電力系統(tǒng)繼電保護 第8章 母線保護

電力系統(tǒng)繼電保護原理Protection

PrincipleofPowerSystem白雪峰1第8章

母線保護?

第1節(jié)

母線故障和裝設(shè)母線保護的基本原則?

第2節(jié)

母線差動保護基本原理?

第3節(jié)

母線保護的特殊問題及對策?

第4節(jié)

斷路器失靈保護簡介2第1節(jié)

母線故障和裝設(shè)母線保護基本原則?母線是電力系統(tǒng)匯集和分配電能的重要元件，母線發(fā)生故障，將使連接在母線上的所有元件停電。若在樞

紐變電所母線上發(fā)生故障，甚至?xí)茐恼麄€系統(tǒng)的穩(wěn)

定，使事故進一步擴大，后果極為嚴(yán)重。?運行經(jīng)驗表明，母線故障絕大多數(shù)是單相接地短路和由其引起的相間短路。母線短路故障的類型比例與輸

電線路不同，在輸電線路的短路故障中，單相接地故

障約占故障總數(shù)的80%以上。?而在母線故障中，大部分故障是由絕緣子對地放電所引起的，母線故障開始階段大多表現(xiàn)為單相接地故障，而隨著短路電弧的移動，故障往往發(fā)展為兩相或

三相接地短路。3母線故障和裝設(shè)母線保護基本原則?

由于低壓電網(wǎng)中發(fā)電廠或變電所母線大多采用單母線

或分段母線，與系統(tǒng)的電氣距離較遠(yuǎn)，母線故障不致對系統(tǒng)穩(wěn)定和供電可靠性帶來影響，所以通?？刹谎b設(shè)專用的母線保護，而是利用供電元件(發(fā)電機、變壓器或有電源的線路等)的后備保護來切除母線故障。左圖所示的采用單母線接線的發(fā)電廠，若接于母線的線路對側(cè)沒有電源，此時母線上的故障就可以利用發(fā)電機的過電流保護使發(fā)電機的斷路器跳閘而予

以切除。4左圖所示的降壓變電所，其

低壓側(cè)的母線正常時分開運

行，若接于低側(cè)母線上的線

路為饋電線路，則低壓母線

上的故障就可以由相應(yīng)變壓

器的過電流保護使變壓器的

斷路器跳閘予以切除。上圖所示的雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)變電所B母線上k點短路

時，則可以由保護1和2的第II段動作予以切除。5母線故障和裝設(shè)母線保護基本原則?上圖的單側(cè)電源輻射形網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)母線C上k

點發(fā)生故障時，可以利用送電線路電源側(cè)的保護2的第II段或

第III段(當(dāng)沒有裝設(shè)第II段時)動作切除故障，等等。?這些保護方式簡單、經(jīng)濟。但切除故障時間較長，不能有選擇性地切除故障母線(例如分段單母線或雙母

線)，特別是對于高壓電網(wǎng)不能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和運行上的要求。利用母線保護來減小故障所造成的影響仍

是十分必要的。母線故障和裝設(shè)母線保護基本原則6母線故障和裝設(shè)母線保護基本原則?在下列情況下應(yīng)裝設(shè)專門的母線保護：?(1)在110kV及以上的雙母線和分段單母線上，為了保證有選擇性地切除母線上的故障。?(2)

110kV及以上單母線，重要發(fā)電廠的35kV母線或

高壓側(cè)為110kV及以上的重要降壓變電所35kV母線，

按照全線速動保護的要求必須快速切除母線故障時。?對母線保護的基本要求是：必須快速、有選擇地切除故障母線；應(yīng)能可靠、方便地適應(yīng)母線運行方式的變

化；保護裝置應(yīng)十分可靠和具有足夠的靈敏度；接線

盡量簡化。7母線故障和裝設(shè)母線保護基本原則?母線保護的接線方式，對于中性點直接接地系統(tǒng)，應(yīng)采用三相式接線；對于中性點非直接接地系統(tǒng)，可采用兩相式接線。?近年來在母線上裝設(shè)了自動重合閘裝置，由于母線上的很多故障是暫時性的，所以裝設(shè)母線重合閘對提高

供電的可靠性起到了良好的作用。8第2節(jié)

