220 k V母线差动保护死区故障分析

于海波，姚洪波，帅志飞

（1.国网上海市电力公司检修公司，上海 200063；2.国网上海市电力公司浦东供电公司，上海 200122）

母线故障是最严重的电气故障之一，而母联断路器和单侧电流互感器（TA）之间发生故障，将对保护的要求很高。虽然这类故障的概率较小，但是后果十分严重。母线的主接线形式，不管是采用双母线配置，还是采用单母线分段配置；不管保护是电磁型保护，还是全微机型保护，其母线差动采用母联或分段的TA，如果是单侧TA，那么就存在死区问题。

1220 k V母线差动保护的发展历程

上海地区的220 k V母线差动保护装置，主要经历了3个不同阶段的变化，即电磁型保护、集成型母差保护和微机型保护。

第一代的纯电磁型差动保护使用年限最长，使用了将近半个世纪，直至20世纪90年代末才被淘汰，其代表装置是通过将BCH-2差动继电器等一系列分列电磁型继电器，通过外部接线连接构成的保护装置。保护原理是由BCH-2差动继电器构成大差动保护（不接入母联电流），母线范围内（包括死区）故障，差动保护都先跳开母联，再通过低电压来选择切除故障母线；优点是保护原理、结构简单，但保护固有动作时间较慢，已不适应电网的发展。

第二代的集成型或半微机型母差保护，主要是指1990年后引进国外比较先进的产品，例如：ABB公司的RADSS和REB103，GE公司的BUS1000等母差保护装置。特点是差动继电器都是集成型或微机型的装置，所采集的电流都须进行二次变换和整流；优点是精度高、动作灵敏；缺点是其外回路设计较为复杂，如电流镜像回路、跳闸回路、失灵启动回路、不联回路、互联回路等，都是将数个电磁型中间继电器通过二次线和电缆连接，调试比较繁复，容易出现回路接线错误。

第三代的微机型母差保护，大多采用国产装置，例如：南瑞继保公司的RCS-915AB和深圳南瑞的BP-2B微机母线保护装置，不但继承了第二代保护动作快的优点外，还简化了外部回路，取消了诸如镜像、互联、不联等回路，使保护动作更加可靠，而且方便了调试。

不管保护装置如何更新换代，目前，都必须面对双母线接线，母联断路器单侧TA的死区问题，而目前解决死区故障的方法，首先由大差动元件动作先跳开母联断路器，然后由故障母线的小差元件（或低电压选排元件）动作，再跳开故障母线上所有断路器，切除故障。

2220 kV母线差动保护死区故障原因

1）死区故障的定义 母线并列运行时，当故障发生在母联断路器与母联TA之间时，断路器侧母线段跳闸出口无法切除该故障，而TA侧母线段的小差元件不会动作，这种状况称之为死区故障。

2）死区故障的原因 在母联断路器与TA之间发生故障时，其电流流向如图1所示。当母联（或分段）与TA之间发生故障时，由于故障点在TA靠近正母侧，故母差的正母小差动作，跳开正母上的所有断路器。此时故障点仍然存在，但副母小差的故障电流仍然满足流入等于流出的平衡，无法启动副母小差动作隔离故障点。

为了消除此类母线差动保护死区故障，母差保护就需要在正母小差动作跳掉母联断路器后，副母小差的计算电流中，将母联TA的电流不计入副母小差，从而启动副母小差，跳开副母上的所有断路器。当母联配置单侧TA，由于正母差和副母差无法正确判断区内故障还是区外故障，由此产生了死区。

图1 断路器单侧配置TA

3220 k V母线差动保护死区动作原理

3.1 电磁型母差保护

220 k V电网BUS-1000、RADSS和REB-103等电磁型母差保护，不联退出原理图，见图2。

图2 电磁型母差不联退出原理

在母联合闸同时自动将母联双位置继电器（MLJ1、MLJ2）投入，则母联的两组TA的电流经其闭合的常开接点分别切入正、副母REB103母差差动电流输入回路中。反之，一旦母差保护、母联解列保护及母差失灵保护动作，即将MLJ1、MLJ2退出，使得两组TA电流被短接而不流入差动回路中。该“不联回路”的作用，是在确保母联断路器交流电流回路分别接入正母差及副母差后，才允许合闸，以保证母差保护正确动作。如发生MLJ1、MLJ2与母联断路器不对应时，发“电流断线”告警信号，并闭锁母差。所以，只要母联断路器位置发生变化，都应检查母联投退MLJ1、 MLJ2的位置是否正确。当母联分闸后，母联投退MLJ1、MLJ2返回，两组TA从各自的REB103输入回路退出，并被短接。

