母线充电时投入母差保护的必要性分析

付振强，侯明辰

(鞍山供电公司，辽宁 鞍山 114002)

1 固定连接方式的母线完全差动保护

固定连线方式的母线完全差动保护是常规的电磁型保护，是指在双母线并列运行方式下，按照一定的要求，将引出线和有电源的支路固定连接于两母线上，这种母线称为固定连接母线，这种母线的差动保护称为固定连接方式的母线完全差动保护。任一母线故障时，只切除接于该母线的元件，另一母线可以继续运行，即母线差动保护有选择故障母线的能力。当运行的双母线的固定连接方式被破坏时，该保护将无选择故障母线的能力，而将双母线上所有连接元件切除。

固定连接方式的母线完全差动保护由以下3部分组成。

a． TA1、TA2、TA5和 KD1构成Ⅰ母小差启动元件，用于选择判定Ⅰ母线的故障。

b． TA3、TA4、TA5和KD2构成Ⅱ母小差启动元件，用于选择判定Ⅱ母线的故障。

c． TA1、TA2、TA3、TA4和 KD构成母线大差启动元件，用于选择判定母线区内、区外故障。

母线大差继电器KD接点和Ⅰ母小差继电器KD1接点串联启动出口中间继电器跳1号线、2号线、母联断路器，母线大差继电器KD接点和Ⅱ母小差继电器KD2接点串联启动出口中间继电器跳3号线、4号线、母联断路器。母线差动保护有选择故障母线的能力。

1.1 固定连接方式母线区内故障

图1为双母线固定连接方式发生母线区内故障时差动回路差流流向示意图。由图1可知，当d1点发生短路时，id=i1+i2+i3+i4;id1=i1+i2+i3+i4;id2=0母线大差继电器KD和Ⅰ母小差继电器KD1动作，差动保护动作跳开连接于Ⅰ母线上的1号线、2号线、母联断路器，Ⅱ母线继续运行，母线差动保护有正确选择故障母线的能力。

1.2 固定连接被破坏时母线区内故障母差保护动作逻辑

图1 固定连接时Ⅰ母区内故障差流示意图

假设4号线固定连接于Ⅱ母线，在倒母线时将4号线连接于Ⅰ母线，这样就破坏了固定连接。图2为双母线固定连接方式被破坏时发生母线区内故障时差动回路差流流向示意图。

图2 固定连接破坏时Ⅰ母区内故障差流示意图

由图2可知，当d1点发生短路时，继电器KD、KD1、KD2中流过的差流计算结果如下:id=i1+i2+i3+i4;id1=i1+i2+i3;id2=i4。Ⅰ母小差选择元件启动，大差启动元件启动。但继电器KD2中流过很小的电流，如果未达到保护定值，Ⅱ母小差选择元件不会启动。KD和KD1的触点闭合，差动保护出口固定跳开 QF1、QF2、QF5，但 QF4不会跳闸，继续向故障点提供很大的短路电流，故障并未切除。基于这个原因，在倒闸操作中，当固定连接被破坏时，运行人员会将Ⅰ、Ⅱ母小差选择元件KD1、KD2的接点短接 (单母线运行方式)，只要大差启动元件KD动作，差动保护就会无选择性的跳开两段母线上的所有元件断路器。那么，当固定连接由于倒闸操作被破坏时，差动保护不能选择故障母线，只能将两段母线上的元件全部跳开。

1.3 空母线充电时母线区内故障

一次接线方式为双母线接线，充电时的运行方式:Ⅰ母在运行状态，Ⅱ母检修结束，QF1、QF2、QF3、QF4在合位且均连接于Ⅰ母线上，QF5在分位，这时固定连接被破坏属于单线运行方式，利用母联断路器对Ⅱ母线进行充电，母联断路器充电保护投入。图3为Ⅰ母线对Ⅱ母线充电时发生故障，差动回路差流流向示意图。

