浅谈BP-2B母线保护装置的在某水电厂的应用

摘要：母线故障是电气设备最严重的故障之一，故障时使连接于母线的所有元件被迫停电。装设专用的母线保护装置有利于快速的切除母线故障，缩少事故范围，保障电网的安全、稳定运行。BP-2B微机母线保护装置适用于一台半断路器接线、双母线、双母线分段、单母线、单母线分段接线等。本文从母线差动保护的原理出发，结合工程实例应用，谈谈自己的看法。

关键词：BP-2B母线差动保护母联充电保护母联过流保护母联失灵保护断路器失灵保护出口

中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：

引言：

母线保护是保障电网安全稳定运行的重要设备，它的选择性、可靠性、灵敏性和速动性对保证整个区域电网的安全具有决定性的意义。迄今为止，在电网中广泛应用的母线保护包括：按循环电流原理构成的电流差动保护、母联电流相位比较差动保护、电流相位比较式差动保护、比率制动式差动保护；经各发、供电单位多年电网运行经验总结，普遍认为就适应母线运行方式、故障类型、过渡电阻等方面而言，无疑是按分相电流差动原理构成的比率制动式母差保护效果最佳。BP-2B微机母线保护装置还具有整组动作时间快速、灵敏度高；自适应全波饱和检测器，差动保护在区外饱和时有极强的抗饱和能力，又能快速切除转换性故障，适用于任何按技术要求正确选型的保护电流互感器；允许TA型号、变比不同，TA变比可以现场设定；母线运行方式自适应，电流校验自动纠正刀闸辅助接点的错误；后台通讯方式灵活，支持电力行业标准通讯规DL/T667-1999（IEC60870-5-103）的特点。

BP-2B母线保护装置

对于220kV～500kV母线，应装设两套母线保护装置，某工程220kV母线配置了两套BP-2B微机母线差动保护装置。该保护装置可以实现母线差动保护、母联充电保护、母联过流保护、母联失灵（或死区）保护、以及断路器失灵保护出口等功能。

1.母线差动保护

各种类型的母线保护就其对母线接线方式、电网运行方式、故障类型以及故障点过渡电阻等方面的适应性来说，仍以按电流差动原理构成的母线保护为最佳。带制动特性的差动继电器（即比率差动继电器），采用一次的穿越电流作为制动电流，以克服区外故障时由于电流互感器（以下称TA）误差而产生的差动不平衡电流，在高压电网中得到了较为广泛的应用。BP系列母差保护以此为基础，结合微机数字处理的特点，发展出以分相瞬时值复式比率差动元件为主的一整套电流差动保护方案。下述各元件判据除非特别说明，都是分相计算，分相判别。

下面分别从母线差动保护的起动元件、差动元件、TA饱和检测元件、故障母线选择逻辑、差动回路和出口回路的切换几方面对我厂所配置的BP-2B母线保护装置的各元件的判据、算法、逻辑等进行简要说明。

1）起动元件

母线差动保护的起动元件由‘和电流突变量’和‘差电流越限’两个判据组成。‘和电流’是指母线上所有连接元件电流的绝对值之和；‘差电流’是指所有连接元件电流和的绝对值。与传统差动保护不同，微机保护的‘差电流’与‘和电流’不是从模拟电流回路中直接获得，而是通过电流采样值的数值计算求得。起动元件分相起动，分相返回。

a.和电流突变量判据：当任一相的和电流突变量大于突变量门坎时，该相起动元件动作。

b.差电流越限判据：当任一相的差电流大于差电流门坎定值时，该相起动元件动作。

c.起动元件返回判据：起动元件一旦动作后自动展宽40ms，再根据起动元件返回判据决定该元件何时返回。当任一相差电流小于差电流门坎定值的75%时，该相起动元件返回。

2）差动元件

母线保护差动元件由分相复式比率差动判据和分相突变量复式比率差动判据构成。

a.复式比率差动动作表达式为：

其中为差电流门坎定值，Kr为复式比率系数（制动系数）。

复式比率差动判据相对于传统的比率制动判据，由于在制动量的计算中引入了差电流，使其在母线区外故障时有极强的制动特性，在母线区内故障时无制动，因此能更明确地区分区外故障和区内故障，下图表示复式比率差动元件的动作特性。

b.故障分量复式比率差动判据

根据叠加原理，故障分量电流有以下特点：a. 母线内部故障时，母线各支路同名相故障分量电流在相位上接近相等（即使故障前系统电源功角摆开）。b. 理论上，只要故障点过渡电阻不是∞，母线内部故障时故障分量电流的相位关系不会改变。

为有效减少负荷电流对差动保护灵敏度的影响，为进一步减少故障前系统电源功角关系对保护动作特性的影响，提高保护切除经过渡电阻接地故障的能力，本装置采用电流故障分量分相差动构成复式比率差动判据。

故障分量的提取有多种方案，本保护采用的数字算法如下：

式中为当前电流采样值；)为一个周波前的采样值。在故障发生后的一个周波内，其输出能较为准确地反映包括各种谐波分量在内的故障分量。

动作表达式为：

其中为第j个连接元件的电流故障分量，为故障分量差电流门坎，由推得；为复式比率系数（制动系数）。

由于电流故障分量的暂态特性，故障分量复式比率差动判据仅在和电流突变起动后的第一个周波投入，并受使用低制动系数（0.5）的复式比率差动判据闭锁。

保护将母线上所有连接元件的电流采样值输入上述两个差动判据，即构成大差（总差）比率差动元件；对于分段母线，将每一段母线所连接元件的电流采样值输入上述差动判据，即构成小差（分差）比率差动元件。各元件连接在哪一段母线上，是根据各连接元件的刀闸（隔离开关）位置来决定。

