第八章-母线保护

第八章母线的继电保护本章主要内容:1.装设母线保护的基本原则2.完全电流差动母线保护3.电流比相式母线保护4.双母线同时运行时,母线保护的实现方法5.断路器失灵保护8.1装设母线保护的基本原则母线是电力系统中的一个重要元件，当母线上发生故障时，将使连接在母线的所有元件在修复故障母线期间或转换到另一组无故障的母线上运行以前被迫停电，在枢纽变电站母线上发生故障时，可能引起系统稳定的破坏，造成严重的后果。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予以切除,例如:1）发电厂采用单母线接线，母线上的故障可利用发电机的定子过电流保护使发电机的断路器跳闸予以切除。tt-k++++II-定子绕组过电流保护2）对降压变电所，其低压母线采用单母线分段，正常时分开运行，低压母线上的故障可以由相应变压器的过电流保护使变压器的断路器跳闸于以切除。t++-t++-IIk电源单母线分段高压母线低压母线变压器的过电流保护3）对双侧电源网络（或环形网络）当变电所Ｂ母线故障时可由保护１和４的Ⅱ段动作于以切除。k1234ABCＢ变电所母线5装设专用母线保护的原因：A）利用供电元件的保护装置切除母线故障的时间较长。（速动性）电源kB）当双母同时运行或单母分段时，保护不能保证有选择性地切除故障母线。（选择性）双母同时运行什么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，为保证有选择性地切除任一组母线上所发生的故障，而另一组无故障母线仍能继续运行，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，应装设专用母线保护。为满足速动性和选择性的要求，母线保护均按照差动原理构成，母线上一般连接着较多的电气元件（线路、变压器、发电机等），不管母线上元件有多少，实现差动保护的基本原则仍是适用的。8.2母线差动保护的基本原则母线差动保护的基本原则a)在正常运行以及母线范围以外故障时，在母线上所有连接元件中，流入的电流和流出的电流相等，即:（流入母线为电流的正方向）0piI.pikIIc)若从电流相位看，则正常运行及外部故障时，至少有一元件中的电流相位和其余元件中的电流相位相反，而当母线故障时，除电流等于零的元件以外，其它元件的电流则是同相位的。b)当母线上发生故障时，所有与电源连接的元件都向故障点供给短路电流，而在供电给负荷的连接元件中电流等于零，故（短路点的总电流）8.2.1单母线完全电流差动母线保护在母线的所有连接元件上装具有相同变比和特性的电流互感器，所有互感器的二次线圈在母线侧的端子互相连接，另一端的端子也互相连接，然后接入差动继电器，继电器中的电流即为各个二次电流的向量和。I-I-+++......1pI1sI1232sIsnI2pIpnI1.原理a.在正常运行及外部故障时，流入继电器的是由各互感器特性不同而引起的不平衡电流Iunbb.而当母线上故障时，则所有与电源连接的元件均向短路点供给短路电流，于是流入继电器的电流为：此电流足够使差动继电器动作而起动出口继电器３，从而使所有连接元件的断路器跳闸。...1nKAunbsiiIII....1111nnKAsiPikiiTATAIIIInn2.差动继电器启动电流整定原则：——按如下条件整定，选择其中较大的一个a.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可按以下计算：.maxmax0.1rsetrelunbrelkTAIKIKInmaxmax0.1;1unbatkTAatIKInK其中Ｋrel—可靠系数取1.3Ik.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b.为防止在正常运行情况下，任一电流互感器二次回路断线时，引起保护装置误动作，起动电流应大于任一连接元件中最大的负荷电流IL.max.max/rsetrelLTAIKIn3.灵敏系数校验当保护范围内部故障时，应采用下式校验灵敏系数：.min.ksenrsetTAIKIn其中：Ik.min--应采用实际运行中可能出现的母线连接元件最少时，在母线上发生故障的最小短路电流值。灵敏系数Ksen其值一般应不低于2按照母线保护装置输入阻抗的大小，可分为:低阻抗型母线保护（一般为几Ω）中阻抗型母线保护（一般为几百Ω）高阻抗型母线保护（一般为几千Ω）。常规的母线保护及微机保护均为低阻抗型母线保护。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，特别是微机母线保护具有完善的自检及互检功能，事故记录、断路器失灵保护以及接地保护、过流保护等后备保护功能。但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。4.母线保护常见类型高阻抗型母线电流差动保护较好地解决了这一问题，但在母线内部故障时，电流互感器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。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饱和方面具有独特的优势。8.2.2高阻抗型母线电流差动保护U-U-+++......1pI1sI1232sIsnI2pIpnIk在外部故障时，非故障支路电流不很大，其TA不易饱和，但故障支路电流是集各电源支路电流之和，可能非常大，其TA可能极度饱和，这时一次电流大部分消耗在励磁上，传变到二次侧近似为零，故差动回路将流过很大的不平衡电流，从而引起差动保护误动。U-U-+++......1pI1sI1232sIsnI2pIpnIk解决的办法是采用电压型差动继电器，由于电压差动继电器的内阻很高，非故障支路的二次电流都被故障支路TA的二次绕组旁路，故流入差动继电器的电流很小，差动继电器不会动作。