电气系统继电保护第9章母线的继电保护

第9章母线的继电保护9.1母线故障及其保护9.1.1概述1、高压母线上故障可归纳为3种：一是母线上所连设备（包括开关、电流互感器、电压互感器、避雷器）故障；二是母线瓷瓶（包括隔离刀闸、支持瓷瓶）闪络或母线的带电导线直接闪络；三是某些人为的操作和作业引起的故障。2、母线保护的装设时机根据我国国家标准《继电保护及安全自动装置技术规程》GB14285-1993，目前我国在下列情况下均装设专门的母线保护：(1）在110kV的双母线和220kV及以上的母线上，为保证快速地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，应装设专用的母线保护。对于一个半断路器接线的每组母线应装设两套母线保护。(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站的35kV母线，按照系统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。3、设计母线保护时应注意以下几个问题：(l）母线故障对电力系统稳定将造成严重威胁，必须以极快的速度切除，同时为了防止电流互感器（TA）饱和使保护误动，也要求保护在故障后几个毫秒内电流互感器饱和前就能反应。目前已能作到在故障后3-5ms内动作的保护装置；(2）由于母线在电力系统中的地位极为重要，对其保护装置的安全性和可靠性，都要提出极高的要求；(3）母线保护联系的电路数目很多，比较的电气量很多，各电路的工作状态不同（有电源或无电源，有负载或空载），各被比较电气量的变化范围可能相差很大；(4）母线的运行方式变化较多，倒闸操作频繁，母线保护必须能适应母线的各种运行方式，同时频繁的断路器和隔离开关的操作将对母线保护产生过电压和干扰，影响保护工作或使保护装置损坏；(5）由于母线保护所连接的电路数目多，外部故障时，故障电流倍数很大，超高压线接近电源，直流分量衰减的时间常数大，因而电流互感器可能出现严重饱和现象母线保护必须要采取措施，防止电流互感器饱和引起的误动作。（l）提高保护动作速度和动作灵敏度对于母线保护，提高保护的动作速度，不仅是被保护元件本身的要求，而且是防止电流互感器饱和对母线保护的影响以及电力系统稳定运行的要求。从电力系统运行稳定性的角度来看，母线故障被切除的时间越短越好。超高压变电站母线保护装置，其动作时间一般都要求在10ms之内。早期的电流差动保护装置，虽然其动作速度比较快，但由于其动作电流要躲过母线外部故障的最大不平衡电流，灵敏度往往较低。针对这一缺陷，人们研制出了带制动特性的母线保护以及相位比较式母线保护，从而大大提高了母线保护的灵敏度。4、母线保护主要研究的方向：(2）防止电流互感器饱和的影响在一些严重的母线外部故障情况下，电流互感器可能深度饱和，其副方输出严重畸变，这是母线保护误动的重要原因之一。如何有效地防止电流互感器饱和对母线保护的影响是母线保护的主要研究课题之一。(3）增强母线保护适应母线运行方式变化的能力为了提高供电系统运行的可靠性和灵活性，现在高电压输电系统很少采用简单的单母线供电方式。双母线、双母线分段、旁路母线等的使用，一方面提高了电力系统运行的可靠性，但同时又给母线差动保护提出了新的问题，这方面问题较多地涉及差动保护的构成原理以及对不平衡电流产生原因的分析；另一方面的问题则是要解决母线保护适应不同母线运行方式的能力）这个问题从原理上讲比前一个问题简单些，但要较多涉及母线保护方案的实现。1、母线保护按其原理可分为以下几类(1）用相邻回路保护实现的母线保护对于35kV及以下电压的母线，一般说来，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以较小的延时切除。例如：①如图9.1所示的发电厂采用单母线接线，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。