母线保护的改进逻辑，在母联断路器运行方式切换以及死区故障等工况下都能正确识别并及时切除故障。通过对各种可能工况的分析，可以发现该逻辑弥补了利用母联断路器辅助触点判断母线运行方式，从而使保护延时较长的缺陷，更加符合继电保护四性要求。