（电力系统及其自动化专业论文）微机型中低压母线保护研究.pdf

a b s t r a c t a t p r e s e n t t h e s p e c i a lp r o t e c t i v e d e v i c e sf o rb u s b a r si nm i d d l ea n d l o w v o l t a g e d i s t r i b u t i o nn e t w o r k sa l es t i l ln o tc o m m o n o n l ya p p e n d e dt oo r i g i n a lb u s b a rp r o t e c t i o n s ，s o t h ef a u l t so c c u r r e di nm i d d l ea n d l o wv o l t a g eb u s b a r sh a v et ob ec l e a r e db y b a c k u pr e l a y i n g w i t hl o n gt i m ed e l a y t h u s ，s o m ek i n do ff a u l t sm a y s p r e a d w h i c h o r i g i n a l l yc o u l db ec l e a r e d a n dt r e m e n d o u se c o n o m yl o s sm a y a p p e a r t h en e c e s s i t yo fa p p e n d i n gs p e c i a lp r o t e c t i v e d e v i c ef o rm i d d l ea n dl o wv o l t a g eb u s b a r si ni m p o r t a n tc o n s u m e r s s u b s t a t i o na n dt h a ti n e l e c t r i c a la u x i l i a r ys y s t e mo f p o w e rp l a n t i sd i s s e r t e d m i c r o p r o c e s s o rb a s e dh i g hv o l t a g eb u s b a rp r o t e c t i o nh a sr a p i d l ye x p a n d e d o nt h eb a s i s o f a n a l y s i sg r o u p i n g p r i n c i p l eb a s e d m i d d l ea n dl o wv o l t a g ep r o t e c t i o na r ep u tf o r w a r d t h e s p e c i a lb u s b a rp r o t e c t i o nh a sa d o p t e de f f e c t i v em e a s u r e ss ot h a tl a r g ei m p r o v e m e n ts u c ha s s i m p l e n e s s ，r e l i a b i l i t y , e c o n o m y , s e n s i t i v i t ya n ds o m ea p p e n d i n ga d d i t i o n a lf u n c t i o n sh a s b e e no b t a i m e d t h eb u sd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nb a s e do ni n s t a n t a n e o u sv a l u e so fc u r r e n t si st h em o s t u s e f u ls c h e m e n o w a d a y s b u ti ti se a s y t ob ei n f l u e n c e d b y c u r r e n tt r a n s f o r m e rs a t u r a t i o na n d t om a k e m i s o p e r a t i o n a n e wm e t h o di s p r o p o s e d t od e t e c ta n d d i s t i n g u i s h c u r r e n t t r a n s f o i t n e rs a t u r a t i o na n dl i n e a rs e c t i o n s a n dt h ew a v e l e tt r a n s f o r mt h e o r yi su s e dt od e t e c t t h es i n g u l a rp o i n t so fs i g n a l s b e c a u s et h ec u r r e n tw a