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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障，而随着短路
2、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置就可以把母线故障切除。例如：在双
3、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：故障切除的时间一般较长；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：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。110kV及以上的单母线，重要发电厂的35kV母线或高压侧为11
4、0kV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,8.
5、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
6、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（母分差动）组成，用
7、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.
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.
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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；若以母线电压构成差动保护的启动元件，在故障发生时则可以瞬时动作，两者的动作有一段时间差。当母线区
17、内故障时，差电流增大和母线电压降低同时发生。TA饱和的同步识别法就是利用这一特点，区分母线的区内、区外故障，在判别出母线区外故障TA饱和时则闭锁母线差动保护。考虑到系统可能会发生区外转区内的母线转换性故障，因而TA饱和的闭锁应该是周期性的。（）通过比较差动电流变化率鉴别TA饱和。TA饱和后，二次侧电流波形出现缺损，在饱和点附近二次侧电流的变化率突增。而当母线区内故障时，由于各条线路的电流都流入母线，差电流基本上按照正弦规律变化，不会出现区外故障TA饱和条件下差电流突变较大的情况。因此可以利用差电流的这一特点进行TA饱和的检测。TA进入饱和需要时间，而在TA进入饱和后，在每个周波一次电流过零点附
18、近都存在一个不饱和时段，在此时段内TA仍可不畸变地传变一次电流，此时差电流变化率很小。利用这一特点也可构成TA饱和检测元件。在短路初瞬和TA饱和后每个周波内的不饱和时段，饱和检测元件都能够可靠地闭锁保护。,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（）波形对称原理。TA饱和后，二次侧电流波形发生严重畸变，周波内波形的对称性被破坏，采用分析波形的对称性可以判定TA是否饱和。判别对称性的方法有多种，最基本的一种是电流相隔半周波的导数的模值是否相等。（）谐波制动原理。当发生区外故障TA饱和时，差电流的波形实际是饱和TA励磁支路的电流波形。当TA发生轻
19、度饱和时，故障支路的二次电流出现波形缺损现象，差电流中包含有大量的高次谐波。随着TA饱和深度的加深，二次电流波形缺损的程度也随着加剧。但内部故障时差电流的波形接近工频电流，谐波含量少。谐波制动原理利用了TA饱和时差电流波形畸变的特点，根据差电流中谐波分量的波形特征检测TA是否发生饱和。这种方法有利于发生保护区外转区内故障时根据故障电流中存在谐波分量减少的情况而迅速开放差动判据。,8.3.2 母线运行方式的切换及保护的自适应,母线的接线方式随运行方式经常变化，各种主接线方式中以双母线接线运行最为复杂。随运行方式的变化，母线上其上的各种连接元件在运行中需要经常在两条母线上切换。因此希望母线保护应能
