電力系統(tǒng)繼電保護（第2版）

母線的保護第一節(jié)裝設母線保護的基本原則一、母線保護的作用n

母線是電能集中與分配的重要環(huán)節(jié)，它的

安全運行對不間斷供電具有極為重要的意義。n

母線故障是發(fā)電廠和變電所中電氣設備最

嚴重的故障之一。n

在電力系統(tǒng)樞紐變電所的母線上發(fā)生故障

時，有可能引起系統(tǒng)穩(wěn)定的破壞，造成電力系統(tǒng)解列、大面積停電甚至崩潰，必須針對母線故障設置相應的保護裝置低壓電網中可以不裝設專門的母線保護，利用供電元件的保護裝置來切除母線故障。圖9-3在雙側電源網絡上，利用電源側的保護切除母線故障圖9-1利用發(fā)電機的過電流保護

切除母線故障圖9-2利用變壓器的過電流保護切除低壓母線故障利用供電元件的保護裝置切除母線故障時：1)故障切除時間一般較長，2)對雙母線或分段單母線，不能保證有選擇性地切除故障母線。高壓重要母線應該裝設專門的母線保護：(1)在110kV及以上的雙母線和分段單母線，為保證有選擇性地切除任一組(或段)母線上所發(fā)生的故障，而另一組 (或段)無故障的母線仍能繼續(xù)運行，應該裝設專用的母線保護。(2)110kV及以上的單母線，重要發(fā)電廠的35kV母線或高壓側為110kV及以上的重要降壓變電所的35kV母線，按照系統(tǒng)的要求必須快速切除母線上的故障時，應該裝設專用的母線保護。在設計母線保護時應該注意以下問題：(1)由于母線保護所連接的支路多，外部故障時，故障電流大，而且超高壓母線接近電源，直流分量衰減的時間常數大，因此電流互感器可能出現深度飽和的現象。母線保護必須要采取措施，防止外部故障時因電流互感器飽和導致誤動作；(2)母線的運行方式變化較多，倒閘操作頻繁，尤其是雙母線接線，隨著運行方式的變化，母線上各連接元件經常在兩條母線上切換。母線保護必須能適應運行方式的變化。二、母線保護的分類1)按母線保護的原理分類：電流差動母線保護和電流比相式母線保護。2)按母線差動保護中差動回路的電阻大小分類：低阻抗型﹑中阻抗型和高阻抗型母線差動保護。3)按母線的接線方式分類：單母線分段、雙母線、雙母線帶旁路母線(專用旁路母線或母

聯兼旁路母線)、雙母線單分段、雙母線雙分段、3/2接線母線等的母線保護。橋式接線和四邊形接線母線不采用專門的母線保護。第二節(jié)電流差動母線保護一、電流差動母線保護的基本原理單母線完全電流母線差動保護：圖9-4單母線電流差動母線保護原理2在正常運行及外部故障時，流入差動回路

的是由于各互感器的特性不一致而產生的不平衡電流Iub2當母線上故障時，流入差動回路的電流為：

=

1?+

+

=

1

(

1

+

2

+

3

)

=

1

kTA

TA?-Ik

即為故障點的全部一次短路電流，此電流足夠使保護裝置動作，從而使所有連接元件的斷路器跳閘。I?I?I?I?I?I?I?Ik??n

n差動保護的起動電流整定1)躲開外部故障時所產生的最大不平衡電流。當所有電流互感器的負載均按10﹪誤差的要求選擇，且差動回路采用配有速飽和變流器或其它抑制非周期分量的措施時，有Iset

=KrelIub?max

=Krel

×

0.

1Ik?max

/

nTA

(9-1)式中，Krel

為可靠系數，可取為1.3；Ik?max

為在母線范圍外任一連接元件上短路時，流過該元件電流互感器的最大短路電流；nTA

母線保護所用電流互感器的變比。2)躲電流互感器二次回路斷線。由于母線差動保護電流回路中連接的元件多，電流互感器二次回路斷線的概率大。起動電流應大于正常運行時任一連接元件中的最大負荷電流IL

?maxIset

=KrelIL

?max

/

nTA保護范圍內部故障時的靈敏性校驗：K

=

Ik?min

set

TA式中，Ik?min

應采用實際運行中可能出現的連接元件最少時，

在母線上發(fā)生故障時的最小短路電流值。一般要求靈敏系數不低于2。(9-2)(9-3)I

nsen二、母線差動保護的制動特性?微機母線差動保護均采用分相完全電流差動保護原理。為了解決外部故障時的不平衡電流問題，微機母線差動保護引入制動特性。比率制動特性母線電流差動保護的判據為???