v e f o r m s g o tf r o mc u r r e n tt r a n s f o r m e r h a v es i n g u l a r i t ya tt h e p o i n t so ff a u l to c c u r r c n c e ，t h es t a r to fs a t u r a t i o na n dt h ee n do f s a t u r a t i o n ，w ec a nd i s t i n g u i s ht h e s ep o i n t sa c c o r d i n gt ot h e i rc h a r a c t e r so nl i n e t h u s ，t oo p e n o rb l o c ki ti nc u r r e n tt r a n s f o r m e rl i n e a ro rs a t u r a t i o ns e c t i o n s t h eb u sd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n c a nb er e a l i z e d e v e ni ft h ef a u l ts p r e a df r o me x t e r n a lf a u l tz o n et oi n t e r n a lf a u l tz o n e ，t h e d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nc a na v o i d m i s o p e r a t i o n m a i nc r i t e r i o no f p r o t e c t i o n i s c o m p o s i t e p e r c e n t a g e c u r r e n td i f f e r e n t i a l a l g o r i t h m a c c o r d i n gt oe v e r ys a m p l e dv a l u e ，w h i c hc a na c c e l e r a t et h ep r o t e c t i o n st r i p ，r e d u c el a r g e a m o u n t so fc a l c u l a t i o na n dh a v e s t r o n gs t a b i l i t yt ot a s a t u r a t i o n k e yw o r d s ：m i d d l e l o wv o l t a g eb u s b a rd i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n ，g r o u p i n g p r i n c i p l e ，t a s a t u r a t i o n ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，s a m p l i n ga r t h m e t i c 独创性声明 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 学位论文作者签名：金始l s - 签字日期：一2 。牛年3 月s l 同 学位论文版权使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电 子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 学位论文作者签名： 金力臣- g签字日期：j p 叶年3 月3 ) 日 河海大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 发电厂和变电所的母线是电力系统中的一个重要组成元件，在母线上连接有发电厂 和变电所的发电机、变压器、输电线路和调相设备等电气元件，母线工作的可靠性将直 接影响到发电厂和变电所工作的可靠性。当母线发生故障时，将使连接在故障母线上的 所有元件在修复故障母线其间，或转换到另一组无故障的母线上运行以前被迫停电。此 外，在电力系统中枢纽变电所的母线上发生故障时，还可能引起系统稳定的破坏，造成 严重的后果。高电压等级母线微机保护已经进入到成熟发展阶段，但无论从硬件方面 还是软件方面来看直接应用于中低压母线保护显然是不合适的，因此研制出适合于中低 压母线的专用母线保护一直是继电保护工作者们所关注的。 i i 本课题的研究意义 对于发电厂和变电所母线，如未装设专用的母线保护装置时，则在母线发生短路故 障情况下，由于切除故障时间的延长，将对电力系统和设备运行带来严重影响。因此为 了保证电力系统的安全运行，装设专用的母线保护是十分必要的。 继电保护和安全自动装置技术规程g b l 4 2 8 9 - 9 3 对发电厂和变电所的母线保护 配置作出了规定：对2 2 0 5 0 0 k v 母线，应装设能快速有选择地切除故障的母线保护； 对一个半开关接线，每组母线宜装设两套母线保护；对3 5 1 l o k v 母线保护，在必要的 情况下应装设专用母线保护。