母线保护

第十二章母线保护第一节母线故障及保护方式第二节母线电流差动保护第三节母线电压差动保护第四节具有比率制动特性的母线电流差动保护第五节双母线同时运行的母线差动保护第六节断路器失灵保护本章学习要求本章讲述了母线的故障及各种保护方式，重点讲述了母线的电流差动保护，双母线同时运行的母线差动保护的工作原理、接线及整定计算，最后介绍了断路器的失灵保护。１．了解母线的故障及不正常运行状态，母线故障后果的严重性和在什么情况下要安装专门的母线保护。２．掌握几种常见的母线保护工作原理，如完全差动保护和电流比相式母线保护。３．了解双母线固定连接运行时对母线保护的特殊要求。４．了解断路器失灵保护的基本概念。第一节母线故障及保护方式一、母线故障二、母线的保护方式一、母线故障在发电厂和变电所中，屋内和屋外配电装置中的母线是电能集中与分配的重要环节，它的安全运行对不间断供电具有极为重要的意义。虽然对母线进行着严格的监视和维护，但它仍有可能发生故障。运行经验表面，大多数母线故障是单相接地，多相短路故障所占的比例很小。发生母线故障的原因主要有母线绝缘子及断路器套管闪络，电压互感器或装于母线与断路器之间的电流互感器故障，母线隔离开关在操作时绝缘子损坏，以及运行人员的误操作等。一、母线故障母线故障是发电厂和变电所中电气设备最严重的故障之一，它将使连接在故障母线上所有元件在母线故障修复期间或切换到另一组母线所必须的时间内被停电；母线故障时，由于母线电压极度降低，可能破坏整个电力系统的正常工作。为了断开母线上的短路故障，必须装设相应的保护装置。二、母线的保护方式母线保护的主要方式有两种：1．利用供电元件的保护装置来保护母线2．装设母线的专用保护1．利用供电元件的保护装置来保护母线利用发电机的过电流保护切除母线故障图12－1利用供电元件保护装置切除故障母线(a)利用发电机过电流保护；1．利用供电元件的保护装置来保护母线利用变压器的过电流保护切除低压母线故障图12－1利用供电元件保护装置切除故障母线(b)利用变压器过电流保护；1．利用供电元件的保护装置来保护母线利用线路保护切除母线故障图12－1利用供电元件保护装置切除故障母线(c)利用供电电源线路的第II、III段保护2．装设母线的专用保护利用供电元件的保护来保护母线的主要优点是简单、经济。但是，一般供电元件快速动作的主保护如差动保护，不能反应母线故障，应由其后备保护动作，而往往切除故障的时间很长。此外，当双母线同时运行或母线为分段单母线时，上述保护不能保证有选择性地切除故障母线。因此，在下列情况下，母线应装设专用保护装置：2．装设母线的专用保护（1）在110千伏及以上电压等级电网的发电厂变电所双母线和分段单母线。（2）110千伏及以上电压的单母线，重要发电厂35千伏母线以及高压侧为110千伏及以上重要降压变电所的35千伏母线，若依靠供电元件的保护装置带有时限切除故障，会引起系统振荡、电力系统稳定性遭到破坏等极其严重的后果时，母线应装设能快速切除故障的专用保护。2．装设母线的专用保护（3）在某些较简单的电网或电压较低电网中，虽然没有稳定性问题，但当母线上发生三相短路使主要发电厂厂用母线的残余电压低于50%～60%额定电压，切除时间又较长时，将影响厂用电的安全运行，而重要用户将会由于电压剧烈降低而自动解负荷。为了保证对厂用电及重要用户的供电，也应该采用母线专用保护。此外，还必须考虑发电厂和变电所容量大小和在系统中的重要程度。2．装设母线的专用保护（4）一般6～10千伏的供电线路的断路器是按照电抗器后短路选择的，母线应装设专用保护，以便在电抗器前短路时，由母线保护装置断开部分或全部供电元件以减小供电线路的断路器所切断的短路功率。母线的专用保护应该具有足够的灵敏性和工作可靠性。对中性点直接接地电网，母线保护采用三相式接线，以反映相间短路和单相接地短路；对于中性点非直接接地电网，母线保护采用两相式接线，只需反映相间短路。