（电力系统及其自动化专业论文）微机型母线保护的研究.pdf

s t u d yo fd i g i t a lb u s b a rp r o t e c t i o n a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u se n l a r g e m e n to ft h es c a l eo fp o w e r n e t w o r k t h e d a m a g eo fb u s b a rf a u l tt oe l e c t r i cd e v i c e sa n ds y s t e ms t a b i l i z a t i o nb e c o m e i n c r e a s i n g l ys e r i o u s s ot h a tt h ed e e p e rr e s e a r c hf o rb u s b a rp r o t e c t i o nd e v i c e b e c o m e sn e c e s s a r yt h a ne v e rb e f o r e t h ed i g i t a lb u s b a rp r o t e c t i o nh a sg a i n e dg r e a t a c h i e v e m e n ta tp r e s e n t m e a n w h i l e s o m ed e f e c t ss t i l le x i s t e d a n dt h e r e f o r e f u r t h e r d e v e l o p m e n t si sr e q u i r e d t od e s i g nas o r to fd i g i t a lb u s b a rp r o t e c t o rw i t hr a p i d i t y s e n s i t i v i t y r e l i a b i l i t yc a ng e te n o r m o u se c o n o m i cb e n e f i t sa n da c c d e r a t ei t s d e v e l o p m e n t s od e v e l o p i n gt h er e s e a r c ho nd i g i t a lb u s b a rp r o t e c t i o nd e v i c ei sa v a l u a b l ew o r k i nt h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e r i n t r o d u c et h ei m p o r t a n c eo f b u s b a rp r o t e c t i o nf o r p o w e r 鲥d t h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n dp r o g r e s so fb u s b a rp r o t e c t i o na n ds o m eh o t i s s u e sw h i c hw o u l da f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fb u s b a rp r o t e c t i o n b a s e do na b o v e d i s c u s s e d t h em a i nc o n t e n to ft h ep a p e ri sd e t e r m i n e i nt h es e c o n dp a r to ft h i sp a p e r b ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h ef u n d a m e n t a l p r i n c i p l e sa sw e l la ss t u d y i n go nt h em a i na l g o r i t h mo ft h eb u s b a rp r o t e c t i o n t h e p a p e rs e l e c t st h eb e s to n ew h i c hc a nb ea p p l i e dt ot h i sd e v i c e t h a ti sc u r r e n t d i f f e r e n c ep r o t e c t i o np r i n c i p l ew h i c hr e l i e sm a i n l yo nr a t i od i f f e r e n c ec o m p o n e n t ht l l et h i r d p a r to f t h i sp a p e r as e to f p r o t e c t i o ns c h e m ei sp r e s e n t e d i nt h ef o u r t hp a r to ft h i sp