一起感应电流引发母差保护“运行异常”的原因分析

冯俊超 王化勇 白琼芬 王开冉

摘 要：500kV××变电站在进行220kV惠铝Ⅰ、Ⅱ回线断路器TWJ监视无法监视“远方、就地”切换把手反事故措施整改过程中，断路器在检修状态下做分合闸试验时，感应电流引起了220kV母差保护发“运行异常”。本文根据现场监视后台信号、保护原理图纸和现场情况，介绍了母差保护的原理以及分析发“运行异常”信号的原因和过程，并提出了针对性的防范措施和整改建议。

关键词：母差保护；断路器检修；感应电流；运行异常

0 引言

220kV母线作为变电站中重要的设备，配有灵敏的母差保护。对于区外故障，母线保护应可靠不动作。如果母差保护误动，则母线失电，会扩大失电范围，对电网安全运行造成极大地影响。

强电场下由于电磁感应的作用，在闭合回路中会产生感应电流，给设备安全运行带来了巨大隐患。在开展一次设备检修工作时，为了防范感应电流对人体和设备的危害，通常将一次设备操作至检修状态，即将一次设备通过接地开关与站内接地网相连接。该方法可有效抑制一次设备上产生的感应电。但在实际工作中发现断路器在检修状态时，如果合上断路器，断路器上会流过持续的电流，可能引起母差保护装置误动。

针对上述问题，本文通过分析一起感应电流引起母线差动保护运行异常事件，结合现场监视后台信号、保护原理图纸和现场情况，分析了感应电流产生的原因，以及影响其大小的主要因素。同时结合电力检修工作，从安全措施和技术措施两方面提出了避免该工况下感应电流引起保护运行异常的改进措施与建议。

1 异常过程

2018年6月6日，在进行220kV惠铝Ⅰ回线261断路器TWJ监视无法监视“远方、就地”切换把手反事故措施整改过程中，261断路器在检修状态下合闸后，220kV母线第一、二套母差保护发“运行异常”信号。2018年6月7日，在进行220kV惠铝Ⅱ回线反事故措施整改过程中，亦发生相同情况。如图1-1所示是6月7日惠铝Ⅱ回线反事故措施整改过程中母差保护发“运行异常”信号。

图1-1 220kV母差保护“运行异常”信号

针对此次异常，本文主要根据6月7日惠铝Ⅱ回停电试验展开分析母差保护“运行异常”的一些原因及预控措施。

2 母差保护原理

母差保护的原理是基于基尔霍夫定律，保护装置取的电流来自电流互感器，在两个电流互感器内部发生故障我们称为区内故障，反之称为区外故障。

当母线正常运行时，流入母线的电流和流出母线的电流相等。如图所示，我们定义了电流的方向之后，正常运行时，差动电流Id理想状态下为零，但由于误差等Id实际为一个很小的值。

图2-1 正常运行电流图

（2-1）

（2-2）

当母线故障时，母线上所有的支路都向故障点供给短路电流或流出残留的负荷电流电流，即

图2-2 区外故障、区内故障电流图

（2-3）

（2-4）

2.1 差动保护启动元件

母线差动保护的启动元件由“和电流突变量”和“差电流越限”两个判据组成^[1]。

母差保护和电流：是指母线上所有连接元件电流绝对值之和

（2-5）

母差保护差电流：是指母线上所有连接元件电流和的绝对值

（2-6）

（1）和电流突变量判据

（2-7）

式中： —和电流瞬时值比前一周波的突变量；

—突变量门槛值。

（2）差电流突变量判据

（2-8）

式中：—分相大差动电流；

—差动保护启动电流定值。

2.2 复式比率差动判据

复式比率差动判据的动作方程如下

， （2-9）

式中：—差电流门坎定值；

—复式比率系数定值。

2.3 保护逻辑框图

如图2-3所示为母差保护逻辑框图，差动保护根据母线上所有连接元件电流采样值计算出大差电流，构成大差比率差动元件，作为差动保护的区内故障判断元件。差动保护根据母线上各连接元件的刀闸位置开入计算出两条母线的小差电流，构成小差比率差动元件，作为故障母线选择元件。为防止母线差动保护在母线近端发生区外故障时，由于CT严重饱和出现差电流的情况下误动作，一般装置会根据CT饱和产生的机理以及CT饱和后二次电流波形的特点，设置CT饱和检测元件，用来判断差电流的产生是否由区外故障CT饱和引起。

在微机保护中，将隔离开关的辅助接点作为开入量接到保护装置，利用隔离开关的辅助接点来识别母线的运行方式，当大差元件、小差元件、起动元件和CT不饱和都满足条件时，发信号；如果且复合电压（母线相电压，母线三倍零序电压，母线负序电压）三个判据中任何一个满足，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，则发跳闸信号。

