电力系统继电保护-8 母线保护

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1、电力系统继电保护8 母线保护8.1 母线故障和装设母线保护的 基本原则大部分母线故障是由绝缘子对地放电引起的，母线故障开始阶段大多 表现为单相接地故障，而随着短路电弧的移动，故障往往发展为两相 或三相接地短路。 一般不采用专门的母线保护，而利用供电元件的保护装置就可以把母 线故障切除。例如： 利用发电机的过电流保护切除母线故障 如图8.1所示的发电厂采用单母线接线，若接于母线的线路对侧没有 电源，此时母线上的故障就可以利用发电机的过电流保护使发电机的 断路器跳闸予以切除；图8.1 利用发电机的过 电流保护切除母线故障大部分母线故障是由绝缘子对地放电引起的，母线故障开始阶段大多 表现为单相接地故

2、障，而随着短路电弧的移动，故障往往发展为两相 或三相接地短路。 一般不采用专门的母线保护，而利用供电元件的保护装置就可以把母 线故障切除。例如： 利用变压器的过电流保护切除低压母线故障 如图8.2所示的降压变电所，其低压侧的母线正常时分开运行，若接 于低压侧母线上的线路为馈电线路，则低压母线上的故障就可以由相 应变压器的过电流保护使变压器断路器跳闸予以切除；图8.2 利用变压器的过电 流保护切除低压母线故障大部分母线故障是由绝缘子对地放电引起的，母线故障开始阶段大多 表现为单相接地故障，而随着短路电弧的移动，故障往往发展为两相 或三相接地短路。 一般不采用专门的母线保护，而利用供电元件的保护装

3、置就可以把母 线故障切除。例如： 在双侧电源网络上，利用电源侧的保护切除母线故障 如图8.3所示的双侧电源网络（或环形网络），当变电所母线上k点 短路时，则可以由保护1、4的第段动作予以切除等。图8.3 在双侧电源网络上，利 用电源侧的保护切除母线故障 利用供电元件的保护装置切除母线故障的缺点： a) 故障切除的时间一般较长； b) 双母线同时运行或母线为分段单母线时不能保证有选择 性地切除故障母线。 在下列情况下应装设专门的母线保护： 1. 在110kV及以上的双母线和分段单母线上，为了保证有选 择性地切除任一组（或段）母线上发生的故障，而另一组 （或段）无故障的母线仍能继续运行，应装设专用

4、的母线 保护。 2. 110kV及以上的单母线，重要发电厂的35kV母线或高压侧 为110kV及以上的重要降压变电所的35kV母线，按照装设 全线速动保护的要求必须快速切除母线上的故障时，应装 设专用的母线保护。8.2 母线差动保护基本原理完全电流差动母线保护的原理接线如图8-4所示，在母线的所有连接 元件上装设具有相同变比和特性的电流互感器：由于TA有误差，因此在母线正常运行及外部故障时，流入继电器的 是由于各互感器的特性不同而引起的中有不平衡电流出现；当母线上 （如8-4图中d点）故障时，则所有与电源连接的元件都向d点供给短 路电流，于是流入继电器的电流为：8.2.1 单母线完全电流差动母

5、线保护图8-4：完全电流母线查动保护原理接线图8.2.1 单母线完全电流差动母线保护8.2.2 高阻抗母线差动保护克服措施将电流差动继电器换为高内阻的电压继电器：（图8-5：高阻抗母线差动保护原理接线图）8.2.2 高阻抗母线差动保护假设母线上连有n条支路，第n条为故障支路，母线外部短路的等值回路如图 8-6所示：内部短路时：所有引出线电流都是流入母线的，所有支路的二次电流都流向 电压继电器。由于其内阻很高，电压继电器端出现高电压，于是电压继电器 动作。图8-6：母线外部短路时高阻抗母线差动保护等值电路8.2.3 具有比率制动特性的中阻抗母线差动保护8.2.4 电流比相式母线保护 基本原理根据

