母线保护小知识.doc

母线保护是保证电网安全稳定运行的重要系统设备，它的安全性、可靠性、灵敏性和快速性对保证整个区域电网的安全具有决定性的意义。迄今为止，在电网中广泛应用过的母联电流比相式差动保护、电流相位比较式差动保护、比率制动式差动保护，经各发、供电单位多年电网运行经验总结，普遍认为就适应母线运行方式、故障类型、过渡电阻等方面而言，无疑是按分相电流差动原理构成的比率制动式母差保护效果最佳。 但是随着电网微机保护技术的普及和微机型母差保护的不断完善，以中阻抗比率差动保护为代表的传统型母差保护的局限性逐渐体现出来。从电流回路、出口选择的抗饱和能力等多方面，传统型的母差保护与微机母差保护相比已不可同日而语。尤其是随着变电站自动化程度的提高，各种设备的信息需上传到监控系统中进行远方监控，使传统型的母差保护无法满足现代变电站运行维护的需要。 下面通过对微机母差保护在500 kV及以下系统应用的了解，依据多年现场安装、调试各类保护设备的经验，对微机母差保护与以中阻抗比率差动保护为代表的传统型母差保护的原理和二次回路进行对比分析。 1微机母差保护与比率制动母差保护的比较 1.1微机母差保护特点 a. 数字采样，并用数学模型分析构成自适应阻抗加权抗TA饱和判据。 b. 允许TA变比不同，具备调整系数可以整定，可适应以后扩建时的任何变比情况。 c. 适应不同的母线运行方式。 d. TA回路和跳闸出口回路无触点切换，增加动作的可靠性，避免因触点接触不可靠带来的一系列问题。 e. 同一装置内用软件逻辑可实现母差保护、充电保护、死区保护、失灵保护等，结构紧凑，回路简单。 f. 可进行不同的配置，满足主接线形式不同的需要。 g. 人机对话友善，后台接口通讯方式灵活，与监控系统通信具备完善的装置状态报文。 h. 支持电力行业标准IEC 608705103规约，兼容COMTRADE输出的故障录波数据格式。 1.2基本原理的比较 传统比率制动式母差保护的原理是采用被保护母线各支路(含母联)电流的矢量和作为动作量，以各分路电流的绝对值之和附以小于1的制动系数作为制动量。在区外故障时可靠不动，区内故障时则具有相当的灵敏度。算法简单但自适应能力差，二次负载大，易受回路的复杂程度的影响。 但微机型母线差动保护由能够反映单相故障和相间故障的分相式比率差动元件构成。双母线接线差动回路包括母线大差回路和各段母线小差回路。大差是除母联开关和分段开关外所有支路电流所构成的差回路，某段母线的小差指该段所连接的包括母联和分段断路器的所有支路电流构成的差动回路。大差用于判别母线区内和区外故障，小差用于故障母线的选择。 这两种原理在使用中最大的不同是微机母差引入大差的概念作为故障判据，反映出系统中母线节点和电流状态，用以判断是否真正发生母线故障，较传统比率制动式母差保护更可靠，可以最大限度地减少刀闸辅助接点位置不对应而造成的母差保护误动作。 1.3对刀闸切换使用和监测的比较 传统比率制动式母差保护用开关现场的刀闸辅助接点，控制切换继电器的动作与返回，电流回路和出口跳闸回路都依赖于刀闸辅助接点和切换继电器接点的可靠性，刀闸辅助接点和切换继电器的位置监测是保护屏上的位置指示灯，至于继电器接点好坏，在元件轻载的情况下无法知道。 微机保护装置引入刀闸辅助触点只是用于判别母线上各元件的连接位置，母线上各元件的电流回路和出口跳闸回路都是通过电流变换器输入到装置中变成数字量，各回路的电流切换用软件来实现，避免了因接点不可靠引起电流回路开路的可能。 另外，微机母差保护装置可以实时监视和自检刀闸辅助触点，如各支路元件TA中有电流而无刀闸位置；两母线刀闸并列；刀闸位置错位造成大差的差电流小于TA断线定值但小差的差电流大于TA断线定值时，均可以延时发出报警信号。