(9-4)??式中，Id

為差動電流，Ires

為制動電流，

Id

.min

為最小

動作電流，Ires1為拐點電

流，Kres

為比例制動系數，Kres

=tgαId

>

Id

.min

,

當Ires

<

Ires1Id

>Kres

Ires

,當Ires

≥

Ires1圖9-5母線差動保護的動作特性即此外，還可以利用故障分量實現母線差動保護，故障分量比率制動特性可以避免故障前的負荷電流對比率制動特性產生的不良影響，從而提高母線差動保護的靈敏度。?普通比率制動特性母線差動保護利用穿越性故障電流作為制動電流克服差動不平衡電流，以防止在外部短路時差動保護的誤動作，即?復式比率制動特性的制動電流取為Ires

=

IiIres

=

Ii?n

iIi(9-5)(9-6)n

in

i三、母線差動保護的抗TA飽和措施影響母線差動保護動作正確性的關鍵是TA飽和

的問題。1.傳統(tǒng)母線差動保護在差動回路接?阻抗的?法在傳統(tǒng)的母線差動保護中采用在差動回路中串入阻抗的措施，根據阻抗的大小可分為中阻抗方式和高阻抗方式，其中以中阻抗母線差動保護應用較為廣泛。-高阻抗方式，差動回路的阻抗約為2.5~7.5KΩ-中阻抗方式，差動回路的阻抗約為200Ω在母線發(fā)生外部短路時，假設母線上連接有n條支路，第n條支路為故障支路。?若電流互感器無測量誤差，則母線外部短路時母線差動保護的等效電路如圖9-6a所示。此時差動回路電流為零，母線差動保護不動作。?實際情況可能是，在母線外部短路時，故障支路電流集各電源支路電流之和，可能非常之大，它的TA就可能深度飽和，使得相應的勵磁阻抗變得很小，極限情況下近似為零。這時雖然故障支路一次電流很大，但幾乎全部流入勵磁支路，二次電流近似為零。這時差動回路中將流過很大的不平衡電流，完全電流母線差動保護將誤動作，如圖9-6b所示。圖9-6母線外部短路時母線差動保護的等效電路a)無TA飽和b)TA飽和c)高阻抗方式d)中阻抗方式?對于高阻抗型母線差動保護-母線外部短路而使故障支路的TA嚴重飽和時，TAn二次電流接近于零。由于差動回路的內阻很高，非故障支路二次電流都流入故障支路TAn的二次繞組，差動回路中電流仍然很小，保護不會動作。-母線內部短路時所有引出線電流都流入母線，所有支路的二次電流都流向差動回路，保護能夠動作，只是此時由于二次回路阻抗大，TA二

次側可能出現相當高的電壓，需要采取保護措施。?對于中阻抗型母線差動保護-母線外部短路而使故障支路的TA嚴重飽和時，TAn二次電流接近于零，但是由于差動回路有適當的電阻，從其他非故障支路流入的電流不會全部進入差動回路，部分仍會流過第n條故障支路的二次回路。此時，保護不應該動作，但是由于差動回路仍然有不平衡電流，所以中阻抗母線差動保護在差動回路接入一定大小的阻抗后仍然需要采用比率制動特性保證外部故障可靠不動作。-母線內部短路時，由于差動回路阻抗適中，二次回路不會出現過高電壓，也就不需要采取限制過電壓的措施。2.微機母線差動保護的TA飽和識別?法同步識別法：采用差電流增大與相電流突變是否同步來鑒別差電流的產生是由于區(qū)內故障還是因為區(qū)外故障TA飽和。?當兩者同時產生時，判定為內部故障；?當相電流突變超前差電流增大越限時，則判為外部故障TA飽和。-因為母線區(qū)外故障時，相電流會發(fā)生突變，但是無論故障電流有多大，TA在故障的最初瞬間(在1/4周波內)不會飽和，在飽和之前差電流很小，所以差電流越限滯后于相電流突變，利用這一特點，在判別出母線區(qū)外故障TA飽和時閉鎖母線差動保護。四、母線差動保護的構成保護的邏輯框圖如圖9-7所示。為防止如誤碰斷路器操作機構，出口斷路器損壞等導致正常運行時母線差動保護誤動作，采用復合電壓(低電壓、負序電壓、零序電壓及相電壓突變)元件閉鎖跳閘出口。對于3/2接線的500kV母線，母差保護不采用出口閉鎖元件。圖9-7母線差動保護邏輯框圖第三節(jié)雙母線保護圖9-8雙母線電流差動保護單相原理圖(a)單相原理接線圖；(b)保護動作邏輯圖一、雙母線電流差動保護雙母線電流差動保護由三組差動回路組成：?第一組由電流互感器1，2，5和第一組母線小差動元件

KD1組成，用以選擇Ⅰ組母線上的故障；?第二組由電流互感器3，4，6和第二母線小差動元件KD2組成，用以選擇Ⅱ組母線上的故障；?第三組實際上是由電流互感器1，2，3，4和大差動元件KD3組成的完全電流差動保護，作為整套保護的起動元件，當任一組母線上發(fā)生故障時，KD3都能起動，而當母線外部故障時不起動。ü大差動元件作為母線故障判別元件，而小差動元件作為故障母線選擇元件。ü當大差動元件及某條母線的小差動元件同時動作后，才能切除故障母線。保護動作分析：2在正常運行及母線外部(k點)短路時，如圖9-9(a