图3 充电时Ⅱ母故障差流示意图

由图3可知，当d1点发生短路时，继电器KD、KD1、KD2中流过的差流计算结果如下:id=i1+i2+i3+i4;id1=i3+i4;id2=i1+i2+2i3+2i4，由于运行人员在进行倒闸操作前将Ⅰ、Ⅱ母小差选择元件KD1、KD2的触点短接，Ⅰ、Ⅱ母小差选择元件KD1、KD2不能正确选择故障母线，大差启动元件 KD动作瞬时跳开 QF1、QF2、QF3、QF4和QF5。根据以上分析，在利用母联断路器对Ⅱ母线进行充电时Ⅰ母线发生故障，母线差动保护动作跳开母线所有元件，使停电范围扩大。为了保证无故障母线继续运行，运行操作规程规定:在利用母联断路器对空母线进行充电操作过程中，退出母线差动保护 (固定连接方式的母线完全差动保护)而只投入母联充电保护，利用母联充电保护跳开母联断路器切除故障。

2 220 kV母联充电保护原理

220 kV母联充电保护主要是为了在母线充电过程中，能更可靠地切除被充电母线上故障而配置的一套保护功能。

保护在正常程序中检查母联断路器跳闸位置及手合接点状态，在充电保护投入情况下，保护根据母联断路器跳闸位置或手合接点状态决定是否开放充电保护。

母联断路器跳闸位置开放充电保护:当有跳闸位置接点开入时，表示开关在断开位置，固定投入充电保护，当有电流或开关位置接点返回，则表明开关合闸，经400 ms后充电保护退出。

手合接点开放充电保护:当有手合接点开入，则手合接点开入的400 ms内投入充电保护，400 ms后退出。

上述方法可保证在线路充电或母线充电的400 ms内，可靠启动充电保护。

充电保护采用相电流过流元件，当满足充电动作条件，充电保护经20 ms延时跳闸。

如图4所示，Ⅰ母线给Ⅱ母线充电，充电保护动作逻辑如下:

XL1在合位，断路器XL2在分位，Ⅰ母有压，Ⅱ母无压，ML3在开位。当ML3合上后，d1点发生故障，母联电流从无到有并达到了母联充电保护电流定值，充电保护跳开ML3切除故障点d1。

图4 Ⅱ母故障时故障电流示意图

3 微机型比例式母线差动保护

220 kV变电站母线差动保护全部更换为微机型比例式差动保护，微机型母线差动保护与电磁型的固定连接方式下母线差动保护有所不同，具有双母线运行方式识别功能，双母线运行方式识别功能是根据母线上各连接单元隔离开关和母联断路器的分、合闸状态，给出母线的运行方式，供保护装置识别双母线一次接线运行方式的变化。母线差动保护根据保护装置识别双母线一次接线运行方式进行故障母线选择。大差差动电流不计及母联电流，各段小差差动电流均应根据母联断路器位置的状态和母联TA的极性计及母联电流。N单元双母线专用母联差动电流表达式如下:

id=|Kmliml+K1i1+… +KN－1iN－1|

式中，Km为母联支路系数，K1，…，KN－1为非母联支路系数;im1，i1，…，In－1为经过换算后的一次电流或二次电流。计算大差差动电流和制动电流时Km1=0，K1=…=KN－1=1;计算Ⅰ母差动电流时K1，…，KN－1根据对应支路运行于Ⅰ母取1，不运行于Ⅰ母取0，当母联投入运行时，若母联TA极性与Ⅰ母一致，则Km1=1，若母联TA极性与Ⅱ母一致，则Km1=－1，当母联退出运行时Km1=0。计算Ⅱ母差动电流时原则同上。

如图5所示，设一次接线方式为双母线接线，充电时的运行方式:Ⅰ母在运行状态，Ⅱ母检修结束，QF1、QF2在合位且均连接于Ⅰ母线上，QF3在分位。启用充电保护对Ⅱ母线进行充电。

图5 Ⅱ母故障时故障电流示意图

差流计算结果:

大差电流:id=i1+i2

Ⅰ母小差电流:id1=i1+i2－i3=0

Ⅱ母小差电流:id2=i1+i2

因此，大差启动元件动作，Ⅰ母小差选择元件不动作，Ⅱ母小差选择元件动作跳开QF3。

微机型比例式差动保护在母线充电时能正确选择故障母线，确保无故障母线继续运行，因此在利用母联断路器对空母线进行充电操作过程中，不需停用母线差动保护。

4 死区保护在母线充电时的动作逻辑

4.1 母联死区保护的定义

对于双母线，在母联单元上只安装1组TA的情况下，母联TA与母联断路器之间发生故障，差动保护存在盲区。如图6所示d1处故障，属Ⅰ母小差动保护的区内，不属Ⅱ母小差动保护范围，Ⅰ母保护动作并跳开XL1、ML3，而Ⅱ母保护不动作。母联断路器跳闸后，d1故障点继续由XL2提供短路电流而无法切除，形成母差和充电保护盲区。因此，微机型比例式差动保护中配置死区保护，当母线差动保护停用时死区保护也会随之退出。