图2-3 母差保护逻辑框图

3 母差保护运行异常原因分析

3.1 母差保护运行异常可能情况

母差保护发“运行异常”的原因有多种，所以对保护运行异常的分析要全面，透彻，这样才能找到运行异常的原因。因此我们要先研究说明书，逐一分析、排除，找出原因。

3.1.1 BP-2C说明书“运行异常”情况

表3-1 BP-2C“运行异常”告警信号列表^[1]

序号	可能原因	导致后果
1	刀闸辅接点与一次系统不对应	能自动修正则修正否则告警
2	失灵接点误起动	误起动断路器失灵
3	联络开关常开与常闭接点不对应	默认联络开关处于合位
4	主变失灵解闭锁误开入	失灵闭锁电压开放
5	误投“母线分裂运行”压板	母线分裂运行
6	PT断线	同“PT断线”

如表 3-1所示列举了BP-2C说明书发生“运行异常”告警信号的几种情况，220kV线路双套母差保护配置，如果是某个接点造成的母差保护运行异常，则只会影响其中一套保护发异常信号，而此次是双套母差发异常信号，故排除接点有问题导致的运行异常（上述1、2、3排除）。其次检查主变失灵解闭锁误开入回路正常（排除4）、经检查未投“母线分裂运行”压板（5排除）、检查三相电压正常（6排除）。

3.1.2 “运行异常”情况原因判定

6月7日，惠铝Ⅱ回262断路器合上后，后台发运行异常时，排除BP-2C说明书列举的几种“运行异常”情况后，调取后台信息发现此时流过惠铝Ⅱ回线路如下图所示，A，B，C三相电流分别为4.70 A，12.88A，39.70A。

图3-1 惠铝Ⅱ回线运行异常二次电流图

经过后台数据分析初步判断为感应电流引起的运行异常。试验证明：

（1）262断路器合闸，双套母差保护“运行异常”信号发出；262断路器分闸位置，“运行异常”信号复归。

（2）262断路器处于合位，划开惠铝Ⅱ回线TA二次电流回路，运行异常信号复归。仅接入A相电流回路，无运行异常发出；而任意接入B，C中的一相，运行异常发出。（因为A相感应电流仅4.70A，达不到门坎值。）

由此判定母差保护运行异常原因是断路器没有运行在母线上，断路器合上时感应耦合让该条支路产生电流，母差保护判断该条支路是运行的，但此时隔离开关的辅助接点作为开入量接到保护装置，识别为分位，此时装置对话框报“刀闸错误”信息，“运行异常”灯亮，故后台发母差保护“运行异常”信号。而惠铝双回线都发生运行异常更加验证了异常原因。

3.2感应耦合过程分析

3.2.1 交流线路电磁场影响

正常运行中的电气设备和装置，由于电磁感应和静电感应的作用，会在附近的停电设备上感应出一定的电压，迫使停电设备处于一个悬浮电位，这个电压称为感应电压^[2]。

感应电包括电磁感应产生的感应电压和感应电流。如果停电设备不接地，则只会产生感应电压；如果停电设备接地，将产生入地的感应电流。运行中的输电线路对附近停电设备和装置的感应电一般来自于：（1）静电感应，与电容有关；（2）电磁感应，与互感有关。

停电设备、线路与运行的高压输电线路、设备的距离越远，则感应电压越低。因为高压输电线路与设备运行时，在其周围导体上产生感应电压，是因为导线周围存在着变化的磁场和电场。磁场强度的大小与导线输送电流的大小有关，电流越大，磁场越强，与输电线路电压无关。电场强度的大小与输电导线的电压成正比。其电压等级越高，对周围产生的静电感应越强，即交变电磁场辐射越强。随着停电设备、线路以与正在运行的高压输电线路、设备距离的加大，电场和磁场很快减小，感应电压自然降低。

由于停电设备三相距离不相等，互感各不相同，运行线路的磁场在停电设备上感应电动势各不相等^[3]。现场发现在惠铝Ⅰ、Ⅱ相邻布置。设运行母线中流过的交变电流

（3-1）

式中： —交流电流幅值；

—角频率；

—时间。

断路器合闸时刻通过该闭合环路的磁通量

（3-2）

式中： —交流母线到长方形导体的距离；

—断路器宽度；

—断路器长度；

—磁导率；

—相邻运行母线与检修断路器布置夹角。

通过闭合回路的磁通量为随时间变化的正弦函数，故闭合回路中感应电动势^[4]

（3-3）

由式（3-3）可知，回路中的感应电动势为随时间变化的余弦函数，闭合回路为电阻电路，故感应电流也为余弦规律变化。且停电回路中感应电流随运行线路电流I的增大而增大，随检修断路器与运行线路距离d的增大而减小。

3.2.2 惠铝Ⅰ、Ⅱ回分析

如图3-2所示惠铝Ⅰ、Ⅱ回线相邻布置，惠铝Ⅰ、Ⅱ回线负荷较大，流过惠铝Ⅰ、Ⅱ回线路电流分别为590.67A，567.78A。当Ⅰ、Ⅱ回线路发生N-1运行时，电流将超过1000A。

