基于GIS设备的母差保护接线方式研究

翁利国

（萧山供电局，杭州 311200）

目前，220 kV变电站的220 kV母线大多采用双母线并列运行的接线方式。为了快速切除母线上发生的各种类型的短路故障，保证电力系统的稳定运行，母线上都需要配置快速动作的母差保护，保护设备大多采用深圳南瑞公司的BP-2C或南瑞继保的RCS-915。由于这两类装置都存在保护死区，即当母联断路器在运行状态，如果在母联断路器的电流互感器和母联开关之间发生故障，母差保护最终会同时切除两条母线，从而造成整个220 kV变电站失电。当母联电路回路断线时，母差保护会自动转入母线互联模式，如果此时发生区内故障，母差保护就会选择切除两条母线。

在传统的变电站中，由于设备结构上的限制，上述问题一直得不到有效解决。随着GIS设备在变电站的大量应用，为这个问题的解决提供了有效的设备平台。

1 母差保护原理及存在的问题

1.1 母差保护基本原理

母线差动保护的动作原理建立在基尔霍夫电流定律的基础上。理想情况下可将母线视为一个节点，在正常运行和外部故障时流入母线的电流之和为零，而内部短路时为总的短路电流。实际上，因电流互感器有误差，在外部短路时存在不平衡电流，所以差动保护的启动电流必须躲过最大不平衡电流，才能保证保护动作的选择性。

差动回路包括母线大差回路和各段母线小差回路。大差回路是除母联外所有支路电流构成的差动回路，小差回路是该段母线上所连接的各路（包括母联）电流所构成的差动回路。大差回路作为小差回路的起动元件，用以区分母线区内、外故障，小差回路用于选择具体的故障母线。

1.2 母联与电流互感器之间的保护死区

传统变电站中的双母线并列运行系统只在母联单元上安装一组电流互感器。当母联断路器运行时，如果在母联断路器和电流互感器之间发生故障，依靠母差保护的动作原理是不能有效切除故障的。例如，当图1中的F点发生故障时，Ⅰ段母线差动保护判其为外部故障，Ⅰ段母线差动保护不会动作，此时由Ⅱ段母线差动保护动作，跳开Ⅱ段母线上的所有连接元件及母联断路器，但故障仍不能切除。因此，在母联断路器与母联电流互感器之间发生故障时，母差保护存在保护死区。对于保护死区内的故障，一般的微机保护采用封母联电流互感器的方式来切除故障。当母线并列运行（联络断路器合位）发生母联死区故障，母线差动保护动作，切除Ⅰ段母线及母联断路器，检测母联断路器处于分位后经150 ms延时确认分裂状态，母联电流不计入小差电流，由差动保护切除母联死区故障。当母线分裂运行时，如果母联断路器与母联电流互感器之间发生故障，由于母联断路器分位已确认，故障母线差动保护满足动作条件，将直接切除故障母线，避免故障切除范围的扩大。如果在图1中的F点发生故障，Ⅱ段母线差动保护动作，跳开Ⅱ段母线所有断路器后，故障电流仍存在，且此时大差不返回，检测母联断路器处于分位后经150 ms延时确认分裂状态，母联电流不计入小差电流，由Ⅰ段母线差动动作切除母联死区故障。故障虽然切除了，但是也造成了全所失电。

图1 传统的双母接线图

1.3 母联电流互感器断线

现有的母差保护中，母联电流回路断线并不会影响保护对区内、区外故障的判别，只是会失去对故障母线的选择性。因此，母联断路器电流回路断线不需闭锁差动保护，只需转入母线互联（单母方式）即可。母联电流回路正常后，需手动复归恢复正常运行。由于母联断路器的电流不计入大差，母联电流回路断线时大差不会动作。而此时与该母联断路器相连的两段母线小差电流都会越限，且大小相等、方向相反。这时如果在大差范围内发生故障，母差将切除两条母线。

2 GIS设备简介

GIS（Gas Insulating metal-encolsed Switchgears，六氟化硫封闭式组合电器）由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等元件组成，全部封闭在金属接地外壳中，内部分成用气体隔离绝缘子的各个独立气室，充以一定压力的SF6气体作为绝缘和灭弧介质，具有运行可靠、操作安全性高、维护工作量小、检修周期长、安装方便，不受雨、盐雾等周围环境因素污染的影响等优点，因而广泛应用于电力系统。为了保证设备在结构上的对称性，一般在断路器的两侧特别是母联断路器的两侧同时安装电流互感器。

3 基于GIS设备的母差保护接线方式改进

GIS设备的一次接线如图2所示，在母联断路器两侧各有一个电流互感器。为了充分发挥GIS设备的这一优势，消除保护在采用单侧电流互感器时的不足，提出了母差保护接线的改进方案，即同时把母联断路器Ⅰ段母线侧电流互感器和母联断路器Ⅱ段母线侧电流互感器接入母差保护，并以母联断路器Ⅰ段母线侧电流互感器为主，母联断路器Ⅱ段母线侧电流互感器为辅，即令母联断路器包括在Ⅱ段母线小差差动范围之内。当为主的电流互感器发生电流回路断线时，保护可以自动切换到辅助的电流互感器，虽然两个小差的范围略有不同，却避免了因母联电流互感器断线引起的互联。令流过两侧电流互感器的电流分别为I1和I2，参考方向如图2所示，改进后的母差逻辑如图3所示。

母差保护逻辑和接线改进后，保护动作过程如下：

（1）母联断路器在分位时，母联电流互感器的电流不计入小差，所以母差能可靠动作，快速切除故障。

图2 GIS设备的双母接线图

图3 改进后的母差逻辑框图

（2）母联断路器在合位时，如果在图3中A点发生故障，因为I1和I2方向相反，母差可以判断故障发生在母联死区，即母联断路器两侧的电流互感器之间。为了快速准确地切除故障，母差可先跳开母联断路器，等150 ms后封母联电流互感器，装置判为Ⅰ段母线母差范围内故障，Ⅰ段母线母差动作，跳开Ⅰ段母线上所有断路器，故障切除，而Ⅱ段母线可以继续供电。如果在图3中B点发生故障，因为I1和I2方向相同，则母差可以判断为死区外故障，且在Ⅰ段母线小差范围内，直接跳开Ⅰ段母线上的所有断路器和母联断路器，故障切除。

4 结语

（1）利用GIS设备在母联断路器两侧同时具备电流互感器的特点，把两个电流互感器的电流同时接入母差保护，消除母差保护的保护死区，避免了在保护死区内发生故障时引起的全所失电，提高了电力系统的供电可靠性。

（2）母差保护接入母联两侧的两个电流互感器后，当一个电流互感器断线时，可以切换到另一个电流互感器，避免了在母联电流互感器断线同时发生区内故障时，将造成两条母线同时失电的可能。

[1]天津大学．电力系统继电保护原理（第3版）[M]．北京：中国电力出版社，2000．