電力系統(tǒng)繼電保護(hù)（第2版）課件：母線的保護(hù)

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)（第2版）

母線的保護(hù)第一節(jié)裝設(shè)母線保護(hù)的基本原則一、母線保護(hù)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(yùn)行對(duì)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(shè)備最

嚴(yán)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(shí)，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(duì)母線故障設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)裝置低壓電網(wǎng)中可以不裝設(shè)專門(mén)的母線保護(hù)，利用供電元件的保護(hù)裝置來(lái)切除母線故障。圖9-3在雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)上，利用電源側(cè)的保護(hù)切除母線故障圖9-1利用發(fā)電機(jī)的過(guò)電流保護(hù)

切除母線故障圖9-2利用變壓器的過(guò)電流保護(hù)切除低壓母線故障利用供電元件的保護(hù)裝置切除母線故障時(shí)：1)故障切除時(shí)間一般較長(zhǎng)，2)對(duì)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(yīng)該裝設(shè)專門(mén)的母線保護(hù)：(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(wú)故障的母線仍能繼續(xù)運(yùn)行，應(yīng)該裝設(shè)專用的母線保護(hù)。(2)110kV及以上的單母線，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(shí)，應(yīng)該裝設(shè)專用的母線保護(hù)。在設(shè)計(jì)母線保護(hù)時(shí)應(yīng)該注意以下問(wèn)題：(1)由于母線保護(hù)所連接的支路多，外部故障時(shí)，故障電流大，而且超高壓母線接近電源，直流分量衰減的時(shí)間常數(shù)大，因此電流互感器可能出現(xiàn)深度飽和的現(xiàn)象。母線保護(hù)必須要采取措施，防止外部故障時(shí)因電流互感器飽和導(dǎo)致誤動(dòng)作；(2)母線的運(yùn)行方式變化較多，倒閘操作頻繁，尤其是雙母線接線，隨著運(yùn)行方式的變化，母線上各連接元件經(jīng)常在兩條母線上切換。母線保護(hù)必須能適應(yīng)運(yùn)行方式的變化。二、母線保護(hù)的分類(lèi)1)按母線保護(hù)的原理分類(lèi)：電流差動(dòng)母線保護(hù)和電流比相式母線保護(hù)。2)按母線差動(dòng)保護(hù)中差動(dòng)回路的電阻大小分類(lèi)：低阻抗型﹑中阻抗型和高阻抗型母線差動(dòng)保護(hù)。3)按母線的接線方式分類(lèi)：?jiǎn)文妇€分段、雙母線、雙母線帶旁路母線(專用旁路母線或母

聯(lián)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(hù)。橋式接線和四邊形接線母線不采用專門(mén)的母線保護(hù)。第二節(jié)電流差動(dòng)母線保護(hù)一、電流差動(dòng)母線保護(hù)的基本原理單母線完全電流母線差動(dòng)保護(hù)：圖9-4單母線電流差動(dòng)母線保護(hù)原理2在正常運(yùn)行及外部故障時(shí)，流入差動(dòng)回路

的是由于各互感器的特性不一致而產(chǎn)生的不平衡電流Iub2當(dāng)母線上故障時(shí)，流入差動(dòng)回路的電流為：

=

1?+

+

=

1

(

1

+

2

+

3

)

=

1

kTA

TA?-Ik

即為故障點(diǎn)的全部一次短路電流，此電流足夠使保護(hù)裝置動(dòng)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(dòng)保護(hù)的起動(dòng)電流整定1)躲開(kāi)外部故障時(shí)所產(chǎn)生的最大不平衡電流。當(dāng)所有電流互感器的負(fù)載均按10﹪誤差的要求選擇，且差動(dòng)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(shí)，有Iset

=KrelIub?max

=Krel

×

0.

1Ik?max

/

nTA

(9-1)式中，Krel

為可靠系數(shù)，可取為1.3；Ik?max

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

母線保護(hù)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(dòng)保護(hù)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(dòng)電流應(yīng)大于正常運(yùn)行時(shí)任一連接元件中的最大負(fù)荷電流IL

?maxIset

=KrelIL

?max

/

nTA保護(hù)范圍內(nèi)部故障時(shí)的靈敏性校驗(yàn)：K

=

Ik?min

set

TA式中，Ik?min

應(yīng)采用實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的連接元件最少時(shí)，

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

nsen二、母線差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)特性?微機(jī)母線差動(dòng)保護(hù)均采用分相完全電流差動(dòng)保護(hù)原理。為了解決外部故障時(shí)的不平衡電流問(wèn)題，微機(jī)母線差動(dòng)保護(hù)引入制動(dòng)特性。比率制動(dòng)特性母線電流差動(dòng)保護(hù)的判據(jù)為???

