母线保护技术交流PPT课件

许继电气技术中心 母线保护技术交流 2 母线的接线方式母线保护的重要性典型的母线保护方式母线保护与其它保护的配合提高母线保护可靠性的措施母线保护交流电流二次回路电流互感器的暂态特性断路器失灵保护 提纲 3 母线的接线方式 母线是发电厂和变电站重要组成部分 母线又称汇流排 是汇集电能及分配电能的重要设备 在母线上连接着发电厂和变电所的发电机 变压器 输电线路 配电线路和调相设备等 母线的接线方式种类很多 应根据发电厂或变电站在电力系统中的地位 母线的工作电压 连接元件的数量及和设备投资等条件 选择最适宜的接线方式 4 母线的接线方式 单母线和单母分段母线单母线及单母线分段的接线方式如图所示 单母线及单母线分段接线在图中 QF1 QF4 出线断路器 QF5 分段断路器 在发电厂或变电站 当母线电压为35 66KV 出线数较少时 可采用单母线接线方式 而当出线较多时 可采用单母线分段 对110KV母线 当出线数不大于4回线时 可采用单母线分段 5 母线的接线方式 单母线分段兼旁路 单母线旁路兼分段 单母线三分段 6 母线的接线方式 优缺点单母线的接线简单 占地少 投资少 但在母线检修或发生短路故障时将使全厂或全所停电 分段单母线在检修或发生短路时 仍可使大约一半的连接元件继续运行 7 母线的接线方式 双母线在大型发电厂或枢纽变电站 当母线电压为110KV以上 出线在4回以上时 一般采用双母线接线方式 如图所示 双母线在图中 QF1 QF4 出线断路器 QF5 母联断路器 8 母线的接线方式 双母线母联兼旁路 双母线旁路兼母联 9 母线的接线方式 双母线母线兼旁路 10 母线的接线方式 优缺点双母线的操作和运行比较灵活可靠 目前国内的110 220KV母线 大部分采用这种接线方式 很多情况下 将双母线作为分段的单母线方式运行 当一组母线发生短路故障时 另一组母线仍可靠继续工作 11 母线的接线方式 角形母线出线回路不多的发电厂 其高压母线可采用角形接线 如图所示 在图中 QF1 QF4 出线断路器 在多角形母线接线方式中 在设计变压器和线路的继电保护时 通常将母线部分包括在变压器和线路的保护范围内 因此在多角形接线的母线中 一般不装设专门的母线保护 12 母线的接线方式 3 2断路器母线当母线故障时 为减少停电范围 220kV及以上电压等级的母线可采用3 2断路器母线的接线方式 其接线如图1 4所示 图1 4断路器母线接线方式在图1 4中 QF1 QF6 出线断路器 断路器QF1 QF3组成一串 断路器QF4 QF6组成另一串 QF2 QF5叫串中间断路器 13 母线的接线方式 优缺点这种母线方式的可靠性高 一次回路操作灵活 任一组母线发生短路故障时不影响变电所的安全运行 但该母线方式所需的一次设备多 造价高 因此主要在超高压变电所中推广使用 14 母线的接线方式 多分段母线在超高压变电所或220kV出线回数较多的变电所中 为在母线发生短路故障时将停电范围限制到最小 采用了多分段母线 如图1 5所示 图1 5四分段双母线接线方式在图1 5中 QF1 QF4 出线断路器QF5 QF6 母联断路器QF7 QF8 分段断路器 15 母线的接线方式 优缺点在任一段母线发生短路时 可将停电范围限制到全部连接元件数的四分之一 但这种母线方式需要的一次设备多 造价较高 16 母线保护的重要性 母线的短路故障母线的故障类型主要有单相接地故障 两相接地短路故障及三相短路故障 两相短路故障的几率较少 据统计 母线短路故障类型的比例与输电线路不同 在输电线路的短路故障中 单相接地故障约占故障总数的80 以上 而在母线故障中 大部分故障是由绝缘子对地放电所引起 母线故障开始阶段大多数表现为单相接地故障 而随着短路电弧的移动 故障往往发展为两相和三相接地短路 17 母线保护的重要性 母线发生故障的原因是多方面的 并且与工作环境 运行和维护水平等都有关系 在母线上直接接有断路器 隔离开关 电流和电压互感器 避雷针 绝缘子等电气设备 各电气设备的损坏都有可能导致母线发生短路故障 例如 1 绝缘子表面附着污秽和电解物质等 将使表面绝缘水平下降和漏电流增加 绝缘子表面电位分布不匀后 在雨 雾或污染的大气条件下绝缘子即可发生闪络 2 由于绝缘老化 套管漏水等原因使电流互感器或电压互感器发生损坏或爆炸 会酿成母线短路故障 3 由于值班人员误操作 造成带地线合闸或带负载拉开隔离开关等 将会引起母线发生短路故障 统计 由断路器 隔离开关 电流和电压互感器三者故障所占的百分比约占故障总数的60 以上 18 母线保护的重要性 装设母线保护的必要性当发电厂和变电站母线发生故障时 如不及时切除故障 将会损坏众多电力设备及破坏系统的稳定性 从而造成全厂或全变电站大停电 