母联死区保护原理分析及改进方法

李卓阳，李睿泽，朱宁宁

（1.国网河北省电力公司超高压分公司，河北 石家庄 050071；2.国网河北省电力公司石家庄公司，河北 石家庄 050030）

0 引言

母联开关在一次系统中起到联络2条母线的作用。在母线保护中，母联电流参与多项主保护与后备保护的故障判别程序，也是母线保护识别一次设备运行方式的重要依据。母联电流由于其在母线保护中逻辑判别的复杂性，使得工作人员对其认识不足，容易造成现场工作的失误。

1 母联电流在母线保护中的应用

1.1 差动保护

母线差动保护由母线大差和各段母线小差组成。对于双母线接线，大差和小差定义如下：大差是指由2段母线上所有电流支路构成的差动保护，不包含母联和分段断路器电流，可区分故障发生在母线内部还是外部，但不能识别哪一条母线有故障；小差是指由与该段母线相连的所有支路电流构成的差动保护，包含与该母线相连的母联和分段断路器电流，所以可选择出发生故障的母线。在双母线（分段）发生短路故障时，大差和某条母线小差同时动作，切除故障母线。其中，大差用于判别母线故障，小差用于选择故障母线[1]。

1.2 母联失灵保护

当母差保护动作或者母联过流保护动作向母联发跳令后，或独立配置的母联保护充电过流启动母差失灵后，若经整定延时母联电流仍然大于母联失灵电流定值，则经过母联失灵延时，母联失灵保护经各母线电压闭锁分别跳相应的母线[2]。

1.3 死区保护

所谓母联死区，是指母联开关与母联电流互感器CT（current transformer）之间的故障区域。母联死区故障形式一般有合位死区、分位死区、充电死区3种情况。其动作结果分别为：在合位死区时，母差保护切除2条母线；在分位死区时，母差保护有选择性地切除1条母线；在充电死区时，母差保护切除电源侧母线[3]。

2 母联CT位置与死区保护分析

2.1 单侧布置

某变电站简化220 kV母线配置如图1所示。图1中，201为母联开关，251线路接入I母，252线路接入Ⅱ母，2条线路代表母线上的全部负荷。其中，CT1—CT6均为母差保护电流互感器，CT1、CT3、CT5接入母差保护A，CT2、CT4、CT6接入母差保护B，母联CT布置在I母侧，所有CT以流出I母线方向为极性端。

合位死区：母联合位死区逻辑如图2所示。当故障点发生在K1时，大差判断为区内故障，小差判断为Ⅱ母故障，在母差动作跳开Ⅱ母及母联后，母联CT仍有电流存在，此时母差保护经150 ms延时后判定为死区故障，此时母联电流要退出小差计算，I母小差跳I母切除死区。合位死区的最终结果是切除2条母线。

图2 母联合位死区逻辑图

分位死区：母联分位死区逻辑如图3所示。当母联开关在分位，投入母联分裂压板后，母线保护小差将母联电流退出计算，从而有选择性地切除一条母线[4]。

图3 母联分位死区逻辑图

充电死区：母联充电死区逻辑如图4所示。母线保护应能自动识别母联的充电状态，合闸于死区故障时，应瞬时跳母联，不应误切除运行母线。按如下原则实施。

图4 母联充电死区逻辑图

a）由操作箱提供的SHJ触点（手合触点）、母联TWJ、母联（分段）CT“有无电流”的判别，作为母线保护判断母联（分段）充电并进入充电逻辑的依据。

b）充电逻辑有效时间为SHJ触点由“0”变为“1”后的1 s内，1 s后恢复为正常运行母线保护逻辑。

c）母线保护在充电逻辑的有效时间内，如满足动作条件应瞬时跳母联（分段）断路器，如母线保护仍不复归，延时300 ms跳运行母线，以防止误切除运行母线。

需要强调的是，充电死区保护针对CT在无源侧时起作用。在图4中母联CT布置在I母侧，只有运行的Ⅱ母充电至无电的I母时进入充电死区判别逻辑[5]。当故障点在K1时，在合上母联201-1刀闸后还未合201开关前，I母线通过201-1刀闸直接接地，母线差动保护瞬时母联及I母负荷，导致变电站220 kV间隔全部失电，造成严重经济损失。

2.2 双侧布置

目前新投入智能变电站采用CT双侧布置，典型接线方式如图5所示。图5中，各CT作用与图1相同，母联CT1、CT2布置于开关两侧。所有CT以流出IA母线方向为极性端。

图5 母联CT双侧布置图

合位死区：故障点发生在K1或K2时，CT1与CT5包含的区域判为Ⅱ母区内故障，母差保护A动作跳201与252开关，CT2与CT4包含的区域判断为I母区内故障，母差保护B动作跳201与251开关。此种母联CT布置方式下的死区故障，由差动保护瞬时动作切断故障，而非死区保护，消除了母联合位死区。

分位死区：分位死区时，由于母联CT不计入差动计算，CT布置方式不影响分位死区逻辑，判断逻辑与CT单侧布置相同。

充电死区：由于充电死区只针对CT在无源侧作用，当I母线充电至Ⅱ母线时，若故障点在K2，CT2所属的母差B充电死区动作跳开母联；当Ⅱ母线充电至I母线时，若故障点在K1，CT1所属的母差A充电死区动作跳开母联。