20、自动适应系统运行方式的变化，免去人工干预及由此引起的人为误操作。利用隔离开关辅助触点来判断母线运行方式为防止隔离开关辅助触点引入环节发生错误，有些母线保护采用引入每副隔离开关的常开触点和常闭触点，以两对触点的组合来判别隔离开关状态。应用：在集成电路型母线保护中通常采用此方法。缺点：常因隔离开关辅助触点不可靠（接触不良、触点粘连或触点抖动等），导致出错，因此在实际工程应用中并不能真正有效。当辅助触点出错时，会导致母线保护拒动或因保护失去选择性而扩大故障切除范围。,8.3.2 母线运行方式的切换及保护的自适应,母线的接线方式随运行方式经常变化，各种主接线方式中以双母线接线运行最为复杂。随运行方式的
21、变化，母线上其上的各种连接元件在运行中需要经常在两条母线上切换。因此希望母线保护应能自动适应系统运行方式的变化，免去人工干预及由此引起的人为误操作。用将隔离开关辅助触点和电流识别两种方法相结合，且更加先进、有效的运行方式自适应方法。具体实现方法是：将运行于母线上的所有连接单元的隔离开关辅助触点引入保护装置，实时计算保护装置所采集的各连接元件负荷电流瞬时值，根据运行方式识别判据，来校验隔离开关辅助触点的正确性，校验确定它们无误后，形成各个单元的“运行方式字”，运行方式字反映了母线各连接元件与母线的连接情况；若校验发现有误，保护装置则自动纠正其错误。数字式母线保护的这种自动适应运行方式的方法能更有
22、效地减轻运行人员的负担，提高母线保护动作的正确率。,8.3.3 3/2断路器接线的母线及其保护问题,当母线为3/2断路器接线，在母线内部短路时可能有电流流出。图8.11示出了3/2断路器的母线短路时有电流流出的情况。这种情况会使比较母线连接元件电流相位原理的母线保护拒动，也会使具有制动特性原理的母线差动保护的灵敏度降低。要考虑在内部短路时有一定电流流出的影响，是母线保护需要注意的问题之一。,图8.11 3/2断路器的母线短路时有电流流出的情况,左图：佛山市电力局220kv吉安变电所屏蔽绝缘铜管母线主变容量：180MVA母线额定电流：4000A,8.4 断路器失灵保护简介,断路器的失灵故障在11
23、0kV及以上电压等级的发电厂和变电所中，当输电线路、变压器或母线发生短路时，在保护装置动作于切除故障同时伴随着故障元件的断路器拒动。电网中枢地区重要的220kV及以上主干线路，系统稳定要求必须装设全线速动保护时，通常可装设两套独立的全线速动主保护（即保护的双重化），以防保护装置的拒动；对于断路器的拒动，则专门装设断路器失灵保护。,（SEL-352断路器失灵继电器图）,1 装设断路器装设失灵保护的条件由于断路器失灵保护是在系统故障的同时断路器失灵的双重故障情况下的保护，因此允许适当降低对它的要求，即仅要最终能切除故障即可。装设断路器装设失灵保护的条件：(1)相邻元件保护的远后备保护灵敏度不够时应
24、装设装设断路器失灵保护。对分相操作的断路器，允许只按单相接地故障来校验其灵敏度。(2)根据变电所的重要性和装设失灵保护作用的大小来决定装设断路器失灵保护。例如多母线运行的220kV及以上变电所，当失灵保护能缩小断路器拒动引起的停电范围时，就应装设失灵保护。,2 对断路器失灵保护的要求(1)失灵保护的误动和母线保护误动一样，影响范围很广，必须有较高的可靠性（安全性）。(2)失灵保护首先动作于母联断路器和分段断路器，此后相邻元件保护已能以相继动作切除故障时，失灵保护仅动作于母联断路器和分段断路器。(3)在保证不误动的前提下，应以较短延时、有选择性地切除有关断路器。(4)失灵保护的故障鉴别元件和跳闸
25、闭锁元件，应对断路器所在线路或设备末端故障有足够灵敏度。,实现图8-12母线断路器失灵保护的基本原理框图可利用图8-13予以说明。对于连接至一组（或一段）母线上的元件的保护装置：,（图8-12：母线接线形式）,（图8-13：断路器失灵保护逻辑框图）,此时间继电器的延时大于故障线路元件的断路器跳闸时间及保护装置返回时间之和，因此并不妨碍正常的切除故障。这样就切除了d点的故障，起到了QF1拒动时的后备作用。为了提高失灵保护不误动的可靠性，首先对于失灵保护的起动启动，还需另一条件组成“与”门，此另一条件通常为检测各相电流，电流持续存在，说明断路器失灵，故障尚未清除。电流元件的定值，如能满足灵敏度要求，应尽可能整定大于负荷电流。为提高出口回路的可靠性，应再装设低压元件和（或）零序过压元件或负序过压元件，后者控制的中间继电器触点与出口中间继电器触点串联构成失灵保护的跳闸回路。延时可分为两级，较短一级（延时I段）跳母联或分段断路器；较长一级（延时II段）跳所有有电源的出线断路器。,母线保护到此结束，谢谢！,