a p e r t h em a i nr e s e a r c hw o r k i sf o c u s e do ns e v e r a lk e y p r o b l e m s s e l f a d a p t i v et oo p e r a t i o nm o d e a n t i c ts a t u r a t i o na n da n t i i i l t e r f e r e n c e ht h el a s tp a r t n o to n l ya l lo ft h er e s e a r c hw o r ka c c o m p l i s h e di nt h i st h e s i si s s u m m a r i z e d f u t u r ei m p r o v e m e n ti sp o i n t e do u ta sw e l l k e y w o r d s d i g i t a lb u s b a r p r o t e c t i o n p r i n c i p l e s o fb u s b a r p r o t e c t i o n s a t u r a t e dc t s e l f a d a p t a t i o no f o p e r a t i o nm o d e a n t i i n t e r f e r e n c e i i 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 1 1 1 母线和母线保护的重要性 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 线上连接着发电厂和变电站的发电机 变压器 输电线路 配电线路 和调相设备等 它承担着电能的汇集和分配等重要任务 因此母线工 作的可靠性将直接影响到发电厂和变电站工作的可靠性 3 此外 在 电力系统枢纽变电所的母线上故障时 还可能引起系统稳定的破坏 造成严重的后果 由此看出母线的安全运行对电力系统的稳定运行起 着至关重要的作用 母线在电力系统中的重要地位使得母线接线方式 及母线保护方式的选择与运行成为保证电力系统安全运行的重要环 节之一 母线结构简单 它在发电厂和变电站内运行的环境条件相对较 好 与暴露在野外的输电线路相比母线发生故障的次数较少 但是由 于绝缘老化 污秽 雷击或值班人员误操作等原因引起的母线故障 在电力系统的故障总数中却仍占有一定的比例 并且所造成的后果也 十分严重 大多数母线故障呓3 是由于污秽空气中所含损坏绝缘的气体和固 体物质导致与母线联接的绝缘子和断路器套管等发生闪络 从而损坏 母线绝缘子和断路器套管及隔离开关支持绝缘子 引起绝缘子对地放 电所引起的 部分原因是装设在母线上的电压互感器及装设在断路器 和母线之间的电流互感器发生故障 以及运行人员的误操作等引起 的 母线故障开始阶段大多数表现为单相接地故障随着电弧的移动 故障往往发展为两相或三相接地短路 因此母线 特别是高压或超高 压母线 短路故障的性质一般比较严重 对电力系统的安全运行会带 浙江大学硕士学位论文 来较大的危害 这些危害主要表现在 扩大事故的范围 破坏电气设 备 破坏电力系统稳定运行 破坏发电厂的正常运行 甚至造成电力 系统的瓦解 发生大面积用户停电等 因此母线保护是非常重要的 已成为保证电力系统安全运行的重要环节之一 1 1 2 对母线保护的要求 1 1 2 1 由于母线保护的重要性 下列情况 h 4 3 应装设专用的母线保 护 j 1 2 2 0 k v 5 0 0 k v 母线应装设快速有选择地切除故障的母线保 护 2 2 0 k v 及以上电压等级3 2 4 3 接线的每组母线应装设两套母线 保护 重要变电站 发电厂的2 2 0 k v 双母线接线亦应采用双重化配 置 2 1 l o k v 双母线 l l o k v 单母线 重要发电厂或1 l o k v 及以上 重要变电所的3 5 k v 6 6 k v 母线 按电力系统稳定和保证母线电压等 要求需要快速切除母线上的故障时 3 3 5 k v 6 6 k v 电网中 主要变电所的3 5 k v 6 6 k v 双母线或分 段单母线 需快速而有选择地切除一段或一组母线上的故障以保证系 统安全稳定运行和可靠供电 4 对于发电厂和变电所的3 一l o k v 分段母线及并列运行的双母 线 需快速而有选择地切除一段或一组母线上的故障以保证发电厂及 电力网安全运行和重要负荷的可靠供电 或者线路断路器不允许切除 线路电抗器前的短路故障时 1 1 2 2 母线保护应满足以下要求巧3 1 可靠性 母线保护的可靠性 r e l i a b i l i t y 包括两个方面 一是可信性 d e p e n d a b i l i t y 是指在母线故障时要保证保护的可靠动作 防止拒 动的发生 二是安全性 s e c u r i t y 即在正常运行或发生区外故障时 保证母线保护不发生误动 因此 在对母线保护进行设计时要采取一 浙江大学硕士学位论文 系列措施保证在各种情况下母线保护都具有较高的可靠性 如 当母线短路时 即使某些连接元件的电流可能流出故障母线 保护仍应可靠地切除故障母线 当母线区外故障转为区内故障时 