乃至全电力系统瓦解 因此 设置动作可靠 性能良好的母线保护 使之能迅速检测出母线故障所在并及时有选择性的切除故障是非常必要的 对母线保护的要求与其他主设备保护相比 对母线保护的要求更苛刻 1 高度的安全性和可靠性母线保护的拒动及误动将造成严重的后果 母线保护误动将造成大面积停电 母线保护的拒动更为严重 可能造成电力设备的损坏及系统的瓦解 2 选择性强 动作速度快母线保护不但要能很好地区分区内故障和外部故障 还要确定哪条或哪段母线故障 由于母线影响到系统的稳定性 尽早发现并切除故障尤为重要 19 母线保护的重要性 母线保护的装设原则 1 对发电厂和变电所的35 110kV电压的母线 在下列情况下应装设专用的母线保护 110kV双母线 110kV单母线 重要发电厂或110kV以上重要变电所的35 66kV母线 需要快速切除母线上的故障时 35 66kV电网中 主要变电所的35 66kV双母线或分段单母线需要快速而有选择的切除一段或一组母线上故障 以保证系统安全稳定运行和可靠供电时 2 对220 500kV母线 应装设能快速有选择动作地切除故障的母线保护 对一个半断路器接线 每组母线宜装设两套母线保护 3 对发电厂和主要变电所的3 10kV分段母线及并列运行的双母线 一般可由发电机和变压器的后备保护实现对母线的保护 在下列情况下 应装设专用的母线保护 需快速而有选择地切除一段或一组母线上的故障 以保证发电厂和电网安全运行和重要负荷的可靠供电时 当线路断路器不允许切除线路电抗器前的短路时 20 典型的母线保护方式 在母线保护中最主要的是母差保护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 I 0母线故障时 Iout 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 若按母差保护差动回路中的阻抗 从TA二次向差动继电器看过来的等效电阻 分类 可分为高阻抗母差保护 中阻抗母差保护和低阻抗母差保护 低阻抗母差保护通常叫做电流型母线差动保护 根据动作条件分类 电流型母线差动保护又可分为电流差动式母差保护 母联电流比相式母差保护及电流相位比较式母差保护 21 电流差动式母线保护 母线的完全差动保护和不完全差动保护 1 母线的完全差动保护是将母线上所有的各连接元件的电流互感器按同名相 同极性连接到差动回路 电流互感器的特性与变比均应相同 若变比不同时 可采用补偿变流器进行补偿 满足 2 母线的不完全差动保护只需将连接于母线的各有电源元件上的电流互感器接入差动回路 无电源元件上的电流互感器不接入差动回路 因此在无电源元件上发生故障 它将动作 电流互感器不接入差动回路的无电源元件是电抗器或变压器 22 电流差动式母线保护 元件固定连接的双母线电流差动保护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 构成和作用原理图1 6母线区内和区外短路时电流的分布 23 元件固定连接的双母线电流差动保护 图1 7双母线电流差动保护的直流回路三部分组成 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1 6CT和3CJ 整套保护的启动元件 24 元件固定连接的双母线电流差动保护 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 例如母线 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 固定连接破坏时母线保护的特点例线路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 25 元件固定连接的双母线电流差动保护 该保护的优缺点优点 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 26 母联电流比相式母线保护 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 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 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180 27 母联电流比相式母线保护 母联电流比相式保护方式主要缺点若两段母线分列运行时 母线保护将失去选择故障母线的能力 当两段母线发生先后短路时 母线保护将不能切除第二段母线的短路故障 28 电流相位比较式母线保护 原理的提出为提高母线保护运行的灵活性而提出 母线保护的起动元件动作电流必须避越外部短路时的最大不平衡电流 