微机母差保护装置是通过电流校验实现实时监视和自检刀闸辅助触点，并自动纠正刀闸辅助触点的错误的。运行人员如果发现刀闸辅助触点不可靠而影响母差保护运行时，可以通过保护屏上附加的刀闸模拟盘，用手动强制开关指定刀闸的现场状态。 1.4对TA抗饱和能力的对比 母线保护经常承受穿越性故障的考验，而且在严重故障情况下必定造成部分TA饱和，因此抗饱和能力对母线保护是一个重要的参数。 1.4.1传统型母差保护 a. 对于外部故障，完全饱和TA的二次回路可以只用它的全部直流回路的电阻等值表示，即忽略电抗。某一支路TA饱和后，大部分不平衡电流被饱和TA的二次阻抗所旁路，差动继电器可靠不动作。 b. 对于内部故障，TA至少过14周波才会出现饱和，差动继电器可快速动作并保持。 1.4.2微机型母差保护 微机母差保护抛开了TA电抗的变化判据，使用数学模型判据来检测TA的饱和，效果更可靠。并且在TA饱和时自动降低制动的门槛值，保证差动元件的正确动作。TA饱和的检测元件有两个： a. 采用新型的自适应阻抗加权抗饱和方法，即利用电压工频变化量差动元件和工频变化量阻抗元件（前者）与工频变化量电压元件（后者）相对动作时序进行比较，区内故障时，同时动作，区外故障时，前者滞后于后者。根据此动作的特点，组成了自适应的阻抗加权判据。由于此判据充分利用了区外故障发生TA饱和时差流不同于区内故障时差流的特点，具有极强的抗TA饱和能力，而且区内故障和一般转换型故障(故障由母线区外转至区内)时的动作速度很快。 b. 用谐波制动原理检测TA饱和。这种原理利用了TA饱和时差流波形畸变和每周波存在线性传变区等特点，根据差流中谐波分量的波形特征检测TA饱和。该元件抗饱和能力很强，而且在区外故障TA饱和后发生同名相转换性故障的极端情况下仍能快速切除故障母线。 从原理上分析，微机型母差保护的先进性是显而易见的。传统型的母差判据受元件质量影响很大，在元件老化的情况下，存在误动的可能。微机母差的软件算法判据具备完善的装置自检功能，大大降低了装置误动的可能。 1.5TA二次负担方面的比较 比率制动母差保护和微机母差保护都是将TA二次直接用电缆引到控制室母差保护屏端子排上，二者在电缆的使用上没有差别，但因为两者的电缆末端所带设备不同，微机母差是电流变换器，电流变换器二次带的小电阻，经压频转换变成数字信号；而传统中阻抗的比率制动式母差保护，变流器二次接的是165301 的电阻，因此这两种母差保护二次所带的负载有很大的不同，对于微机母差保护而言，一次TA的母差保护线圈所带负担很小，这极大地改善了TA的工况。 2差动元件动作特性分析与对比 2.1比率差动元件工作原理的对比 常规比率差动元件与微机母差保护工作原理上没有本质的不同，只是两者的制动电流不同。前者由本母线上各元件(含母联)的电流绝对值的和作为制动量，后者将母线上除母联、分段电流以外的各元件电流绝对值的和作为制动量，差动元件动作量都是本母线上各元件电流矢量和绝对值。 常规比率差动元件的动作判据为： 式中Id母线上各支路二次电流的矢量； Idset差电流定值； K、Kr比率制动系数。 比较上述两判据，当K=Kr(1Kr)，亦即Kr=K(1K) 时，常规比率差动和微机母差的复式比率差动特性是一致的。 2.2区内故障的灵敏性 考虑区内故障，假设总故障电流为1，流出母线电流的百分比为Ext，即流入母线的电流为1Ext。则Id=1,Ir=12Ext,分别带入式（1）和式（3）中。对于常规比率差动元件，由IdKIr得：1K（12Ext），故： 综上所述，母线发生区内故障时，即使有故障电流流出母线，汲出电流满足式（4）和式（5）的条件，常规比率差动元件和微机母差的复式比率差动元件仍能可靠动作。 