电力系统继电保护母线保护原理及装置说.doc

论文名称: 电力系统继电保护母线保护原理及装置说明学 院: 电气工程学院 专 业: 电气工程及其自动化姓 名: 王小蛟 学 号: 1008040235 班 级: 电自104 任课教师: 汤亚芳 2013年12月13日目录摘要：1关键字：11、 装设母线保护11.1、基本原则11.2、规定22、 母线差动保护22.1母线差动保护有以下几项主要功能：22.2、差动保护的基本原理22.3、差动保护类型22.3.1、固定连接的母线差动保护.22.3.2、母联电流相位比较原理的母线差动保护.42.3.3、电流相位比较式母线差动保护.43、 母线保护的特殊问题及其对策63.1、电流互感器的饱和问题63.1.1、TA饱和对保护的影响63.1.2、常规处理TA饱和的办法73.2、母线运行方式的切换及保护的自适应。83.2.1软件解决方案94、断路器失灵保护简介104.1、失灵保护的功能和基本原理104.2、对失灵保护的技术要求105、结束语11参考文献：11电力系统继电保护母线保护原理及装置说明王小蛟 1008040235 电自104 摘要： 介绍了母线的基本故障形式，母线保护的装设原则；重点介绍了母线差动保护的几种保护方式和惊醒母线保护时发生的各种特殊问题的影响和对策；因为断路器在输电线路、变压器、母线发生短路发生故障时都可能拒动或者失灵，所以简单介绍了断路器失灵保护。关键字： 母线保护、母线差动保护、基本原则、基本原理、断路器失灵保护1、 装设母线保护1.1、基本原则母线发生故障的几率较线路低，但故障的影响面很大。这是因为母线上通常连有较多的电气元件，母线故障将使这些元件停电，从而造成大面积停电事故，并可能破坏系统的稳定运行，使故障进一步扩大，可见母线故障是最严重的电气故障之一，因此利用母线保护清除和缩小故障造成的后果，是十分必要的。母线保护总的来说可以分为两大类型：一、利用供电元件的保护来保护母线，二、装设母线保护专用装置。一般来说母线故障可以利用供电元件的保护来切除。B处的母线故障，可由1DL处的或段切除，2DL和3DL处的发电机、变压器的过流保护切除。缺点：延时太长，当双母线或单母线时，无选择性。所以下列情况应装设专门的母线保护：母线保护应特别强调其可靠性，并尽量简化结构。对电力系统的单母线和双母线保护采用差动保护一般可以满足要求，所以得到广泛应用。母线上连接元件较多，所以母差保护的基本原则为：（1） 幅值上看：，正常运行和区外故障时，即 母线故障时 0 动作（2） 相位上看：正常运行和区外故障时，流入、流出电流反相位 母线故障时 流入电流同相位母差保护分为：1 母线完全差动 2 固定连接的双母线差动保护 3 电流比相式差动保护 4 母联相位差动保护1.2、规定 在下列情况下应装设专门的母线保护（1）在110KV及以上的双母线和分段母线上，为保证有选择性地切除任一祖或任一段母线上发生的故障，而另一组或段无故障的母线扔能继续运行，应专用的母线保护。（2）110KV及以上的单母线，重要发电厂35KV母线或高压侧为110KV及以上的重要降压变电所的35KV母线，按照装设全线速动保护的要求必须快速切除母线上的故障时，应装设专用的母线保护。2、 母线差动保护2.1母线差动保护有以下几项主要功能：（1）复合电压闭锁，对用于双母线的母差保护，根据反措要求，必须有复合电压闭锁功能。包括低电压、零序、负序电压等。这是为了防止在正常运行中，由于各种原因使母差保护误动。对于3/2接线，没有该项要求。（2）互联功能，用于双母线的母差保护，根据目前的母差保护原理,在一次系统倒方式的过程中，应投入互联功能。因倒闸操作时，两条母线的隔离开关跨接在两母线之间，如果这时母线发生故障，母差保护无法正确判断。