这在电力系统的运行方式变化很大时 往往不能满足灵敏度的要求 如设母线上各连接元件的电流为 则正常运行或外部发生短路时 根据基尔霍夫定律可知在上式中将 则有由此可知 当第n个连接元件发生外部短路时 它的电流在数值上与第1至n 1个连接元件的联留之和相等 相位相反 因此利用后一个条件 即利用电流相位的关系 同样可以实现母线保护 29 电流相位比较式母线保护 为提高母线保护运行的灵活性而提出 a b c 母线外部和内部短路时电流的分布正常运行或者故障时 如图b所示 母线故障时 如图c所示 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 30 电流相位比较式母线保护 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 31 电流相位比较式母线保护 电流相位比较式保护方式主要缺点在3 2断路器或环形母线接线中 当发生母线短路时 由于某些连接元件的电流可能从母线流向线路 使保护拒动 所以在没有对母线短路电流流出母线采取措施的情况下 不能用电流相位比较式保护方式 母线倒闸操作时若发生母线故障 由于母联开关的电流方向不能确定 有一段母线保护将会发生拒动 采取的措施是当在母线倒闸操作时 要求设一套总差动电流继电器 此时发生区内故障时先跳开母联断路器 32 中阻抗式母线保护 所谓中阻抗母差保护 是指差流回路的阻抗较大的母差保护 该类保护的特点是动作速度快 躲故障时TA饱和的能力强 差动继电器原理接线及工作原理每一条母线上的中阻抗母差元件 由三个分相差动继电器构成 设某条母线上只有二个出线单元 其一相差动继电器的原理接线如图所示 33 中阻抗式母线保护 在图中 T1 T2 辅助变流器 TM 升流变流器 GLJ TA断线告警元件 监视差回路的不平衡电流 Rc 差回路附加电阻 Rd TM二次动作电流回路电阻 Id 动作电流 Ud 动作电压 Rs 2 制动回路电阻 Us 制动电压 Ks 启动元件 KD 动作元件 34 中阻抗式母线保护 辅助变流器T1及T2的作用是 强弱电隔离 降低电流值及各支路调平衡 强弱电气隔离可提高继电器的抗干扰能力 降低电流值后可使电流回路中各元件的容量及体积减小 当母线各连接单元TA变比不同时 可改变各辅助变流器的变比 使其二次输出电流平衡 TM及Rc共同使差动回路呈现中阻抗 继电器的工作原理如下 在正常工况下或外部故障TA不饱和时 设两出线单元上的电流I1 I2的流向上图所示 则辅助变流器T1二次电流由T1二次非极性端流出 经升流器TM的一次 GLJ元件 Rc电阻 Rs 2电阻 二极管D1流回T1二次的极性端 辅助变流器T2的二次电流由T2二次极性端流出 经二极管D2 Rs 2电阻 电阻Rc GLJ元件 TM一次回到T2的非极性端 此时 由于电流与大小相等 方向相反 故差回路的电流等于零 启动元件Ks及动作元件KD不会动作 35 中阻抗式母线保护 当母线上发生故障时 出线单元上电流的流向将发生变化 由流出母线变成流入母线 从而使电流的流向发生变化 此时 与方向相同 在继电器差回路中出现很大的电流 该电流流过升流器TM 产生动作差流Id及动作电压Ud 从而使启动元件Ks及动作元件KD同时动作 继电器出口及差动保护动作 需要说明的是 启动元件Ks是否动作只由差流Id的大小决定 而动作元件动作情况不但决定于Id的大小 而且还与制动电压Us的大小有关 Id决定于及的向量和 而Us决定于及绝对值的和 36 中阻抗式母线保护 动作方程启动元件的动作方程动作元件的动作方程式中 Ij 为第j个连接元件的电流 IIop 启动元件的动作电流 Ihop 动作元件的最小动作电流 S 比率制动系数 37 中阻抗式母线保护 根据以上两式并考虑到不可能大于 绘出的中阻抗保护动作特性如图所示 图中 Id 为差电流 S 制动系数 Ires 制动电流 在图中 直线C为动作元件上限的边界线 直线B为动作元件的动作边界线 直线A为启动元件的动作边界线 阴影部分为动作区 直线C的方程为 其斜率等于1 可以看出直线C的上方为无意义区 38 中阻抗式母线保护 影响比率制动系数的因素所谓动作元件的比率制动系数 指的是曲线B的斜率 即 由图可以看出 若不计动作元件动作门坎 即最小动作电流Ihop 的影响 KD处于临界动作状态的条件是动作电压 制动电压 即Ud Us 设动作元件处于临界动作时外加电流为IT 则制动电压而动作电压式中NTM 升流变流器的变比则制动系数可以看出 制动系数S由继电器回路的参数Rd Rs及NTM决定 39 中阻抗式母线保护 差动TA饱和的影响 1 区外故障TA饱和设故障点在图中的K点 线路L1上的差动TA严重饱和 在故障发生的瞬间 TA不会立即饱和 