对3 l o k v 母线，在特殊情况下应装设专用母线保护。 目前普遍的做法是，我国2 2 0 k v 及以上电压等级的母线上，为满足电力系统暂态稳 定的要求，一般均装设有专门的母线保护，用以快速切豫母线故障；l l o k v 、6 6 k v 及3 5 k v 电压等级的母线，除桥接线外均装设专用母线保护，对于特别庞大的母线( 连接元件超 过2 4 个以上的) 则没有适用的母线保护；l o k v 母线一般都没有装设专门母线保护。变 电站l o k v 母线一般不配鼍专用母线保护是目前国内的典型设计做法，是符合电力行业 规程规范的。但是由于变电站的l o k v 系统出线多，操作频繁，容易受小动物危害，机 河海人学硕士学位论文第一章绪论 械磨损以及设备老化等原因，l o k v 母线故障时有发生。当中低压母线故障允许延时切 除时，常以电流进线的限时速断或过流保护完成母线故障时切除故障母线的任务。当中 低压母线故障不允许延时切除时，常配置复杂的全电流差动原理的母线保护或相位比较 式母线电流差动保护，或者配置专用的母线“弧光”保护。前两种母线保护需要母线上 所有开关t a 的电流，当中低压母线负荷出线较多达几十条时往往实现太复杂，运行可 靠性低。后一种“弧光”保护，当并非母线故障而由其它原因引起的弧光被探测器探知 时，将引起母线保护的误动作。特别困难的是其动作值难以整定。实际上许多中低压母 线并没有配置专门的继电保护。由于母线短路故障电流大、故障持续时间长，后备保护 延时长或拒动等原因，使不少本可以快速消除的故障发展、扩大，造成配电装置严重烧 毁，引起大范围停电，扩大了事故，造成严重经济损失。中低压母线的故障，虽然不会 像高压或超高压系统母线故障那样造成系统失稳、大面积停电等极其严重的后果，但其 危害也是很大的，特别是在一些重要的用户变电站和发电厂的厂用电系统，处理不当也 会造成重大的经济损失。 中低压母线故障被发展扩大的最根本原因，就是因为没有专门的母线保护，使母线 故障要经较长延时后才能被切除。因此，根据继电保护速动性要求，运行部门提出在 短路容量较大的中低压系统中，加装专用母线保护，故障发生后保护立即动作，在电弧 燃起之前就将故障切除，则故障可以快速消除，供电可以迅速恢复，损失可大大降低， 对于保障设备的安全是有利的。总之，中低压母线发生故障几率较高，延时切除故障损 失巨大，装设快速、灵敏、可靠的专用母线保护十分必要。1 。 现有的微机母线保护特点鲜明，由于没有差电流回路，微机母线保护需要接入母线 上所有元件的电流量。随着电网规模的日益扩大，变电站母线上的出线数目也日益增多， 母线保护所要处理的信息量也越来越多，这对于保护c p u 的处理能力的要求也比较高。 对于双母线接线形式，为正确判断母线连接方式保证母线保护的选择性，还需要接入母 线上所有元件的隔离开关位置量，其二次回路连接复杂。如果使用二次电缆较多，将使 得t a 二次阻抗较大，不利于防止t a 饱和( t a 饱和程度和时间与其二次阻抗大小密切相 关) ，在降低工程造价方面也不理想。因此，针对中低电压母线研制出一种造价低、原 理简单的专用微机母线保护具有很重要的意义。 河海大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 母线保护的基本要求及现状分析 1 2 1 对母线保护的基本要求1 m m 3 一母线保护的可靠性 母线保护如果动作，将跳开母线上所有开关，因此母线保护的可靠性将直接影响到 电力系统的安全运行。提高母线保护的可靠性，要同时提高它们的安全性和可信性。安 全性是指在正常运行及外部短路时，保证保护不误动，在保护自身出现问题时，也不应 误动，这个特性称为安全性。可信性是指在母线故障时保证母线保护的可靠动作，防止 拒动，这个特性被称为可信性。 二母线保护的选择性 母线保护的选择性包括： 正确区分外部故障和内部故障的选择性。 在各种运行方式下发生故障时，正确区分故障母线的选择性。而在母线互联运行方 式下发生故障时，保护应无选择的将两条母线上的全部元件跳开。 三母线保护的灵敏性 母线发生内部故障时差动保护应该具有足够的反应故障的能力，一般以灵敏度的大 小来衡量。 四母线保护的速动性 母线发生故障后，要求保护尽快的动作，切除故障部分。如切除母线短路故障的时 间过长，有可能造成电力系统失稳甚至解列事故。因此母线保护快速切除母线短路故障， 是保证电力系统安全运行的重要手段。 此外，在发生母线外部短路故障时，流过故障元件的电流值很大，尤其是当一次短 路电流中包含幅值较大、衰减较慢的直流分量时，将会使该元件的电流互感器铁芯迅速 饱和，电流互感器二次电流和波形会发生严重的畸变。二次电流畸变有可能导致母线保 护误动作。但是铁芯饱和总需要一定的时间，如果母线保护动作速度十分迅速，其工作 特性就可不受或少受电流互感器饱和的影响，并在发生外部短路时能很快地闭锁保护。 河海大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 母线保护的基本原理 母线保护按最为通用的原理可以分为：电流差动原理和电流相位比较原理。 