6、母线在内 部故障和外部故障时各连接 元件电流相位的变化来实现 的。母线发生短路时，各有 源支路的电流相位几乎是一 致的；外部发生短路时，非 故障有源支路的电流流入母 线，故障支路的电流则流出 母线，两者相位相反，利用 这种相位关系就来构成了电 流比相式母线保护。（图解：2007年2月1日，河南平顶山供电 公司生产技术部组织检修班工作人员对石龙 区孙岭变电站35KV西母线进行更换，确保 了该区工农业生产及春节电力供应）8.2.5 元件固定联接的双母线电流差动保护元件固定连接的电流差动保护的主要部分由三组差动保护组成。如图 8-7所示： 第一组由TA1、TA2、TA5和差动继电器KD1（I母分差动

7、）组成 ，用以选择第I组母线上的故障； 第二组由TA3、TA4、TA6和差动继电器KD2（母分差动）组 成，用以选择第组母线上的故障； 第三组由TA1、TA2、TA3、 TA4和差动继电器KD3组成了一个 完全电流差动（总差动）保护，当 任一组母线故障时，它都会动作； 当母线外部故障时，它不会动作， 在正常运行方式下，它作为整个保 护的启动元件，当固定接线方式破 坏并保护范围外部故障时，可防止 保护的非选择性动作。图8-7：元件固定连接的双母线电流差动保护原理接线图8.2.5 元件固定联接的双母线电流差动保护 如图8-8所示，当正常运行及母线外部故障（d点）时，流 经继电器KD1、KD2和KD

8、3的电流均为不平衡电流，保护 装置已从定值上躲开，不会误动作。图8-8：按正常连接方式运行时保护范围外部故障时电流的分布8.2.5 元件固定联接的双母线电流差动保护如图8-9所示，当第I组母线上（d点）短路时，由电流的分布情况可 见，继电器KD1和KD3中流入全部故障电流，而继电器KD2中为不平 衡电流，于是KD1和KD3起动。KD3动作后使母联断路器QF5跳闸。 KD1动作后即可使断路器QF1和QF2跳闸，并发出相应的信号。这样 就把发生故障的第I组母线从电力系统中切除了，而没有故障的第组 母线仍可继续运行。图8-9：按正常连接方式运行时，I母线上故障时电流的分布8.2.5 元件固定联接的双

9、母线电流差动保护主要缺点从保护的角度看，希望尽量保证固定接线的运行方式不 被破坏，这就必然限制了电力系统调度运行地灵活性。8.2.6 母联电流比相式母线差动保护主要优点对母线上的元件就无需提出固定连接的要求，有利于用 在连接元件切换较多的场合。选择元件KD是一个电流相位比较继电器。它的一个线 圈接入除母联断路器之外其他连接元件的二次侧电流 之和，另一个线圈则接在母联断路器的电流互感器二 次侧。它利用比较母联断路器中电流与总差动电流的 相位选择出故障母线。这是因为当母线上故障时， 流过母联断路器的短路电流是由母线流向母线， 而当母线上故障时，流过母联断路器的短路电流则 是由母线流向母线。在这两种

10、故障情况下，母联 断路器电流相位变化了180，而总差动电流是反应母 线故障的总电流，其相位是不变的。 启动元件接在除母联断路器外所有连接元件的二次电 流之和回路中，它的作用是区分两组母线的内部和外 部短路故障。只有在母线发生短路时，启动元件动作 后整组母线保护才得以启动。8.2.7 母线保护常见类型及特点比较按照母线保护装置差电流回路输入阻抗的大小，可将其分为： 常规母线保护及微机数字式母线保护均为低阻抗型母线保护。 优点：低阻抗母线保护装置比较简单，一般采用先进的、久经考验的 判据，系统的监视较为简单。 缺点：低阻抗母线保护再在外部故障TA饱和时，母线差动继电器中 会出现较大不平衡电流，可能

11、使母差保护误动作。 应用：目前数字式低阻抗母线保护中可通过采用TA饱和识别和闭锁 辅助措施，能有效地防止TA饱和引起的误动。因此，数字式低阻抗 母线保护在我国电力系统中得到了广泛的应用。 中阻抗型母线差动保护将高阻抗的特性和比率制动特性两者有效结合 ，中阻抗型母线保护采用了快速、灵敏、比率制动式电流差动保护方 案，即具有低阻抗、高阻抗保护的优点，又避开了它们的缺点，在处 理TA饱和方面具有独特优势。它以电流瞬时值作测量比较，测量元 件和差动元件多为集成电路或整流型继电器，当母线内部故障时，动 作速度极快，一般动作时间小于10ms，因此又被称为“半周波继电器 ”。实践证明，目前中阻抗式母线保护是

