双母双分段母线保护配置及母联分段开关失灵和死区保护动作分析
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
中国南方电网超高压输电公司贵阳局的研究人员车晓骏、杨波、徐军、袁仁彪、刘长发，在2017年第6期《电气技术》杂志上撰文，介绍了青岩变电站220kV双母线双分段接线方式下母差保护的配置方式，对母联和分段开关在失灵和死区故障情况下母差保护的动作逻辑进行了分析，阐明了母差保护中母联及分段开关的失灵保护和死区保护的动作原理和动作过程，为运行人员实际处理此类事故时提供了参考。
随着青岩变电站220kV间隔出线的不断增多，考虑到地区电网的安全稳定运行越来越重要，青岩变电站进行了220kV双母双分段工程改造，把原来220kV的双母线接线方式改造成为双母线双分段接线方式。
双母双分段母线运行方式拥有诸多的优点：运行调度灵活，对于母线上的任一线路，可以选择由该条母线上的电源供电，也可以通过母联单元或分段单元由其它母线单元电源供电。当双母双分段中一段母线停电检修时，可将检修母线上的线路单元切换至另一条母线运行，双母双分段接线方式需要切换的线路单元减少约一半，可以降低了运行人员的工作量和误操作风险，运行更加可靠。
当母线发生故障时，母差保护动作跳开其中一条母线，故障影响的回路也减少了约一半，大大增强了电网的可靠性和稳定性。文中对改造后的母线保护配置、母联及分段开关的失灵和死区保护等相关问题进行分析探讨。
1 母线保护配置
图1中230开关是连接I母和III母的分段开关，240开关是连接II母和IV母的分段开关，210开关是连接I母和II母的母联开关，220开关是连接III母和IV母的母联开关。所有间隔包括母联和分段开关间隔均采用单电流互感器的配置方式。
其中230分段开关的CT在III母侧，240分段开关的CT在IV侧，210母联开关的CT在I母侧，220母联开关的CT在III母侧。母差保护采用双重化配置，具体配置如下：I母和II母配置两套不同厂家的母线保护，分别为第一套微机母线保护（南瑞PCS-915NB）和第二套微机母线保护（深瑞BP-2C）；III母和IV母也配置两套不同厂家的母线保护，分别为第一套微机母线保护（南瑞PCS-915NB）和第二套微机母线保护（深瑞BP-2C）。
I/II母两套保护和III/IV母两套保护的保护范围在两个分段开关处交叠。以下将分别详细讨论母联开关和分段开关发生失灵拒动以及死区故障后保护的一系列动作逻辑和动作过程。
图1 青岩站改造后220kV双母双分段一次接线简图
2 母联失灵保护
现以I母上发生短路故障，210母联开关失灵拒动为例分析母联失灵保护的动作逻辑。I母上发生短路故障后，I/II母母线保护大差元件动作,判别为母线区内故障，I母小差元件动作，判别I母为故障母线，同时I母复合电压闭锁开放，保护出口跳I母上各出线开关、230分段开关和210母联开关。
由于210母联开关失灵拒动使得II母上的电源线路经210母联开关流经210开关电流互感器的短路电流仍然存在，这时保护经母联失灵延时，封210开关电流互感器电流，即210开关电流不再计入II母小差差流的计算中。
封210开关电流后，由于II母小差只有流入电流而没有流出电流使得II母小差元件动作，且故障期间母线复合电压闭锁元件一直保持开放，保护出口跳II母上各出线开关和240分段开关，整个母线短路故障就此全部切除。上述动作过程的保护逻辑框图如图2所示。
总结起来母联失灵保护的关键点在于保护跳开故障段母线的出线和分段开关后封掉失灵拒动的母联开关电流使得相邻段母线的小差元件动作来彻底切除故障点。母联失灵保护的动作后果即为一段母线故障造成两段母线同时失电。
图2 母联失灵保护动作逻辑框图
3 母联死区保护
通常把发生在母联开关和母联电流互感器之间的故障称为母联死区故障。现以210母联开关和电流互感器之间发生故障为例说明母联死区保护的动作过程。值得注意的是，死区故障发生时母联开关在合位或分位时保护的动作情况不一样。现就这两种情况分别加以讨论。
当母联开关在合位时，由于电流互感器在I母侧，I/II母母线保护大差元件和II母小差元件都动作，同时经II母复合电压闭锁开放后，保护出口跳II母上各出线开关、240分段开关和210母联开关。II母上所有开关都跳开后，I母上的电源线路仍然向故障点送短路电流。
这时虽然大差元件动作，但是对I母小差，流入电流等于流出电流，小差元件不动作，故障无法切除。在这种情况下，保护于210母联开关跳开后经150ms延时使母联电流退出小差差流计算。封母联电流后，I母小差元件动作，保护出口跳I母上各出线开关和230分段开关，致此，210开关母联死区故障全部切除。保护封母联电流逻辑框图如图3所示。
当母联开关在分位，I母和II母分裂运行时，死区故障发生后，I/II母母线保护大差元件动作，同时母线复合电压闭锁被解除，而I母和II母的小差元件均不动作。在这种情况下保护经400ms延时封母联开关电流。当母联开关电流不计入小差差流计算后，I母小差元件动作，跳I母上各出线开关和230分段开关，死区故障就此切除。保护封母联电流逻辑框图如图4所示。
图3 母联死区保护（母联开关在合位）动作逻辑框图