一电流差动原理“1 电流差动原理是母线保护的一种最基本的原理，其实质就是基尔霍夫第一电流定 理，由于其概念清晰，判据简单可靠，能有效区分区内区外故障因此在继电保护中得到 了广泛的应用。如果将整条母线当作一个节点，在正常运行及母线范围以外故障时，在 母线上所有连接元件中，流入的电流和流出的电流相等，可表示为j = o 。而当母线 内部发生故障时，所有与电源连接的元件都向故障点供给短路电流，而在供电给负荷的 连接元件中电流等于零，因此j = ，。( j 。为短路点的总电流) 。所以最早的差动判据 为： 副厶 ( 1 _ 1 ) 其中厶为动作电流。此式被称为完全电流差动判据。 式( 1 1 ) 中的整定值是固定的，在外部故障时，随着故障电流的增大，t a 的传变误 差也在增大，这样二次回路的差电流有可能会大于整定值。为了防止保护误动作，以及 躲过不平衡电流的影响，所以要将厶整定得较高，这样就降低了内部故障时保护的灵敏 度，严重时还可能导致保护拒动。 为了克服完全差动判据的缺点，有人提出了比率差动判据，其动作表达式如式( 1 2 ) 所示： 削一足纠厶 z ， 式中k 为比率制动系数。令 厶= 斟= 翱 则上式可表示为 f d 一盯，l ( 1 3 ) 在比率差动判据中，以差动回路中各连接元件电流的向量和l t i 为动作量，而以 河海人学硕士学位论文第一章绪论 各连接元件电流的非向量和ij 。i 作为制动量。在外部短路时，由于制动量电流为母线 各支路电流之和，制动量最大，动作量电流相位相反，动作量最小，因而增大了保护在 外部短路时不误动的可靠性；在内部短路时，动作量为最大，制动量为最小，满足保护 动作的灵敏性。 比率差动判据的问题在于k 值的选取，k 值越大，有利于躲过外部故障时t a 出现 的传变误差；而置值过小时，在内部故障有电流流出的情况下，将影响保护动作的灵敏 性。 根据式( 1 2 ) ，比率差动判据可以分解为两个：一个是完全差动判据，其作用是避 开正常运行时的不平衡电流；另一个是比率差动判据，其作用是避开外部短路时的不平 衡电流。故可将比率制动差动判据作如下修改： 其动作特性如图1 1 所示。 j o ( 1 4 ) 图1 1比率差动判据动作特性 从原理上看，两个判据都具有区分区内、区外故障的能力。第一个判据在外部短路 且短路电流较大时，由于t a 严重饱和容易造成保护误动作，短路电流较小时，流入差动 回路中的电流较小，保护不误动，可靠性较高；内部短路时，流入差动回路中的电流为 短路电流，满足动作条件使保护可靠动作。第二个判据在外部短路时，左边动作量数值 b 置 | 一 ，f ， 。v厶 河海大学硕士学位论文第一章绪论 很小，而右边制动量数值较大，使保护不动作；内部短路时，左边动作量远大于右边制 动量，使保护可靠动作，所以灵敏度很高。将两者结合起来构成与门输出，在外部短路 时且短路电流较大时不符合后者动作条件，保护不会误动，电流较小时可提高保护可靠 性；在内部短路时，满足两者的动作条件，使保护可靠动作，而在内部故障电流较小时， 根据前者的特性可提高保护的灵敏度。 由于式( 1 4 ) 简单实用，无论用模拟电路还是数字算法都比较容易实现，因此大多 数差动原理的母线保护都采用此算法。但是当外部故障且t a 饱和严重时，由于采用一 次的穿越电流作为制动电流，式( 1 4 ) 判据仍然会误动，所以必须采取其它措施来防止 t a 饱和。而且在区内故障时，若有电流流出母线，保护的灵敏度也会降低。 二相位比较原理”1 图1 2 ( a ) 表示正常运行或母线外部短路时电流的相位和波形。此时电流j 流入母 线，j ，流出母线，它们的大小相等，相位相差1 8 0 度。由于流入母线各支路电流的向量 和为零，因此一部分支路电流的瞬时值为正，另一部分支路电流的瞬时值为负。不会出 现有正向电流而没有负向电流的情况，也不会出现只有负向电流而没有正向电流的情 况。 图1 2 ( b ) 则表示母线内部发生短路时电流的相位和波形。此时电流t 和t 均流入母 线，它们的相位接近于0 度，各支路电流方向基本相同，此时就会出现一段时间全为正 向瞬时电流，而另一段时间全为负向瞬时电流。这样，就可以判别电流的正方向是否有 间隙来区分故障是否在区内。 l ll 2 图1 2 ( a ) 母线外部短路时电流的相位 河海大学硕士学位论文第一章绪论 l ll 2 式正群 厶厶 7 v 留 图1 2 ( b )内部短路时电流的相位 优点：只与电流的相位有关，与电流的幅值大小无关，因此无需过多考虑不平衡电 流的影响，不要求采用同一型号相同变比的t a ，提高了保护的灵敏度和使用灵活性。 缺点：难于适应母线内部故障但有流出电流的情况和外部短路而t a 严重饱和的情 况。 1 2 3 几种常规母线保护的特点呻钔“们 按照母线保护装置的输入阻抗值大小，可以分为低阻抗型母线保护( 一般为几欧 姆) 、中阻抗型母线保护( 一般为几百欧姆) 、高阻抗型母线保护( 一般为几千欧姆) 。 低阻抗型母线电流差动保护接线简单，装置可靠，造价低，易维护，适用于众多对 母线故障切除时间要求不十分严格的场合，但是对t a 特性要求高，当母线外部故障发 生故障且t a 饱和时母线差动继电器中会出现较大不平衡电流，可能使母差保护误动作。 