保护应能有效识别并可靠切 除该故障 保护不应受电流互感器暂态饱和的影响而发生不正确动作 母线保护中选用的元件继电器和电路要求具有可靠的性能 为防止母线保护误动或出口继电器被误碰要加设闭锁元件 并 将闭锁元件的触点与出口继电器的触点串联接通各连接元件的跳闸 回路 为防止电流互感器二次电流回路断线造成保护误动 应加设电 流回路断线闭锁措施 以保证在发生断线时将整组母线保护退出工 作 2 选择性 母线保护应具有很好的区分内部和外部故障的选择性 以及在各 种运行方式下区分出故障母线组别的选择性 根据运行方式的要求 有时各连接元件需要在各组母线之间进行切换 此时要求保护装置仍 应能正确地选择故障母线 现在普遍使用的母线保护中保证选择性的 方法有多种 其中在分相电流差动的基础上 母线保护的电流互感器 接线方式随着母线运行方式的改变而改变的方法是最有效和最可靠 的 目前这个工作已经由软件来实现了 即 通过采集隔离开关辅助 接点的位置和线路电流的大小用软件自动判断当前母线的运行方式 自适应地调整差动的范围以达到正确处理事故的目的 3 速动性 母线故障如不及时切除 可能造成电力系统失步甚至瓦解事故 此外 在发生母线区外故障时 流过故障单元的大电流可能会造成该 单元的电流互感器饱和 为了尽量减少电流互感器饱和对保护的影响 浙江大学硕士学位论文 及短路电流对设备和电网的冲击 就要求保护装置能快速切除母线故 障 但是这种快速性也要建立在可靠性的基础之上 考虑到安全性和 速动性的平衡 一般认为母线发生区内故障时在2 倍额定值下整组保 护在2 0 m s 之内出口是可以接受的 当然随着电力系统电压等级的升 高 电网时间常数的增加 所受非周期分量的影响更加突出 电流互 感器饱和速度的加快或饱和程度的加深 都将对母线保护的动作速度 提出越来越高的要求 4 灵敏性 母线保护的灵敏性 是指对于保护范围内发生故障或不正常运行 状态的反映能力 即 在保护范围内部故障时 不论短路点的位置 类型如何 以及短路点是否有过渡电阻 保护都能够敏锐感觉 正确 反应 母线保护的灵敏度可以用启动元件的灵敏系数来校验 根据 继 电保护和安全自动装置技术规程 b3 的要求 起动元件的灵敏度系数 不小于1 5 随着计算机和网络水平的提高 数字式 微机 母线保护更能够 符合技术发展和经济性的要求 将是今后母线保护的发展趋势 如何 解决数字式母线保护性能受电流互感器饱和影响大的问题成为关键 之一 随着电力系统容量的扩大 一次系统时间常数的增加 当发生 故障时 将会产生很大的非周期分量 并且非周期分量衰减时间长 这更容易引起电流互感器迅速达到饱和状态 这种状况对现有的数字 式母线保护中所采用的抗饱和方法提出了新的挑战 也对母线保护的 性能提出了更高的要求 同时 随着电力网向超高压 跨区域 大容 量方向的迅速发展 母线故障的影响更大 牵涉面更广 有必要针对 微机母线保护的动作速度 可靠性 选择性 灵敏性等方面展开更深 入的研究工作 以期进一步提高母线保护的性能 1 2 课题的研究现状 母线保护的发展经历了三个阶段嘶儿刀 即整流型母线保护 集成 淅江大学硕士学位论文 电路型母线保护 微机型母线保护 1 2 1 整流型母线保护 整流型母线保护噶 在二十世纪七八十年代曾在我国电网中广泛 使用 这种保护装置的动作原理使用电流相位比较继电器作为母线保 护的选择元件 母线故障时 由继电器比较母线联络断路器电流与总 差电流之间的相位关系来判断哪一条母线故障 整流型母线保护的原理简单 但动作时间较长 且当c t 严重饱 和时可能失去选择性 所以从电网发展的角度来看 无论是从性能上 还是从运行维护等方面 因此整流型母线保护被替换是必然的结果 1 2 2 集成电路型母线保护 从二十世纪7 0 年代中期起 基于集成运算放大器的集成电路型 3 n o 1 母线保护开始研究 并于8 0 年代末逐渐取代整流型母线保护 到9 0 年代初 集成电路型母线保护的研制 研制 生产 应用一直 处于主导地位 这段时间是集成电路保护的时代 集成电路型母线保护根据差动回路中阻抗的大小 可分为低阻抗 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 低阻抗母线差动保护装置比较简单 一般采用久经考验的判据 系统的监视较为简单 但低阻抗母线差动保护不适用于高压母线 因 为在母线外部故障使c t 饱和时 母线差动继电器中会出现较大的不 平衡电流 可能使母差保护误动作 所以该保护的可靠性不能得到很 好的满足 高阻抗母线保护可以较好地解决c t 饱和问题 为了克服低阻抗 母线保护中c t 饱和时误动的问题 可在差动回路中串入一高阻抗 其值可在数千欧姆以上 因而在外部故障电流互感器饱和时 可减少 差动回路的不平衡电流 不需要制动 对于区内故障采用c t 饱和前 快速动作的方式 区内故障动作速度快 但在内部故障时 差动回路 可产生危险的过电压 对继电器可靠工作不利 为了提高可靠性 设 计了一个附加的高阻抗保护系统 作为检测元件提供第二个跳闸判 据 但需要一种与之匹配的c t 线圈 且要求c t 的传变特性完全一 致 变比相同 这对于扩建的变电所来说较难做到 因此总体上高阻 抗型母线保护在运行维护维修等方面都十分困难 所以这种保护在电 力系统中很少被采用 中阻抗型母线保护的选择元件是一个具有比率制动特性的中阻 抗型电流差动继电器 显著降低了母差回路的负载阻值 