因此，这时应投入互联方式，即非选择方式。在一些微机母差保护中，能够自动判断是否进行倒闸操作，自动投入互联功能。但一般都有互联压板。对3/2接线的厂、站，不存在这个问题。（3）可以允许各连接元件的CT变比不同。在保护中进行设置，以满足母差保护的运行条件。（4）母差保护动作后，应给线路纵联保护发出允许或闭锁信号，以便使对侧开关跳闸2.2、差动保护的基本原理母线差动保护的动作原理建立在基尔霍夫电流定律的基础上。把母线视为一个节点，在正常运行和外部故障时流入母线电流之和为零，而内部短路时为总短路电流。假设母线上各引出线电流互感器的变比相同，二次侧同极性端连接在一起，按照图一接线则在正常及外部短路时继电器中电流为零。实际上由于电流互感器有误差，在外部短路时继电器中有不平衡电流出现，差动保护的启动电流必须躲开最大的不平衡电流才能保证选择性。2.3、差动保护类型2.3.1、固定连接的母线差动保护.这种母线差动保护要求母线上的电源元件,必须按照事先规定好的固定连接方式运行,母线故障时,母线差动保护的动作才有选择性.当母线保护采用此种类型时,进行电源元件的倒换,将使保护失去选择性.因此,倒换前合入母线差动保护非选择性开关,倒完后也不拉开.对负荷元件,则在倒换前合入非选择性开关,倒换后拉开非选择性开关,同时负荷元件的跳闸压板也作相应的切换. 为提高供电的稳定性，常采用双母线同时运行的方式。按一定要求将引出线和有电源的支路固定联于两条母线上固定连接母线。任一母线故障时，只切除联于该母线上的元件，另一母线可以继续运行，从而缩小了停电范围，提高了供电可靠性，此时需要母线差动保护具有选择故障母线的能力。 （1） 构成以及作用原理 5DL母联（开关）断路器 三部分组成： 1CT、2CT、6CT和1CJ用于选择母线的故障 3CT、4CT、5CT和2CJ用于选择母线的故障 完全差动保护16CT和3CJ整套保护的启动元件原理： 正常运行或区外故障时由上图电流分布情况可知： 1CJ、2CJ、3CJ中均为不平衡电流，保护不动作 区内故障时，例，母线故障，见上图红色电流分布情况可见：1CJ、3CJ中流入全部短路电流，所以1CJ、3CJ启动，跳开1DL、2DL和5DL；2CJ中为不平衡电流，不动，所以母线仍可继续运行。当母线故障时，分析同上。2CJ、3CJ起动，跳开3DL、4DL、和5DL，母线继续运行。 （2）固定连接破坏时， 例线路1由母线切换到母线，因二次回路不能随之切换，所以外部短路时，1CJ、2CJ中有较大的差动电流而误动，但3CJ仍流过不平衡电流，不会误动。区内短路时，1CJ、2CJ都可能动作，3CJ动作，所以两条母线都可能切除。 该保护优点：能快速而有选择性的切除母线故障； 缺点： 当固定连接破坏时，不能选择故障母线，限制了系统运行调度的灵活性。2.3.2、母联电流相位比较原理的母线差动保护.这种保护无固定连接的要求.只要母差保护的跳闸压板位置与元件母线隔离开关所接母线位置相对应就可以了.因此,倒换操作前将非选择性开关合入,倒换后再拉开,并对母线差动保护跳闸压板及重合闸放电压板,切换到倒换后所对应的母线位置就可以了.这种保护存在的缺点是2组母线分列运行时,母线将失去选择故障母线组的能力. 固定连接母线的差动保护的改进。比较母联中电流与总差电流的相位作为故障母线的选择元件。 母线发生故障时，母联中电流方向从母线流向母线 母线发生故障时，母联中电流方向从母线流向母线，两种情况下电流相位变化1800。 基准量：总差电流，相位不变，同时为故障启动元件。可见，不管母线上元件如何连接，只要母联中有电流流过，则能选择出故障母线，无固定连接的要求。这是它的优点。2.3.3、电流相位比较式母线差动保护.