第二节母线电流差动保护图12－2母线完全电流差动保护原理接线图(a)外部故障时的电流分布；(b)内部故障时的电流分布母线完全电流差动保护常用作单母线或只有一组母线经常运行的双母线的保护。母线完全电流差动保护按差动原理构成，其原理接线如图12－2所示。一、母线完全电流差动保护一、母线完全电流差动保护图12-2中，和母线连接的所有元件上，都装设变比和特性均相同的电流互感器(若变比不能一致时，可采用补偿变流器，以降流方式进行补偿)。电流互感器的二次绕组，在母线侧的端子(与母线一次侧端子相对应)互相连接。差动继电器的绕组和电流互感器的二次绕组并联。各电流互感器之间的一次电气设备，即为母线差动保护的保护区。一、母线完全电流差动保护正常运行和外部故障时，如图12－2(a)k点短路，在母线的所有连接元件中，流入母线的电流等于流出母线的电流，即。流入差动继电器的只是不平衡电流。1230KIIII图12-2图12－2母线完全电流差动保护原理接线图(a)外部故障时的电流分布；(b)内部故障时的电流分布内部故障时，如图12－2(b)的k点短路，所有带电源的连接元件都会向短路点供给短路电流.这时流入继电器的电流即故障点的全部短路电流。一、母线完全电流差动保护123KIIII图12-2图12－2母线完全电流差动保护原理接线图(a)外部故障时的电流分布；(b)内部故障时的电流分布一、母线完全电流差动保护•因此，母线完全电流差动保护不反应负荷电流和外部短路电流，只反应各电流互感器之间的电气设备故障时的短路电流，故母差保护不必和其他保护作时限上的配合，因而可瞬时动作。图12－2母线完全电流差动保护原理接线图(a)外部故障时的电流分布；(b)内部故障时的电流分布当母线所有连接元件的电流互感器都满足10%误差曲线的要求，且差动继电器具有速饱和铁芯时，差动继电器的动作电流可按下式计算：一、母线完全电流差动保护TAKrelropKIKI/1.0maxrelKmaxKI差动继电器的动作电流按以下两个条件考虑：（一）按躲过外部故障时的最大不平衡电流整定——可靠系数，取1.3；——保护范围外部故障时，流过母线完全差动电流保护用电流互感器中的最大短路电流；一、母线完全电流差动保护TALrelropKIKI/max(2)minmin2ksoprTAIKIK（二）按躲过电流互感器二次回路断线整定差动继电器的动作电流应大于流经最大负荷电流的连接元件的二次电流(考虑此时电流互感器二次回路断线)保护装置的灵敏系数校验如下式：即在最小运行方式下，母线保护范围内部短路时，要求保护元件的最小灵敏系数应大于2。二、不完全电流差动母线保护不完全差动电流保护通常用作发电厂或大容量变电站6～10kV母线保护。保护通常采用两相式，由两段电流保护构成。保护的原理接线图如图12－3所示。图12-3母线不完全电流差动保护原理接线图二、不完全电流差动母线保护图12-3中，仅对端有电源的连接元件上装设电流互感器，即发电机、变压器、分段断路器及母联断路器上装设。有时也装设在厂用变压器上。这些电流互感器型号和变比均相同。二次绕组按照环流法原理连接。电流继电器KA1、KA2和电流互感器二次绕组并联。二次绕组按照环流法原理连接。电流继电器KA1、KA2和电流互感器二次绕组并联。由于这种保护的电流互感器不是在所有与母线连接的元件上装设，因此称为不完全差动电流保护。图12-3母线不完全电流差动保护原理接线图二、不完全电流差动母线保护二、不完全电流差动母线保护KA1为电流速断保护。其动作电流按躲过线路电抗器后的最大短路电流整定，保护的动作时限是这样整定的：当出线的断路器容量是按线路电抗器后短路选择且出线具有延时过流保护时，电流速断保护做成不带时限的，如图12－3所示；如果出线的断路器的容量是按线路电抗器前短路选择，且线路上除装设延时过流保护外，还装设了快速动作的保护装置，则电流速断保护做成带时限的，其时限比线路快速动作的保护装置大一个时限级差△t。以防止线路电抗器后发生短路时保护误动作。