对于单侧TA来说，当在TA和断路器之间发生故障时，TA侧母线判定为区外故障而不动；断路器侧母差虽然判断区内故障，正确动作，将母联断路器跳闸。但故障仍然存在，此时启动母联的“不联回路”。“不联回路”经150 ms延时后自动将母联断路器的MLJ1和MLJ2退出，将电流回路短接，使电流不流入母差回路，TA侧母差感受到故障存在，TA侧差动元件动作，从而使该母差保护相继动作，以较短时限切除故障。

3.2 微机型母差保护

对于220 k V电网使用南瑞继保RCS-915AB微机型母差保护而言，当母联断路器和TA之间发生故障，断路器侧母线跳开后故障依然存在，正好处于TA侧母线小差的死区，为了提高保护动作速度，专设了母联死区保护。在差动保护发母联跳闸命令后，母联断路器已跳开Ⅱ母联，而母联TA仍有电流，且大差比率差动元件及断路器侧小差比率差动元件不返回的状况下，经死区动作延时Tsq跳开另一条母线。

为防止母联在跳位时发生死区故障，将母线全切除。当Ⅱ母线都有电压，且母联在跳位时母联电流不计入小差。母联TWJ为三相常开接点（母联断路器处跳闸位置时接点闭合）串联。RCS-915母差不联退出原理图，如图3所示。

图3 RCS-915母差不联退出原理

对于220 k V电网使用深圳南瑞BP-2B微机型母差保护而言，死区故障时，母差保护已动作于一段母线，大差电流元件不返回，母联断路器已跳开，而母联TA仍有电流，死区保护应经母线差动复合电压闭锁后切除相关母线。

母线分段运行时，如断路器TA处发生故障，由于母联TA已退出，所以保护可以直接跳故障母线，避免了故障切除范围的扩大。BP-2B母差不联退出原理图，如图4所示。

图4 BP-2B母差不联退出原理

对于110 k V电网使用深圳南瑞BP-2A微机型母差保护而言，在母联断路器和TA之间发生故障时，当断路器侧母差动作跳闸无法切除故障，就需要进一步切除母线上的其余单元。因此，在保护动作，发出跳开母联断路器的命令后，经延时180 ms，判别母联电流是否越限。如延时或母联电流满足越限条件，且母线复合电压动作，则跳开电压不正常母线上的所有断路器。BP-2A母差不联退出原理图，如图5所示。

图5 BP-2A母差不联退出原理

4 改进措施

4.1 断路器两侧配置TA

消除保护死区的措施是在断路器两侧配置TA，从源头上解决保护死区问题。在母联和TA之间发生故障时，其电流流向如图6所示。

图6 断路器两侧配置TA

当母联（或分段）与TA之间发生故障时，因故障点在断路器和副母TA中间，故正母差动保护动作，跳开正母上的所有断路器。倘若故障点在断路器和正母TA中间，那么副母差动保护动作，跳开副母上的所有断路器，从而将故障点隔离。

从上海市电力公司的现状来说，敞开式布置、采用独立元件构成的断路器配置的都是单侧TA，只有110 k V及以上主接线采用成套GIS组合电器的，其每个断路器的两侧都配置TA。因此，对于采用敞开式布置、独立元件构成的一些老变电站，若要分段或母联断路器两侧都有TA，可以通过将分段或母联断路器直接改造为GIS组合式电器的方式，不失为当前最经济、最行之有效方案。目前，上海市电力公司所属西郊站和机场站，其部分220 k V分段、母联断路器已进行改造，效果很好。

4.2 改变运行方式

对于无法改造为双侧TA的分段或母联断路器，如果分段或母联断路器一直在运行位置，死区将继续存在，因为单侧TA导致了保护死区问题。针对这种情况，可以通过改变电网运行方式，将单侧TA的断路器改为分区解列点，或者改为断路器常处于热备用的运行状态，也可以达到消除保护死区的目的。

5 结语

目前，还没有保护装置能在死区故障时正确判断故障发生在母联断路器的哪一侧，并准确选择故障母线切除故障的方法。在死区发生故障时，母联（或分段）两侧的母线都将相继被切除，造成两段母线都失电。但对于正副母差动分别采集的保护，如RADSS、REB103等电磁型保护，如果采用断路器两侧TA分别交叉接入正副母差，那么在死区发生故障时，两段母线均会正确判断区内故障，0 s跳闸，相对于断路器单侧装TA的接线方式，节约了150 ms，减少了故障电流对设备的冲击和损害，同时也减少了故障对系统的冲击影响。

在当前电网的主接线形式下，通过对上海220 k V电网内各类保护死区的动作特点进行分析和总结，用以提高对死区故障的判断和准确处理，对确保电网的安全、稳定运行，起到技术支撑作用。