母線差動保護基本原理?為滿足速動性和選擇性的要求，母線保護都是按差動原理構(gòu)成的。?(1)在正常運行以及母線范圍以外故障時，在母線上

所有連接元件中，流入的電流和流出的電流相等；當(dāng)

母線上發(fā)生故障時，所有與母線連接的元件都向故障

點供給短路電流。?(2)從每個連接元件中電流的相位來看，在正常運行

和外部故障時，至少有一個元件中的電流相位和其余

元件中的電流相位是相反的，具體來說，就是電流流

入的元件和電流流出的元件中電流相位相反。而當(dāng)母

線故障時，除電流等于零的元件以外，其他元件中的

電流幾乎是同相位的。根據(jù)上述原則可構(gòu)成不同的母線差動保護。9單母線完全電流差動母線保護在母線的所有連接元件上裝設(shè)

具有相同變比和特性的電流互

感器。因為在一次側(cè)電流總和

為零時，母線保護用電流互感

器TA必須具有相同的變比，才

能保證二次側(cè)的電流總和也為

零。?所有TA的二次側(cè)在母線側(cè)的端子連接在一起，另一側(cè)

的端子也連接在一起，然后接入差動繼電器。這樣差

動繼電器中的電流即為各個母線連接元件二次電流的

相量和。10單母線完全電流差動母線保護?在正常運行及外部故障時，流入繼電器的是由于各電流互感器的特性不同而引起的不平衡電流；當(dāng)母線上

發(fā)生故障時，則所有與電源連接的元件都向故障點提

供短路電流，于是流入差動繼電器中的電流為?為短路點的全部短路電流，此電流足夠使差動繼電器動作而驅(qū)動出口繼電器，從而使所有連接元件的斷路

器跳閘。11單母線完全電流差動母線保護?差動繼電器的動作電流應(yīng)按如下條件考慮，并選擇其中較大的一個：?

(1)躲開外部故障時所產(chǎn)生的最大不平衡電流；?(2)動作電流應(yīng)大于任一連接元件中的最大負(fù)荷電流。?完全電流差動保護方式原理比較簡單，靈敏度高，選擇性好，通常適用于單母線或雙母線經(jīng)常只有一組母線運行的情況。因為電流互感器二次側(cè)在其裝設(shè)地點附近是固定的，不能任意切換，所以不能用于雙母線系統(tǒng)。12高阻抗母線差動保護?在母線發(fā)生外部短路時，一般情況下，非故障支路電流不很大，它們的電流互感器TA不易飽和，但是故障支路電流集各電源支路電流之和，可能非常大，它的TA就可能極度飽和，相應(yīng)的勵磁阻抗必然很小，極限情況下近似為零。這時雖然一次電流很大，但其幾乎全部流入勵磁支路，二次電流近似為零。這時差動繼電器中將流過很大的不平衡電流，將使完全電流差動

母線保護誤動作。?為避免這種情況下母線保護的誤動，可將電流差動繼電器改用內(nèi)阻很高的電壓繼電器，其阻抗值很大，一般約為2.5kΩ~7.5kΩ。13?高阻抗母線差動保護的優(yōu)點是保護的接線簡單、選擇性好、靈敏度高，在一定程度上可防止母線發(fā)生外部

短路并且TA飽和時母線保護的誤動作。?但高阻抗母線差動保護要求各個支路TA

的變比相同，TA二次側(cè)電阻和漏抗要小。TA

的二次側(cè)要盡可

能在配電裝置處就地并聯(lián)，以減小二次回路連線的電

阻。因而此種母線保護一般只適用于單母線。高阻抗母線差動保護14電流比相式母線保護?完全電流差動母線保護的動作電流必須躲過外部短路時的最大不平衡電流，當(dāng)不平衡電流很大時，保護的

靈敏系數(shù)可能不能滿足要求。?

電流比相式母線保護的基本原理是根據(jù)母線在內(nèi)部故

障和外部故障時各連接元件電流相位的變化來實現(xiàn)的。?