2.3区外故障的稳定性 假设穿越故障电流为I，故障支路的TA误差达到，则Id=，Ir=2。 对于常规比率差动元件： 由IdKIr，得 =+NjjtNjjtii或111 U2zdUcUpzdUbUpzdUaU0zd+U2U2zdUcaUlzdUbcUlzdUabUlzd小接地电流系统对应母线电压闭锁开放图4-5 电压闭锁开放逻辑图CSC-150 数字式母线保护装置 说明书-14-4.2.5 母线运行方式字的识别双母线运行的一个特点是操作灵活、多变，但是运行的灵活却给保护的配置带来了一定的困难，常规保护中通过引入隔离开关辅助触点的方法来动态跟踪现场的运行工况，如图4-6 所示。L 为连接在双母线上的一条支路，G1、G2 是L 的隔离开关，将G1、G2 辅助触点的状态送到母线保护的开关量输入端子，若用高电平“1”表示开关合上，低电平“0”表示开关断开，则保护可将L 的运行状态表述如表4-1。表4-1G1 G2 说 明0 0 L 停运0 1 L 运行在母1 0 L 运行在母1 1 L 同时运行在、母（倒闸操作）微机母线保护通过其开关量输入读取各支路状态，形成母运行方式字和母运行方式字，同时辅以电流校验，实时跟踪母线运行方式。装置配备了母线运行方式显示屏，对应于某种运行方式，在电流不平衡时会出现告警，提醒用户进行干预。用户可以根据现场的运行方式选择自动、强合、强分来干预显示屏上每个隔离开关辅助触点，使得运行方式识别准确可靠。装置在支路有电流但其刀闸辅助触点信号因故消失时可以通过记忆保持正常状态。另外针对因隔离刀闸辅助触点工作电源丢失而导致的所有刀闸位置都为0 的情况，装置能够记忆掉电前的刀闸位置和母线运行方式字直到开入电源恢复正常为止，使得母线保护在该状态下仍可以正确跳闸。下面简单介绍双母线不同运行方式下差动电流、制动电流的处理方法，正、负电流突变量之和处理类同。4.2.5.1 双母线专用母联方式双母线专用母联接线图如图4-7 所示。在此种接线型式下所有支路的母刀、母刀均应作为确定母线运行方式字的输入量，大差差动电流和制动电流均不计及母联电流，各段小差差动电流和制动电流均应根据母联刀闸辅助触点的状态、母联断路器跳位和母联TA 的极性计及母联电IIIG2 G1L图4-6 双母线运行方式示意图CSC-150 数字式母线保护装置 说明书-15-流。N 单元双母线专用母联差动电流和制动电流表述如下：id=Kml iml + K1 i1 + KN1 iN 1i f=Kml iml + K1 i1 + KN 1 iN1其中Kml 为母联支路系数， K1 ， KN 1 为非母联支路系数， iml ， i1 ， iN1 为经过换算后的一次电流或二次电流。计算大差差动电流和制动电流时Kml = 0 ，K1 = = KN 1 = 1；计算母差动电流和制动电流时K1 ， KN 1根据对应支路运行于母取1，不运行于母取0，当母联投入运行时，若母联TA 极性与母一致则Kml = 1，若母联TA 极性与母一致则Kml = 1，当母联退出运行时Kml = 0 。而计算母差动电流和制动电流时K1 ，KN1根据对应支路运行于母取1，不运行于母取0，当母联投入运行时，若母联TA 极性与母一致则Kml = 1，若母联TA 极性与母一致则Kml = 1，当母联退出运行时Kml = 0 。4.2.5.2 双母线专用母联专用旁路方式双母线专用母联专用旁路接线图如图4-8 所示。在这种接线型式下，所有支路的母刀、母刀均应作为确定母线运行方式字的输入量，旁路按非母联支路处理，其电流参与大、小差差动电流和制动电流计算，处理方法同双母线专用母联方式。