可见，相较于母联CT单侧布置的情况，双侧布置的形式消除了母联合位死区，差动保护直接跳闸切除2条母线，省去了母联跳闸后TWJ开入时间及150 ms死区判别延时，缩短了接地故障时间，有利于电力系统的安全稳定运行。

但双侧布置存在明显的缺点，即在合位死区的情况下，2套母线保护动作结果不同，切除的母线不同，并未实现真正的双重化，且扩大了故障切除范围[6]。图2中，若故障点位于K1、K2时，由CT1和CT5构成的母差保护A瞬时跳开母联及Ⅱ母线开关，由CT2与CT4构成的母差B跳开母线及I母线开关。

当一套母差保护退出运行时（如扩建间隔母差接入工作时，需要母差保护轮流退出运行），合位死区的动作逻辑与母联单侧布置时相同，失去了快速消除合位死区的优势[7]。

同样对于充电死区，当I母线充电至Ⅱ母线时，B套母差充电死区动作，A套母差不动作。当Ⅱ母线充电至I母线时，A套母差充电死区动作，B套母差不动作。无论何种充电方式，只有单套母线保护充电死区动作，也不满足双重化配置的要求。为此本文提出一种CT布置及死区逻辑判断的改进方法。

3 母联CT双侧布置的改进方法

母联CT双侧布置改进如图6所示。图6中，增加新的母线保护CT线圈CT1A与CT2B，二次回路分别接入母线保护A、B，专门用于死区辅助判别逻辑。

图6 母联CT双侧布置改进图

A套母差保护合位死区动作逻辑如图7所示。当A套大差保护判断为区内故障时，母线保护瞬时跳开母联，并开放延时判断故障点是否位于母联死区。

图7 A套母差保护合位死区动作逻辑

在增加CT1A进入合位死区逻辑判别时，可以通过CT1A与CT1的CT极性对比来判断故障点：若CT1A与CT1同极性，则为母联区外故障，此时开放小差保护，母线保护A跳开故障母线，若CT1A与CT1极性相反，则为母联死区故障。

若故障点位于K1，则CT1出现很大短路电流，CT1A无流，此时CT1退出小差计算，小差动作跳I母负荷，故障切除。若故障点位于K2，则CT1A出现很大短路电流，CT1无流，此时CT1A退出小差计算，小差动作跳II母负荷，故障切除。

B套母差保护合位死区动作逻辑如图8所示。当B套大差保护判断为区内故障时，母线保护瞬时跳开母联，并开放延时判断故障点是否位于母联死区。

图8 B套母差保护合位死区动作逻辑

在增加CT2B进入合位死区逻辑判别时，可以通过CT2B与CT2的CT极性对比来判断故障点：若CT2B与CT2同极性，则为母联区外故障，此时开放小差保护，母线保护A跳开故障母线；若CT2B与CT2极性相反，则为母联死区故障。

若故障点位于K1，则CT2B出现很大短路电流，CT2无流，此时CT2B退出小差计算，小差动作跳I母负荷，故障切除；若故障点位于K2，则CT2出现很大短路电流，CT2B无流，此时CT2退出小差计算，小差动作跳Ⅱ母负荷，故障切除。

对比2套母差保护在同一母联死区故障点的动作行为：故障点位于K1或K2时，2套保护同时跳母联开关，经短延时判断故障点位置，同时动作切除故障母线。

此种方式布置，可以在合位死区时只切除一条母线，就能隔绝故障点。且2套保护动作逻辑相同，不会出现2套保护出口不同的情况。当一套保护退出运行的情况下，单套保护仍有只切除1条母线的优势。在图8中，若B套母差退出运行，由于A套母差保护CT1A与CT1布置于母联两侧，动作逻辑不变，仍可通过短延时切除故障母线，保留1条母线的运行状态。

充电死区保护逻辑如图9所示。在充电死区原有保护逻辑中，同样将CT1A和CT2B纳入故障判别程序。母线保护通过I母与Ⅱ母电压判断一次设备充电方式，当识别到I母运行向Ⅱ母充电时，CT1与CT2B分别用于母差保护A与母差保护B的充电死区保护；母线保护识别到Ⅱ母运行向I母充电时，CT1A与CT2分别用于母差保护A与母差保护B的充电死区保护。

图9 充电死区保护逻辑

对比2套母差保护在同一母联死区故障点的动作行为：故障点位于K1或K2时，2套保护根据充电方式判断故障点位置，同时跳母联开关切除故障。

4 结束语

在双母线接线工程设计中，采用母联电流互感器常规布置，对于在死区或者交叉区域位置的故障点，都会存在2条母线被断开的风险。本文在母联CT双侧布置的基础上，提出增加2组母联电流互感器，分别引入2套母线保护的方式，增加了在母联合位死区、充电死区的逻辑判据，实现了母线保护在各类母联死区情况下的双重化设计，提高了电网安全运行的稳定性。