當(dāng)母線發(fā)生短路時，各有源支路的電流相位幾乎是一

致的；當(dāng)外部發(fā)生短路時，非故障有源支路的電流流

入母線，故障支路的電流則流出母線，兩者相位相反，利用電流相位的不同來判斷母線是否短路。因為只比較相位，不管電流的大小，所以無須使所有的電

流互感器變比相同。15元件固定連接的雙母線電流差動保護?對于發(fā)電廠和重要變電所的高壓母線，大多采用雙母線同時運行(即母線聯(lián)絡(luò)斷路器經(jīng)常投入)，每組母線

上連接約1/2

的供電和受電元件。這樣當(dāng)任一組母線上出現(xiàn)故障時，只需切除故障母線，而另一組母線上的連接元件仍可繼續(xù)運行，所以大大提高了供電的可靠性。對于這種同時運行的雙母線，要求母線保護應(yīng)能判斷母線故障，并具有選擇故障母線的能力。?一般情況下，雙母線同時運行，每組母線上連接的供電元件與受電元件連接方式比較固定，因此有可能采

用元件固定連接的雙母線差動保護。16元件固定連接的雙母線電流差動保護?

保護由三組差動保護組成。第一組由選擇元件電流互感器

TA1

、TA2

、TA5和差動繼電器KD1組成，用以選擇母線I

上的故障；第二組由選擇元件電流互感器TA3

、TA4、TA6和差動繼電器KD2組成，用以選擇母線II

上的故障。第三組是由電流互感器TA1~TA6和差動繼電器KD3組成的一個完全電流差動保護，它反應(yīng)兩組母線上的故障，當(dāng)任一組母線上發(fā)生故障時，它都會動作；而當(dāng)母線外部故障時，它不會動作；元件固定連接的雙母線電流差動保護?

當(dāng)雙母線按照元件固定連接方式運行時，保護裝置可

以保證有選擇性地只切除發(fā)生故障的一組母線，而另

一組母線仍可繼續(xù)運行；?

當(dāng)元件固定連接方式被破壞時，任一母線上的故障都

將導(dǎo)致切除兩組母線，使保護失去選擇性。?所以，從保護的角度看，希望盡量保證元件固定連接方式不被破壞，這就必然限制了電力系統(tǒng)調(diào)度運行的

靈活性，這是這種母線保護的主要缺點。18母聯(lián)電流比相式母線差動保護?

母聯(lián)電流比相式母線差動保護是在元件固定連接方式的雙

母線電流差動保護的基礎(chǔ)上改進的，它基本上克服了后者

缺乏靈活性的缺點，使之更適用于作雙母線元件連接方式

常常改變的母線保護。此母線保護包括一個啟動元件KST和一個選擇元件KD。啟動元件接在除母聯(lián)斷路器外所有連接與阿間的二次電流之和回路中，作用是區(qū)分母線內(nèi)部和外部故障。19母聯(lián)電流比相式母線差動保護?選擇元件KD是一個電流相位比較繼電器，其一個線圈接入除母聯(lián)斷路器以外其他連接元件的二次電流之和，另一個線圈則接在母聯(lián)斷路器的電流互感器二次側(cè)。利用比較母聯(lián)斷路器中電流與總差動電流的相位選擇出故

障母線。?這是因為當(dāng)母線I上故障時，流過母聯(lián)斷路器的短路電流是由母線II流向母線I，而當(dāng)母線II上故障時，流過母聯(lián)斷路器的短路電流則是由母線I流向母線II。?在這兩種故障情況下，母聯(lián)斷路器的電流相位變化了180°,而總差動電流是反應(yīng)母線故障的總電流，其相

位是不變的。?

因此利用這兩個電流的相位比較，就可以選擇出故障母

線，并切除選擇出的故障母線上的全部斷路器。20母聯(lián)電流比相式母線差動保護?基于這種原理，當(dāng)母線上故障時，不管母線上的元件如何連接，只要母聯(lián)斷路器中有電流流過，選擇元件

KD就能正確工作，所以，對母線上的連接元件就無

須提出固定連接的要求。這是母聯(lián)電流比相式母線差

動保護的主要優(yōu)點?母聯(lián)電流比相式母線差動保護具有運行方式靈活、接線簡單等優(yōu)點，在35kV~220kV的雙母線上得到了廣

泛的應(yīng)用。?主要缺點是：正常運行時母聯(lián)斷路器必須投入運行；保護的動作電流受外部短路時最大不平衡電流的影

響；在母聯(lián)斷路器和母聯(lián)電流互感器之間發(fā)生短路時，將出現(xiàn)死區(qū)，要靠線路對側(cè)后備保護來切除故障。21第3節(jié)

母線保護的特殊問題及對策?電流互感器的飽和問題及母線保護常用的對策?電流互感器的飽和可能會導(dǎo)致母線差動保護誤動作。因此，母線保護必須要考慮防止TA

飽和誤動作的措施，在

母線區(qū)外故障TA

飽和時能可靠閉鎖差動保護，同時，在

發(fā)生區(qū)外故障轉(zhuǎn)換為區(qū)內(nèi)故障時，能保證差動保護快速開

放、正確動作。?

