电力系统继电保护-8母线保护

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：①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：②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置就可以把母线故障切除。例如：③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Ｂ母线上k点短路时，则可以由保护1、4的第Ⅱ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差动继电器的启动电流应按如下条件考虑，并选择其中较大的一个：（1）躲开外部故障时所产生的最大不平衡电流，当所有电流互感器均按10%误差曲线选择，且差动继电器采用具有速饱和铁芯的继电器时，其动作电流Ir.set计算式为Ir.set=KrelIunb.max=Krel×0.1Ik.max/nTA（8.2）式中Krel—可靠系数，取为1.3；Ik.max—在母线范围外任一连接元件上短路时，流过差动保护TA一次侧的最大短路电流；nTA—母线保护用TA的变比。（2）由于母线差动保护电流回路中连接的元件较多，接线复杂，因此，TA二次回路断线的几率比较大。为了防止在正常运行情况下，任一TA二次回路断线引起保护装置误动作，动作电流应大于任一连接元件中最大的负荷电流IL.max，即Ir.set=KrelIL.max/nTA（8.3）当保护范围内部故障时，应采用下式校验灵敏系数.min.ksenrsetTAIKIn（8.4）式中Ik.min—在母线上发生故障的最小短路电流门槛值，其值一般应不低于2。应用：完全电流差动保护方式原理比较简单，通常适用于单母线或双母线经常只有一组母线运行的情况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将比率制动的电流型差动保护应用于母线，动作判据可为最大值制动，即.0max1niresisetiIKIIi=1,2,3,……,n（8.5）或动作判据为模值和制动，即.011nniresisetiiIKIIi=1,2,3,……,n（8.6）式中Kres—制动系数；iI—母线各连接元件ＴＡ二次电流值；maxiI—iI中的最大值；Iset.0—动作电流门槛值。当母线外部短路而使故障支路的TA严重饱和时，该TA二次侧电流接近于零，使式（8.5）和式（8.6）中失去一个最大的制动电流。克服措施：在差动回路中适当增加电阻，如图8.6所示，使第n条故障支路的TA的二次回路仍流过电流，此电流从其他支路流入，起制动作用。由于保留了比率制动特性，这种保护差动回路的电阻不像高阻抗母线差动保护的差动回路内阻那么高，也就不需要有限制高电压的措施。8.2.4电流比相式母线保护•基本原理——根据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）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（Ⅱ母分差动）组成，用以选择第Ⅱ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KD3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Ⅱ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。在固定连接方式破坏时，保护装置的动作情况将发生变化。例如当连接支路1自母线Ⅰ切换到母线Ⅱ上工作时，由于差动保护的二次回路不能随着切换，因此，按原有接线工作的Ⅰ、Ⅱ两母线的差动保护都不能正确反映母线上实际连接元件的I之值，因而在KD1和KD2中将出现差电流。在这种情况下保护的动作将无法选择在哪一组母线上发生了故障。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Ⅰ母线上故障时，流过母联断路器的短路电流是由母线Ⅱ流向母线Ⅰ，而当Ⅱ母线上故障时，流过母联断路器的短路电流则是由母线Ⅰ流向母线Ⅱ。在这两种故障情况下，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