高阻抗型母线电流差动保护，较好地解决了这一问题但在母线内部故障时，电流互感 器二次侧可能出现过高电压，对继电器可靠工作不利，且要求t a 的传变特性完全一致， 变比相同，这对于需扩建的变电站来说较难做到。 中阻抗型母线电流差动保护，将高阻抗的特性和比率制动特性两者有效结合，显著 降低了母差回路的负载阻值，较好地保证了区外故障t a 饱和不误动，区内故障正确快 速动作。它以电流瞬时值作测量比较，测量元件和差动元件多为集成电路或整流型继电 器，当母线内部故障时，动作速度极快，约为1 3 m s 。而在1 4 周期以前t a 不会完全 饱和，能较好地传变一次侧电流，因此对t a 无特殊要求，t a 变比可以不一致。中阻抗 河海大学硕士学位论文第一章绪论 型母差保护性能优越，是目前国内各电网的主要选择。在我国电力系统中使用的国外公 司母差保护产品有a b b 公司的r e b l 0 3 型、g e 公司的b u s 一1 0 0 0 型和西门子公司的7 s s l 0 型。国内厂家的产品有：上海继电器厂组装生产的p m h 一1 5 0 ( r a d s s s ) ，南京电力自动 化设备总厂生产的j m z ，h m z ，j c m z 系列，许昌继电器厂的p m h 一1 4 0 系列，阿城继电器 厂的p m h 一4 0 系列均系仿a s e a 公司( 现a b b 公司) 的中阻抗集成电路母差保护。 1 2 4 微机型母线保护的特点 随着微机线路保护的成功开发和应用，促进了微机母线保护的开发与研制工作。微 机母线保护基于如下考虑选择差动原理作为保护装置的基本原理”1 。 计算机的优势是在数学计算、逻辑判断、记忆等方面，而在波形生成和相位处理等 方面，计算机于常规方法相比并没有优越性。在常规保护方面，相位比较式保护比差动 保护优越之处在于：对t a 变比不要求统一和灵敏度高，差动保护的这些不足，用微机 实现很容易弥补。在动作速度，防止t a 饱和影响等方面差动保护具有明显优越性。由 差动原理构成的保护装置，有较好的运行表现和运行经验。 各专业厂家相继推出的微机母线保护，最主要的特点是充分利用计算机进行数字计 算的能力，方便地实现带比率制动特性的电流瞬时值差动原理、复式比率差动原理等。 微机母差对t a 饱和具有独特的检测方法，抗t a 饱和能力强，国外的几个厂家采用波形 判别或补偿法来消除t a 饱和的影响，即利用1 4 周期前t a 线性传变的采样点，用一定 的算法进行波形处理或判别，以保证保护的选择性。国内的做法，多用同步识别法来克 服t a 饱和的影响，通过判别差动动作与故障发生是否同步来识别饱和的情况。具有自 适应能力，可识别母线运行方式，从理论上可省略引入隔离开关辅助触点的麻烦( 对双 母线接线而言) 。通过软件补偿的办法来解决t 变比不一致的问题，减少辅助t a 的设 置。同时微机母差保护具有自检功能，可靠性进一步得到提高。更重要的是微机母差保 护具有通信接口，可方便地与监控系统互联、完成信息的传送与远控，实现自动化。当 然微机母差保护具有调试整定方便的优点是不言而喻的。因此母线保护同线路保护一 样，采用微机型的保护是趋势和方向。对于采用分层分布式自动化系统的交电站，分布 式的微机母差保护更能与其结构相适应。 目前，微机型母线保护的主要产品有a b b 公司的r e b 5 0 0 分布式微机母线保护，三 河海大学硕士学位论文第一章绪论 菱公司的m b p d 型微机母线保护，国家电力公司南京电力自动化设备总厂生产w m z 一4 1 型微机母线保护，南京自动化研究院b p 一2 a 型微机母线保护，北京哈德威四方公司推出 的分布式母线保护等。 1 3 论文的主要工作 本文所要致力解决的问题分为两个部分，即中低压母线保护方案的整体设计和t a 饱和的检测： 对现有的母线保护进行分析比较，设计出微机型中低压母线保护的整体方案。 对中低压母线保护的配置、t a 饱和的检测等几个主要问题进行研究，确定最适 合于本方案的策略。 利用小波变换原理对t a 饱和问题进行研究，给出母线保护中实时检测t a 饱和 的新算法，并对该算法进行仿真分析。 确定中低压母线保护的主要算法，编制其主要软件流程框图。 河海火学硕士学位论文第二章微机型中低压母线保护方案 第二章微机型中低压母线保护方案 常规母线保护的保护功能是通过一定的模拟电路对被保护母线上各条出线的t a 二 次侧电流求和来实现的。一般微机型母线保护是先对各条出线二次电流进行采样，并将 所得的数字量存入相应的存储器中，然后再进行算法处理。中低压母线负荷出线较多， 如果把每条出线都接入保护装置中，则母差保护投资大、接线复杂，安装在中低压母线 上有很多困难，也不经济。采用一种基于分组原理的母线保护可以很好地解决中低压母 线保护的工程实际问题，使得系统简单、可靠、经济、灵活、易于扩展，而且容易附加 其它的保护功能。 2 1 基于分组原理的母线保护方案及其特点 2 i 1 中低压母线及其故障的特点 在为小电流接地系统的情况下，一点接地不形成短路，不必立即跳闸，因此中低压 母线保护可不考虑单相接地故障情况。短路故障的形式有三相短路、两相短路、同一地 点的两相接地短路和不同地点不同相别的两点接地故障等几种。