4.2 向空母线充电过程中母联死区保护动作逻辑分析

如图7所示，当充电保护不配置在母差保护装置中时，装置能够自动识别母联的充电保护，当母联断路器手合触点由断开变为闭合时，通过追溯1个周波 (20 ms)前的两段母线电压、母联TA电流，判定是否进入充电状态。当检测到至少有1条母线无电压、母联TA无电流 (IBC=0)，装置自动识别为母联断路器对空母线充电 (此时展宽1 s)。如果充电过程中母联断路器合于故障母线，则闭锁差动300 ms。

假设Ⅰ母线运行，Ⅱ母线检修工作结束，断路器XL1在合位，断路器XL2在分位，断路器ML3在分位。现在要用Ⅰ母线对Ⅱ母线进行充电，充电时母联断路器和TA之间故障可能有以下两种情况。

a． 如图8所示，母联TA装在电源母线 (Ⅰ母线)侧，隔离开关GL1合闸立即发生故障，此时充电保护尚未启动 (母联断路器在分位，不满足充电保护动作条件)，即使跳开母联断路器也无法切除故障，只能靠Ⅰ母差动保护动作跳开电源母线 (Ⅰ母线)的所有连接单元断路器 (母联断路器未合，差流不计及母联电流，该故障被差动保护判断为区内)。

b． 如图9所示，母联TA装在被充电母线(Ⅱ母线)侧，只有当母联断路器ML3合闸才能发生故障，但母联TA无电流，跳开母联断路器可切除故障，但由于电源母线段的差动保护符合动作条件，会误跳电源母线段上的所有连接单元。为防止这种误动，充电时应闭锁母线差动保护300 ms，并在差流Id过量时作为充电一段的动作条件 (考虑差流误差，提高为1.1倍差动定值)，充电保护动作不带延时先跳母联断路器ML3。300ms后若有故障发展或母联失灵则差动保护动作跳运行母线。

5 母线存在无保护运行状态

假设一次接线方式为双母线接线，充电时的运行方式:Ⅰ母在运行状态，Ⅱ母检修结束，母联断路器在分位。运行人员在操作中完全退出了差动保护，只投入了母联充电保护。当运行人员将母联断路器合闸后，但还未能将差动保护投入运行。那么在这段时间内，无论是运行母线 (Ⅰ母线)还是被充电母线 (Ⅱ母线)都是在无保护的状态下运行。如果恰巧母线在这个时间段内发生短路故障，则差动保护不会动作，将直接影响电力系统的安全稳定运行，造成严重后果。这也是在母线充电过程中退出差动保护的缺陷。

6 结束语

通过对各种保护原理在各类型故障时动作逻辑的分析可知，在对空母线充电的过程中差动保护不但能瞬时且有选择性的切除故障，死区保护还能切除死区故障。退出差动保护时母联死区保护退出，当母联TA装设在被充电母线侧，发生死区故障时，母联TA无电流，充电保护不能动作切除故障点，只能靠母线各元件对端保护带时限跳开故障点。

现在运行人员还会在对空母线充电的操作过程中将差动保护完全退出，是因为运行人员还延续着常规的固定连接方式母线完全差动保护操作规程，防止差动保护动作跳开两段母线上所有元件。微机型比例式差动保护的逻辑与功能都与常规保护有了很大不同。而运行人员未能掌握常规继电保护和微机保护的区别，未能从传统的运行思路中走出来，导致操作步骤过多，容易造成一次设备在无保护状态下运行。

因此，建议运行人员在进行对空母线充电的操作中，不应该退出差动保护。运行人员应结合微机型保护特点，对保护原理、装置组成、压板配置及具体应用情况等进行认真总结、分析，寻找微机技术应用的特点，尽快地在新设备使用过程中掌握主动，有效地防止误操作事故的发生和提高突发性事故的处理水平。

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