I 母II 母图4-8 双母线专用母联专用旁路接线图旁母母联旁路图4-7 双母线专用母联接线I 母II 母母联CSC-150 数字式母线保护装置 说明书-16-4.2.5.3 双母线母联兼旁路方式双母线母联兼旁路方式分母带旁路和母带旁路两种，在此种接线型式下，应根据“母联旁路运行”压板状态和各元件母刀、母刀状态来确定母线运行方式字。1) 母带旁路双母线母联兼旁路（母带旁路）接线图如图4-9 所示。母联兼旁路支路作母联时该支路旁母刀断开，“母联旁路运行”压板退出，电流处理如同双母线专用母联。作旁路时母联兼旁路支路母刀和旁母刀合上，母刀断开，“母联旁路运行”压板投入，此时计算大差和母差动电流和制动电流时应计及该支路电流，计算母差动电流和制动电流时不需计及该支路电流。假设该支路编号为1，其余支路编号为2，N，则作旁路时差动电流和制动电流表述如下：id=K1 i1 + K2 i2 + KN iNi f=K1 i1 + K2 i2 + KN iN其中K1 ， K2 ， KN 为支路系数， i1 ， i2 ， iN 为经过换算后的一次电流或二次电流。若母联兼旁路TA 极性与 母一致， 则计算大差差动电流和制动电流时K1 = K2 = = KN = 1，计算母差动电流和制动电流时K1 = 1，K2 ，KN 根据对应支路运行于母取1，不运行于母取0，而计算母差动电流和制动电流时K1 = 0，K2 ，KN根据对应支路运行于母取1，不运行于母取0；若母联TA 极性与母一致，则计算大差差动电流和制动电流时K1 = 1， K2 = = KN = 1，计算母差动电流和制动电流时K1 = 1，K2 ，KN 根据对应支路运行于母取1，不运行于母取0，而计算母差动电流和制动电流时K1 = 0 ， K2 ， KN 根据对应支路运行于母取1，不运行于母取0。2)母带旁路双母线母联兼旁路（母带旁路）接线图如图4-10 所示。母联兼旁路支路作母联时该支路母旁母图4-9 双母线母联兼旁路（母带旁路）接线图母旁母刀CSC-150 数字式母线保护装置 说明书-17-旁母刀断开，“母联旁路运行”压板退出，电流处理如同双母线专用母联。作旁路时母联兼旁路支路母刀和旁母刀合上，母刀断开，“母联旁路运行”压板投入，此时计算大差和母差动电流和制动电流时应计及该支路电流，计算母差动电流和制动电流时不需计及该支路电流。假设该支路编号为1，其余支路编号为2，N，则作旁路时差动电流和制动电流表述如下：id=K1 i1 + K2 i2 + KN iNi f=K1 i1 + K2 i2 + KN iN其中K1 ， K2 ， KN 为支路系数， i1 ， i2 ， iN 为经过换算后的一次电流或二次电流。若母联兼旁路TA 极性与母一致，则计算大差差动电流和制动电流时K1 = 1 ，K2 = = KN = 1，计算母差动电流和制动电流时K1 = 0， K2 ， KN 根据对应支路运行于母取1，不运行于母取0，而计算母差动电流和制动电流时K1 = 1， K2 ， KN 根据对应支路运行于母取1，不运行于母取0；若母联TA 极性与母一致，则计算大差差动电流和制动电流时K1 = K2 = = KN = 1，计算母差动电流和制动电流时K1 = 0 ，K2 ，KN根据对应支路运行于母取1，不运行于母取0，而计算母差动电流和制动电流时K1 = 1，K2 ， KN 根据对应支路运行于母取1，不运行于母取0。4.2.5.4 双母线旁路兼母联方式双母线旁路兼母联方式分旁路至母有跨条和旁路至母有跨条两种。在此种接线型式下，应根据“母联旁路运行”压板状态和各元件母刀、母刀状态来确定母线运行方式字。1) 旁路至母有跨条双母线旁路兼母联（旁路至母有跨条）接线图如图4-11 所示。旁路兼母联支路作旁路时跨条刀断开，“母联旁路运行”压板投入，该支路电流处理同双母线专用旁路方式。