9.1.2母线保护的分类图9.1利用发电机的过电流保护切除母线故障②如图9.2所示的降压变电站，其低压侧的母线正常时分裂运行，则低压母线上的故障就可以由相应变压器的过电流保护先跳开低压母线分段断路器，如果故障不消失保护不复归时再跳开变压器低压侧断路器。③如图9.3所示的双侧电源网络（或环形网络），当变电站B母线上k点短路时，则可以由保护1和4的第11段动作予以切除，等等。当利用供电元件的保护装置切除母线故障时，故障切除的时间一般较长。此外，当双母线同时运行或母线为单母线分段时，利用远处供电元件的保护装置不能保证有选择性地切除故障母线段。图9.2利用变压器的过流保护切除母线故障图9.3利用供电线的保护切除母线故障④母线的方向保护。利用相邻元件的保护装置保护母线，除了上述几种方法外，还可以在所有连接于母线的回路上装设一个指向母线外部故障的方向元件，当母线上发生故障时，这些回路上的短路功率方向元件都是指向母线，这些方向元件都不动作。反之，在母线外部短路时至少有一条回路上的功率方向指向母线的外部，因而这条回路上的方向元件应该动作。应用这个特征可以区分母线的内部和外部故障。当母线保护起动后，所有这些方向元件都不动作，表示故障在母线上，则应将所有断路器跳开。只要有一个方向元件动作，就不能跳闸。这种保护方式动作速度可以很快，也容易实现，尤其是应用微机保护时只要将所有方向元件的动作标志送到变电站后台机，由后台机判断是否是母线故障，如果是母线故障，可立即通过网络跳开所有断路器。这种保护的可靠性决定于所应用的方向元件的性能。方向元件不能有电压死区，不应受系统振荡影响而误动等。对于不对称短路应尽量采用负序方向兀件。对于三相短路可采用各种故障分量的方向元件。(2）电流差动原理电流差动原理简单可靠，应用最广，但要采取措施解决外部故障时的不平衡电流间题。目前在国内仍然是具有各种制动特性的电流差动原理的保护应用最厂。对于单母线，其原理接线参见图9-4。单母线电流差动按其保护范围又可分为完全差动和不完全差动保护，所谓完全差动是所有接于母线的回路，不论该回路刘端有无电源，都将其电流接入差动回路形成差电流，因而这些回路本身（电流互感器以外）都不在差动保护范围内。所谓不完全差动保护是只将对端有电源回路的电流接入差回路，而只带负荷的回路的电流不接入差回路，因而该负荷线路上的故障被认为是母线差动保护范围内的故障。差动保护的定值应大于所有这种线路的最大负荷电流之和，在正常运行情况下差动保护才不会误动作。图9.4单母线电流差动保护原理最简单的单母线固定连接的差动保护如图9.5所示。图中母线M上有4条引出线，4条引出线上流过的电流分别为I1、I2、I3和I4。各引出线上装有完全相同的电流互感器，这些电流互感器同极性端连在一起，差动继电器中的电流为所有电流互感器副方电流之和，电流互感器副方线圈中的电流分别为i1、i2、i3和i4。正常运行和外部短路的情况如下，根据基尔霍夫电流定理：由于电流互感器具有相同的变比，且同极性相连，假设电流互感器工作在非饱和状态，则有：4123410(9.1)jjIIIII4123410(9.2)jDjIIIIII式中：——差动电流。DI图9.5差动保护原理图对于双母线，如果连接于母线的所有回路固定分配于两个母线时，采用固定连接式母线差动保护。即各个母线装设一套电流差动保护，作为选择跳闸元件，只反应本母线的内部故障，称为小差动。另设一套差动保护反应两个母线中任一母线上的故障，作为母线保护的起动元件，称为大差动。当固定连接方式被破坏时，这种母线保护将失去选择性，任一母线上故障时两个母线将被全部切除。这是其最大的缺点。(3）母联电流相位比较原理分别比较两组母线的总故障电流与母联电流互感器中电流的相位，相位接近一致的母线组为故障母线组，相位接近180°的母线组为非故障母线组，参见图9.6。此原理用于长期并列运行的双母线时比较有利。单母线运行时，母联开关断开，此保护应退出。因为这种原理只比较电流的相位，与其幅值无关，因此基本上不受电流互感器饱和的影响。