这种保护只反应电流间的相位,具有较高的灵敏度.倒闸过程中,需合入非选择性开关,倒闸后将被操作元件的跳闸压板及重合闸放电压板切换至与所接母线对应的比相出口回路就可以了. 此保护是为提高母线保护运行的灵活性而提出。等值电路图如下： 正常运行或者故障时： 母线故障时： 即：利用比相元件比较各元件的相位，便可判断区内、区外故障。 单相方框图 从每个连接元件的CT引出三相电流，经电压形成回路分别送入各相的小母线，每相的小母线分别送至本相的比较回路。延时回路的作用是从时间上躲开外部短路时出现的相位误差，脉冲展宽回路的作用是使出口继电器可靠动作。 特点： 只与电流相位有关，而与电流的幅值大小无关 不需考虑不平衡电流的影响，提高了灵敏度 不要求采用同型号和同变比的CT，增加了使用的灵活性。2.4、母线差动保护的整定计算计算母差保护的主要工作量在于以下几个值的计算，经总结归纳，计算方法如下：1）比率差动元件的比率差动门坎按包括检修方式的各种运行方式下，母线发生各种类型短路的最小总短路电流(相电流)有足够灵敏度计算，灵敏度4，并尽可能躲过母线出线最大负荷电流。比率差动门坎要整定得躲过母线出线最大负荷电流是为了防止CT断线时母线差动保护误动。 2）低电压闭锁元件以电流判据为主的差动元件，可以用电压闭锁元件来配合，提高保护整体的可靠性。复合电压闭锁包括母线线电压(相间电压)，母线三倍零序电压，和母线负序电压。其动作表达式为：以上三个判据中的任何一个被满足，则该段母线的电压闭锁元件动作。Uset 按母线对称故障有足够灵敏度整定，灵敏度1.5。且应在母线最低运行电压下不动作，而在故障切除后能可靠返回。一般取65%至70%Ue。U0set按母线不对称故障有足够灵敏度整定，灵敏度4。且应躲过母线正常运行时最大不平衡电压的零序分量。一般取6至10V。U2set按母线不对称故障有足够灵敏度整定，灵敏度4。且应躲过母线正常运行时最大不平衡电压的负序分量。一般取4至8V。3、 母线保护的特殊问题及其对策3.1、电流互感器的饱和问题3.1.1、TA饱和对保护的影响 TA的等值简化电路如图2所示。 图2 电流互感器等值电路图 ：励磁阻抗 、：归算到一次绕组的负荷电阻和电抗。 在正常工作情况下，很大，铁芯工作在低磁密条件下，TA线性工作。 在短路瞬间，短路电流中含有一定幅值的非周期分量，可以和上次故障的剩磁共同作用使TA铁芯的磁密快速达到饱和值，下降， 上升，使波形畸变，当TA严重饱和时，使得此时。从TA饱和暂态波形，可以看到(1) 在发生短路的开始阶段，铁芯的剩磁尚未达到饱和磁密时，TA可以正确传变电流，如继电保护能在该段时间内作出判断，基本上可以不受铁芯饱和的影响。(2) 当铁芯进入饱和后，的波形出现缺损现象。(3) 当一次电流的瞬时值由正半周趋向负半周时，铁芯磁密又回复到非饱和状态，此时，TA又可以传变一次的电流，因此，每次过零后，使得TA二次侧输出有一个线性传变区。 由于TA饱和使得二次侧电流出现畸变，不能正确地反应系统地一次情况，母线差动保护可能误动。3.1.2、常规处理TA饱和的办法 (1)速饱和变流器。它将差动继电器通过一个速饱和变流器接入差动回路，可以有效地防止由于故障电流直流分量引起TA饱和而导致的保护误动，但是它对稳态不平衡电流不起作用，故障交流分量过大引起TA饱和时，保护仍会误动。另外在内部故障时，故障电流中存在直流分量时，由于速饱和变流器的影响，保护将延时动作，这种方法已逐渐被淘汰。 (2)带制动特性的差动方案，当TA轻度饱和时，此判据可以达到制动目的，当TA严重饱和的时候，仍会误动，因此只能部分抑制TA饱和的影响，必须和其他方法配合使用 (3)在差动回路中串入阻抗，可以有效地减少TA饱和的影响，但是阻抗过小，对TA饱和达不到完全抑制的效果；阻抗过大，相应设备要求高，也降低保护的灵敏度。