此时的工况与外部故障TA不饱和工况完全相同 差动继电器不会动作 待TA饱和之后 其二次电流及辅助电流互感器T1的二次电流近似等于零 由于线路TA饱和其励磁阻抗很小 致使电流互感器内阻近似等于零 相当于将辅助变流器一次短路 使其内阻也为零 由于差动继电器差动回路串有较大的电阻 辅助变流器T2二次电流的流经变成 由T2极性端出 经二极管D2 RS 2电阻 二极管D1 辅助变流器T1二次极性端 辅助变流器T1非极性端 流回辅助变流器T2非极性端 此时 差动回路无差流 保护不会动作 可以看出 区外故障时差动TA饱和越严重 差动继电器越可靠不动作 40 中阻抗式母线保护 综上所述 中阻抗母差保护抗TA饱和原理是 TA不饱和时 其内阻很大 比差动继电器差回路中的阻抗大得多 其他TA二次电流不会流经不饱和TA的二次 TA饱和时其内阻大大降低 由于差动继电器差回路电阻大 使非饱和TA二次电流的流经发生了变化 不再经差动继电器的差回路流动 而是经饱和TA二次 辅助变流器二次 形成回路 故使差动继电器的差流很小 保护不动作 2 区内故障TA饱和中阻抗保护的另一特点是动作速度快 内部故障后3 5ms之内 动作元件KD及启动元件Ks动作并将动作状态记忆下来 从而确保母差保护可靠跳闸 综上所述 中阻抗母差保护从原理上不受TA饱和的影响 分析表明 若区外故障TA处于某一浅饱和状态或TA二次与辅助TA之间的联系阻抗较大时 差动保护有可能会误动 因此 应注意继电器中各参数的选择 41 中阻抗式母线保护 逻辑框图为防止差动TA二次回路断线母差保护误动 保护装置中设置有TA断线报警及闭锁差动出口元件 为防止出口中间继电器误动或维护人员误碰中间继电器出口接点致使误跳断路器 装置中设置有快速复合电压闭锁元件 中阻抗差动保护动作逻辑框图如图所示 42 中阻抗式母线保护 由图可以看出 当差动保护中某一相差动继电器的启动元件及动作元件同时动作后 启动 或门 回路 或门 回路动作后将动作状态自保持 同时启动 与门 回路 此时 如果复合电压闭锁元件满足动作条件 保护动作去跳各路断路器 如果差动TA二次回路发生开路或断线 TA断线闭锁元件将全套保护闭锁 复合电压闭锁元件中阻抗母差保护的复合电压闭锁元件 由低电压元件 负序电压元件及零序电压元件构成 43 高阻抗式母线保护 高阻抗母差保护是在差动回路中串接一阻抗值很大 约2 5 7 5K 的电压继电器而构成 故将该母差保护称之为电压型母差保护 该保护的特点是动作速度快 区外故障TA饱和时不会误动 原理接线及工作原理在图中 QF1 QF3 出线断路器 LH1 LH3 出线电流互感器 YJ 电压继电器 设在正常工况下 设电流I1由母线流出 而电流I2 I3流入母线 则根据克希荷夫定律知I1 I2 I3 44 高阻抗式母线保护 其等值电路如图所示 在图中 ZM1 电流互感器LH1的励磁阻抗 ZM2 电流互感器LH2及LH3的等值励磁阻抗 ZYJ 电压继电器的阻抗 Z1 Z2 分别为互感器LH1及LH2 LH3二次通过电缆与继电器YJ连接阻抗及等值连接阻抗 45 高阻抗式母线保护 根据戴维南定理 上图可以简化成一个等值电流源I 及一个等值阻抗Z 等值电流源I 为将上图中m n两点短路时流过该两点的电流 等值阻抗Z 为将m n两点之间开路的 该两点之间的输入阻抗 由于电压继电器的阻抗很大 其两端的电压讨论 当LH1 LH2及LH3的特性完全相同 励磁特性相同 及由其二次至电压继电器的电缆连接阻抗相同 则 代入上式得 即继电器上无电压 保护不动作 当外部故障差动TA不饱和时 可得出与上述相同的结论 46 高阻抗式母线保护 上述结论的物理意义是 在正常工况及外部故障TA不饱和时 当各差动TA的特性完全相同及各TA二次与电压继电器之间的连接阻抗也完全相同时 某支路电流或某几支路电流之和与其他支路电流之和大小相等 方向相反 流入差动继电器的电流等于零 这相当于某一支路或某几支路的TA二次电流流经其他TA的二次绕组 当区外故障某一差动TA饱和时 该饱和TA励磁阻抗降低到很小 此时 非饱和的所有TA二次电流均流经饱和TA的二次形成回路 而不会流经电压继电器的线圈 继电器不会动作 区内故障TA不饱和时 所有TA二次电流均将流过差动继电器 产生很高的电压 差动保护动作 而当区内故障某一差动TA饱和时 由于TA饱和需经3 5ms的延时 而在故障后TA开始饱和之前差动继电器已经动作并予以记忆 因此 不受TA饱和的影响 47 高阻抗式母线保护 高阻抗保护的优缺点 高阻抗母差保护的优点是 接线简单 选择性好 动作快及不受TA饱和的影响 其缺点是 要求各TA的型号变比完全相同 并且还要求各TA的特性及二次负载要相同 由于差回路的阻抗很高 区内故障时TA二次将出现很高的电压 因此 