12、一种最好的目下保护方案。 在我国电力系统中得到了广泛的应用。8.2.7 母线保护常见类型及特点比较高阻抗母线差动保护（参见8.2.2节）较好地解决了母线区外故障TA 饱和时保证保护不误动的问题；但在母线内部故障时，TA的二次侧 可能出现过高电压，对继电器可靠工作不利，且要求TA的传变特性 完全一致、变比相同，这对于扩建的变电所来说较难做到。8.2.8 数字式母线差动保护的基本判据及算法1 普通比率制动特性母线差动保护 目前在数字式母线差动保护中主要采用的判据为：由于比率制动特性母线差动保护判据是建立在基尔霍夫电流定律的基 础之上的，反映了各个连接元件电流的向量和，在通常情况下能保证 在区外故障

13、时具有良好的选择性，在区内故障时有较高的灵敏度，因 此在数字式母线差动保护被广泛应用。8.2.8 数字式母线差动保护的基本判据及算法 2 复式比率制动特性母线差动保护 复式比率制动特性母线差动保护算法为： 理想条件下在母线外部短路时 差动电流为零，则式（8-8） 中第二式的左边为零；在内部 短路时式（8-8）第二式的左 边分母近似为零，则式（8-8 ）左侧很大。 复式比率制动特性母线差动保护测量到的比率在内部和外 部短路两种状态下扩展到了理想的极限，使得制动系数有 极广的范围可以选择。所以复式比率制动特性母线差动原 理保护较普通比率制动特性母线差动保护具有更加良好的 选择性。从理论上也可分析出

14、这两种保护原理相互之间的 对应关系。8.2.8 数字式母线差动保护的基本判据及算法 3 故障分量比率制动特性母线差动保护 故障分量比率制动特性母线差动保护算法为： 式（8-9）中故障分量的算法将在第九章说明。 优点：将故障分量比率制动特性应用于母线差动保护中可 避免故障前的荷电流对比例制动特性产生的不良影响，这 将提高母线差动保护的灵敏度。8.3 母线保护的特殊问题及其对 策8.3.1 电流互感器的饱和问题及母线保护常用的对策 1 中阻抗式母线差动保护抗TA饱和的措施 中阻抗式母差保护是利用TA饱和时其励磁阻抗降低的特 点来防止差动保护误动作。 外部故障引起TA饱和时：由于保护装置本身差动回路

15、电 流继电器的阻抗一般为几百欧，此时因TA饱和造成的不 平衡电流大部分被饱和TA的励磁阻抗分流，流入差动回 路的电流很少，再加之中阻抗母差保护带有制动特性，可 以使外部故障引起TA饱和时保护不误动。 对于内部故障TA饱和的情况：利用差动保护的快速性在 TA饱和前即可起动出口动作跳闸，不会出现拒动的现象 。8.3.1 电流互感器的饱和问题及母线保护常用的对策2 数字式母线差动保护抗TA饱和的措施 （）具有制动特性的母线差动保护。 具有制动特性的母线差动保护在TA饱和不是非常严重时，比率制动特性可以 保证母线差动保护不误动作。但当TA进入深度饱和时，此方法仍不能避免保 护误动，需要采用其他专门的抗

16、TA饱和的方法。 （）TA线性区母线差动保护。 TA进入饱和后，在每个周波内的一次电流过零点附近存在不饱和时段。TA线 性区母线差动保护就是利用TA的这一特性，在TA每个周波退出饱和的线性区 内，投入差动保护。由于此种原理的保护实质上是避开了TA饱和区，所以能 对母线故障作出正确的判定。为保证TA线性区母线差动保护正确动作，必须 能实时检测每个周波TA饱和与退出饱和的时刻。但是由于TA饱和时的电流波 形复杂，如何正确判断TA饱和和退出饱和的时刻，判别出TA的线性传变区是 实现此方法的关键和难点。8.3.1 电流互感器的饱和问题及母线保护常用的对策2 数字式母线差动保护抗TA饱和的措施 （）TA饱和的同步识别法。 当母线区外故障时，无论故障电流有多大，TA在故障的最初瞬间（在1/4周波 内）都不会饱和，在饱和之前差电流很小，母线差动电流元件不会误动作