既具有低阻 抗 高阻抗保护的优点 又避开了它们的缺点 把高阻抗特性和比率 制动特性两者有效结合 在处理c t 饱和方面有独特优势 较好地保 证了区外故障c t 饱和不误动 区内故障正确快速动作 且其对c t 无特殊要求 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 一般 动作时间小于1 0 m s 因此又被称为 半周波继电器 其缺点是必须 应用辅助电流互感器 保护整定计算较为复杂 由于其巨大的优越性 在微机型母线保护出现前在我国得到了广泛的应用 但是中阻抗型母 线保护设备的价格相对较高 会增加变电站和发电厂的工程投资 失 去市场竞争的优势 因此随着微机母线保护技术的日益成熟 中阻抗 母线保护被取代是必然的趋势 1 2 3 微机型母线保护 当微机线路保护取得巨大成功后 人们开始探讨微机保护能否应 用与电力系统中最重要的元件一母线 2 0 世纪8 0 年代初 国内外学多学者对微机母线保护 2 m 1 3 1 4 川5 1 的理论和实践进行了大量的探索和研究 但发展比较缓慢 随着计算 机和网络通信技术的飞速发展 微机母线保护在9 0 年代蓬勃发展起 来 各种原理和模式的微机母线保护相继推出 我国对微机母线保护 的研究始于8 0 年代下半期 到9 0 年代中期形成一些正式产品 微机型母线保护相对于其它类型的母线保护 有着不可比拟的优 势 如 1 微机母线保护不需要公共的差电流回路 不需要将各回路的 电流互感器二次绕组并联在一起引至保护盘 而是通过软件计算来合 成差动电流和制动电流 这大大简化了交流二次回路 提高了保护的 可靠性 2 可以用软件来平衡各回路电流互感器变比的不同 不需要设 置辅助电流互感器 3 利用微机的智能作用和计算能力可实现更复杂但更可靠的动 作判据 创造各种检测电流互感器饱和的新方法 4 对双母线接线方式而言具有自适应能力 利用微机的智能作 用自动识别各回路所连接的母线组别 5 微机母线保护具有自检功能 可靠性得到了进一步的提高 更重要的是 微机母线保护具有通信接口 可方便地与监控系统互联 完成信息的远传和远控 实现自动化 当然微机母线保护具有调试整 定方便的优点是不言而喻的 因此母线保护同其它类型的元件保护一样 采用微机型的保护是 大势所趋和发展方向 因为以上这些优点 所以母线保护也很快发展起来 在2 0 世纪 初期和中期 国内外的继电保护厂家 公司 分别研制成功了数种母 线保护装置 到目前为止 已经研制成功并在现场投入运行的国内母 线保护主要有 1 许继w m z 一8 0 0 型微机母线保护装置 2 国电南自w m z 一4 1 a w m z 一4 1 b 型微机母线保护装置 3 深圳南瑞b p 一2 a b p 一2 b 型微机母线保护装置 4 南瑞继保r c s 一9 1 5 型微机母线保护装置等 浙江大学硕士学位论文 随着计算机与网络通信技术的发展 数字技术引入到母线保护的 理论与实践得以广泛探索 优势日益彰显 微机型装置正在并将很快 成为母线保护的主流 然而 影响现有微机型母线保护动作正确性的两大问题就是 1 如何防止电流互感器暂态饱和对差动保护的影响 由于母线 的连接元件众多 在发生近端区外故障时 故障支路电流可能非常大 其c t 可能饱和 有时可达极度饱和 当c t 进入饱和状态时 其二 次侧不能正确传变一次侧电流 这是母线保护误动的主要原因之一 因此 如何防止c t 饱和对母线保护的影响成为母线保护的焦点问题 之一 2 如何增强母线保护适应母线运行方式变化的能力 非固定连 接主接线方式的母线的优点是提高供电系统运行的可靠性和灵活性 但相应的母差保护必须切换其差流回路和出口回路 使其与运行方式 保持一致 如何使微机母线保护自适应地判别母线的运行方式 免去 人工干预及由此引起的人为误操作也是研究的焦点问题 1 3 本课题的意义和主要研究内容 1 3 1 本课题的意义 随着电网规模的不断扩大 母线故障对电气设备的损害及对电网 稳定运行的危害也日益严重 因而对母线保护的要求也越来越高 而 目前在电网中运行的整流型和集成电路型母线保护有很多己不能满 足这种对速动性和安全性日益增长的需求 有待更换 另外 为缓解 我国电力资源短缺的现状 势必要扩建很多新的发电厂和变电站 因 此具有良好性价比的集中式微机型母线保护具有极大的市场潜力 尽管母线保护己取得了丰硕成果 但是仍存在着许多不足 母线 保护的正确动作率仍需提高 其中主要原因是未能采取有效措施克服 区外故障时电流互感器 c t 的误差 特别是c t 流过大的短路电流 时因饱和而产生大的不平衡电流 而其它传统母差保护还存在母线运 行方式自适应问题 c t 断线判别及c t 变比一致性问题 抗干扰及 可靠性问题等 母线保护仍需进一步的完善 改进和发展 同时快速 发展的电力系统对母线保护也提出了越来越高的要求 所以因此研制新型微机母差保护 并将其推广应用已经是非常迫 切的问题 设计一种快速 灵敏 可靠的微机母线保护不但可以创造 很大经济效益 而且对促进母线保护的发展也具有重要意义 1 3 2 本课题的主要研究内容 微机母线保护相对于线路保护来说它有自己的一些特点 1 由于母线保护需要与一次母线相对应 所以输入的电流量 电压量和开关量都很多 对数据处理的能力要求高 2 由于是电流差动 所以各交流回路输入的电流幅值精度和相 位一致性就显得格外重要 