要求TA二次电缆及其他部件的绝缘水平要高 48 微机电流型差动保护 目前 微机电流型母差保护在国内各电力系统中得到了广泛应用 作用原理及逻辑框图微机电流型母差保护的作用原理是 1 1 式中 n 正整数 母线所连第j条出线的电流 即母线正常运行及外部故障时流入母线的电流等于流出母线的电流 各电流的的向量和等于零 当母线上发生故障时 1 2 保护动作 式中 差动元件的动作电流 的物理意义同式 1 1 49 微机电流型差动保护 母线差动保护 主要由三个分相差动元件构成 另外 为提高保护的动作可靠性 在保护中还设置有启动元件 复合电压闭锁元件 TA二次回路断线闭锁元件及TA饱和检测元件等 对于单母线分段或双母线的母差保护 每相差动保护由两个小差元件及一个大差元件构成 大差元件用于检查母线故障 而小差元件选择出故障所在的哪段或哪条母线 50 微机电流型差动保护 双母线或单母线分段一相母差保护的逻辑框图如图所示 由图可以看出 当小差元件 大差元件及启动元件同时动作时 母差保护保护出口继电器才动作 此外 只有复合电压元件也动作时 保护才能去跳各断路器 如果TA饱和鉴定元件鉴定出差流越限是由于TA饱和造成时 立即将母差保护闭锁 51 微机电流型差动保护 小差元件小差元件为某一条母线的差动元件 其引入电流为该条母线上所有连接元件TA二次电流 1 动作方程小差元件的动作方程为 1 3 式中 n 其值为正整数 为接母线的第j个连接单元TA的二次电流 S 比率制动系数 其值小于1 小差元件的启动电流 52 微机电流型差动保护 2 动作特性根据式 1 3 的动作方程 绘制出的动作特性曲线如图所示 在图中 Id 差动电流Ix 制动电流 整定的动作曲线与轴的夹角 动作特性曲线的上限与Is轴的夹角 即 时动作特性曲线与Ix轴的夹角 显然 45 或 由图可以看出 母线小差元件的动作特性为具有比率制动的特性曲线 由于不可能大于 故差动元件不可能工作于 45 曲线的上方 因此将 45 曲线的上方称之无意义区 53 微机电流型差动保护 大差元件接入大差元件的电流为二条 或二段 母线所有连接单元 除母联之外 TA的二次电流 大差元件的动作方程及动作特性曲线与小差元件相似 不同之处是大差元件比率制动系数有两个 即有高定值和低定值 当双母线母联断路器或单母线分段的分断路器断开运行时 采用比率制动系数取低定值 而小差元件则固定取比率制动系数高定值 54 微机电流型差动保护 TA饱和鉴定元件母线出线故障时TA可能饱和 某一出线元件TA的饱和 其二次电流大大减少 严重饱和时TA二次电流等于零 为防止区外故障时由于TA饱和母差保护误动 在保护中设置TA饱和鉴别元件 1 TA饱和时二次电流的特点及其内阻的变化理论分析及录波表明 TA饱和时其二次电流有如下几个特点 在故障发生瞬间 由于铁芯中的磁通不能跃变 TA不能立即进入饱和区 而是存在一个时域为3 5ms的线性传递区 在线性传递区内 TA二次电流与一次电流成正比 TA饱和之后 在每个周期内一次电流过零点附近存在不饱和时段 在此时段内 TA二次电流又与一次电流成正比 TA饱和后其励磁阻抗大大减小 使其内阻大大降低 严重时内阻等于零 TA饱和后 其二次电流偏于时间轴一侧 致使电流的正 负半波不对称 电流中含有很大的二次和三次谐波电流分量 55 微机电流型差动保护 2 TA饱和鉴别元件的构成原理目前 在国内广泛应用的母差保护装置中 TA饱和鉴别元件均是根据饱和后TA二次电流的特点及其内阻变化规律原理构成的 在微机母差保护装置中 TA饱和鉴别元件的鉴别方法主要是同步识别法及差流波形存在线性传变区的特点 也有利用谐波制动原理防止TA饱和差动元件误动的 I 同步识别法当母线上发生故障时 母线电压及各出线元件上的电流将发生很大的变化 与此同时在差动元件中出现差流 即电压或工频电流的变化量与差动元件中的差流是同时出现 当母差保护区外发生故障某组TA饱和时 母线电压及各出线元件上的电流立即发生变化 但由于故障后3 5msTA磁路才会饱和 因此 差动元件中的差流比故障电压及故障电流晚出现3 5ms 在母差保护中 当故障电流 即工频电流变化量 与差动元件中的差流同时出现时 认为是区内故障开放差动保护 而当故障电流比差动元件中的差流出现早时 即认为差动元件中的差流是区外故障TA饱和产生的 立即将差动保护闭锁一定时间 将这种鉴别区外故障TA饱和的方法称作同步识别法 56 微机电流型差动保护 II 自适应阻抗加权抗饱和法在该方法中 采用了工频变化量阻抗元件 所谈的变化量阻抗 是母线电压的变化量与差回路中电流变化量的比值 当区外发生故障时 母线电压将发生变化 即出现了工频变化量电压 当TA饱和之后 差动元件中出现了差流 即出现工频变化量差流 出现了工频变化量阻抗 而当区内发生故障时 