图12-3母线不完全电流差动保护原理接线图二、不完全电流差动母线保护二、不完全电流差动母线保护图中KA2为过电流保护。由于正常运行时流过差动回路的电流等于未接入差动保护的所有连接元件的负荷电流之和，故过流保护的动作电流需躲过上述可能最大的负荷电流(考虑电动机自启动)之和来整定。过流保护的动作时限比出线保护装置的最大动作时限大一时限极差△t。过电流保护用作母线的后备保护以及引出线路的后备保护。图12-3母线不完全电流差动保护原理接线图二、不完全电流差动母线保护不完全差动电流保护工作分析：当母线或线路电抗器前发生短路时，电流速断保护动作。电流继电器1KA动作后，经信号继电器KS1启动跳闸继电器KM1、KM2，从而跳开除发电机断路器外的所有供电元件的断路器。速断保护不断开发电机是考虑故障发生在出线的断路器和电抗器之间时，断开除发电机外的所有供电元件将使故障电流大为减少，从而可以让断路器按电抗器后短路选择的线路的过流保护动作切除故障，而发电机仍可带着母线上的其他负荷继续运行，这样可以提高供电的可靠性。不完全差动电流保护工作分析：接线图也考虑到运行的灵活性，当运行要求发电机断路器由速断保护切除时，只需合上连接片XB12并断开连接片XB11即可实现。当供电元件(如发电机、变压器)内部短路或变压器高压侧电网短路时，由于差动回路仅流过不平衡电流，故速断和过流保护都不会动作。当出线电抗器后的线路上发生短路时，电流速断保护不会动作，而过流保护可以动作。如果出线保护或断路器拒动，电流继电器KA2启动后，将启动时间继电器1KT和2KT，经预定时限后，KT1触点闭合，经信号继电器KS2启动跳闸继电器KM1、KM2，跳开除发电机断路器外的所有供电元件的断路器。不完全差动电流保护工作分析：如果此时故障仍未切除，则待时间继电器2KT的触点闭合后，将发电机断路器断开。时间继电器2KT较时间继电器1KT的动作时限大一时限级差△t，这样整定是考虑尽量不断开发电机，让发电机带着母线上的其他负荷继续运行。不完全差动电流保护工作分析：母线不完全差动电流保护由于只需在供电元件上装设母线保护用的电流互感器，而不需要在母线的全部出线连接元件上装设，因而大大降低了设备费用，简化了保护接线，这对于出线较多的6～10kV母线，是比较实用的。三、电流比相式母线保护电流比相式母线保护的基本原理是根据母线在内部故障和外部故障时，各连元件电流相位的变化来实现的。母线故障时，所有和电源连接的元件都向故障点供应短路电流，在理想条件下，所有供电元件的电流相位相同；而在正常运行或外部故障时，至少有一个元件的电流相位和其余元件的电流相位相反，也就是说，流入电流和流出电流的相位相反。因此，我们利用这一原理可以构成比相式母线保护。三、电流比相式母线保护图12－4(a)示出了正常运行或外部故障时的电流分布。此时，流进母线的电流i1和流出母线的电流i2大小相等，相位相差180º；而在内部故障时，电流i1和i2都流向母线，如图12－4(b)所示，在理想情况下，两电流相位相同。图12－4母线外部故障和内部故障时的电流分布(a)外部故障；(b)内部故障三、电流比相式母线保护电流i1和i2经过电流互感器的变换，二次电流i´1和i´2输入中间电流变换器UA1和UA2的一次绕组。中间变流器的二次电流在其负载电阻上的电压降落造成其二次电压，如图12－5所示。图12-5电流比相式母线保护原理图中间电流变换器UA1和UA2的二次输出电压分为两组，分别经二极管VD9、VD10、VD11、VD12半波整流，接至小母线1、2、3上。小母线输出再接至相位比较元件。下面就其在不同情况下的工作来进行分析。图12-5电流比相式母线保护原理图三、电流比相式母线保护此时电流和相位相差180º，和的波形如图12－6(a)所示当为负半周时，UA1二次侧④为－，⑥端为＋，因此二极管VD9导通；而当为正半周时，④端为＋，⑥端为－，因此二极管VD10导通。VD9、VD10半波