其中不同地点不同相别 的两点接地故障的情况比较复杂，需要特殊考虑。母线上两相短路和两相接地短路时， 仍可能会有部分负荷电流流出，构成保护时应予考虑。 随着城乡电网的快速发展，中低压母线的短路容量也不断提高，可能会出现t a 严 重饱和，二次电流波形严重失真的情况，所以对t a 饱和需要特别考虑。中低压母线出 线t a 的接线，有三相完全星形，两相不完全星形和两相电流差等几种方式，构成母线 保护时应予考虑。 1 常用的母线接线方式有：单母线及单母线分段、双母线、角形母线、l 寺开关接线 母线、多分段母线。常见的中低压母线一般采用单母线分段接线，母线上出线较多，除 河海大学硕士学位论文第二章微机型中低压母线保护方案 主变开关和分段开关外，其它单元均为无电源的出线。典型的中低压母线接线如图2 1 所示。考虑到中低压母线的实际情况，本文就以单母线分段接线方式作为中低压母线模 型来进行研究。 圈2 1 中低压母线主接线图 2 1 2 现有中低压母线保护方案的研究与分析 文献 3 】讨论了现有的中低压母线保护方案，主要有以下几种： 一间接比较式母线保护 其原理框图见图2 2 所示。在被保护母线的各条出线上均装有一个过电流( l j ) 或 方向过电流判别元件( g j ) 。过电流元件装在无电源的负荷出线上，其动作电流按躲过 最大负荷电流来整定( 可以与三段式的过电流保护取相同的定值) ；方向过电流元件装 设在主电源进线、自各小发电厂进线和母线分段开关处，其正方向指向被保护母线，电 流定值也按躲过最大负荷电流来整定。 由图2 2 可以看出，当所有g j 都动作而所有l j 都不动作时，判为母线故障，保护 立即动作，将所有电源进线跳开；当某个g j 不动作或某个l j 动作时，判为区外故障， 河海大学硕士学位论文第二章微机型中低压母线保护方案 闭锁母线保护，仅将故障元件跳开，其余设备继续运行。当某个电源进线因故退出时， 则无论母线区内外故障，该线上的g j 都不会动作，此时应采取措施，将其从比较条件 中退出，以免造成区内故障误闭锁。 图2 2间接比较式母线保护原理框图 这种间接比较式母线保护的优点是在直流回路进行逻辑比较，交流元件分散于相应 的一次设备处，可由原有的三段式保护的第三段来兼任，也可专门设置交流判别元件。 其缺点是整套装景分散在多处，维护不够方便，电源进线需要功率方向元件，构成比较 复杂。 二电流相位比较式母线保护 这是一种直接比较式的实现方案，其原理框图见图2 3 所示。 图2 3 电流相位比较式母线保护原理框图 河海大学硕士学位论文第二章微机型中低压母线保护方案 它将母线上所有设备的t a 二次侧电流都引入到保护中去，以最大电源进线电流为 比相基准，对各进、出线电流进线比相，相位一致时判为区内故障，不一致时判为区外 故障。每条进、出线处均装设一个按躲过最大负荷电流整定的电流判别元件，电流判别 元件不动作时，该线路退出比相。 母线内部故障时，所有负荷出线电流都不会大于其电流判别元件的定值，所以它们 不会参与比相；所有电源进线都会有大于负荷电流的故障电流且相位一致，比相元件动 作，将所有电源进线跳开。 当某一电源进线故障时( 对母线保护来说相当于区外故障) ，所有的负荷出线电流 也都不会大于其电流判别元件的定值，所以它们也都不会参与比相；故障线路电流的相 位与其它电源进线电流相位相反，比相元件不会动作，母线保护不会跳闸。 当某一负荷出线故障时，该故障线路电流大于定值，将和电源进线一起参与比相， 但其相位与所有电源进线电流相位都相反，所以比相元件也不会动作。 在只有一条电源进线的情况下，母线内部故障时只有电源进线的电流会超过定值， 其它各线路的电流判别元件均不会动作，这种情况下，比相将无法进行，可直接判断为 母线内部故障。 三带制动特性的电流差动母线保护 带制动特性的母线电流差动保护原理框图与图2 3 类似不同之处是把其中的电流 相位比较回路改成带制动特性的差动比较回路。该保护的动作判据见第一章公式( 1 4 ) 。 2 1 3 新型中低压母线保护方案说明 一方案简述 经过对有关文献“”弋的分析研究，考虑到中低压母线实际的特点，在带制动特性 的电流差动母线保护的基础上，本文提出了一种基于分组原理的母线差动保护。首先对 连接于母线上的迸线、出线进行分组，分组原则是把电源进线分成一组。其它负荷出线 分成另外一组，不同段母线上的电源进线或负荷出线不能分在同一组，并且要求属于同 一组内电源进线或负荷出线的t a 变比必须相同，否则不能分在同一组内。如果同一段 母线上连接的负荷出线数目较多，也可增加分组数目，每组出线数目以相等为宣。电源 进线、负荷出线经过分组后再接入电流差动保护当中去。保护的原理框图如图2 4 所示。 河海大学硕士学位论文第二章微机型中低压母线保护方案 图2 4 中低压母线保护原理框图 同一组的t a 二次回路连接方式如图2 5 所示。其连接方式是在配电装置内装设一 个母线保护专用的电流端子箱，将同组母线保护用电流互感器的二次侧，接到端子箱中 的端子排。在端予排上将同名相的电流互感器二次侧连接在一起，然后将各相电流之和 利用二次电缆接到母线保护屏。 1 h 珠姒 母 线 保 护 n u ； 屏 1r 1 图2 5电漉互感器二次回路连接方式 现代母线保护装置主要的特征是动作速度快，整组动作时间小，具有较强的抗t a 饱和能力。