作母联时旁路兼母联支路母刀和旁母刀断开，母刀和跨条刀合上，“母联旁路运行”压板退出，此时差母母旁母图4-10 双母线母联兼旁路（母兼旁路）接线图旁母刀CSC-150 数字式母线保护装置 说明书-18-动电流和制动电流处理同双母线专用母联方式。2) 旁路至母有跨条双母线旁路兼母联（旁路至母有跨条）接线图如图4-12 所示。旁路兼母联支路作旁路时跨条刀断开，“母联旁路运行”压板投入，该支路电流处理同双母线专用旁路方式。作母联时旁路兼母联支路母刀和旁母刀断开，母刀和跨条刀合上，“母联旁路运行”压板退出，此时差动电流和制动电流处理同双母线专用母联方式。4.2.5.5 母线兼旁母方式母线兼旁母方式就是以线路跨条代替旁母的运行方式，其接线图如图4-13 所示。假设跨条连接于母，合跨条刀前应将所有支路倒闸操作到母上，然后断开除母联支路外其他支路的母刀，再合上跨条刀，最后拉开需检修的开关和它的母刀。在整个倒闸操作过程中，跨条未合上按双母线专用母联处理电流，跨条合上后母联支路作为普通支路，按单母线运行方式处理，此时在处理母联电流时应注意母联TA 的极性，因此跨条刀的状态影响母线的运行方式，应作为确定运行方式的输入量。跨条刀合上后差动电流和制动电流表述如下：id = i1 + + iN 1 + Kml iml母母旁母图4-12 双母线旁路兼母联（旁路至母有跨条）接线图跨条刀母母旁母图4-11 双母线旁路兼母联（旁路至母有跨条）接线跨条刀旁母刀CSC-150 数字式母线保护装置 说明书-19-i f = i1 + + iN 1 + iml假设跨条连接于母，若母联TA 极性与母一致，则在计算差动电流时Kml = 1，若母联TA 极性与母一致，则在计算差动电流时Kml = 1；假设跨条连接于母，若母联TA 极性与母一致，则在计算差动电流时Kml = 1 ，若母联TA 极性与母一致，则在计算差动电流时Kml = 1。4.2.5.6 双母单分段双母单分段接线图如图4-14 所示。在此种接线型式下所有支路的隔离刀闸辅助触点均应作为确定母线运行方式字的输入量，大差差动电流和制动电流均不计及母联电流和分段电流，各段小差差动电流和制动电流均应根据母联/分段刀闸辅助触点的状态、母联/分段断路器跳位和母联/分段TA 的极性计及母联或分段电流。N 单元双母单分段差动电流和制动电流表述如下：id=Kml1 iml1 + Kml 2 iml 2 + K fd i fd + K1 i1 + KN3 iN 3i f=Kml1 iml1 + Kml 2 iml 2 + K fd i fd + K1 i1 + KN3 iN 3其中Kml1 、Kml 2 为母联支路系数，K fd 为分段支路系数，K1 ，KN3 为非母联/分段支路系数， iml1 ， iml2 ， i fd ， i1 ， iN3 为经过换算后的一次电流或二次电流。计算大差差动电流和制动电流时Kml1 = 0，Kml 2 = 0 ，K fd = 0 ，K1 = = KN3 = 1；固定母联1TA 极性与母一致，母联2TA 极性与母一致，分段TA 极性与母一致，计算母差动电流和制动电流时，K1 ， KN3 根据对应支路运行于母取1，不运行于母取0，当母联1 的母刀或母刀状态为1 且母联1 跳位无效时Kml1 = 1，否则Kml1 = 0，当分段的母刀或母刀状态为1 且分段跳位无效时K fd = 1，否则K fd = 0 ；计算母差动电流和制动电流时， K1 ，KN3 根据母母图4-13 母线兼旁母接线图跨条刀 跨条刀CSC-150 数字式母线保护装置 说明书-20-对应支路运行于母取1，不运行于母取0，当母联1 的母刀或母刀状态为1 且母联1 跳位无效时Kml1 = 1，否则Kml1 = 0，当母联2 的母刀或母刀状态为1 且母联2 跳位无效时Kml 2 = 1，否则Kml 2 = 0 ；计算母差动电流和制动电流时， K1 ， KN3 根据对应支路运行于母取1，不运行于母取0，当分段的母刀或母刀状态为1 且分段跳位无效时K fd = 1，否则K fd = 0 ，当母联2 的母刀或母刀状态为1 且母联2 跳位无效时Kml 2 = 1，否则Kml 2 = 0 。