所以现有产品较多采用带比率制动特性的中阻抗电流差动母线保护的方案。这种原理的保护由于不受TA饱和的影响，动作速度快，在国内外都得到了广泛的应用。 (4)线性互感器构成的母线保护。国外研制了不带铁芯的线性互感器，它是一种空气芯的互感器，线性度好，不存在饱和的影响，因此动作速度快。但是，TA输出电压低、功率小，不能用于各种接线复杂的继电保护中，而且其励磁阻抗小、误差大，在常规的机电型、晶体管型和集成电路型母线保护中不宜采用。 (5) 饱和发生器。当TA饱和时，由TA饱和发生器产生闭锁信号，闭锁保护。现在发生器的原理有两种：1) 检测TA二次侧电流波形，利用其饱和时缺损的波形产生闭锁信号。2) 检测TA铁芯中的磁通量。饱和时，磁通量将超过磁化曲线的拐点，这时将保护闭锁。不足之处是每条出线都需加装，成本高、结构复杂，不便于调试。 对于微机保护来说防止TA饱和的影响，除带制动特性的方法可采用外，其他方法用计算机实现比较麻烦。已有的微机母线保护，利用计算机的优势，采用了一些新的技术方法，主要是以下3种： (1)同步检测。主要起作用于故障发生的开始阶段，在很严重的外部故障引起饱和时，从故障开始到TA发生饱和也需要一段时间。在这段时间内，TA传变是线性的，差动关系也是成立的。在故障发生的初始时刻母线上的电压检测元件瞬时动作，而电流差动元件不动作。过一段时间之后，TA饱和，此时差动元件也会动作。所以，母线电压元件先于差动元件动作，则将闭锁保护一个周波，至此同步检测的任务完成。 (2)波形拟合。在同步检测完成之后的时间里，保护的闭锁功能则有波形拟合功能程序完成。这一程序的原理是采用最小二乘的拟合方法。当波形为一正弦信号(或基本正弦信号)时程序不产生闭锁信号。此时至多是TA发生轻微饱和。带比率制动的差动判据可以防止轻微饱和的影响，保护不会误动。当波形发生畸变时，程序产生闭锁信号，继续将保护闭锁一个周波，直至TA饱和消失后，再执行差动判据。（3）双母线接线对母线保护的特殊要求和解决办法。微机保护充分发挥计算机的优势，采用自适应原理识别双母线运行方式，实现差动电流和跳闸逻辑的软件切换，彻底解决了常规母线保护硬件切换存在的问题。3.2、母线运行方式的切换及保护的自适应。 微机母线保护运行方式自适应方案广泛采用通过引入刀闸辅助触点来确定运行方式, 切换相应的内部回路。通常的做法是: 刀闸辅助常开触点通过光耦接口, 将其状态反应给微机母线保护。显然微机母线保护运行方式的可靠确认依赖于刀闸辅助触点和光耦元件的运行状态。另外, 微机母线保护其余的开入量、开出量也是通过光耦元件与外部元件相联的。隔离刀闸连接图 以双母线为例, 隔离刀闸连接上图所示, a、b为连接元件L 的隔离刀闸, 当L 挂在 母时对应母运行方式为1, 对应 母运行方式为0; 当L 挂在 母时对应 母运行方式为1, 对应 母运行方式为0; 当L 刀闸双跨时( 倒闸过程) , 对应 、 母运行方式均为1; 当L 退出运行时, 对应 、 母运行方式均为0。 由此可将刀闸辅助触点出错方式归纳为以下三类:( a) 刀闸主触点已闭合而辅助触点读入仍为0( 闭合为1, 开断为0) , 称之为辅助触点接触不良。( b) 刀闸主触点已开断而辅助触点读入仍为1( 闭合为1, 开断为0) , 称之为辅助触点触点粘连。( c) 读入值在0、1 间翻转不定, 称之为辅助触点触点抖动。1）触点接触不良对母线保护的影响。接触不良表现为两种情况:( a) 某一单元已投入运行, 而保护未将其电流互感器( TA) 电流加入相应差流回路。若该单元是电源或对侧有电源的负荷, 则可能造成保护拒动( 故障就发生在这段母线上) 或失去选择性。