同时考虑到母线保护判据及t a 饱和的特殊性，基于采样值的比率电流差动 保护就成为最佳选择。对于中低压母线保护防止t a 饱和的影响来说，本方案除了用基 于采样值的比率电流差动保护来减小t a 饱和的影响外，还采用同步识别法和基于小波 变换原理的波形识别法来克服t a 饱和的影响。保护不受运行方式的影响，可以自动适 应母线上连接元件的改变。对于某些需要经常改变运行方式的线路，如由负荷出线运行 河海大学硕士学位论文第二章微机型中低压母线保护方案 改为电源进线运行，可以按照运行部门的实际要求增加分组数目，把需要经常改变运行 方式的线路单独分成一组。对于中性点不接地的小电流接地系统，且进出线均采用两电 流互感器不完全星或两相电流差接线方式，则在母线上a 相或c 相一点接地，而在母线 外另一点b 相接地时，上述方案会判为母线故障，整条母线将被切除。为克服此缺点， 母线保护必须采用三电流互感器接线方式，判断出是否是母线区内故障，同时应该考虑 运行部门的实际要求来决定是切除母线还是跳开母线外接地元件。 二方案特点 本方案具有如下几个特点： 采用分组原理解决中低压母线上负荷出线较多的问题，不需要接入母线上所有 元件的电流量，保护构成简单。由于在配电装置的端子箱内对接于母线上的线路进 行分组，这样就使得二次电缆减少，简化了系统的接线，t a 二次负载阻抗值也相 应减小，有利于防止t a 饱和。 采用基于采样值的比率电流差动保护。其特点是动作速度快，具有较强的抗t a 饱和能力，在区内故障时无制动，区外故障时有较强的制动特性。 采用同步识别法来检测故障发生开始阶段的t a 饱和。当母线电压元件先于差动 元件动作时，可先将保护闭锁半个周期，至此同步检测的任务完成。 采用基于小波变换原理的波形识别法来识别t a 饱和后的线性区。当同步检测的 任务完成后，就进入小波变换程序来识别t a 饱和后的线性区。小波理论是近年来 发展起来的用于数字信号处理的有力工具，它具有多尺度分析和良好的时频局部化 特性，可准确地捕捉突变信号的特征，从而可以对奇异点进行准确分析和定位。t a 在进饱和与退饱和时刻电流波形发生畸变，体现了信号的奇异性特征，利用小波原 理可以很好地检测t a 迸饱和时刻和退饱和时刻，从而实现线性区开放母差保护。 保护不受运行方式的影响，可以自动适应母线上连接元件的改变。如分段开关 的并列、分列运行，个别或部分元件的投入及退出运行，综合微机保护的调试和维 护修理等情况。 2 1 4 中低压母线保护的配置 在母线保护中，差动回路是由一个母线大差动和由几个各段母线小差动构成的。母 线大差动是指除母联开关和分段开关外，各母线上所有组( 各同名相进线组和出线组) 河海大学硕士学位论文第二章微机型中低压母线保护方案 电流所构成的差动回路。某一段母线的小差动是指与该段母线相连接的各组( 各同名相 进线和出线) 电流构成的差动回路，其中包括了与该母线相关联的分段开关。根据以上 原则，中低压母线微机保护作如下配置： 一差动保护配置 母线差动保护为母线比率电流差动保护。它采用复合电压及t a 断线两种方式闭锁 差动回路。大差动瞬时动作于分段开关，小差动做选择元件跳开被选择母线的各支路开 关。 二差动保护启动元件配置 启动元件由三个部分组成：分段母线的大差动电流越限启动元件；母线线电压突变 量启动元件；母线上各组的相电流突变量启动元件。它们组成或门启动逻辑，只要有一 个条件满足，启动元件就动作并启动母线差动保护。 三其它保护配置 母线充电保护，当一段母线经分段开关对另一段母线充电时，若被充电母线存在故 障，此时需由充电保护将分段开关断开。分段开关失灵( 死区故障) 保护，对于分段母 线来将，当分段开关两侧只有一侧有t a 时，在分段开关和t a 之间时存在一个死区。如 果有故障发生在这一区域，保护无法保证分段母线的选择性，只能先后跳开两条母线。 另外，当t a 、t v 断线时装置应该能够闭锁保护并发出告警信号。 2 1 5 微机母线保护的t a 变比设置 常规的母线电流差动保护为了减少不平衡差电流，要求连接在母线上的各个支路 t a 变比必须一致，否则就要安装中间变流器。以上所述的基于分组的微机型中低压母 线保护，是建立在各单元组t a 变比一致的基础上的。当各组t a 变比不同时，可以通过 软件设置，方便地改变t a 的计算变比，从而允许母线各差动t a 变比不一致。保护软件 以t a 最大变比为基准，进行电流折算，使得保护在计算差流时各t a 变比均为一致，并 在母线保护计算判据及显示差电流时也以最大变比为基准，从而使正常工况下差动保护 的差流为零。因此t a 变比的选择仅在设计时考虑一次动热稳定及本身的二次误差特性 要求，整定计算时无须特别考虑。 河海大学硕士学位论文第二章微机型中低压母线保护方案 2 1 6t a 饱和的处理 在正常情况下，t a 的铁芯工作在低磁密条件下，励磁阻抗很大，励磁电流很小， 一次侧电流能够正确传变n - - 次侧。在系统发生故障时，由于短路电流往往含有一定幅 值的非周期分量使得t a 铁芯的磁密很快达到饱和。此时励磁阻抗下降，而励磁电流大 大增加，t a 二次侧的电流波形有可能会严重畸变。但是在短路发生的初始阶段，无论 一次电流有多大，t a 不可能立即饱和。