1.

中阻抗母線差動保護抗TA飽和的措施?

中阻抗母線差動保護利用TA

飽和時勵磁阻抗降低的特點

來防止差動保護誤動作。

TA

飽和造成的不平衡電流大部

分被飽和TA

的勵磁阻抗分流，流入差動回路的電流很少，且中阻抗母線差動保護帶有制動特性，可以使外部故

障引起TA

飽和時保護不誤動。而對于內(nèi)部故障TA

飽和的

情況，則利用差動保護的快速性在TA飽和前即動作于跳

閘。22數(shù)字式母線差動保護抗TA飽和的措施?目前數(shù)字式母線差動保護主要為低阻抗母線差動保護，影響其動作正確性的關(guān)鍵就是TA飽和問題。數(shù)字式母線差動保護抗TA飽和的基本對策主要是基于

以下幾種原理：?

1)具有制動特性的母線差動保護?具有制動特性的母線差動保護在TA飽和不是非常嚴(yán)重時，比率制動特性可以保證母線差動保護不誤動作。

但當(dāng)TA進入深度飽和時，此方法仍不能避免保護誤

動，需要采用其他專門的抗TA飽和的方法。23數(shù)字式母線差動保護抗TA飽和的措施?2)利用TA線性區(qū)進行母線差動保護?

當(dāng)TA進入飽和后，在每個周波內(nèi)的一次電流過零點附

近存在不飽和段。TA線性區(qū)母線差動保護就是利用TA

的這一特性，在TA每個周波退出飽和的線性區(qū)內(nèi)，投入差動保護。?

由于此種原理的保護實質(zhì)上是避開了TA飽和區(qū)，所以

能對母線故障作出正確的判定。?但是由于TA飽和時的電流波形復(fù)雜，如何正確判斷TA飽和和退出飽和的時刻，判別出TA的線性轉(zhuǎn)變區(qū)是實現(xiàn)此方法的關(guān)鍵和難點。24數(shù)字式母線差動保護抗TA飽和的措施?

3)TA飽和的同步識別法?

區(qū)外故障時，無論故障電流有多大，TA

在故障的最初瞬

間(1/4周波內(nèi))都不會飽和，在飽和之前差電流很小，母

線差動電流元件不會誤動作。若以母線電壓構(gòu)成差動保護

的啟動元件，在故障發(fā)生時則可以瞬時動作，兩者的動作

有一段時間差。當(dāng)母線區(qū)內(nèi)故障時，差電流增大和母線電

壓降低同時發(fā)生。

TA

飽和的同步識別法就是利用這一特

點，區(qū)分母線的區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障。?4)

通過比較差動電流變化率來鑒別TA飽和?

TA

飽和后，二次側(cè)電流波形出現(xiàn)缺損，在飽和點附近二

次電流的變化率突增。母線區(qū)內(nèi)故障時，由于各條線路的

電流都流入母線，差電流基本上按照正弦規(guī)律變化，不會

出現(xiàn)區(qū)外故障TA

飽和條件下差電流突變較大的情況。所

以可以利用差電流的這一特點進行TA飽和的檢測。25數(shù)字式母線差動保護抗TA飽和的措施?

5)利用波形對稱原理?

TA

飽和后，二次側(cè)電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，

一周波內(nèi)波

形的對稱性被破壞，采用分析波形的對稱性可以判定TA是否飽和。最基本的一種判別方法是電流相隔半周波的導(dǎo)

數(shù)的模值是否相等。?

6)利用諧波制動原理?