若该单元是空载或轻载负荷, 则对保护无大的影响。( b) 某一单元倒闸过程中, 两把刀闸都已闭合,而保护装置没有切换入互联状态。由于此时两条母线已经将两把刀闸连在一起, 部分电流流过刀闸而不经过母联TA, 如果仍然判分差电流选择切除母线，将降低保护灵敏度或延长故障切除时间。2）触点粘连对母线保护的影响。触点粘连也分两种情况:( a) 倒闸过程结束, 拉开其中一把刀闸而其触点粘连, 保护装置仍处在互联( 非选择) 方式, 一旦发生区内故障, 将扩大故障切除范围。( b) 某一单元开关断开, 退出运行, 刀闸拉开而触点粘连。在该单元下一次投入前不影响保护运行, 但当该单元再次投入于另一条母线上时, 母线保护误入互联方式, 其结果同上。3）触点抖动对母线保护的影响。触点抖动是由触点接触不良或其他原因造成。如不能及时发现, 它对保护的影响就取决于故障发生时辅助触点的状态, 如果恰好此时与主触点不符,其现象就是接触不良或触点粘连中的一种。通过以上分析可知, 辅助触点的错误虽然不会造成保护误动, 但将导致拒动或扩大故障切除范围。为防止上述后果发生, 应充分发挥微机保护计算与自检的优势, 及时发现并纠正触点的错误。3.2.1软件解决方案在微机母线保护软件设计中对刀闸辅助触点状态增加如下辅助判据: 辅助判据1: 定时对刀闸辅助触点进行自检。 当发现与实际不符, 如某条支路发生有电流而无刀闸位置信号、无电流而有刀闸位置信号、以及刀闸位置双跨( 母联除外) 情况, 则发出“刀闸辅助触点出错”报警信号, 以便值班员及时采取措施。但是若该单元是空载或轻载负荷( 电流小于方式识别电流)时, 则会误发出“ 刀闸辅助触点出错”报警信号。 辅助判据2: 小差电流平衡校验。 可以在软件中针对母线的所有连接元件任意取某一相电流计算小差电流, 设一个电流平衡校验定值( 一般此定值可取0. 5 A) , 只要有差流超过此定值, 则发出刀闸位置报警信号。但此判据与“CT 断线”判定方法一致,为在逻辑判断中加以区分, 将“CT 断线”判据放在大差软件部分, 而将电流平衡校验判据放在小差软件部分, 即在大差平衡, 小差不平衡电流大于平衡校验定值情况下保护装置发出“ 刀闸辅助触点出错”报警信号。但是此判据对于有空载或轻载负荷( 电流小于方式识别电流) 单元存在, 则会拒发“刀闸辅助触点出错”报警信号。辅助判据3: 记忆刀闸原始状态, 当装置发出“刀闸辅助触点出错”报警信号时, 如某条支路有电流而无刀闸位置, 装置就记忆原来的刀闸位置。但此判据存在缺陷。假设某一线路挂 母运行, 倒闸操作至母, 如果 母刀闸触点接触不良, 造成母线装置读入的状态为该线路开断。根据装置记忆刀闸原始位置, 为挂 母运行, 与实际运行方式不符, 并没有解决问题。 记忆刀闸原始状态的方法只是在出现运行设备刀闸触点接触不良引起有电流而无刀闸位置的情况下, 记忆住原始刀闸位置状态, 才起到防止母线装置误动的作用。为解决刀闸触点的各种问题应充分发挥计算机快速运算和丰富的硬件资源优势, 同时引入每一副刀闸的常开触点和常闭触点, 以两对触点状态的组合来判别刀闸状态。提高方式识别准确率。4、断路器失灵保护简介4.1、失灵保护的功能和基本原理 当被保护线路或元件发生故障,继电保护动作跳闸,脉冲已经发出，而断路器却因本身原因没有跳开，失灵保护则以较短的延时，跳开故障开关的相邻开关，或故障开关所在母线上所有其它开关。以尽快将故障线路或元件从电力系统切除。根据失灵保护的上述功能，要求继电保护在动作跳闸的同时起动失灵保护。 失灵保护的设置形式与一次系统的接线形式有关。在双母线接线形式的厂、站，只设置一套失灵保护，母线上连接的任何一个元件（线路或变压器）的保护装置动作跳闸的同时，均起动失灵保护。失灵保护根据故