母线死区故障分析及保护逻辑优化探讨

湛江供电局 陈然秋

1 引言

电网规模和电网构建的趋势不断扩大，具有一定的复杂性，对当前电力系统的安全性提出了更高的要求。本文以南瑞继保的PCA-915A-DG-N 母线保护装置为例，介绍母线保护的基本原理以及其在遇到死区故障时的动作逻辑，并探讨其优化方向。

2 母线保护原理

南瑞继保的PCA-915A-DG-N 母线保护装置主要使用的是母线差动保护，其由分相式比率差动元件构成[1]。比率差动元件的动作判据为：

式中，K 为比率制动系数；Ij为第j 个连接元件的电流；Icdzd为差动电流启动定值。

其差动回路包括母线大差回路和各段母线的小差回路。母线大差回路是指除母联开关和分段开关以外的所有支路电流构成的差动回路。而小差回路是指对应的某段母线上包括母联开关、分段开关和该段母线上连接的所有支路电流构成的差动回路。大差比率差动用于判别母线区内和区外故障，小差比率差动用于故障母线的选择。同时，为了防止保护各种原因导致的误动作，还采用了电压闭锁元件进行保护，其判据为：

式中，Uφ为相电压；3U0为三倍零序电压；U2为负序相电压；Ubs为相电压闭锁值；U0bs和U2bs分别为零序、负序电压闭锁值。以上三个判据任一个动作时，电压闭锁元件开放[2]。

3 死区故障及死区保护

当双母接线，母联开关仅配置一组CT 时，小差回路保护范围以母联开关CT 为分界，小差保护范围如图1所示。母联开关在合位时，若母联开关和母联CT 之间发生故障K1。对于母联CT 来说故障点位于母联开关侧的母线（即1母），此时大差回路，1母小差回路均动作，两段母线的电压闭锁均开放。此时装置认为故障位于母联开关侧母线，出口跳开母联及1母上所有断路器[3]。

图1 单CT 配置的双母接线方式下小差保护范围

但实际上故障位于2母，母联及1母所有支路的断路器虽已跳开，但故障仍然存在，大差回路有差流，有故障电流流经母联CT。为了切除上述死区的故障，其在母联开关跳闸经一定延时后，将母联电流退出小差。待小差退出后，由于母联开关已在分位，且母联电流已退出小差，大差动作未返回，2母小差动作。保护出口跳开2母上所有断路器。其逻辑如图2所示。虽然成功将故障隔离，但故障并未能在第一时间切除，而且还跳开了一条无故障的母线。

图2 母线并列运行时死区保护逻辑

而当双母接线，母联开关两侧各配置一组CT时，小差回路保护范围交叉配置，1母小差回路包括母联开关2母侧电流互感器CT1，2母小差回路包括母联开关1母侧电流互感器CT2，小差保护范围如图3所示。母联开关在合位时，若母联开关和CT1之间发生故障K2，故障点既存在1母小差回路范围内，同时也存在2母小差回路范围内[4]。

图3 双CT 配置的双母接线方式下小差保护范围

此时大差回路，1母、2母小差回路均动作，两段母线的电压闭锁均开放，保护出口跳开母联开关和1母、2母上所有断路器。在配置两组CT 的情况下，虽然两组CT 交叉覆盖了死区范围内的故障，无须等待母联电流退出小差才能够切除死区故障，但依然将无故障的其中一条母线也跳开了，扩大了故障范围。

因此，是否有办法使当母联开关与母联CT 之间出现故障时，保护仅跳开故障母线，而正常母线不被意外切除成为研究重点。

4 死区保护逻辑优化设想

当母线死区发生故障时，差流回路判断的范围与断路器切除的范围不一定一致。当故障发生在母联两组CT 之间时，电气回路无法准确判断出该故障到底是位于断路器的哪一侧，导致保护失去选择性，最终两段母线都被跳开。

由上述可知，当母联开关仅配置一组CT 时，在母联开关跳闸，母联电流退出小差后，虽然故障位于母联开关和母联CT 之间，保护依然能够切除掉故障母线。若故障点K2位于母联开关与CT1之间，当母联开关在分位且母联电流退出小差时，大差回路及2母小差回路均存在差流，2母能够以正确的动作切除故障。而1母因母联电流退出小差，其不存在差流，故1母不会被切除。当母线并列运行时，若母联开关跳闸并将母联电流退出1母小差回路及2母小差回路后，母线保护就能够正确识别出死区故障的故障点位于哪条母线上[5]。

