第8章--母线保护

机械工业出版社教材配套电子教案电力系统继电保护刘学军编制机械工业出版社第8章母线保护机械工业出版社第8章母线保护8.1母线故障及保护方式8.2母线电流差动保护8.2.1母线电流差动保护的基本原理8.2.2单母线完全电流差动保护8.2.3高阻抗母线差的保护8.2.4具有比率制动特性的母线电流差动保护8.2.5电流比相式母线保护8.3双母线同时运行的母线差动保护8.3.1元件固定连接的双母线完全电流差动保护8.3.2母联电流相位比较式母线差动保护8.4断路器失灵保护机械工业出版社8.1母线故障及保护方式8.1.1母线故障8.1.2母线的保护方式机械工业出版社8.1.1母线故障及保护方式•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。机械工业出版社8.1.1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。机械工业出版社8.1.2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机械工业出版社8.1.2母线的保护方式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机械工业出版社8.1.2母线的保护方式利用变压器的过电流保护切除低压母线故障机械工业出版社8.1.2母线的保护方式利用线路保护切除母线故障机械工业出版社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：机械工业出版社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。机械工业出版社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。机械工业出版社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。机械工业出版社8.2母线电流差动保护•8.2.1母线电流差动保护的基本原理实现差动保护的基本原则•（1）在正常运行和母线范围外故障，在母线上所有连接元件中，流入和流出的电流相等。∑I=0。•（2）母线故障，所有与母线连接元件都向故障点提供短路电流（负荷电流除外），按基尔霍夫电流定律∑Ik=0。•（3）从每个元件中的电流相位看，正常运行和外部故障时，至少有一个元件的电流相位和其它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外，其它元件中电流相位都相同。机械工业出版社8.2.2单母线完全电流差动保护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8-4所示。母线完全电流差动保护图8-4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机械工业出版社8.2.2单母线完全电流差动保护图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•图8-4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。机械工业出版社8.2.2单母线完全电流差动保护正常运行和外部故障时，如图8-4(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IK=I1+I2-I3=0。流入差动继电器的只是不平衡电流。内部故障时，如图8-4(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IK=I1+12+I3。这时流入继电器的电流，即故障点的全部短路电流。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机械工业出版社8.2.2单母线完全电流差动保护图8-4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•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。机械工业出版社8.2.2单母线完全电流差动保护差动继电器的动作电流按以下两个条件考虑：（1）按躲过外部故障时的最大不平衡电流整定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：式中——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；——母差保护用电流互感器变比。TAkrelropKIKI/1.0maxrelKmaxkITAK（8-1）机械工业出版社8.2.2单母线完全电流差动保护（2）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。TALrelrpoKIKI/max2)2(minTAropksenKIIK（8-2）（8-3）机械工业出版社8.2.3高阻抗母线差动保护•母线的电流差动保护，接于差动回路的电流继电器阻抗很小，在内部短路时，电流互感器的负荷小，二次电压低，因而饱和度低，误差小。这种母线差动保护都是低阻抗型，所以也称为低阻抗型母线差动保护。•在母线发生外部短路时，一般情况下，非故障支路电流不大，他们的TA不易饱和，但故障支路电流集各电源支路电流之和，非常大，使其TA高度饱和，相应励磁阻抗很小。这时虽然一次侧电流很大，但其几乎全部流入励磁支路，其二次电流近似为零。这时电流继电器将流过很大不平衡电流，使电流母线保护误动作。为避免上述情况母线保护误动作，可采取母线的电压差动保护。机械工业出版社8.2.3高阻抗母线差动保护•在各元件电流互感器变比相等的环流法接线的差动回路中，用高阻抗（2.5～7.5）电压继电器作为执行元件，构成母线的电压差动保护，也称为高阻抗母线差动保护。其原理接线图如图8-5所示。图8-5高阻抗母线差动保护的原理接线图当母线内部发生故障时，各元件的TA一次侧电流接近于同相位流向母线，TA的二次侧电流也接近于同相位流向高阻抗电压继电器KV，在KV端产生高电压，使KV动作。在正常运行或外部故障时，由于流入母线和流出母线电流相等，理论上电压继电器端电压为零。实际上由于TA的励磁特性差别和非线性，继电器KV端有不平衡电压。图8-6母线外部故障时的等效电路机械工业出版社8.2.3高阻抗母线差动保护•如图8-6所示，其中虚线框内为故障支路的TA等值电路，Zm为TA的励磁阻抗，Z1′和Z2分别为TA的一次和二次绕组漏抗，r1为二次回路连线电阻，ru为电压继电器的内阻。在外部故障时，故障元件的TA高度饱和，近似为零。所有非故障元件的TA二次电流被强制流入故障元件TA的二次绕组成环路。而流入电压继电器的电流很少，所以KV不会动作。但这时KV两端电压为故障元件的TA二次绕组的漏抗及二次回路连线电阻上产生压降之和。该压降应以整定值躲过。以保证外部短路时母线保护不会误动作。机械工业出版社8.2.3高阻抗母线差动保护图8-7表示出内、外部短路时差动回路电压与短路电流之间的关系，只要按大于最大外部短路电流对应的继电器不平衡电压整定继电器动作电压，就能区分保护区内、外故障，如采用瞬时测量的电压继电器，则保护不受互感器饱和的影响，并且保护动作时间不超过10毫秒。电压差动保护优点是保护接线简单、选择性好、灵敏度高；缺点是用于双母线系统的TA二次回路不能随一次回路切换。在保护区内故障时，由于TA二次侧有可能出现非常高的电压，所以二次回路电缆和其他部件应采取加强绝缘水平措施。图8-7差动回路电压Ud与短路回路电流Ik的关系机械工业出版社8.2.4具有比率制动特性的母线电流差动保护在各元件电流互感器选用相同变比的环流接线的电流母线差动保护中，以不同的制动量可以构成各种型式的带制动特性的电流差动保护。1、最大值制动式以各元件二次电流中最大值作为制动量，各元件电流互感器二次电流为I1,I2,…，则制动电流Ires为：12maxmax,,resnIIIII01niresressetiIKII121niniIIII动作方程为（8-4）（8-5）（8-6）机械工业出版社8.2.4具有比率制动特性的母线电流差动保护式中Kres——制动系数；Iset0——动作电流门槛值；——保护动作量，当正常运行及外部短路时为最大不平衡电流；当内部短路故障时为总的短路电流。2、绝对值之和制动式以各元件TA二次电流绝对值之和为制动量，即（8-7）保护装置动作方程为：1niiI1231nresiniIIIIII011nniresisetiiIKII（8-8）机械工业出版社8.2.4具有比率制动特性的母线电流差动保护3、综合制动式利用差电流于二次电流的综合量作为制动量称为综合制动方式，综合量制动量有不同构成方式，其典型的制动方式制动量为：123max1max1,,,hresniiniiIIIIIKIIKI动作方程为01niresressetiIKII（8-9）（8-10）式中K为系数，大括号上“+”号表示只取正值，括号内为负值时取零。机械工业出版社8.2.5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。•现在以只有两个连接元件的母线为例，来说明比相式母线保护