3 母线保护切除元件数目多 涉及的范围广 装置的可靠性必 须保证 4 母线保护一旦退出运行 将给生产调度带来很多压力 所以 装置运行必须稳定 保证年投入时间 因此微机母线保护的研制 应集中在以下几个方面 1 提高保护的动作速度及动作灵敏度 2 采取切实可靠的措施 防止因c t 饱和产生的不平衡电流造 成保护误动 3 增强保护适应母线运行方式变化的能力 4 增强自动检测和监视功能 保护运行操作尽可能简化 5 增强装置抗干扰性 减少装置本身故障概率 本论文所完成的工作主要有以下几个方面 分析对比了各种母线 保护常用的几种原理 提出母线保护装置的设计方案 包括保护的动 作判据和主要保护配置 对双母线运行方式的自适应问题 抗c t 饱 浙江大学硕士学位论文 和问题 抗干扰问题等进行研究和探讨 浙江大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章母线保护基本原理的分析和对比 为满足速动性和选择性的要求 母线保护一般采用差动原理n 6 2 13 实现母线差动保护所必须考虑的特点是在母线上一般连接着较多 的电气元件 如线路 变压器 发电机等 因此不能简单的只用接 线加以实现 但不论母线上连接的元件有多少 实现差动保护的基本 原则仍是适用的 即 1 在正常运行及母线范围以外故障时 母线上所有的连接元件 中流入的电流和流出的电流相等 表示为妻 0 其中m 为母线上 面 所有连接元件的数目 j 为第j 个连接元件的支路电流 2 当母线上发生故障时 所有与电源连接的元件都向故障点供 给短路电流 而给负荷供电的连接元件中电流等于零 因此 乞 厶 j l 其中厶是指短路点的总电流 3 对每个连接元件中电流的相位来说 在正常运行以及母线发 生区外故障时 至少有一个元件中的电流相位和其余元件中的电流相 位是相反的 即电流流入的元件和电流流出的元件这两者的相位相 反 而当母线故障时 除电流等于零的元件外 其它元件中的电流则 是同相位的 总之 母线保护的原理构成总是基于对母线上各连接元件之间的 电流的比较 常用以下几种保护原理 1 完全电流差动原理 2 母联电流比相原理 3 电流相位比较原理 4 带比率制动特性的电流差动原理 下面将使用这四种原理的母线保护动作特性分别进行分析和相 浙江大学硕士学位论文 互对比 差回路中电流互感器的极性都遵守如下定义 电流流入母线 为正 母联电流从i 母流向i i 母为正 2 2 完全电流差动母线保护 2 2 1 完全电流差动原理 在正常运行情况下 根据基尔霍夫定律 流入母线的电流之和为 零 j j j 一 j 2 1 式中 五 之 厶是各电流互感器的二次电流 l 是各电流互感器的励磁电流 当母线发生短路时 j j j j 一 2 2 式中 j 是流入母线故障点的短路电流 定义 厶 五 厶 毛为总差动电流 是除母联电流互感器 外母线上所有连接元件的二次电流之和 由于发生母线短路时 短路电流j 比励磁电流要大得多 考虑在 流过最大短路电流情况下电流互感器的比值误差不大于1 0 因此 可以设定一差电流定值 当 l dl 2 3 时 母线保护即动作将连接在故障母线上的断路器都跳开 在将此原理应用于双母线时 需增加两个差回路作为选择元件 i 陵 一j 2 4 k i 陲j j i 2 5 ij 1l 式中 为连于i 段母线上的元件数 历为连于i i 段母线上的元件数 丘为母联电流互感器的二次电流 浙江大学硕士学位论文 厶 厶 分别为i 段和i i 段母线的分差动电流 t 为分差动电流定值 以总差动电流为起动元件 以分差动电流为选择元件 母线保护 就可以正确切除故障段母线 2 2 2 对完全电流差动母线保护的分析 完全电流差动式母线保护是母线差动保护的一种基本方式 它接 线简单 调试方便 易于运行人员掌握 对于单母接线和元件固定连 接的双母线接线方式 当采用电流差动保护时保护装置有很好的选择 性 可较快地切除故障母线 且当母联断路器断开时保护仍有选择能 力 而当两组母线先后发生短路时母线保护也仍能可靠地动作 但该保护只适用于单母线接线和元件固定连接的双母线接线方 式 其中固定连接是指双母线接线方式下各连接元件固定连接在i 母 或i i 母上 保护适应运行方式变化的能力差 一旦其固定连接方式被 破坏 那么任一母线上的故障都将导致切除两组母线 因此 当电力 系统运行方式变化的范围较大时不能采用该种保护 但是如果保护随 运行方式的变化由手工操作或隔离开关辅助接点自动切换差回路和 出口回路 又会带来新的问题 此外 由于该保护采用了带加强型速饱和变流器的电流差动继电 器 起动元件和选择元件的动作电流需避越外部短路时最大不平衡电 流 故母线保护的灵敏度较低 母线发生短路时差动继电器带有较长 时间的动作延时 因此也不适用于要求快速动作的场合 2 3 母联电流比相式母线保护 2 3 1 母联电流比相的工作原理 母联电流比相式母线保护基本上克服了完全电流差动式母线保 护缺乏灵活性的缺点 使之更适用于母线运行方式常常变化的场合 母联电流比相原理是比较总差动电流与母联断路器中的电流相 浙江大学硕士学位论文 位 利用两个电流之间的相位关系来判别故障母线 首先它用总差动 电流是否大于差电流定值来区分两组母线的内部和外部短路故障 然 后若总差动电流厶与母联断路器中的电流j 同相 则故障发生在i i 段母线 若厶与丘的相位相差18 0 