220kV变电站母差保护动作的事故分析

220kV变电站母差保护动作的事故分析

摘要：在我国现有的电力系统保护系统中，母线差动保护模块得到了很好的应用。考虑到具体应用的实际需要和后续运行维护的方便，我国220kV变电站的高

压母线多采用双母线接线方式，母线开关上也设置了电流互感器。母线是电力系

统中的重要设备。快速排除母线故障有利于系统的稳定运行。母线差动保护动作后，迅速查找并隔离故障点，以恢复母线上连接元件的运行是非常重要的。本文

就220kV变电站母差保护动作的事故进行详细分析。

关键词：220kV；变电站事故；母差保护动作

1 引言

母线是变电站内的重要设备之一，起着汇聚和分配负荷电流的作用。220kV

变电站内的母线，常用的接线方式有双母线、双母单分段和双母双分段3种，其

中双母单分段接线方式兼具双母线和单母分段2种接线方式的特征，因此该接线

方式除具有双母线接线的灵活性外，还可以满足限制母线短路电流或系统解列运

行的要求。

2 母差保护原理

母线差动保护主要是指基于收支平衡原则的保护方式。由于母线上有进出线，正常情况下，进出线电流相等，电位相对平衡[1]。因此，当总线发生故障时，良

好的平衡将被打破。当确定母线故障时，相应的保护元件将首先启动并断开母线

上的断路器。在双母线运行方式下，将故障母线隔离并切为另一条母线，以避免

母线故障引起大范围停电。在母线差动保护中，具体的保护屏蔽参数也不同，如

比较电流是否平衡，比较电流相位是否一致。母线差动保护的合理使用，可以显

著提高母线使用的安全性，避免各类大事故的发生。一般来说，母线差动保护的

相关装置主要用于220kV及以下母线，或在分段断路器和母联断路器中作为旁路

断路器。当线路侧开关跳闸时，故障信号随之出现。同时，全线将确定故障信号

发生点，使母线差动故障保护装置闭合跳闸所有开关。但对于母联开关，如果发

生故障，则不会产生故障信号。整条线路的故障控制主要由母线差动保护中的大

差动比元件来完成。因此，在使用母线差动保护系统时，相关技术人员应根据实

际情况进行合理选择。

3 母线故障特性

220kV变电站母线的故障特性和换流器的原理息息相关。目前国内直流配网

工程较少，其中较典型的换流器为电压源换流器(VSC)[2]。220kV变电站系统故障

主要有极间短路、直流侧对地短路等，其中以极间短路最为严重。与交流系统相比，220kV变电站网母线或线路发生故障时，故障电流上升更为迅速。且220kV

变电站网中电力电子器件较多，不像传统交流配电网具备大量的惯性环节。在发

生短路故障尤其是极间短路时，直流侧的滤波电容会对故障点快速放电。由于直

流电容直接并联在VSC直流侧，因此电容放电和故障电流的快速上升无法受VSC

自身的控制，故障电流的上升速度会比传统交流配电网快一个甚至多个数量级。

在发生较严重的直流故障时，VSC为避免本体损坏，会在几毫秒内自动闭锁和锁

定绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，同时交流电源会通过IGBT反并联的续流二极管向

故障点不停地注入整流电流，导致故障电流难以自行衰灭。常规保护装置采集母

线电压和各条线路电流，主保护采用母差保护，动作时间一般大于10ms。由于

直流故障电流迅速上升，在发生极间故障瞬间故障电流上升2000A/ms以上，希

望在故障刚发生未到稳态时即切断，因此常规的交流保护方案直接应用于直流的

快速保护还有待改进。

4 改进措施

4.1 失灵启动回路

老的220kV出线电厂失灵启动回路大多在母线保护外实现，母线保护仅提供

跳闸出口。失灵判别元件由第一套线路保护启动失灵出口和第二套线路保护启动

失灵出口与电流继电器共同组成，通过原单套母线保护的跳闸出口来实现失灵保

护功能。根据相关要求，新的母线保护能够实现失灵电流判别功能，因此线路保护，主变保护等只需提供启动失灵接点至母线保护，失灵启动方式遵循“一一对应”的原则。具体的改造方案为：第一套线路保护/主变保护的启动失灵接点接入第一套母线保护，第二套线路保护/主变保护的启动失灵接点接入第二套母线保护。对于单套配置的母联保护，分段保护，启动失灵接点需分别接到两套母线保护。原

失灵电流判别继电器退出使用。如电厂老母线保护仍然保留作为第一套母线保护，则仍需使用原先的失灵电流判别继电器。

4.2 母线及相关开关改造

1）继电保护安全措施执行。主要是隔离交、直流电源和NCS告警信号。由

于后期需要拆除屏柜的外部电缆，故该安措的执行地点应该选择在电缆的对侧屏

柜内。2）母线保护屏电缆封堵拆封，电缆拆线，并将电缆抽移至电缆夹层并做

好保护措施。保护屏电缆拆除前需进行验电工作，防止人身触电及设备安全运行。同时电缆拆移至电缆夹层后应及时做好电缆对应的屏位标记保护，保证电缆芯线

方向套不脱落，避免标识丢失而耗费时间进行核对。3）原保护屏拆除、新保护

屏安装。4）电缆敷设及接线。原母线保护的电流回路接地点在母线保护屏，而

改造后的微机保护的电流回路都是分路单独进入保护装置，相互之间没有电器联系。5）保护整组传动。涉及与其他设备之间的传动时需谨慎，防止引起其他设

备不安全运行。

4.3 单机更换方式

又称为“掏屏改造”，即在不改变原有屏柜及端子排情况下，仅对保护装置进

行更换。不涉及保护屏柜更换，故将沿用原有屏柜端子排，其二次外部回路不需

要过多变动，仅需要对内部二次线及增加电缆进行敷设。简要实施步骤如下：1)

安全措施执行阶段。退出待改造母线保护，将屏内所有内部装置与端子排间二次

接线拆除，可在本屏端子排或户外端子箱中对电流回路进行拆除与自封，跳闸、

失灵等重要回路须在对侧保护也进行拆除。2)装置屏柜更换与二次回路敷设阶段。装设装置，按照设计图纸对原有二次回路及新增电缆进行敷设与接线。3)保护装

置单机调试。对母联、分段断路器位置、各间隔的刀闸位置等电缆进行恢复，对

新安装的母线保护进行单机调试，对跳闸、失灵回路进行功能验证[3]。4)安全措

施恢复与保护投入。在端子排处恢复电流回路，在相应线路保护与变压器保护处

恢复跳闸及失灵回路，验证电流接入正确无误后投入该母线保护。另一套母线保

护改造按上述改造步骤进行。

4.4 现有母线保护程序升级

利用软件优势，在原有母线保护程序上进行升级，设置专用的旁路支路，增

设专用的控制字或软压板，对代路主变压器或线路支路进行区别，产生不同的保

护逻辑效果，在代路线路断路器时，执行线路支路逻辑;代路主变压器支路时，执

行主变压器支路逻辑。其优势在于现场实现方案简单，回路清晰，运行操作简单，避免了因回路复杂、操作复杂带来的影响。但是由于目前尚无标准化设计规范文

件支撑，该方案难以取得入网检测合格证书，也不利于装置版本的统一管理，因