4.2.5.7 双母双分段双母双分段接线如图4-15 所示。在此种接线型式下按两个双母线系统配置两套母线保护。每套母线保护均应把两个分段回路视为两个非母联单元对待，这两个单元为固定连接，不可倒闸。综合分段失灵和死区保护，我们建议每套保护将母联设为元件1，分段设为元件2，分段设为元件3。4.2.5.8 单母分段带旁母图4-14 双母单分段接线图母母 母ML1 ML2ML3(FD)母联母联图4-15 双母双分段接线图母母 母分段I 母分段ICSC-150 数字式母线保护装置 说明书-21-单母分段带旁母接线图如图4-16 所示。在此种接线型式下除分段断路器外均为固定连接方式，所以只需考虑分段断路器两侧的隔离刀闸位置和旁母刀闸状态来决定分段TA 电流的计算范围，分段支路的Ia 母刀、Ib 母刀、旁路刀3G、4G 均应作为确定分段支路运行状态的输入量。大差差动电流和制动电流均不计及分段电流，各段小差差动电流和制动电流均应根据分段刀闸辅助触点的状态、旁母刀状态和分段TA 的极性计及分段电流。假设N 单元单母分段系统有N1 条支路运行于Ia 母，N2 条支路运行于Ib 母，则差动电流和制动电流表述如下：i K i K i K fd i fdNjjNjd = j + + = =212111i K i K i K fd i fdNjjNjf = j + + = =212111其中K fd 为分段支路系数，K1 为Ia 母系数，K2 为Ib 母系数。计算大差差动电流和制动电流时K1 = K2 = 1；计算Ia 母差动电流和制动电流时， K1 = 1， K2 = 0 ；计算Ib 母差动电流和制动电流时，K1 = 0 ，K2 = 1；分段电流根据分段运行状态及TA 极性分别计入大差、Ia、Ib 的差动电流和制动电流。当运行于分段状态（3G、4G 分），计算大差差动电流和制动电流时K fd = 0 ；计算Ia 母差动电流和制动电流时，分段跳位有效K fd = 0 ，分段断路器跳位无效，若分段TA 极性与Ia 一致时 K fd = 1，与Ib 一致时K fd = 1；计算Ib 母差动电流和制动电流时，分段跳位有效时K fd = 0 ，分段断路器跳位无效，若分段TA 极性与Ia 一致时 K fd = 1，与Ib 一致时K fd = 1。当运行于旁路状态，Ia 母带路时（1G、4G 合而2G、3G 分），在计算大差和Ia 母差动电流和制动电流时若分段TA 极性与Ia 母一致则K fd = 1，否则K fd = 1，计算Ib 母差动电流和制动电流时K fd = 0 ；Ib 母带路时（2G、3G 合而1G、4G 分），在计算Ia 母差动电流和制动电流时K fd = 0 ，计算大差和Ib 母差动电流和制动电流时，若分段TA 极性与Ib 母一致则K fd = 1，否则K fd = 1。CSC-150 数字式母线保护装置 说明书-22-4.2.6 TA 饱和判别为防止母线保护在母线近端发生区外故障时，由于TA 严重饱和形成的差动电流而引起母线保护误动作，根据TA 饱和发生后二次电流波形的特点，装置设置了TA 饱和检测元件，用来区分区外TA 饱和与母线区内故障。区外故障TA 饱和虽然产生差动电流，但即使最严重的TA 饱和，在电流的过零点和故障初始阶段，