惠铝Ⅱ回线停电反措时，惠铝Ⅰ回N-1运行，电流超过1000A，其高压线路中的交流电流会在其周围空间产生很强的交变磁场，则处在惠铝Ⅰ回线路旁的惠铝Ⅱ回线会产生静电感应和电磁感应现象。离运行线路越近的感应电动势越大，故从布置图上看，惠铝Ⅱ回线感应电动势A，B，C三相依次增大。

图3-2 惠铝Ⅰ、Ⅱ回一次接线图

如图3-3所示是262断路器在检修状态时的剖面图，当262断路器处于检修状态下，262断路器处于合位，两端26260，26237接地开关均接地，合闸后，与大地形成闭合回路，电磁感应起主要作用，由运行线电流在断路器上感应的电势引起的环流，由此262断路器在检修状态下合闸时产生感应电流。

图3-3 断路器耦合剖面图

220kV母差保护双套配置，如图1-3所示， 以Ⅰ组母线261，262断路器交流回路图为例（Ⅱ组母线交流回路类似），流进TA的感应电流经回路到断路器端子箱，再到母线保护屏端子。

图3-4 220kV I组母线保护交流电流回路图

接通或断开电源时，电路往往产生一种稳定状态过渡到另一种稳定状态的暂态过程，在瞬变时电路某些元件的电压或电流可能大于稳定状态时最大值的好几倍，这种现象叫做电路的暂态过程。

本次“运行异常”情况中，一次设备产生感应电流，感应电流经电流互感器TA（变比：2000/1），对应流入二次回路感应电流，经与保护装置厂家核实，母差保护二次门坎值是0.05A（对应一次100A），但保护装置一个周波内采集48个二次电流量，只要有两个电流量达到门坎值0.05A（对应一次100A）就判有流；而后台显示的是稳态量，故B，C相后台显示电流虽然分别是12.88A，39.70A，达不到100A，但断路器合闸瞬间，暂态电流为稳定状态时的5-8倍，暂态电流如按8倍计算，B，C相电流瞬时值分别为103.04A，317.6A，均超过100A，故保护装置判定有流，而A相电流4.70A，合闸时暂态量也未有两个超过100A，故未判有流。判运行以后只有差流为零，才会复归，不能手动复归。

4 母差保护运行异常预防措施

4.1 断路器检修时短接电流回路端子

检修一次设备过程中，往往会不注意特殊情况下感应电对二次回路和保护的影响，缺少相应的安全措施。比如断路器分合特性试验等工作中，需要将相关保护装置退出，为防止合闸时感应电引起母差保护等装置误动作，选择将电流回路端子进行短接。

4.2 改进保护动作逻辑

在保护定值整定中很少考虑特殊工况下感应电对保护的影响。在特殊工况下应对相应保护动作逻辑进行优化调整^[4]。针对本文中惠铝Ⅱ回262断路器检修引起双套母差保护运行异常情况，可以在母线保护不同分区中设置两种不同整定定值，断路器在检修状态时切换到对应的定值区，防止母差保护误动的发生。本文因缺乏计算断路器合闸瞬间电流值大小的方法，故未能进一步分析得到发“运行异常”的临界电流值。

4.3 提高预防事故能力，强化运维人员责任意识，安全意识

在巡检工作中，运维人员要认真细致地检查一二次设备是否运行正常，牢固树立责任意识。要时常关注停电设备及可能影响到的设备是否正常，做到小问题早发现，早处理，提高预防事故的能力。

5 结语

本文从一起220kV线路断路器反措的异常中展开思考，对后台发“运行异常”的原因及预控措施进行了浅析。为保证母差保护可靠且不再发生类似情况，必须根据实际情况选择合适的预控措施，在发运行异常过后一定要分析其原因，并选择相应的预防措施，将保护误动的风险将至最低，为保证供电可靠性提供保障。本文提出了多种预控措施，但不足之处在于收集资料及分析过程未能得出计算断路器合闸瞬间电流值大小的方法，且运行异常时母差保护装置未采集暂态电流值做支撑，造成后续分析不能得出母差保护发“运行异常”的电流临界值，导致预防措施不能进一步完善，对分析和防范感应电流的指导具有一定的局限性。

参考文献

[1] 张广嘉. BP-2C微机母线保护装置技术说明书[M]. 深圳南瑞科技有限公司，2008（10）：4,28.

[2] 王艳丽. 感应电压的产生、危害与预防[J]. 安全，2009（9）:44-45.

[3] 张振泉，陈先勇，贺义平. 750kV输电线路下方感应电的原因分析及防范措施[J]. 电子世界，新疆电力公司， 2013（2）.

[4] 周春阳，胡忠山，焦华. 断路器检修状态下感应电流对继电保护的影响[J]. 广东电力，2016，29(8).

第一作者：冯俊超，性别：男，出生日期：1995年1月25日，籍贯：云南泸西，民族：汉族，单位：云南电网有限责任公司红河供电局、职称：助理工程师、学历：大学本科、研究方向：电力系统及其自动化

单位所在省市：云南省红河州蒙自市，邮编：661100

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