(9-4)??式中，Id

為差動(dòng)電流，Ires

為制動(dòng)電流，

Id

.min

為最小

動(dòng)作電流，Ires1為拐點(diǎn)電

流，Kres

為比例制動(dòng)系數(shù)，Kres

=tgαId

>

Id

.min

,

當(dāng)Ires

<

Ires1Id

>Kres

Ires

,當(dāng)Ires

≥

Ires1圖9-5母線差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作特性即此外，還可以利用故障分量實(shí)現(xiàn)母線差動(dòng)保護(hù)，故障分量比率制動(dòng)特性可以避免故障前的負(fù)荷電流對(duì)比率制動(dòng)特性產(chǎn)生的不良影響，從而提高母線差動(dòng)保護(hù)的靈敏度。?普通比率制動(dòng)特性母線差動(dòng)保護(hù)利用穿越性故障電流作為制動(dòng)電流克服差動(dòng)不平衡電流，以防止在外部短路時(shí)差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)作，即?復(fù)式比率制動(dòng)特性的制動(dòng)電流取為Ires

=

IiIres

=

Ii?n

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

in

i三、母線差動(dòng)保護(hù)的抗TA飽和措施影響母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作正確性的關(guān)鍵是TA飽和

的問(wèn)題。1.傳統(tǒng)母線差動(dòng)保護(hù)在差動(dòng)回路接?阻抗的?法在傳統(tǒng)的母線差動(dòng)保護(hù)中采用在差動(dòng)回路中串入阻抗的措施，根據(jù)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(dòng)保護(hù)應(yīng)用較為廣泛。-高阻抗方式，差動(dòng)回路的阻抗約為2.5~7.5KΩ-中阻抗方式，差動(dòng)回路的阻抗約為200Ω在母線發(fā)生外部短路時(shí)，假設(shè)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(wú)測(cè)量誤差，則母線外部短路時(shí)母線差動(dòng)保護(hù)的等效電路如圖9-6a所示。此時(shí)差動(dòng)回路電流為零，母線差動(dòng)保護(hù)不動(dòng)作。?實(shí)際情況可能是，在母線外部短路時(shí)，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(yīng)的勵(lì)磁阻抗變得很小，極限情況下近似為零。這時(shí)雖然故障支路一次電流很大，但幾乎全部流入勵(lì)磁支路，二次電流近似為零。這時(shí)差動(dòng)回路中將流過(guò)很大的不平衡電流，完全電流母線差動(dòng)保護(hù)將誤動(dòng)作，如圖9-6b所示。圖9-6母線外部短路時(shí)母線差動(dòng)保護(hù)的等效電路a)無(wú)TA飽和b)TA飽和c)高阻抗方式d)中阻抗方式?對(duì)于高阻抗型母線差動(dòng)保護(hù)-母線外部短路而使故障支路的TA嚴(yán)重飽和時(shí)，TAn二次電流接近于零。由于差動(dòng)回路的內(nèi)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(dòng)回路中電流仍然很小，保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。-母線內(nèi)部短路時(shí)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(dòng)回路，保護(hù)能夠動(dòng)作，只是此時(shí)由于二次回路阻抗大，TA二