图4 母联死区保护（母联开关在分位）动作逻辑框图
由以上分析可知，母联开关在合位时发生死区故障要同时切除两段母线，造成两段母线同时失电，故障范围很大；而母联开关在分位时发生死区故障只需切除电流互感器侧母线，母联开关侧母线则可以继续正常运行，减小了停电范围。
4 分段失灵保护
现以I母发生短路故障，230分段开关失灵拒动为例说明分段失灵保护的动作过程。当I母发生短路故障后，I/II母母线保护大差元件动作，I母小差元件动作，同时解除I母复合电压闭锁，保护出口跳I母上各出线开关，230分段开关和210母联开关。
由于230分段开关失灵拒动，保护在跳开其他开关以后故障没有被切除，这种情况下I/II母母线保护的出口继电器触点将一直动作不返回，同时I/II母母线保护经本屏的启动分段失灵压板，再经III/IV母母线保护屏的启动分段失灵压板向III/IV母母线保护提供启动分段失灵开入。
这时，III/IV母母线保护在满足230开关电流大于分段失灵电流整定值以及III母复合电压闭锁开放的条件后经分段失灵延时跳III母上各出线开关和220母联开关，至此故障被彻底切除。分段开关的失灵启动和动作逻辑回路框图如图5—图6所示。
图5 I/II母母线保护启动分段开关失灵保护动作逻辑框图
图6 III/IV母母线保护启动分段开关失灵保护动作逻辑框图
由以上分析可知，分段失灵保护的动作行为与母联失灵保护相比有很大的不同。母联开关失灵后，是在一套母差保护中完成母联电流封锁，启动另外一段母线的小差动作来切除无故障母线上的所有开关。但是分段开关失灵后，需要两套母差保护的配合，由故障母线的母差保护向非故障母线的母差保护启动外部失灵回路来切除故障。
5 分段死区保护
与母联开关的死区故障相比，分段开关死区故障的保护动作行为要复杂一些。同样，我们以230分段开关在合位和分位两种情况来讨论。首先假设分段开关在合闸位置。当死区故障发生后，由于230分段开关电流互感器位于III母侧，所以对I母来说故障属于区内故障，而对III母来说则属于区外故障。这时I/II母母线保护的大差元件动作，I母的小差元件动作，同时开放I母复合电压闭锁，保护出口跳I母上各出线开关，230分段开关和210母联开关。在I母所有开关都跳开后，电源线路仍然通过III母向故障点送短路电流。
在这种情况下，III/IV母母线保护装置检测分段开关处于分位后延时150ms确认母线分裂状态，封230分段开关电流，即230开关电流不再计入III母小差差流计算中。此后，III/IV母母线保护大差元件动作，III母小差原件动作，同时III母复合电压闭锁开放，保护出口跳III母上各出线开关和220母联开关，故障被完全切除。保护的动作逻辑框图如图7所示。
图7 分段死区保护（分段开关在合位）动作逻辑框图
如果230分段开关在分闸位置。当死区故障发生时，两套母线保护检测分段开关处于分位并延时400ms确认I母和III母确是分裂运行状态后封230分段开关电流。封锁分段开关电流后，I/II母母线保护的大差和小差元件均不动作，而III/IV母母线保护大差元件动作，III母小差元件动作，同时III母复合电压闭锁开放，保护出口跳III母上各出线开关和220母联开关，故障被切除。保护的动作逻辑框图如图8所示。
图8 分段死区保护（分段开关在分位）动作逻辑框图
由以上分析可知，分段死区故障的切除同样需要两套母线保护的配合来完成，而母联死区故障的切除在一套母线保护装置中就可完成。保护动作的后果，在两种情况下也各不相同：分段开关在合位时，保护动作需切除分段开关连接的两段母线，引起的停电范围很大；而分段开关在分位时，保护动作只需切除电流互感器侧母线，分段开关侧母线则可以继续正常运行，减小了故障引起的停电范围。
但理论上来说，母线并列运行时发生分段死区故障，只需切除230分段开关和III上所有连接开关，不需要切除I母。而实际结果确是I母先被切除了，保护在230分段开关跳开后经150ms延时才切除了III母，不但扩大了停电范围也没能在第一时间瞬时切除故障。
这样的情况在母联死区故障（母联开关在合位）时也是一样。这是母联开关和分段开关只有单侧电流互感器死区故障保护的一个显著缺点，优点是只用一组电流互感器，节约了成本且保护的二次接线简单。
6 结论
1）双母双分段接线方式下，母联失灵保护和母联死区保护都只在一套母线保护里完成，而另一套母线保护不动作。
2）分段失灵保护和分段死区保护需要两套母线保护的配合才能完全切除故障。分段失灵保护是一套母线保护动作不返回，启动外部分段失灵回路给另一套母线保护提供分段失灵开入来最终切除故障；分段死区保护在封锁分段开关电流后，也需要另一套母线保护的配合来切除故障。
3）母联失灵故障、母联死区故障（联络开关在合位）、分段失灵故障和分段死区故障（联络开关在合位）都需要切除两段母线才能将故障点彻底隔离，停电范围很大；母联死区故障（联络开关在分位）和分段死区故障（联络开关在分位）只需要切除电流互感器侧的母线就能将故障点隔离，减小了停电范围。
4）对于联络开关在合位时，母联死区故障和分段死区故障母线保护无选择性且不能第一时间瞬时切除故障扩大停电范围的问题还需要进一步研究探讨，相信随着继电保护技术理论的不断发展创新，这个问题定能得到完美解决。