母线电压的变化与差动元件中差流的变化与阻抗的变化将同时出现 所谓自适应阻抗加权抗饱和法的基本原理实际也是同步识别法原理 也就是故障后TA不会立即饱和原理 在采用自适应阻抗加权抗饱和法的母差保护装置中 设置有工频变化量差动元件 工频变化量阻抗元件及工频变化量电压元件 当发生故障时 如果差动元件 电压元件及阻抗元件同时动作 即判为母线上故障 开放母差保护 如果电压元件动作在先而差动元件及阻抗元件后动作 即判为区外故障TA饱和 立即将母差保护闭锁 57 微机电流型差动保护 III 基于采样值的重复多次判别法采用同步识别法或自适应阻抗加权抗饱和法的TA饱和鉴别方法 只适用于故障瞬间 上述方法只能将母差保护暂短闭锁 否则 当区外故障转区内故障时 将致使母差保护拒绝动作 在微机型母差保护中 是将同步识别法 或自适应阻抗加权法 与基于采样值的重复多次判别法相结合构成TA饱和鉴别元件 基于采样值的重复多次判别法是 若在对差流一个周期的连续R次采样值判别中 有S次及以上不满足差动元件的动作条件 认为是外部故障TA饱和 继续闭锁差动保护 若在连续R次采样值判别中有S次以上满足差动元件的动作条件时 判为发生区外故障转母线区内障 立即开放差动保护 该方法实际是基于TA一次故障电流过零点附近存在线性传变区原理构成的 58 微机电流型差动保护 IV 谐波制动原理TA饱和时差电流的波形将发生畸变 其中含有大量的谐波分量 用谐波制动可以防止区外故障TA饱和误动 但是 当区内故障TA饱和时 差电流中同样会有谐波分量 因此 为防止区内故障或区外故障转区内故障TA饱和使差动保护拒动 必须引入其他辅助判据 以确定是区内故障还是区外故障 利用区外故障TA饱和后在线性传变区无差流方法 来区别区内 外故障 而利用谐波制动防止区外故障误动 试验表明 该方法是优异的抗TA饱和方法 59 微机电流型差动保护 复合电压闭锁元件前已述及 母差保护是电力系统的重要保护 母差保护动作后跳断路器的数量多 它的误动可能造成灾难性的后果 为防止保护出口继电器误动或其他原因误跳断路器 通常采用复合电压闭锁元件 只有当母差保护差动元件及复合电压闭锁元件均动作之后 才能作用于去跳各路断路器 1 动作方程及逻辑框图在大电流系统中 母差保护复合电压闭锁元件 由相低电压元件 负序电压及零序过电压元件组成 其动作方程为式中 U 相电压 TV二次值 3U0 零序电压 在微机母差保护中 利用TV二次三相电压自产 U2 负序相电压 二次值 Uop 低电压元件动作整定值 U0op 零序电压元件动作整定值 U2op 负序电压元件动作整定值 60 微机电流型差动保护 复合电压元件逻辑框图如图所示可以看出 当低电压元件 零序过电压元件及负序电压元件中只要有一个或一个以上的元件动作 立即开放母差保护跳各路开关的回路 2 闭锁方式为防止差动元件出口继电器误动或人员误碰出口回路造成的误跳断路器 复合电压闭锁元件采用出口继电接点的闭锁方式 即复合电压闭锁元件各对出口接点 分别串联在差动元件出口继电器的各出口接点回路中 跳母联或分段断路器的回路可不串复合电压元件的输出接点 61 母线保护与其它保护的配合 当线路上设置闭锁式高频保护 母线保护动作时为使对侧的高频保护装置动作跳开断路器 母线保护应使本侧的高频发信机停信当线路上设置其它纵联保护 同样原因 母线保护动作时应使对侧的保护装置动作跳开断路器 如果不采用母线重合闸 母线保护动作时应将线路上的自动重合闸装置放电 以防止线路断路器对故障母线进行重合闸 500kV高压变电站 当220kV侧母线发生故障跳闸而主变开关失灵 或220kV侧主变断路器开关失灵需跳开相应母线 此两种情况下母线保护动作均需启动该主变保护跳另两侧 35kV侧和500kV侧 当主变发生低压侧故障或发变组非全相运行 需跳母线侧开关而此开关失灵 主变保护装置需解除母线失灵复合电压闭锁 62 提高母线保护可靠性的措施 母差保护的误动及拒绝动作 都将造成严重后果 因此 为确保电力系统的安全经济运行 提高母差保护的动作灵敏度及动作可靠性是非常必要的 TA断线闭锁目前 对于大型发电机及变压器 为了设备及人身的安全 差动TA断线后不应闭锁差动保护 与大型发电机及变压器相比 母线出线TA的变比要小得多 例如200MW机组TA的变比为12000 5 2400 高压母线出线上TA的变比通常为600 1或1200 1 相差2 4倍 500KV出线TA的变比将更小 相对而言 TA的变比越小 二次回路开路的危害越小 又由于母差保护的误动可能造成严重的后果 在母线保护装置中设置有TA断线闭锁元件 当差动TA断线时 立即将母差保护闭锁 63 提高母线保护可靠性的措施 1 TA二次回路断线判别在微机母差保护装置中 一般采用系统无故障时差流越限 即Id Iop时 