母线保护

母线保护(一)与其他的主设备保护相比，母线保护的要求更为苛刻。当变电站母线发生故障时，如不及时切除故障，将会损坏众多电力设备，破坏系统的稳定性，甚至导致电力系统瓦解。如果母线保护拒动，也会造成大面积的停电。因此，设置动作可靠、性能良好的母线保护，使之能迅速有选择地切除故障是非常必要的。常见的母线故障有：绝缘子对地闪络、雷击、运行人员误操作、母线电压和电流互感器故障等。在大型发电厂及变电站的母线保护装置中，通常配置有母线差动保护、母线充电保护、母联失灵保护、母联死区保护、母联过流保护、母联非全相保护、其他断路器失灵保护等。其中，最为主要的是母差保护。一下着重了解母线差动保护的相关内容。1、母差保护的原理和线路差动保护相同，母线差动保护的基本原理也是基于基尔霍夫定律：在母线正常运行及外部故障时，各线路流入母线的电流和流出母线的电流相等，各线路的电流向量和为零；当母线上发生故障时，各线路电流均流向故障点，其向量和（差动电流）不再等于零，满足一定条件后，出口跳开相应开关。母线差动保护，由ABC三相分相差动元件构成。每相差动元件由小差差动元件及大差差动元件构成。大差元件用于判断是否为母线故障，小差元件用于选择出故障具体在哪一条母线。为了提高保护的可靠性，在保护中和设置有起动元件、复合电压闭锁元件、CT回路断线闭锁元件等。2、差动保护的动作方程首先规定CT的正极性端在母线侧，一次电流参考方向由线路流向母线为正方向。差动电流：指所有母线上连接元件的电流和的绝对值；制动电流：指所有母线上连接元件的电流的绝对值之和。以如图的双母线接线方式的大差为例。差动电流和制动电流为：制动电流..差动电流....4321r4321dIIIIIIIIII差动继电器的动作特性一般如下图。蓝色区域为非动作区，红色区域为动作区。这种动作特性称作比率制动特性。动作逻辑的数学表达式也在图中给出。此动作方程式适用于南瑞继保RCS-915及许继电气WMH-800A母线保护装置。除此之外，还有一种复式比率制动特性，动作特性如下图所示。此动作方程式适用于深圳南瑞BP-2C母线保护装置。复式比率制动能够更明确的区分区内和区外故障。因为它引入了复合的制动电流Ir-Id，一方面在外部故障时，Ir随着短路电流的增大而增大，IrId，能有效地防止差动保护误动。另一方面在内部故障时，Id-Ir0保护无制动量，使差动保护能不带制动量灵敏动作。这样既有区外故障时保护的高可靠性又有区内故障时保护的灵敏性。3、大差和小差接入大差元件的电流为I母、II母所有支路（母联除外）的电流，目的是为了判断故障是否为母线区内故障；接入小差元件的电流为接入该段母线的所有支路的电流，目的是为了判断故障具体发生在哪一条母线上。以双母接线图为例，规定母联CT正极性段在I母侧。大差小差的差动电流和制动电流如下：大差：4321r4321dIIIIIIIIIII母小差：m21rm21dIIIIIIIIII母小差：m43rm43d-IIIIIIII当I母发生故障时，可以看出对于大差元件Id=Ir，因此大差元件动作，确定母线发生区内故障；其次，II母小差元件Id=0，I母小差元件Id=Ir，因此判断故障发生在I母。大差、小差元件同时动作，母差保护差动继电器才动作。4、比率制动系数的高值和低值（1）母联开关的分合对大差元件的影响当母联开关合上，母线并列运行时，大差元件和小差元件动作情况同上的分析。当母联开关断开，母线分列运行时，如图：对于I母而言，大差小差元件的差动电流和制动电流分别为：大差：4321r21dIIIIIIIII母小差：21r21dIIIIIIII母小差：43rd0IIII可以看出，I母小差Id=Ir不变，而大差IdIr，显然大差灵敏度大大下降。尤其当I母连接小系统，短路电流较小，II母连接大系统,负荷电流较大的时候，Id有可能比Ir小很多，以至于大差元件落在不动作区。这样虽然I母小差元件正常动作，但是大差元件不动作，差动继电器拒动。（2）高值和低值为了保证母线分列运行时，母差保护的动作灵敏性，可以采取以下措施：a.解除大差元件当母联开关退出运行时，通过辅助接点解除大差元件，只要小差元件就可以出发差动继电器动作。但是这样的缺点是降低了母差保护的可靠性。b.设置高值低值大差元件的比率制动系数设置一个高值和一个低值。当母线并列运行时，大差元件的比率制动系数使用高值；当母线分列运行时，自动降低大差元件的比率制动系数，采用低值，避免大差元件拒动。目前通常采用的也是这种措施，高值一般设为0.5~0.6，低值为0.3。5、复压闭锁元件如我们之前所说，母差保护极其重要，母差保护误动后，会误跳大量线路，造成灾难性的后果。所以为了防止保护出口继电器由于振动或人员误碰等原因误动作，通常采用复压闭锁元件。复压闭锁元件开放条件为：复合电压闭锁元件的接点串点接于差动继电器的出口回路中。现在微机型母线保护通常采用软件闭锁方式。差动继电器动作后，复压闭锁元件也动作，母差保护才能出口跳相应开关。逻辑框图如：一般在母线保护中，母线差动保护、断路器失灵保护、母联死去保护、母联失灵保护都要经过复合电压闭锁。但母联充电保护和母联过流保护不经复合电压闭锁。6、CT断线闭锁为了防止母差保护误动，母线保护中应设置有CT断线闭锁元件。