从故障发生到t a 饱和至少需要1 ，4 周波时间， 在这段时间内，t a 可以正确的传变一次电流，如果母线保护能在这段时间内动作，则 基本上保护可以不受铁芯饱和的影响。另外当铁芯进入饱和后，当一次电流的瞬时值由 正半波趋向负半波时，t a 又可以正确传变一次的电流，即在每个一次电流过零点附近 都存在一个线性传变区。 对于母线区外近端发生故障时，当t a 饱和严重超过允许误差时，差动保护有可能 误动，因此有必要采取措旌防止其误动。本方案首先在故障瞬间采用同步识别法来判别 是否发生区外故障且t a 是否饱和，接着利用小波变换原理来识别t a 饱和后的线性区， 以实时开放母线保护。这样就可以解决t a 饱和时对母线差动保护的不利影响。 同步识别法的实质是判别“故障发生”时刻与“差流越限”时刻是否同步发生。在 区外故障初期，差动元件因反应区外故障，不平衡电流是不会误动的，但这时反应突变 量的启动元件会因故障立即启动。这说明区外故障时差动元件因t a 严重饱和的误动与 实际故障的瞬间在时间上是不同步的，也就是“故障发生”时刻与“差流越限”时刻不 是同步发生。而在区内故障时，因为差动电流就是反应实际的故障电流，所以差动元件 动作与实际故障是同步发生的，也就是“故障发生”时刻与“差流越限”时刻是同步发 生。由此可见，通过判别差动元件与故障启动元件动作发生是否同步就可识别饱和情况。 识别t a 饱和后，马上将差动保护闭锁半个周波，可防止保护误动作。在母线比率差动 保护出口程序逻辑，当饱和识别元件输出“1 ”时，跳闸出口将被闭锁。 同步检测起作用主要在故障发生的开始阶段，当同步检测完成之后，保护的闭锁 功能由基于小波变换原理的波形判别程序来完成。利用小波变换找到每个周波的线性传 变区，根据这一段采样数据做比率差动判别，区外故障时保护仍不动作，直到区外故障 消失，一旦转为区内故障时则正确动作。 由于t a 饱和后在电流过零点附近存在一个线性传变区，因此对饱和的闭锁应该是 河海大学硕士学位论文第二章微机型中低压母线保护方案 周期性的。在判别t a 饱和后差动保护马上闭锁，由小波变换程序判别出线性传变区时 再度开放。这样即使出现故障发展，由区外故障转区内故障，差动保护仍能可靠快速地 动作，以满足系统稳定要求。 2 2 中低压母线保护程序逻辑 2 2 1 启动元件程序逻辑 从电流互感器的饱和机理和大量的暂态实测波形分析可知，在发生短路时开始阶 段，电流互感器能够正确地传变一次电流，差动保护取短路后的1 4 周波内的数据进行 比率差动差动计算和判别，将几乎不受t a 饱和的影响。为此，保护中应设有一个灵敏 的启动元件，以捕获故障的起始时刻，并启动差动继电器，利用故障后最初的1 4 周波 的数据进行计算和判别。可见保护对启动元件的要求是灵敏、快速。它必须赶在差动保 护计算判据之前正式启动，所以应当采用反应故障分量的突变量启动方式。启动元件共 有三个组成部分：大差动电流越限启动( 大差动受复合电压闭锁) ；母线线电压突变启动， 母线上各组的相电流突变启动元件，它们组成或门启动逻辑。启动元件程序逻辑框图如 图2 6 所示。 动 图2 6 母差保护启动元件程序逻辑 母线线电压突变量启动是对各段母线上的线电压求珥。为防止小电流接地系统在 单相接地时误启动，本方案采用相间电压，即线电压。对于每周波3 6 点采样来说， 阱= 一坼。，其中坼为线电压的当前采样值，。为前一个周波的采样值。所 以当 河海大学硕士学位论文第二章微机型中低压母线保护方案 a u r a u 。 ( 2 1 ) 时母线线电压突变量启动，u 。，为线电压突变量定值。 母线上各组的相电流突变量启动元件是对母线上每组的各相电流取突变量，当 m r 。= i i t 一。p m ：。 ( 2 2 ) 时启动保护，类似于母线线电压突变启动，7 。是指第n 组支路的相电流突变量，。 是相电流的当前采样值，。是前一个周波的采样值。这样即使在t v 断线的情况下， 启动元件也能在故障时可靠动作。 在某些情况下，线电压和电流突变量不能使启动元件动作，所以将大差动电流越限 作为突变量启动元件动作的后备条件，其判据为：，d ，。，及i 段的复合电压u 。和i i 段的复合电压u 。动作，它们组成与门再与母线线电压、电流突变量启动元件构成逻辑 关系去启动保护。也就是说当大差电流大于差电流定值同时母线线电压不正常时，启动 元件也将动作并启动差动保护工作。 2 2 2 中低压母线比率差动出口程序逻辑 母线差动出口逻辑由比率差动判据、复合电压闭锁判据组成。当某一段母线的差 电流与和电流满足比率差动判据，同时该段母线上的电压不满足复合电压闭锁的条件 母线电压不正常，即可判断该段母线发生区内故障。当该母线故障对系统稳定的影 响较小或系统失稳时间有较大的裕度且电流互感器的暂态特性不好时，可以经过一定的 延时再出口动作。如图2 7 所示。 图2 7 母差保护出口程序逻辑 与常规分段母线差动保护相同，微机型中低压母线保护差动逻辑也是由一个母线大 差动和各个母线段小差动所组成的。在大、小差动元件中都是以比率差动保护判据为核 心的，大差动瞬时动作于分段开关，使用小差动做选择元件保证选择性。因为一个母线 段的小差动保护范围在大差动保护范围内，小差动元件动作时