来判为差动TA二次回路断线 式中 Id 差电流 Iop TA断线闭锁元件动作电流 在某些装置中 也有采用零序电流作为TA断线判据的 即当任一支路中的零序电流时 判为差动TA断线 式中 3I0 零序电流 I max 最大相电流 IN 标称额定电流 5A或1A 64 提高母线保护可靠性的措施 2 对TA断线闭锁的要求对母差保护装置中的TA断线闭锁元件提出以下要求 I 延时发出告警信号正常运行时 发电机及变压器的差动TA断线 差动保护要误动 对于电流型微机母差保护及中阻抗母差保护 母线连接元件多而使差动回路支路数多 又由于制动电流为各单元电流绝对值和 因此 某一支路的一相TA二次回路断线 一般保护不会误动 此时 若再发生区外故障 母差保护将误动 因此 当TA断线闭锁元件检测出TA断线之后 应经一定延时 一般5秒 发出告警信号并将母差保护闭锁 II 分相设置闭锁元件母差保护为分相差动 TA断线闭锁元件也应分相设置 即哪一相TA断线应去闭锁哪一相动保护 以减少母线上又发生故障时差动保护拒动的几率 III 母联 分段断路器TA断线 不应闭锁母差保护若断线闭锁元件检查到的是母联TA或分段TA断线 应发TA断线信号而不闭锁母差保护 但此时应自动切换到单母方式 发生区内故障时不再进行故障母线的选择 65 提高母线保护可靠性的措施 运行方式识别根据系统运行方式的需要 双母线上各连接元件经常在两条母线上切换 因此正确地确认母线运行方式 即确认哪个连接元件接在哪条母线上运行 是保证母线差动保护正确动作的重要条件 在中阻抗及电流型微机母差保护装置中 利用隔离刀闸的辅助接点来识别母线的运行方式的 1 中阻抗母差保护运行方式的识别在中阻抗型母差保护装置中 是利用刀闸辅助接点启动切换继电器来确定母线连接单元运行在哪条母线上的 66 提高母线保护可靠性的措施 在双母线的中阻抗母差保护装置中 有两套完全相同的差动元件 分别称之为甲 或I 母差动及乙 或II 母差动 接在甲母上的连接元件 其隔离刀闸与甲母联接 并通过切换继电器接点将该元件差动TA二次电流引入到甲母差动回路中 而当该连接元件切换到乙母上运行时 通过切换继电器将TA二次电流自动引入到乙母差动回路中 装置上有信号灯 指示连接元件工作的母线 在将连接元件由一条母线切换到另一条母线上的倒闸操作过程中 切换继电器自动地将两套差动元件合为一套 称之互联 当倒闸操作完毕后再将两套差动元件分开 可以看出 由于差动TA二次回路中串有切换继电器的辅助接点 因此 隔离刀闸辅助接点及切换继电器的良好性将直接影响母差保护工作的可靠性 67 提高母线保护可靠性的措施 为提高中阻抗型母差保护动作可靠性 对切换继电器提出以下要求 I 切换继电器的动作电压应为额定电压的60 75 II 切换继电器接点的接触应可靠 容量足够大 III 用两对接点并联起来作一对接点用 IV 在切换过程中 切换接点应先闭合后另一对接点才打开 以防止切换过程中TA二次开路 另外 对隔离刀闸辅助接点应经常检查 确保动作的可靠性 68 提高母线保护可靠性的措施 2 电流型微机母差保护的识别在微机型母差保护装置中 由软件计算来识别母线的运行方式 当计算出某支路有电流 即出现差流 而无刀闸位置信号时 发出告警信号 并按装置原来记忆的刀闸位置计算差电流 并根据当前系统的电流分布状况自动校核刀闸位置的正确性 以确保保护不误动 为防止因隔离刀闸辅助接点损坏而使装置长期工作于不正常状态 在装置盘上设置有母线模拟盘 当刀闸位置发生异常保护发出告警信号时 运行人员应立即通知维护人员进行检修 同时将模拟盘上强制拨指开关合上 使满足相应的刀闸位置状态 以确保检修期间母差保护正常运行 在母差保护投运试验时 应仔细检查隔离刀闸状态与保护对应位置识别的一致性及其回路的良好性 投运之后 在运行人员倒闸操作后 应对刀闸位置及其回路的正确性予以确认 69 提高母线保护可靠性的措施 大差比率制动系数的自动调整在国内生产并广泛应用的微机双母线及单母线分段的母差保护装置中 设置两个小差元件及一个大差元件 大差元件用于确认母线故障 小差元件确定故障所在母线 正常运行时大差元件的整定值 启动电流及比率制动系数 与小差元件基本相同 接入大差元件的电流为两条母线各所连元件 除母联之外 TA二次电流 接入小差元件的电流为某条母线各所连元件 包括母联 TA二次电流 分析表明 当两条母线分裂运行时 即母联断路器或分段断路器断开 若母线上发生故障 大差元件的动作灵敏度要降低 70 提高母线保护可靠性的措施 1 母联断路器状态对差动元件动作灵敏度的影响现以图中的双母线接线为例来分析差动元件动作灵敏度 运行时 流入大差元件的电流为I1 I44个电流 流入I母小差元件的电流为I3 I4及I0三个电流 流入II母小差元件的电流为I1 I2 I03个电流 