3)电流互感器）饱和检测元件

为防止母线差动保护在母线近端发生区外故障时，由于TA严重饱和出现差电流的情况下误动作，本装置根据TA饱和发生的机理、以及TA饱和后二次电流波形的特点设置了TA饱和检测元件，用来判别差电流的产生是否由区外故障TA饱和引起。

该饱和检测元件可以称之为自适应全波暂态监视器。该监视器判别区内故障情况下截然不同于区外故障发生TA饱和情况下元件与元件的动作时序，以及利用了TA饱和时差电流波形畸变和每周波都存在线形传变区等特点，可以准确检测出饱和发生的时刻，具有极强的抗TA饱和能力。

电压闭锁元件

以电流判据为主的差动元件，可以用电压闭锁元件来配合，提高保护整体的可靠性。电压闭锁元件的动作表达式为：

式中为母线线电压（相间电压），为母线三倍零序电压，为母线负序电压，、、分别为各序电压闭锁定值。因为判据中用到了低电压、零序和负序电压，所以称之为复合电压闭锁。三个判据中的任何一个被满足，该段母线的电压闭锁元件就会动作，称为复合电压元件动作。如母线电压正常，则闭锁元件返回。本元件瞬时动作，动作后自动展宽40ms再返回。差动元件动作出口，必须相应母线段的母线差动复合电压元件动作（与失灵复合电压元件相区分）。

4)故障母线选择逻辑

大差比率差动元件与小差比率差动元件各有特点。大差比率差动元件的差动保护范围涵盖各段母线，大多数情况下不受运行方式的控制；小差比率差动元件受当时的运行方式控制，但差动保护范围只是相应的一段母线，具有选择性。

对于固定连接式分段母线，如单母分段、3/2断路器等主接线，由于各个元件固定连接在一段母线上，不在母线段之间切换，因此大差电流只作为起动条件之一，各段母线的小差比率差动元件既是区内故障判别元件，也是故障母线选择元件。

对于存在倒闸操作的双母线、双母分段等主接线，差动保护使用大差比率差动元件作为区内故障判别元件；使用小差比率差动元件作为故障母线选择元件。即由大差比率元件是否动作，区分母线区外故障与母线区内故障；当大差比率元件动作时，由小差比率元件是否动作决定故障发生在哪一段母线。这样可以最大限度的减少由于刀闸辅助接点位置不对应造成的母差保护误动作。

考虑到分段母线的联络开关断开的情况下发生区内故障，非故障母线段有电流流出母线，影响大差比率元件的灵敏度，大差比率差动元件的比率制动系数可以自动调整。联络开关处于合位时（母线并列运行），大差比率制动系数与小差比率制动系数相同（可整定）；当联络开关处于分位时（母线分列运行），大差比率差动元件自动转用比率制动系数低值（也可整定）。

母线上的连接元件倒闸过程中，两条母线经刀闸相连时（母线互联），装置自动转入‘母线互联方式’（‘非选择方式’）——不进行故障母线的选择，一旦发生故障同时切除两段母线。当运行方式需要时，如母联操作回路失电，也可以设定保护控制字中的‘强制母线互联’软压板，强制保护进入互联方式。

综上所述，结合某水电厂220KV系统双母线接线其中的I母为例，差动保护的整个逻辑关系如图：

2.母联失灵和死区保护

母线并列运行，当保护向母联开关发出跳令后，经整定延时若大差电流元件不返回，母联流互中仍然有电流，则母联失灵保护应经母线差动复合电压闭锁后切除相关母线各元件。只有母联开关作为联络开关时，才起动母联失灵保护，因此母差保护和母联充电保护起动母联失灵保护。

母线并列运行，当故障发生在母联开关与母联流互之间时，断路器侧母线段跳闸出口无法切除该故障，而流互侧母线段的小差元件不会动作，这种情况称之为死区故障。此时，母差保护已动作于一段母线，大差电流元件不返回，母联开关已跳开而母联流互仍有电流，死区保护应经母线差动复合电压闭锁后切除相关母线。

结论

母线作为水电厂极为重要的元件，是输配电的枢纽，其工作的可靠性将影响到电力系统的安全可靠运行。母线发生故障的影响面通常较大，是最严重的电气故障之一，必须快速切断故障，否则将会扩大事故范围，影响电力系统整体的稳定性，所以必须按照《继电保护和安全自动装置积水规程》GB/T 14285设置母线保护。母线保护是保证电网安全稳定运行的重要系统设备，它的安全性、可靠性、灵敏性和快速性对保证整个区域电网的安全具有决定性的意义。目前电流差动保护在电力系统的发电机、主变压器、线路和母线上大量使用,具有灵敏度高、动作简单、快速可靠、能适应电力系统振荡、非全相运行等优点,是其他保护形式所无法比拟的。

参考文献：

[1]能源部西北电力设计院，电力工程电气设计手册2电气二次部分.[2]继电保护和安全自动装置技术规程 GB/T 14285-2006.

[3]BP-2B微机母线保护装置技术说明书V1.04[Z]. 长园深瑞继保自动化有限公司.