因此，只要在死区发生故障时，让母联开关能够正常跳闸，而母线上各支路则在母联开关跳闸且母联电流退出小差后再出口跳闸，就能够正确切除故障母线，保留正常母线。

方案1，在跳1（2）母出口处增加延时T，等母联开关跳闸后，再出口跳闸故障母线。从前面死区保护逻辑图可知，母联电流退出小差必须保护跳母联，且母联开关在分闸位置，经150ms 延时后，母联电流才退出小差。因此，延时T 还需要加上母线差动保护动作时间与母联开关固定分闸时间，时间较长。而且无论母线故障位置是否位于死区，保护均需等待这个延时T 才能够出口，牺牲了保护的快速性。由此可见，此方案单纯的增加延时并不合适。

方案2，先判断故障点是否位于死区范围，再决定是否延时跳母线。当故障点位于K2时，大差回路，CT1及1母所有支路CT 组成的1母小差回路，CT2及2母所有支路CT 组成的2母小差回路均存在差流。而此时，CT2（考虑极性，CT2与CT1极性相反，CT2与1母支路电流合并计算时需取反）及1母所有支路CT 这个范围内，并不存在差流。CT1（考虑极性，CT1与CT2极性相反，CT1与2母支路电流合并计算时需取反）及2母所有支路CT 这个范围内也无差流。而当故障点位于K3，在1母上的死区外时，CT2（考虑极性后）及1母所有支路CT 这个范围内存在差流，CT1及1母所有支路CT 组成的1母小差回路也存在差流。并且1母各支路与CT1、CT2之间形成的范围差是死区范围。暂时将CT2（考虑极性后）及1母所有支路CT 组成的回路称为1母死区闭锁回路，其开放判据与1母小差回路动作判据一致。

其母线保护1母动作逻辑如图4所示实线区域及增加虚线区域部分（以1母为例）。

图4 母线保护1母动作逻辑

当母联开关在合位，故障点在母线上死区以外K3时，大差回路、1母小差回路（母联电流计入小差）均存在差流，1母、2母电压闭锁开放，1母死区闭锁回路（CT2（考虑极性后）及1母所有支路CT 组成的回路）也满足开放条件，保护出口跳闸母联及1母所有支路的断路器。保护正确、快速动作，不受1母死区闭锁回路影响。

当母联开关在合位，故障点在死区K2时，大差回路、1母小差回路、2母小差回路（母联电流计入小差）均存在差流，1母、2母电压闭锁开放，母联开关满足跳闸条件，保护出口跳闸母联开关，而1母死区闭锁回路（CT2（考虑极性后）及1母所有支路CT 组成的回路）及2母死区闭锁回路并不满足开放条件，闭锁1母、2母其余支路出口跳闸。待母联开关跳闸后，由于故障点K1尚未切除，CT1仍有电流流过，大差差动元件仍未返回，经过延时后，死区保护动作，将母联电流（CT1、CT2）退出小差，1母在母联电流退出小差后，1母小差回路不存在差流，小差差动元件返回。而此时故障点所在的2母，2母小差回路存在差流，2母死区闭锁回路在母联电流退出后，也满足了开放条件。2母出口切除母线上所有支路断路器，将故障隔离，大差动元件返回。成功将故障母线切除，保留了正常的母线。

5 结语

传统母差保护在当母线死区发生故障时，因差流回路判断的范围与断路器切除的范围不一定一致，当故障发生在母联开关与母联CT 之间时，电气回路无法准确判断出该故障到底是位于断路器的哪一侧，导致保护失去选择性，最终两段母线都被跳开。而在母联开关两侧均配置母联CT 的接线方式下，将该母线小差回路以外的另一组母联CT 与该母线的支路CT 组成闭锁回路，能够有效地防止母差保护死区故障时失去选择性，将两段母线都跳开。该方案虽然在死区故障发生时无法以原来同样的速度切除故障，但其能够有效保留正常母线，防止扩大故障切除范围，缩小了停电范围，较原保护逻辑有了更大的选择空间。