当母线内部故障时，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差动继电器。由于其内阻很高，在电压差动继电器两端出现高电压，从而使保护动作。8.2.3比率制动式中阻抗型母线电流差动保护比率制动式中阻抗型母线电流差动保护，其动作判据可为最大值制动，即：..max.01{}niiressetiIKII或动作判据为模值和制动，即：...011nniiressetiiIKII其中：Kres—制动系数Ii—母线各连接元件TA二次电流值。.max{}iI--中的最大电流值.iIIset.0—动作电流门槛值8.2.4电流比相式母线保护1.原理母线在内部故障和外部故障时各连接元件电流相位发生变化。注意：母线保护规定：电流从线路流向母线为正，从母线流向线路为负。１２1pI2pI母线1)当母线正常运行及外部故障时（k1点），按规定的电流正方向来看和大小相等，相位相差180O1pI2pI１２k11pI2pI2)当母线内部故障时（k2点）,和均流向母线，在理想情况下两者相位相同1pI2pI１２k21pI2pI小母线中间变流器中间变流器切换装置切换装置相位比较延时回路脉冲展宽回路出口跳闸ZLH1ZLH21sI2sI3sI电流比相式母线保护原理图切换装置用于双母线时切换保护二次回路（当一次元件从一条母线切换到另一条母线时，其对应的二次回路也切换到另一条小母线上）各电流互感器二次输出的电流，…分别接入中间变流器ZLH1,ZLH2，…的一次线圈。其二次输出电压分为二组，经半波整流后分别接在小母线1,2,3上；fx1,fx2为非线性电阻（压敏电阻）当电流互感器二次电流Ｉs2很大时，用以防止ZLH1,ZLH2的二次侧产生危险的高压，小母线的输出接到相位比较，延时，脉冲展宽回路。1sI2sI......U0132....D1D2D3D41sI2sI相位比较延时展宽++--在电流的正半周以母线3为参考（设其为0V，则母线2上为负电位）......U0132....D1D2D3D41sI2sI相位比较延时展宽在电流的负半周以母线3为参考（设其为0V，则母线1上为负电位）++--2.工作情况1)母线不带电的情况母线不带电时，小母线上无电压，相位比较延时，展宽回路无输出。2)母线处于正常运行或外部故障情况母线处于正常运行或外部故障时，按规定的正方向电流相位相差180O,中间变流器一次侧及二次侧经检波后的波形如下：由于检波后波形相加的结果，在小母线1、2上都呈现出连续的负电位，因此，比相回路无输出，不启动延时回路，整个回路无输出，不跳闸。t1sIt2sI-EE1E2E1E2t小母线2的波形-EE2E1E2E1t小母线1的波形正常运行或外部故障3)母线内部故障情况母线内部故障时，各连接元件的电流均流向母线，各中间变流器的一次电流基本上同相位，由于、相位相同，两者叠加后，在小母线１和小母线２上呈现出相间的断续负电位，在负电位的间断期间比相回路输出一脉冲，起动延时回路，若此脉冲延续时间大于3.3ms(60O)，则延时回路起动脉冲展宽回路，后者输出一连续脉冲使开关跳闸。1E2Et1sIt2sI-EE1E2E1E2t小母线2的波形-EE2E1E2E1t小母线1的波形由于、相位相同，两者叠加后，在小母线１和小母线２上呈现出相间的断续负电位1E2E母线内部故障4)延时60O回路的作用和保护的闭锁角理想情况：内部故障时电流的相位差为0O，外部故障时为180O。实际情况：由于电流互感器，中间变流器误差等因素的影响，各电流间相位差可能是值最大可达60O、有可能使保护误动。180,-Et小母线2的波形-Et小母线1的波形当小母线上出现间断的电压时，延时回路就要启动，为了防止在这种情况下发生误动作，就需要选择延时回路的时间角所对应的时间，即从时间上躲开外部故障时可能出现的电流相位误差。一般采用=，即3.3ms60o双母线同时运行时，母线保护的实现方法双母线是发电厂和变电所中广泛采用的一种母线方式。对于双母线经常以一组母线运行的方式，在母线发生故障后，将造成全部停电，需把所有连接元件倒换至另一组母线上才能恢复供电，这是一个很大的缺点。为此，在发电厂以及重要变电所的高压母线上，一般都采用双母线同时运行（母线联络断路器经常投入），而每组母线上连接一部分（大约1/2）供电和受电元件的方式，这样当任一组母线上故障后，就只影响到一半的负荷供电，而另一组母线上的连接元件则仍可以继续运行，这就大大提高了供电的可靠性。这种连接方式相对而言较为固定，因此有可能装设元件固定连接的双母线电流差动保护。8.2.4元件固定连接的双母线电流差动保护KD1KD2KD3QF1QF2QF3QF4QF5ⅠⅡ隔离开关TA1TA2TA3TA456第一组由电流互感器TA1、TA2、TA5和差动继电器KD1组成，用以选择第Ⅰ组母线上的故障；第三组实际上是由电流互感器TA1、TA2、TA3、TA4和差动继电器KD3组成的一个完全电流差动保护，当任一组母线上发生故障时，它都起动，而当母线外部故障时，它不动作，在正常运行方式下，它作为整个保护的起动元件，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第二组由电流互感器TA3、TA4、TA6和差动继电器KD2组成，用以选择第Ⅱ组母线上的故障；反应母线总差电流-直流回路展开图+KD3GGKD1KD2ZJ3XJ1ZJ1XJ2ZJ2XJ3跳QF1XJ4跳QF2XJ5跳QF3XJ6跳QF4XJ7跳QF5ZJ1ZJ1ZJ2ZJ2ZJ3+跳QF4KD3++++KD1-+-++XJ1XJ3XJ4ZJ1跳QF1跳QF2跳QF5XJ7ZJ3+KD2-+++XJ2XJ5XJ6ZJ2跳QF3只要KD3动作，说明母线故障，先跳开母联QF5若KD1动作，说明母线1故障，再跳开QF1，QF2若K