则故障发生在i 段母线 实际 上 保护动作表达式为 肌 j i i j d j l 0 2 6 l j 2 7 限 j i i j d j l j 2 9 当同时满足式 2 6 2 7 时i i 母动作 同时满足式 2 8 2 9 时i 母动作 2 3 2 对母联电流比相式母线保护的分析 母联电流比相式母线保护的主要优点是对母线上的各元件无需 提出固定连接的要求 当任一连接元件在母线之间进行切换时 不论 哪组母线发生短路 由该连接元件供给的短路电流不会影响总差动电 流的方向 不论各连接元件怎样切换 母联电流比相总是可以正确地 判别出故障母线 因此它适用于连接元件在母线之间常常进行切换的 场合 而跳闸回路的切换可利用隔离开关的辅助接点来自动实现 这种母线保护方式也存在一些缺点 1 根据运行方式的需要 要求将两组母线分裂运行时 母线保 护将失去选择故障母线的能力 2 当两组母线先后发生短路时 母线保护不能切除第二个短路 故障 3 由于差电流定值f 需避越母线外部短路时流过的最大不平衡 电流 母线保护的灵敏度受到限制 针对第1 2 项缺点 需要采用附加措施来弥补 2 4 电流相位比较式母线保护 2 4 1 电流相位比较的工作原理 正常运行或母线外部短路时 各元件电流有流入母线的 也有流 出母线的 它们的相位相差18 0 母线内部发生短路时 各电流均 流入母线 它们的相位差接近o 因此 根据各连接元件的电流相 位差 可清楚地区分出母线的内部或外部故障 电流相位比较式母线 保护 就是利用相位比较元件测量各电流间的相位差 来实现保护功 能 2 4 2 对电流相位比较式母线保护的分析 电流相位比较式母线保护正是根据各支路电流间的相位差这一 特点 利用相位比较元件测量来实现母线保护 由于这种母线保护只 反应电流间的相位 与各连接元件电流的大小无关 因此无需考虑不 平衡电流的问题 这就提高了保护的灵敏度 并且当母线上各连接元 件的电流互感器型号不同或变比不一致时 该保护仍然可以被使用 这也就放宽了母线保护的使用条件 这种保护在应用中也要注意一些问题 1 在1 妻断路器或环形母线接线中 当发生母线短路时 某些连 z 接元件的电流可能自母线流向线路 使保护拒动 2 当某一连接元件进行倒闸操作时 它的两组隔离开关同时与 i 段和i i 段母线相连 母联断路器的电流被旁路 流过其中电流的方 向将是不确定的 若此时发生故障保护可能会失去选择性 3 当电流互感器饱和时 二次电流波形将产生畸变 此时二次 电流与一次电流的相位是不一致的 有可能造成保护误动 2 5 带比率制动特性的母线电流差动保护 2 5 1 带比率制动特性的电流差动原理的特点 在2 2 2 3 中已谈到 当电力系统的运行方式变化很大时 前两 种母线保护起动元件的灵敏度将受到限制 影响上述两种母线保护的 使用 如果能使起动元件的动作电流随外部短路电流的变化而同时变 化 也就是将外部短路电流作为制动电流 那么起动电流的门坎值就 可以减小 因而在母线故障时保护有较高的灵敏度 有两种常用的制动特性差流继电器 它们的动作条件分别为 i j 一k 掌j 哪i 0 2 1 0 l1 1l l 羔j l k 宰芝 o 2 1 1 式中 五 为制动系数 式中左边第一项为差电流 第二项为制动电流 式 2 1 0 表 示以几个引出线中最大的电流 一为制动电流 式 2 1 1 表示以n 个引出线电流的幅值之和为制动电流 在外部短路时 第二种特性可以比第一种特性获得大一倍的制动 电流 在内部短路时 考虑单一电源供电的情况 两种制动特性的制 动系数都应小于l 因此第二种特性制动系数的选择范围比第一种的 大一倍 有更好选择性 特别是在区外故障时 故障引出线流过的电 流最大 而该线电流互感器的误差也最大 制动量下降最多 因此对 于母差保护来说 第一种特性是不可取的 因为比率判据在原点附近不能正确区分区内和区外故障 所以比 率差动继电器一般由电流差动判据和比率制动判据组成 j d 埘 2 1 2 i a k 率j 0 式中 为定值 称为差电流门坎 称为和电流 浙江大学硕士学位论文 乙与t 不同 它只需按避开正常运行时的最大不平衡电流整定即 可 一般取乙 o 2 o 3 凡 厶为电流互感器的额定电流 母线 没有匝间故障也不考虑高阻接地 母线故障的短路电流水平都能满足 这个门坎 保护的灵敏度取决于k 值的大小 2 5 2 瞬时值比率制动判据一 对于传统的继电器来说 反应的都是电流有效值或平均值 而不 是电流的瞬时值大小 随着数字化微机保护的发展 反应瞬时值大小 的继电器成为可能 相应地出现了瞬时值比率差动判据 差动原理对电流的瞬时值也是成立的 将比率制动判据用电流的 瞬时值表达得 0 酬一k 宰纠 在区内故障时 并不是每一时刻的瞬时值都满足上式 这是因为 此时各连接元件中的电流相位并不完全一致 瞬时值和的绝对值要小 于绝对值之和 按瞬时值比较时一般采取在连续r 次比较中有s 次 判据成立为满足 使用瞬时值判据适应于数字化微机保护的离散采样数据 综合体 现了各电流量幅值和相位关系的影响 为微机母差保护的快速出口开 辟了新的途径 2 6 四种母线保护原理之间的比较 单纯的电流差动原理和母联电流比相原理的灵敏度都比较低 不 能适用于母线运行方式变化范围大的场合 电流相位比较原理虽然灵 敏度很高 但不能适用于有故障电流流出的1 妻断路器的母线和多角 z 形母线 