技能培训专题 母线差动保护基本原理

•8.2.1单母线完全电流差动母线保护完全电流差动母线保护的原理接线图如图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：Ip1、Ip2、┅、Ipn：一次电流Is1、Is2、┅、Isn：二次电流由于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有不平衡电流出现；当母线上（如图8-4图中k点）故障时，则所有与电源连接的元件都向k点供给短路电流，于是流入继电器的电流为：Ik----故障点的全部短路电流，此电流足够使差动继电器动作而驱动出口继电器，从而使所有连接元件的断路器跳闸。1111nnKAsipikiiTATAIIIInn图8-4：完全电流母线差动保护原理接线路图8.2母线差动保护基本原理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，并且差动继电器采用具有速饱和铁芯的继电器时，其动作起动电流应为：Krel：可靠系数，取1.3；nTA：母线保护用TA电流互感器的变比；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。2、动作电流应大于任一连接元件中最大的负荷电流Il.max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就比较大。为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：..max.max0.1/(82)rsetrelunbrelkTAIKIKIn..max/(83)rsetrellTAIKIn当保护范围内部故障时，应采用下式校验灵敏系数，其值一般应不低于2：Ik.min----在母线上发生故障的和最小短路电流门槛值。应用：这种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。.min./()(84)senkrsetTAKIIn•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。母线外部短路它们的TA不易饱和其TA可能饱和相应励磁阻抗很小很大的一次电流几乎全部流入励磁支路二次电流近似为零差动继电器中有很大不平衡电流完全电流差动保护误动作非故障支路电流一般不很大故障支路电流可能非常大图8-5：高阻抗母线差动保护原理接线图假设母线上连有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：Zμ—励磁阻抗；r—二次回路连线阻抗值；ru—电压差动继电器内阻；Zσ1、Zσ2—TA一次和二次绕组漏抗。外部短路时：最严重的情况下内部短路时：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。故障支路的TA极度饱和其Zμ近似为零一次电流全部流入励磁支路非故障支路二次电流都流入故障支路TA的二次绕组差动继电器中电流仍然很小差动继电器不会动作ru很高图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：或动作判据为模值和制动：当母线外部短路而使故障支路的TA严重饱和时，该TA二次电流接近于零，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），使第n条故障支路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必象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。max.01{},1,2,,(85)niresisetiIKIIin.011,1,2,,(86)nniresisetiiIKIIinIi—母线各连接元件TA二次电流值；Kres—制动系数；Iset.0—动作电流门槛值动作电流•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。•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：图8-7：元件固定连接的双母线电流差动保护原理接线图第一组：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。如图8-8所示，当正常运行及母线故障（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。同理当第Ⅱ组母线上某点短路时，只有KD2和KD3动作，最后时由断路器QF3、QF4和QF5跳闸切除故障。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主要缺点：从保护的角度来看，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两组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启动元件KST：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。选择元件KD：选择元件KD是一个电流相位比较继电器。它一个线圈接入除母联断路器之外其他连接元件的二次电流之和，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作为故障母线的选择元件。母线Ⅰ故障时和母线Ⅱ故障时，母联断路器中的电流相差180°，而对于总差动电流，由于它反应母线故障的总电流，其相位是不变的。主要优点----对母线上的元件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。图8-10：母联电流比相式母线差动保护原理接线•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，可分为：低阻抗型母线保护中阻抗型母线保护高阻抗型母线保护1、低阻抗型母线保护（一般为几欧）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。2、中阻抗型母线保护（一般为几百欧）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“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母线保护方案。在我国电力系统中得到了广泛的应用。3、高阻抗型母线保护（一般为几千欧）优点：较好地解决了母线区外部故障TA饱和时保证保护不误动的问题。缺点：在母线内部故障时，电流互感器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，这对于扩建的变电站来说较难做到。•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：Kres----制动系数；Iset.0----最小动作电流门槛值。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中广泛应用。.0111(87)nisetinniresiiiIIIKI•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：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。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。.01111(88)nisetiniiresnniiiiIIIKII•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数字式继电保护技术基础中说明。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负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。.0111(89)nisetinniresiiiIIIKI