當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障TA

飽和時，差電流的波形實際是飽和TA

勵磁支路的電流波形。當(dāng)TA

發(fā)生輕度飽和時，故障支路

的二次電流出現(xiàn)波形缺損現(xiàn)象，差電流中包含有大量的高

次諧波。隨著TA

飽和深度的加深，二次電流波形缺損的

程度也隨著加劇。但內(nèi)部故障時差電流的波形接近工頻電

流，諧波含量少。諧波制動原理就是利用TA

飽和時差電

流波形畸變的特點，根據(jù)差電流中諧波分量的波形特征檢

測TA

是否發(fā)生飽和。26母線運行方式的切換及保護自適應(yīng)?在各種接線方式中，以雙母線接線運行最為復(fù)雜。隨著運行方式的變化，母線上各種連接元件在運行中需要經(jīng)常在兩條母線上切換，因此希望母線保護能自動適應(yīng)系統(tǒng)運行方式的變化，免去人工干預(yù)及由此引起的人為誤操作。?可利用隔離開關(guān)輔助觸點來判斷母線運行方式，該方法在集成電路型母線保護中由于隔離開關(guān)輔助觸電的

不可靠而經(jīng)常出錯，在實際工程中并不真正有效。?數(shù)字式母線保護具有強大的計算、自檢及邏輯處理能力，所以數(shù)字式母線保護可以充分利用這些優(yōu)勢，采

用將隔離開關(guān)輔助觸點和電流識別兩種方法相結(jié)合，

且更加先進、有效的運行方式的自適應(yīng)方法。27母線運行方式的切換及保護自適應(yīng)?具體實現(xiàn)方法是：將運行于母線上的所有連接單元的隔離開關(guān)輔助觸點引入保護裝置，實時計算保護裝置

所采集的各連接元件負(fù)荷電流瞬時值。?根據(jù)運行方式識別判據(jù)，來校驗隔離開關(guān)輔助觸點的正確性，校驗確定它們無誤后，形成各個單元的“運行方式字”，運行方式字反映了母線各連接元件與母

線的連接情況。若校驗發(fā)現(xiàn)有誤，保護裝置則自動糾

正錯誤。?數(shù)字式母線保護的這種自動適應(yīng)運行方式的方法能更有效地減輕運行人員的負(fù)擔(dān)，提高母線保護動作的正

確率。28第4節(jié)

斷路器失靈保護簡介?所謂斷路器失靈保護是指當(dāng)故障線路的繼電保護動作發(fā)出跳閘信號后，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(nèi)其他有關(guān)的斷路器，將停電范圍限制到最小的一種后備保護，也稱后備接線。?產(chǎn)生斷路器失靈故障的原因是多方面的，如斷路器跳閘線圈斷線，斷路器的操作機構(gòu)失靈等。高壓電網(wǎng)的

斷路器和保護裝置，都應(yīng)具有一定的后備保護，以便

在斷路器或保護裝置失靈時，仍能有效切除故障。?對于重要的220kV及以上主干線路，針對保護拒動通常裝設(shè)兩套獨立的主保護(即保護雙重化)；針對斷路

器拒動即斷路器失靈，則專門裝設(shè)斷路器失靈保護。29裝設(shè)斷路器失靈保護的條件?

由于斷路器失靈保護是在系統(tǒng)故障的同時斷路器失靈

的雙重故障下的保護，因此允許適當(dāng)降低要求，裝設(shè)

斷路器失靈保護的條件：?(1)相鄰元件保護的遠(yuǎn)后備保護靈敏度不夠時應(yīng)裝設(shè)斷路器失靈保護。對分相操作的斷路器，允許只按單相

接地故障來校驗其靈敏度。?(2)根據(jù)變電所的重要性裝設(shè)失靈保護作用的大小來決定裝設(shè)斷路器失靈保護。如多母線運行的220kV及以

上變電所，當(dāng)失靈保護能縮小斷路器拒動引起的停電

范圍時，就應(yīng)裝設(shè)失靈保護。30對斷路器失靈保護的要求?(1)

失靈保護的誤動和母線保護誤動一樣，影響范圍

廣，必須有較高的可靠性，即不應(yīng)發(fā)生誤動作。?

(2)

失靈保護首先動作于母聯(lián)斷路器和分段斷路器，此后相鄰元件保護已能以相繼動作切除故障時，失靈

保護僅動作于母聯(lián)斷路器和分