而带比率制动特性的电流差动原理兼顾了在小故障电流下的 灵敏度和大穿越性电流情况下的制动特性 具备了自适应式保护原理 的特征 因此在高压和超高压母线保护中被广泛使用 但是在外部短 路故障电流互感器深度饱和时 由于失去了最大的一个制动电流 该 原理不能将其与内部短路相区分 没有抗饱和措施的比率制动式母差 保护在这种情况下就会误动 高压电网中电力系统一次回路的时间常 数较大 短路电流中的非周期分量易使电流互感器的铁心趋于饱和 这个原因是影响比率制动式母差保护正确动作率的重要因素 对于电 流相位比较式母线保护 由于二次电流饱和波形发生畸变 不能正确 反应一次电流的相位 因此也不能回避饱和问题 这四种原理有一个共同点 就是母线保护需要与母线运行方式保 持一致 母联电流比相原理虽然不要求根据母线运行方式切换差电流 回路 但仍然要求切换相应的出口回路 因此如何使母线保护与母线 运行方式保持一致 也是不能回避的问题 通过以上的分析和比较 带比率制动特性的电流差动原理适用的 母线主接线形式几乎不受限制 而且其灵敏度和可靠性满足高压电网 的要求 特别是该原理的瞬时值判据对于数字式微机保护来说具有旺 盛的生命力 因此只要解决好克服因电流互感器饱和产生的不平衡电 流和保护对母线运行方式自适应这两个问题 就能够保证比率制动式 母差保护的正确动作 而能够发挥出其应有的优越性 2 7 复式比率差动原理 传统的比率差动原理 在母线区内故障时仍然有很大的制动电 流 降低了保护的灵敏度 为了克服上述不足 文献 1 2 1 提出一种改进 的复式比率差动原理 在制动量的计算中引入了差动电流 使该原理 在区内故障时无制动 而在区外故障时保持极强的制动特性 其动作 判据如下 r 2 1 4 i d k 一j d 0 2 15 式中 k 为复式比率系数 由判据式可知 复式比率系数k 的选择范围相对于传统的比率制 动系数的 o 1 扩大到 0 复式比率差动原理能非常明确 地区分区内和区外故障 若考虑区内故障时 有2 0 的故障电流流出母线即e x t 2 0 则式 2 1 5 左边 2 5 要保证此种情况下判据能够动作则令 e 2 再考虑区外故障时 故障支路的电流互感器 c t 误差为6 其余支路的c t 误差忽略不计 则式 2 1 5 左边 6 2 26 要保证e 2 时判据不误动 必须6 2 26 即6 a u 耐 为电压突变定值 时母线电压突变启 一 动 2 支路电流突变起动 支路电流突变启动的工作原理类同于母线电压突变启动 不过其 对象为母线上若干个连接单元的分相支路电流的绝对值的累加值 即 她 厶 r 一心 r m 窆k 1 一 窆阿1 r m 3 2 j lj l 其中 鸲为支路电流突变量 j 为母线上第j 个连接单元的电流 n 为被累加支路的个数 当她 乙 址厶为支路电流突变定值 时 支路电流突变启动 支路电流突变启动使得保护装置即使在p t 断线 的情况下 其启动元件也能在母线发生区内故障时可靠动作 当然为 了不至于频繁起动保护 电流突变定值的设置应高于正常的负荷电流 变化 3 大差电流越限启动 在某些情况下电压或电流的突变均不能使启动元件动作 为此将 大差电流越限作为另一个启动元件动作的充分条件 其中大差电流是 由电流的瞬时值算法 大差电流越限启动的判据如下 厶 l 3 3 式中 厶指母线大差电流 匕指差电流定值 当大差电流大于差 电流定值 且同时检测出母线电压不正常 母线复合电压动作时 启 动元件也将动作并启动差动保护工作 综上可得启动元件的逻辑图如图3 一l 所示 浙江大学硕士学位论文 图3 1启动元件逻辑 启动元件动作后将自动展宽一定时限 再根据启动元件返回判据 决定该元件是否返回 启动元件的返回判据为 厶 删 3 5 i d k 宰 3 6 其中 墨为比率制动系数 厶为差动电流 为制动电流 若规定电流流入母线的方向为正 则差动电流为各支路同相电流 和的绝对值 即 i 埘i 厶 f t i i ll 制动电流为各支路同相电流绝对值之和 即 兰川 j l 浙江大学硕士学位论文 其中 m 为母线上所有连接单元的数目 j 为母线上第j 个连接 单元的支路电流 为了防止c t 二次侧断线引起保护误动 以及躲过不平衡电流的 影响 引入了式 3 6 所示的带制动特性的差动判据 此判据在母 线正常运行以及发生区外故障时 由于差动电流厶 i 兰l 卜o 制动电 l li 流 艺i j 一较大 因此保护能够可靠制动 而当母线发生区内故障时 l 由于匿t i 窆k i 所以保护能够可靠动作 即使在内部故障母线有 i ll 1 电流流出的情况下 此判据也有足够的灵敏度 因此对母线保护装置的比率差动元件来说 若母线上各单元的支 路电流同时满足如式 3 5 和式 3 6 所示的判据 即认为 母 线故障 差动保护动作 此时比率制动特性为经过坐标原点的直线 比率制动系数e 为直线的斜率 其动作特性曲线如图3 2 所示 i ij l 图3 2比率差动元件动作特性曲线 比率制动系数e 的选取对比率差动元件来说是一个重点 其大小 将直接影响到保护装置动作的可靠性和灵敏度 由图3 2 可看出 e 其取值范围为0 1 若考虑母线区内故障时 流出母线的电流与总故障电流的比值为 6 则有 糯 钏 1 圳a i j 3 9 3 一l o 在这种情况下 为了保证差动继电器能够可靠动作 差动电流和 制动电流必须满足下式 i a i 等 k 3 一1 1 l 