图9.7系统接线图9.6母联电流相位比较式保护原理(4）电流相位比较式母线保护原理与输电线的电流相位比较式保护相似，基于外部故障时，故障回路电流与其他各回路电流之和的相位差接近180°，将电流波形变成方波比相时，各电流波形之间基本上无间隙。而在内部故障时各回路电流相位接近相同，各电流波形之间有很大间隙（见图9.7、图9.8）。这种原理只比较各回路电流的相位，与其幅值无关，因此基本上不受电流互感器饱和的影响。但这种原理不适用于母线上故障而各回路电流相位差较大或有电流流出的情况，例如3/2结线的母线。图9.8电流相位比较式母线保护原理(a）外部短路；(b）内部短路可分为低阻抗型、中阻抗型和高阻抗型母线差动保护。传统的母线差动保护都是低阻抗型，即差回路的阻抗很小，只有数欧姆。其优点是在内部故障、全部故障电流流经阻抗很低的差动回路时，差动回路上的电压不会很大，不会增大电流互感器的负担而使电流互感器饱和并产生很大的不平衡电流，同时也不会对继电器造成过电压。但在外部故障全部故障电流流过故障支路的电流互感器而使其饱和时，由于差动回路的阻抗低，因而通过继电器的不平衡电流很大。为了使保护不误动，保护定值应按躲过此不平衡电流整定，或采取制动措施，这使保护的灵敏度降低，使接线复杂化。2、按差动回路中的电阻大小分类为克服上述缺点，可在差动回路中串入一高阻抗，其值可在数百欧姆以上，因而在外部故障使电流互感器饱和时，可减小差动回路的不平衡电流，不需要制动。但在内部故障时，差动回路可产生危险的过电压，必须用过电压保护回路减小此过电压，以保证既能使继电器动作，又不会因过电压而损坏。这就是高阻抗母差保护。中阻抗式母线差动保护实际上是上述两种母线差动保护的折中方案。差动回路接入一定的阻抗，约300Ω，采用特殊的制动回路既能减小不平衡电流的影响，又不产生危险的过电压，不需要专门的过电压保护回路。带制动特性的母线差动保护将母线上引出线的电流（即电流互感器的副方电流）按一定的方式组合成一制动电压，以阻止继电保护动作，这种电流又以另外的方式组合成一差动电压，以启动继电保护。继电保护的动作与否决定于制动电压与差动电压之间的大小；如果差动电压大于制动电压，则保护装置动作；如果差动电压小于制动电压，则保护装置不动作，这就是这种差动保护的工作原理。9.2带制动特性的母线差动保护设母线上有几条引出线，其电流分别为I1、I2、……、IN，常见几种制动特性的差动保护，其动作条件为：式中，K为制动系数；i0为定值。由式（9.4）所决定的差动保护的动作方程式可简写成：设I0＜Ii，则式（9.5）变成：.max01011(9.3)(9.4)niiinniiiiIKIiIKIi0(9.5)outinoutinIIKIIi00000(9.6)11(9.7)11iiiIIKIKIiKIIiKK图9.9具有直线制动特性的差动保护的动作区域9.3JMH-1型母线差动保护装置基本原理JMH-1型母线保护装置可以适用于大电流接地系统各种方式的母线保护，适用的接线方式有单母线、分段单母线、双母线、环形母线、一个半母线（即母线）等。作为主保护，它能迅速反映母线的各种故障，在各种运行方式下，均具有较好的选择性。由于装置采用的中间电流变换单元可以选用不同的变比，所以它适用于母线上各连接单元的电流互感器变比不一致的场合，且属于中阻差动型，故整个装置具有良好的抗电流互感器饱和的能力。1129.3.1JMH-1型母线保护的组成从原理上讲，JMH-1型母线保护主要由中阻抗差动回路、电压闭锁回路、断线闭锁回路、切换回路（包括出口回路）及自检回路等组成。中阻差动回路是本保护装置的最核心的部分，它由中间电流变换器、差动元件和信号元件等组成，在用于双母线或多母线保护时，还应包括切换元件的触点回路。图9.10单母线系统保护的交流电流回路9.3.2差动回路的工作原理（1）正常运行时在正常运行时，差动回路可等效成图9.11所示的回路，此时，流进母线的电流Ii等于流出母线的电流I0。因为Ii=I0，M与N之间无电位差，P与Q之间