)所示，流經差動回路KD1，KD2和KD3的電流均為不平衡

電流，保護裝置已從定值上躲開，不會誤動作。2當Ⅰ組母線上(k點)短路時，如圖9-9(b)所示，由電流的分布情況可見，差動回路KD1和KD3中流入全部故障電流，而差動回路KD2中為不平衡電流，于是KD1和KD3起動。KD3動作后使母線聯絡斷路器QF5跳閘。KD1動作后使斷路器QF1和QF2跳閘，并發(fā)出相應的信號。

這樣就把發(fā)生故障的Ⅰ組母線從電力系統(tǒng)中切除了，而沒有故障的Ⅱ組母線仍然可以繼續(xù)運行。2同理可以分析當Ⅱ組母線上短路時，只有KD2和KD3動

作，最后使QF5，QF3和QF4跳閘切除故障。圖9-9按正常連接方式運行時，外部故障和內部故障下的電流分布(a)外部短路；(b)Ⅰ組母線上故障微機母線差動保護利用隔離開關輔助觸點結合支路負荷電流的識別方法來判別各元件與母線的連接方式，從而可以自動適應母線運行方式的變化。圖9-10雙母線或單母線分段差動保護邏輯框圖二、雙母線其他保護形式問題：當故障發(fā)生在母聯斷路器兩側TA之間時，如圖9-8(a

)所示的5TA與6TA之間的k點，兩組母線保護均動

作跳閘，不能有選擇性的只跳開第Ⅱ組母線。解決辦法：可以在母聯斷路器單元只安裝一組TA，

如圖9-11所示。在微機母

差保護中不需要將所有TA的二次側端子連接在一起，可以分別接入差動回路。圖9-11雙母線電流差動保護接入回路示意圖?問題：當故障發(fā)生在母聯斷路器與母聯TA之間時將無法切除故障母線，并將無故障母線切除。如k點對于Ⅰ組母線的差動保護相當于區(qū)外故障，保護不動作，無法切除故障，即出現死區(qū)。?解決辦法：所以需要設置母差死區(qū)保護。該保護也可以用來判別母聯斷路器失靈。當母差保護動作后，如果母聯TA二次仍有電流，則判定為母聯斷路器失靈或母差保護死區(qū)，起動失靈保護或死區(qū)保護。圖9-12母聯失靈及母差死區(qū)保護?母聯充電保護當任一組母線檢修后再投入運行之前，利用母聯斷路器由另一組母線對其充電時，若被充電母線上有故障，為防止充電于故障母線造成事故范圍擴大，通常設置母聯充電保護。?母聯過流保護母聯充電保護及母聯過流保護，均由母聯過電流元件及時間元件構成，其出口作用于跳母聯斷路器。第四節(jié)一個半斷路器接線的母線保護ü對于單母線或雙母線保護，通常把安全性(不誤動)放在重要位置。因為正常運行或外部短路時，如果母線保護誤動作將造成變電站部分或全部停電。ü對于一個半斷路器接線的母線保護，要求它的可信賴性(不拒動)比安全性(不誤動)更高。母線保護誤動作并不影響各連接元件繼續(xù)運行，只是改變了潮流分布。但是如果區(qū)內故障時母線保護拒絕動作，則故障母線將由各連接元件對側的后備保護延時切除，這將嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖9-13一個半斷路器母線保護的接線方式n

由于母線與元件的聯結是固定的，可看成兩組

獨立的單母線，只需在每組母線上分別裝設帶比率制動特性的電流差動保護。可以不設置復合電壓閉鎖元件。為了提高保護的可信賴性，通常采用保護雙重化?采用工作原理不同的兩套母線保護?每套保護應分別接于電流互感器不同的二次繞組上?每套保護有獨立的直流電源?出口繼電器觸點應分別接通斷路器兩個獨立的跳閘線圈第五節(jié)斷路器失靈保護斷路器失靈保護是指當故障元件的繼電保護動作發(fā)出跳閘脈沖后，斷路器拒絕動作時，能夠以較短的時限切除同一發(fā)電廠或變電所內其它有關的斷路器，將故障部分隔離，并使停電范圍限制為最小的一種近后備保護。1．斷路器裝設失靈保護的條件?1)相鄰元件保護的遠后備保護靈敏度不夠時應裝設斷路器失靈保護；對分相操作的斷路器，允許只按單相接地故障來檢驗其靈敏度。?2)根據變電所的重要性和裝設失靈保護作用的大小來決定裝設斷路器失靈保護。例如多母線運行的220kV及以上的變電所，當失靈保護能縮小斷路器拒動引起的停電范圍時，就應裝設失靈保護。2．對斷路器失靈保護的要求-1)失靈保護誤動和母線保護誤動一樣，影響范圍很廣，必須有較高的安全性(不誤

動)。-2)在保證不誤動的前提下，應該以較短延時，有選擇性地切除相關斷路器。-3)失靈保護的故障鑒別元件和跳閘閉鎖元件，應對斷路器所在線路或設備末端故障有足夠靈敏度。3．斷路器失靈保護的基本原理當k點發(fā)生故障時，出線1的