母差保护的探讨

摘要：母差保护是电力系统的一项重要保护，母差保护动作的准确可靠性对整个电力系统的安全运行至关重要，近些年来，因为母差保护误动作引起重大的电网事故较多。文章对一起由线路区外故障引起母差保护误动作的案例分析，得出电流互感器TA发生饱和是导致这起母差保护误动作的原因，同时利用数学模型判据来检测电流互感器TA的饱和，效果可靠。

关键词：原理；电流互感器TA；饱和；措施

中图分类号：TM452 文献标识码：A 文章编号：

1、母差保护基本原理

电力系统在正常运行时，根据基尔霍夫定律，在母线上所有连接元件中，流入的电流相等于流出的电流，也就是∑Ⅰ＝0。而当母线因为各种原因产生故障时，所有与电源连接的元件就会向故障点流入电流，而此时所有供电给负荷的连接元件中电流的数值都是零，这样∑Ⅰ就不会是零值，∑Ⅰ＝Ⅰf(短路点的总电流)。按照每个元件的电流相位分析，母线正常运行或外部故障时，至少有一个元件的电流相位相反于其他元件，而当母线内部发生故障时，除电流等于零的元件外，其他元件中的电流则是同相位的。母差保护就是根据母线上各连接元件之间的电流比较原理装置的。

2、线路区外故障引起母差保护误动作并提出解决措施

1）故障案例

220kV江溪变电站110kV江沙868线在C相突然出现接地故障，并且是永久性质，电流表上显示二次侧的电流数值值为37.8A。在故障发生后，线路保护装置在接地距离Ⅰ段、零序Ⅰ段迅速启动跳闸，大约2秒后，系统进行重合闸，但又出现原来的故障，保护装置又一次启动，继续出口重合于故障线路，随后系统保护开始加速，迅速进行了永久切除故障跳闸启动。在永久性跳闸后，系统的110kV母差保护的Ⅱ母线（副母线）A的大差与小差都产生了一个差额电流，大约为10A，同时也产生一个大约7A的比率差动门坎值电流。系统的母差保护启动保护后，对Ⅱ母线（副母线）上的一切开关都已分断。

2）初步原因分析

故障发生后，值班人员对线路保护录波波形与母差保护录波波形进行了认真检查，检查发现该线路重合后，又经过4～5个周波后，在母线的C相又出现了二次故障现象，在该线路故障过程中，电流互感器TA每个二次绕组电流出现了毛刺电流（C相除外），毛刺电流大约10A左右，其电流的方向相反于C相电，10A左右，从而造成了110kV母差保护Ⅱ母出口，如图1所示。

图1 线路重合到C 相故障时的录波

3、对故障的相关检查与试验分析数据

1）电流互感器TA的二次负载测量

相关技术人员依次测量该线路用于母差保护的电流互感器ABC对零线的阻抗值，（从汇控箱向保护室测量）AB、BC、CA之间的阻抗，测量的阻抗的数据值如表1所示。

表1 TA二次负载阻抗测量数据Ω

利用相关方程，从汇控箱到保护装置的ABC三相负载测量的电阻值依次是：Ra为0.795Ω，Rb为0.793Ω，Rc为0.795Ω，Rn为0.764Ω。有以上数据可以看出，三相二次负载相对是平均的，这样就排除了由于压线不牢固等原因导致N线接触电阻较大，而造成C相电流向A相分流的故障。

2）对发生的故障进行模拟试验

在电流互感器TA端子箱处，先把上次出现分流的故障相C相进行切断处理，然后对母差保护直流电源进行拉合，最后对母差保护差动压板投入。故障电流发生在C相，通过微机保护试验仪来加一大约为25A的交流电流，在差动保护启动后，认真观察差动保护的动作波形时，没有看出有电流分流情况的出现，由此就可以排除C相与N相之间的连线接触不良等原因引起电阻太大导致分流的故障；在此电源并连上一个直流电源，对电源增加直流电流，第一次增加10A的直流电流，第二次增加大约25A的交流电流，等差动保护启动保护动作后，观察差动保护的动作波形情况，能够看到A、B两相都出现了大约1A电流的分流。然后调整变比，将600/5的变比调为1200/5，继续重复上述的试验，同样较轻微分流现象也会发生。此次实验说明，电流互感器TA出现饱和很可能是直流分量造成的，而其发生饱和后，电流就很容易串入到A相与B相的采样回路里，如果变比改大，饱和电压被抬高，分流情况也得到改善。

3）对相关回路绝缘与反措检查

在母线差动屏上，对A、B、C、N等各个线全部解除，同时对端子箱的N线连接片及N310也解除，用合适的摇表分别对各相之间以及每一项对地之间进行遥测绝缘值，得出的绝缘值都大于200兆欧。同时，电流采样回路的所有接线牢固，只有一个接地点在母差保护屏上，屏蔽线是两边接地状态，基本适用于反措的相关技术需求。

4）TA励磁特性曲线测试

根据电流互感器暂态特性技术的标准要求，可以对电流互感器TA励磁特性曲线进行测试，所得的测试结果如表2所示。

表2 TA励磁特性曲线测试结果

5）故障过程中的磁链曲线分析

通过以上测量的电流互感器TA参数以及二次回路参数的相关数据，能够建立磁链近似计算模型，并且可以计算出ABC三相TA在此次故障过程中的磁链变化数值，由此可以对B相与与C相的电流互感器TA是否在饱和状态，如图3。由图3可知，故障发生时，母差保护首次在电压过零点解除故障的时候，电流互感器的三相TA都具有较大的正向剩磁；而母差保护在第二次故障时，由于是启动变压器，产生的励磁涌流也较大，在系统的A相产生了比较大的正向直流分量，在系统的B相与C相则产生了负向直流分量，数值也比较大，这样就很容易导致A相正磁链在C相故障过程中累积，等到累积到饱和点附近时，A相的电流互感器TA就会发生饱和现象，这就让A相的TA的二次阻抗出现快速下降，从电流互感器TA二次侧看电阻与N线比拟，当系统的C相产生大的短路电流时，会向A相进行分流，即A相TA二次侧成为C相短路电流除N线外的另一条通道，这就造成一个数值很大的微机保护的A相电流采样值。母差保护的A相差动元件就会启动，而C相接地故障又能够让母差复压元件处于开放状态，这样最终造成110kV母差保护的Ⅱ母（副母）母差差出口动作。

图3 ABC三相TA在故障过程中的磁链变化

4、解决措施

母差保护误动的后果非常严重，因此必须加强母差保护的运行维护和管理工作，以保证动作的灵敏性、可靠性。本文认真分析线路区外故障引起母差保护误动的特征，为有效避免此类起母差保护误动采取了以下几种措施：一是对电流互感器TA增加变比，从而强化了TA的抗饱和能力，同时也增强了二次负载能力；二是将此故障与母差保护装置的生产厂家充分进行沟通，生产厂家相关技术人员针对此种分流时电流波形特点进行了相关参数调整措施；三是为降低辅助保护的灵敏度，将母差保护进行改造，改为分相电压闭锁方式，差动电流动作相由相应相低电压开放；四是将母差保护改成分相开放，就是首先对某电力系统的某一相故障进行判定，然后对相差电流计算进行有效的计算，这样就能够确定母线保护是否跳闸出口。

5、结论

综上所述，当前我国电网短路容量不断增大，变压器的制造容量也在加大，这就对母差保护的TA抗饱和能力要求越来越高，因此对TA特性的监视不可忽视。