次側(cè)可能出現(xiàn)相當(dāng)高的電壓，需要采取保護(hù)措施。?對(duì)于中阻抗型母線差動(dòng)保護(hù)-母線外部短路而使故障支路的TA嚴(yán)重飽和時(shí)，TAn二次電流接近于零，但是由于差動(dòng)回路有適當(dāng)?shù)碾娮?，從其他非故障支路流入的電流不?huì)全部進(jìn)入差動(dòng)回路，部分仍會(huì)流過(guò)第n條故障支路的二次回路。此時(shí)，保護(hù)不應(yīng)該動(dòng)作，但是由于差動(dòng)回路仍然有不平衡電流，所以中阻抗母線差動(dòng)保護(hù)在差動(dòng)回路接入一定大小的阻抗后仍然需要采用比率制動(dòng)特性保證外部故障可靠不動(dòng)作。-母線內(nèi)部短路時(shí)，由于差動(dòng)回路阻抗適中，二次回路不會(huì)出現(xiàn)過(guò)高電壓，也就不需要采取限制過(guò)電壓的措施。2.微機(jī)母線差動(dòng)保護(hù)的TA飽和識(shí)別?法同步識(shí)別法：采用差電流增大與相電流突變是否同步來(lái)鑒別差電流的產(chǎn)生是由于區(qū)內(nèi)故障還是因?yàn)閰^(qū)外故障TA飽和。?當(dāng)兩者同時(shí)產(chǎn)生時(shí)，判定為內(nèi)部故障；?當(dāng)相電流突變超前差電流增大越限時(shí)，則判為外部故障TA飽和。-因?yàn)槟妇€區(qū)外故障時(shí)，相電流會(huì)發(fā)生突變，但是無(wú)論故障電流有多大，TA在故障的最初瞬間(在1/4周波內(nèi))不會(huì)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(diǎn)，在判別出母線區(qū)外故障TA飽和時(shí)閉鎖母線差動(dòng)保護(hù)。四、母線差動(dòng)保護(hù)的構(gòu)成保護(hù)的邏輯框圖如圖9-7所示。為防止如誤碰斷路器操作機(jī)構(gòu)，出口斷路器損壞等導(dǎo)致正常運(yùn)行時(shí)母線差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，采用復(fù)合電壓(低電壓、負(fù)序電壓、零序電壓及相電壓突變)元件閉鎖跳閘出口。對(duì)于3/2接線的500kV母線，母差保護(hù)不采用出口閉鎖元件。圖9-7母線差動(dòng)保護(hù)邏輯框圖第三節(jié)雙母線保護(hù)圖9-8雙母線電流差動(dòng)保護(hù)單相原理圖(a)單相原理接線圖；(b)保護(hù)動(dòng)作邏輯圖一、雙母線電流差動(dòng)保護(hù)雙母線電流差動(dòng)保護(hù)由三組差動(dòng)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(dòng)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(dòng)元件KD2組成，用以選擇Ⅱ組母線上的故障；?第三組實(shí)際上是由電流互感器1，2，3，4和大差動(dòng)元件KD3組成的完全電流差動(dòng)保護(hù)，作為整套保護(hù)的起動(dòng)元件，當(dāng)任一組母線上發(fā)生故障時(shí)，KD3都能起動(dòng)，而當(dāng)母線外部故障時(shí)不起動(dòng)。ü大差動(dòng)元件作為母線故障判別元件，而小差動(dòng)元件作為故障母線選擇元件。ü當(dāng)大差動(dòng)元件及某條母線的小差動(dòng)元件同時(shí)動(dòng)作后，才能切除故障母線。保護(hù)動(dòng)作分析：2在正常運(yùn)行及母線外部(k點(diǎn))短路時(shí)，如圖9-9(a

)所示，流經(jīng)差動(dòng)回路KD1，KD2和KD3的電流均為不平衡

電流，保護(hù)裝置已從定值上躲開(kāi)，不會(huì)誤動(dòng)作。2當(dāng)Ⅰ組母線上(k點(diǎn))短路時(shí)，如圖9-9(b)所示，由電流的分布情況可見(jiàn)，差動(dòng)回路KD1和KD3中流入全部故障電流，而差動(dòng)回路KD2中為不平衡電流，于是KD1和KD3起動(dòng)。KD3動(dòng)作后使母線聯(lián)絡(luò)斷路器QF5跳閘。KD1動(dòng)作后使斷路器QF1和QF2跳閘，并發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)。

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(méi)有故障的Ⅱ組母線仍然可以繼續(xù)運(yùn)行。2同理可以分析當(dāng)Ⅱ組母線上短路時(shí)，只有KD2和KD3動(dòng)

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(yùn)行時(shí)，外部故障和內(nèi)部故障下的電流分布(a)外部短路；(b)Ⅰ組母線上故障微機(jī)母線差動(dòng)保護(hù)利用隔離開(kāi)關(guān)輔助觸點(diǎn)結(jié)合支路負(fù)荷電流的識(shí)別方法來(lái)判別各元件與母線的連接方式，從而可以自動(dòng)適應(yīng)母線運(yùn)行方式的變化。圖9-10雙母線或單母線分段差動(dòng)保護(hù)邏輯框圖二、雙母線其他保護(hù)形式問(wèn)題：當(dāng)故障發(fā)生在母聯(lián)斷路器兩側(cè)TA之間時(shí)，如圖9-8(a

)所示的5TA與6TA之間的k點(diǎn)，兩組母線保護(hù)均動(dòng)