当母差用CT断线时，立即将母差保护闭锁。对CT断线闭锁元件的要求如下：（1）延时发出警报信号。对于母差保护，母线连接支路众多，制动电流为所有支路电流绝对值之和。所以某一支路的一相CT二次回路断线，一般不会导致保护误动作。因此应经一定延时发出报警信号，并将母差保护闭锁。（2）分相设置闭锁元件。一相CT断线就去闭锁该相差动保护，以减少母线上又发生故障时差动保护误动的几率。（3）母联/分段断路器CT断线，不应闭锁母差保护。但此时应切换到单母线方式，发生区内故障时不再进行母线选择。7、运行方式识别双母线上各连接元件在系统运行中需要经常在两条母线上切换，因此正确识别母线运行方式直接影响到母线保护动作的正确性。保护装置引入隔离开关辅助触点判断母线运行方式，同时对隔离开关辅助触点进行自检，作为小差电流计算及出口跳闸的依据。当某支路有电流而无隔离开关位置信号时，发出报警信号。有的装置设有母线模拟盘。当隔离开关位置发生异常时保护发出报警信号，通知运行人员检修。在运行人员检修期间，可以通过模拟盘用强制开关指定相应的隔离开关位置状态，保证母差保护在此期间的正常运行。母线保护（二）以上我们讨论了最重要的母线差动保护。除此之外，母线保护通常还配置有母联充电保护、母联失灵保护、母联死区保护、母联过流保护、母联非全相保护、其他断路器失灵保护等。以下来介绍下母线保护的其他配置。1、母联过流保护母联过流保护是线路投运时，代替线路保护的临时保护。当流过母联断路器三相电流中任一相或零序电流大于整定值时，经整定延时跳开母联断路器。母联过流保护不经复压元件闭锁。保护动作的逻辑框图如下：2、母联充电保护母联充电保护也是临时性保护，只有在母线安装投运前或母线检修后再投入前，利用母联断路器对母线充电时短时投入。当投运母线有故障时，跳开母联断路器，切除故障。充电保护投入后，母联断路器任一相电流大于充电电流整定值，经整定延时跳开母联断路器。充电保护也不经复压元件闭锁。逻辑框图如下：充电保护投入期间，为了防止母联失灵误动，避免被充电母线故障时扩大停电范围，可根据控制字决定是否闭锁母差保护。3、母联非全相保护运行中，当断路器的一相断开时，将出现断路器非全相运行。非全相运行时，会产生负序电流，危及到发电机及电动机的安全。因此切除非全相运行的断路器非常重要。断路器非全相保护依据的是非全相运行的特点：断路器三相位置不一致及产生负序、零序电流。因此由断路器TWJ和HWJ接点起动，并采用零序、负序电流作为动作的辅助判据。当三相HWJ和TWJ不同，且零序或负序电流大于整定值，经延时跳断路器。逻辑框图如下：4、母联死区保护在各种母差保护中，存在一个共同的问题，就是死区问题。如图，在母联合位时，当故障发生在母联断路器与母联CT之间时，故障电流由II母流向I母，I母小差有差流，判断为I母故障，母差保护动作跳开I母及母联。此时故障仍然存在，II母小差无差流，从而形成了母差保护的死区，无法切除故障。为了快速切除死区内的故障，母线保护中设置了死区保护，逻辑框图如下。可以看出，当I母（或II母）母差动作后，母联断路器被跳开，但故障为切除，母联CT仍有电流，死区保护动作，经延时跳II母（或I母）上连接的各断路器。5、母联失灵保护母线保护或其他有关保护动作，母联断路器出口继电器触电闭合，但母联CT二次仍有流，即判为母联断路器失灵，启动母联失灵保护。母联失灵保护动作后，需要经过两条母线的复压闭锁元件。若复压闭锁元件开放，经短延时（0.2~0.3S）切除两条母线上所有连接元件。上面说的母线保护，通常指的是母差保护、充电保护或母联过流保护起动母联失灵保护。其他有关保护通常包括线路保护、变压器保护、发电器保护等，可以根据“投外部起动母联失灵”控制字来决定是否通过外部保护启动母联失灵保护。母联失灵保护逻辑框图如图：6、断路器失灵保护线路发生故障时，若该线路断路器失灵，则需要有母线保护跳开该线路所在母线上的所有断路器。断路器失灵保护由四部分构成：起动回路、失灵判别元件、动作延时元件、负压闭锁元件。断路器失灵保护应用于连接到母线上的所有支路。当母线所连的某断路器失灵时，由该线路或元件的失灵起动装置提供一个失灵起动接点给母线保护装置。装置检测到某一失灵起动接点闭合后，起动断路器失灵保护。断路器失灵保护动作后，宜无延时再次跳开断路器。然后比较短延时（0.2~0.3s）跳开母联，再经另一较长延时（0.5s）跳开与失灵断路器连接在同一母线上的其他断路器。断路器失灵保护动作后，应闭锁有关线路的重合闸。7、母线保护与其他保护的配合由于母线保护关联到母线上的所有出现元件，因此，在设计母线保护时，应考虑与其他保护的配合问题。（1）母差保护动作后，对于闭锁式纵联保护，本侧收发信机应停信，使对侧迅速跳闸。（2）母线保护动作后，为防止线路断路器对故障母线进行重合，应闭锁线路重合闸。（3）母线保护动作后，应立即去启动失灵保护。这是为了在母线发生故障时母联断路器失灵，或故障点发生在死区时，失灵保护能迅速可靠的切除故障。（4）母线保护故障后，对于线路纵差保护，应发远跳命令去切除对侧断路器。（5）主变非电量保护不应起动母线失灵保护，只是因为非电量保护动作后不能快速自动返回，容易造成失灵保护误动。