十 当母线发生区外故障时 故障支路的电流互感器可能产生较大的 误差而引起不平衡电流 若考虑故障支路c t 的误差为o 而其余 支路的c t 误差忽略不计 则有 fl i 一 1 一o i i o i 3 1 2 i mi 1 一o 1 1 2 一o 3 1 3 此时为保证差动保护不误动 则必须满足 i d i 丢 k 3 1 4 二一o 综上可得 对于给定的比率制动系数e 若要保证差动保护的正 常工作 则内部故障时流出母线的电流和总电流的比值 以及外部故 障时允许故障支路c t 误差值都有一极限值 以k 0 3 为例 由式 3 1 1 可求得6 o 5 3 8 再由式 3 1 4 可求得o 删 3 15 a i d k a i 一a i d 3 一l6 式中 叱为故障分量差电流门坎 是由差电流定值虬推得的 鸲为故障分量差动电流 由计算式 3 1 7 算得 a r 为故障分量 制动电流 其计算式如式 3 1 8 所示 峨 i 凳鸱l 虬 窆i a i j 3 1 7 3 18 在故障分量差动电流和制动电流的计算式中 m 表示母线上所有 连接单元的数目 业 为第j 个连接单元的电流故障分量 计算式为 七 i 一 七一 3 1 9 式中 b 为当前电流采样值 讧 为一个周波前的采样值 之所 以采用这种算法是因为在故障发生后的一个周波内其输出能较为准 确地反映包括各种谐波分量在内的故障分量 比率差动元件的逻辑图如图3 3 所示 考虑到电流故障分量的 暂态特性 故障分量比率差动元件仅在瞬时值突变起动后的第一个周 波投入 并使用低制动系数的比率差动判据闭锁 图3 3故障分量比率差动元件逻辑图 3 1 3 复合电压闭锁 为了防止由于差动及失灵出口回路的误碰 误操作或出口继电器 损坏等原因而导致的母线连接单元的误跳闸事故 电流保护使用独立 的电压闭锁元件 将差动继电器的出口接点与闭锁单元的开放接点相 串联 对提高保护的可靠性是一个良好的补充 但是闭锁元件的灵敏 度和开放出口的速度一定要高于差动单元的灵敏度和出口速度 否则 就会因为增加了闭锁反而降低了保护整体性能 复合电压包括零序电压 负序电压和低电压 线电压 分别对 应接地故障 不对称故障和三相不接地故障有最高的灵敏度 三者的 关系为逻辑 或 即 三个判据中的任何一个被满足 该段母线的 电压闭锁元件就会动作 称为复合电压元件动作 当母线电压恢复正 常时电压闭锁元件返回 本元件瞬时动作动作后自动展宽一定时限再 返回 当保护应用在分段母线上时 闭锁元件也应分别针对各段母线 的电压进行分段闭锁 差动元件的动作出口必须有相应母线段的母线 差动复合电压元件动作 当电压闭锁元件长时间开放时 应发出告警 信号 复合电压闭锁元件的逻辑图如图3 4 所示 图中虬 表示母线的 线电压 3 砜为母线三倍零序电压 为母线负序电压 删 埘分别为各序电压的闭锁定值 图3 4复合电压闭锁元件逻辑框图 3 1 4 故障母线选择逻辑 母线保护装置的差动回路是由一个母线大差动和几个各段母线 小差动所组成的 母线大差动是指除母联断路器和分段断路器以外的 由母线上所有其余支路电流所构成的差动回路 某段母线小差动是指 与该段母线相连接的各支路电流所构成的差动回路 其中包括了与该 段母线相关联的母联断路器和分段断路器支路 保护的大差比率差动 元件的差动保护范围涵盖各段母线 且大多数情况下不受母线运行方 式变化的影响 而各段母线小差动却与母线运行方式密切相关 随着 运行方式的改变而改变 其差动保护范围只是相应的一段母线 具有 选择性 这是由母线的自适应环节来实现的 大差及小差各自的保护 范围如图3 5 所示 厂 i l l 图3 5双母线系统大差小差保护范围 对于固定连接的分段母线 如单母分段 一个半断路器等主接线 由于各个元件固定连接在一段母线上 不在两段母线之间进行切换 因此大差电流只作为起动条件之一 各段母线的小差比率差动元件既 是区内故障判别元件也是故障母线选择元件 对于存在倒闸操作的双母线双母分段等主接线 差动保护使用大 差比率差动元件作为区内故障判别元件 使用小差比率差动元件作为 故障母线选择元件 即 由大差比率元件判别保护是否动作区分母线 区外故障与母线区内故障 若大差比率元件动作 再由小差比率元件 是否动作决定故障发生在哪一段母线 这样可以最大限度的减少由于 隔离开关辅助接点位置不对应造成的母差保护误动作 故障母线选择元件的逻辑图如图3 6 所示 图3 6 故障母线选择逻辑 另外还需注意 在母线倒闸过程中 当两条母线经隔离开关相连 母线互联 时装置应自动转入 母线互联方式 非选择方式运 行升 在这种运行方式下 保护不进行故障母线的选择 一旦发生故 障则同时切除两段母线 当运行方式需要时 如母联操作回路失电等 情况 也可以通过设定保护控制字中的强制母线互联软压板 或投入 强制母线互联硬压板等方式 强制保护进入互联方式 3 2 其它保护功能配置 母线保护根据运行时可能遇到的各种情况 还配置了以下几种保 护吃8 儿2 9 h 3 门2 3 母联 分段 失灵及死区保护 母联 分段 充 电保护 断路器失灵保护 c t 断线闭锁及告警以及p t 断线告警 下面对各种保护配置进行说明 3 2 1 母联死区及母联断路器失灵保护 3 2 1 1 母联死区故障 对双母线并列运行以及单母线分段运行的情况 由于系统中的母 联 分段 单元往往只安装一组电流互感器 如果故障发生在母联 分 段