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

如圖9-11所示。在微機(jī)母

差保護(hù)中不需要將所有TA的二次側(cè)端子連接在一起，可以分別接入差動(dòng)回路。圖9-11雙母線電流差動(dòng)保護(hù)接入回路示意圖?問(wèn)題：當(dāng)故障發(fā)生在母聯(lián)斷路器與母聯(lián)TA之間時(shí)將無(wú)法切除故障母線，并將無(wú)故障母線切除。如k點(diǎn)對(duì)于Ⅰ組母線的差動(dòng)保護(hù)相當(dāng)于區(qū)外故障，保護(hù)不動(dòng)作，無(wú)法切除故障，即出現(xiàn)死區(qū)。?解決辦法：所以需要設(shè)置母差死區(qū)保護(hù)。該保護(hù)也可以用來(lái)判別母聯(lián)斷路器失靈。當(dāng)母差保護(hù)動(dòng)作后，如果母聯(lián)TA二次仍有電流，則判定為母聯(lián)斷路器失靈或母差保護(hù)死區(qū)，起動(dòng)失靈保護(hù)或死區(qū)保護(hù)。圖9-12母聯(lián)失靈及母差死區(qū)保護(hù)?母聯(lián)充電保護(hù)當(dāng)任一組母線檢修后再投入運(yùn)行之前，利用母聯(lián)斷路器由另一組母線對(duì)其充電時(shí)，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(kuò)大，通常設(shè)置母聯(lián)充電保護(hù)。?母聯(lián)過(guò)流保護(hù)母聯(lián)充電保護(hù)及母聯(lián)過(guò)流保護(hù)，均由母聯(lián)過(guò)電流元件及時(shí)間元件構(gòu)成，其出口作用于跳母聯(lián)斷路器。第四節(jié)一個(gè)半斷路器接線的母線保護(hù)ü對(duì)于單母線或雙母線保護(hù)，通常把安全性(不誤動(dòng))放在重要位置。因?yàn)檎＿\(yùn)行或外部短路時(shí)，如果母線保護(hù)誤動(dòng)作將造成變電站部分或全部停電。ü對(duì)于一個(gè)半斷路器接線的母線保護(hù)，要求它的可信賴性(不拒動(dòng))比安全性(不誤動(dòng))更高。母線保護(hù)誤動(dòng)作并不影響各連接元件繼續(xù)運(yùn)行，只是改變了潮流分布。但是如果區(qū)內(nèi)故障時(shí)母線保護(hù)拒絕動(dòng)作，則故障母線將由各連接元件對(duì)側(cè)的后備保護(hù)延時(shí)切除，這將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖9-13一個(gè)半斷路器母線保護(hù)的接線方式n

由于母線與元件的聯(lián)結(jié)是固定的，可看成兩組

獨(dú)立的單母線，只需在每組母線上分別裝設(shè)帶比率制動(dòng)特性的電流差動(dòng)保護(hù)。可以不設(shè)置復(fù)合電壓閉鎖元件。為了提高保護(hù)的可信賴性，通常采用保護(hù)雙重化?采用工作原理不同的兩套母線保護(hù)?每套保護(hù)應(yīng)分別接于電流互感器不同的二次繞組上?每套保護(hù)有獨(dú)立的直流電源?出口繼電器觸點(diǎn)應(yīng)分別接通斷路器兩個(gè)獨(dú)立的跳閘線圈第五節(jié)斷路器失靈保護(hù)斷路器失靈保護(hù)是指當(dāng)故障元件的繼電保護(hù)動(dòng)作發(fā)出跳閘脈沖后，斷路器拒絕動(dòng)作時(shí)，能夠以較短的時(shí)限切除同一發(fā)電廠或變電所內(nèi)其它有關(guān)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(hù)。1．?dāng)嗦菲餮b設(shè)失靈保護(hù)的條件?1)相鄰元件保護(hù)的遠(yuǎn)后備保護(hù)靈敏度不夠時(shí)應(yīng)裝設(shè)斷路器失靈保護(hù)；對(duì)分相操作的斷路器，允許只按單相接地故障來(lái)檢驗(yàn)其靈敏度。?2)根據(jù)變電所的重要性和裝設(shè)失靈保護(hù)作用的大小來(lái)決定裝設(shè)斷路器失靈保護(hù)。例如多母線運(yùn)行的220kV及以上的變電所，當(dāng)失靈保護(hù)能縮小斷路器拒動(dòng)引起的停電范圍時(shí)，就應(yīng)裝設(shè)失靈保護(hù)。2．對(duì)斷路器失靈保護(hù)的要求-1)失靈保護(hù)誤動(dòng)和母線保護(hù)誤動(dòng)一樣，影響范圍很廣，必須有較高的安全性(不誤

動(dòng))。-2)在保證不誤動(dòng)的前提下，應(yīng)該以較短延時(shí)，有選擇性地切除相關(guān)斷路器。-3)失靈保護(hù)的故障鑒別元件和跳閘閉鎖元件，應(yīng)對(duì)斷路器所在線路或設(shè)備末端故障有足夠靈敏度。3．?dāng)嗦菲魇ъ`保護(hù)的基本原理當(dāng)k點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，出線1的