当母联运行时I母发生短路故障 I母小差元件的差为 I母小差元件的制动电为 两者之比为1 大差元件的差流与制动电流与I母小差相同 两者之比也为1 71 提高母线保护可靠性的措施 当母联断开时I母发生短路故障时 I母小差元件的差流为 制动电流也为 两者之比为1 而大差元件的制动电流仍为 但差流确只有 显然大差元件的动作灵敏度大大下降 72 提高母线保护可靠性的措施 2 实际对策为保证母联断路器停运时母差保护的动作灵敏度 可以采取以下措施 I 解除大差元件当母联断路器退出运行时 通过隔离刀闸的辅助接点解除大差元件 只要小差元件及其他启动元件动作就可以去跳断路器 这种对策的缺点是降低了保护的可靠性 II 自动降低大差元件的比率制动系数当母联断路器退出运行时 用断路器辅助接点作为开入量 自动将大差元件的制动系数减小 目前 这种措施在微机保护装置中得到了应用 在有些装置中 自动将制动系数降低到0 3 73 提高母线保护可靠性的措施 母差保护的死区问题在已被采用的各种类型的母差保护中 存在着一个共同的问题 就是死区问题 对于双母线或单母线分段的母差保护 当故障发生在母联断路器或分段断路器与母联TA或分段TA之间时 非故障母线的差动元件要误动 而故障母线的差动元件要拒动 即存在死区 1 死区原因分析双母线及其母差保护的原理接线如图所示 74 提高母线保护可靠性的措施 设正常工况下电流I1 I2流入母线 而I3 I4流出母线 则母联电流由图可以看出 流入II母小差的电流为则流入I母小差的电流为 故两个小差元件均不动作 大差元件亦不动作 故障发生在母联断路器QF0与母联电流互感器LH0之间时 大差元件动作 同时电流I1 I2及I0增大 但流向不变 故II母小差元件的差流近似等于零 不动作 而电流I3与I4的大小及流向均发生了变化 由流出母线变成流入母线 I母小差元件的差流很大 I母小差动作 I母差动保护动作 跳开断路器QF0 QF1及QF2 而II母小差元件不动作 无法跳开断路器QF3及QF4 因此 真正的故障无法切除 2 对策在母线保护装置中 为切除母联断路器与母联TA之间的故障 通常设置母联断路器失灵保护 因为上述故障发生后 虽然母联断路器已被跳开 但母联TA二次仍有电流 与母联断路器失灵现象一致 在国产的微机母线保护装置中 设置有专用的死区保护 用于切除母联断路器与母联TA之间的故障 75 提高母线保护可靠性的措施 提高母线保护可靠性的其它措施与其他保护比较 母差保护的回路复杂及分布面广 接入TA的数量多 跳断路器的数量多 与其他保护 例如线路高频保护 重合闸 纵差等 横向联系回路多 因此 确保上述回路的正确性及良好性 是提高母差保护动作可靠性的重要手段之一 1 各组差动TA二次回路只能有一个接地点 接地点应在保护盘上 母差TA的数量多 各组TA之间的距离远 母差保护装置在控制室而与各组TA安装处之间的距离远 若在各组TA二次均有接地点 而由于各接地点之间的地电位相差很大 必定在母差保护中产生差流 可能导致保护误动 西北某电站母差保护TA二次回路中有二个接地点 一个在保护盘上 另一个在变电站TA端子箱内 雷雨天 母差保护误动 同时切除了二条母线 致使全厂停电 76 提高母线保护可靠性的措施 2 定期检测差动TA二次电缆芯线对地绝缘运行实践表明 发电厂及变电站一旦投产之后 退出母差保护校验的机会不多 TA二次回路无法检查 若差动TA二次回路对地绝缘不良 可能使TA二次某相流入差动元件的电流减小甚至消失 使母差保护误动 某变电站曾因区外故障时电缆芯线对地放电使母差保护误动 3 保证与其他保护之间的联系回路正确在母差保护正式投运之前 应认真检查与其他保护之间联系回路的正确性 在条件许可的情况下 可进行传动试验 验证母差保护与其他保护之间联系的正确性 某发电厂投运已20多年 近来发生了母差保护动作跳断路器后线路重合闸重合而造成的重大事故 造成了很大的经济损失及设备损坏 追查原因 是母差保护闭锁重合闸的回路有误 77 提高母线保护可靠性的措施 4 运行中中阻抗母差保护TA二次不能短接试验表明 若将运行中中阻抗母差保护的一组TA二次回路短接 等于将全套母差保护退出运行 其原因相当于区外故障TA饱和 当母线某一连接元件检修时 可将该连接元件的母差TA二次回路在辅助TA一次断开 5 定期检查中阻抗母差保护的切换继电器运行实践表明 曾因切换继电器性能不良造成中阻抗母差保护误动及发告警信号 为提高中阻抗母差保护的可靠性 结合母差保护的检修 重点校验及检查切换继电器的性能 以保证动作电压为60 70 的额定电压 接点动作可靠 断开接点之间的绝缘满足要求 即时更换不合格或性能变差的切换继电器 78 母线保护交流电流二次回路 增大二次电流电缆的截面 可减少二次电缆的阻抗 使电流互感器铁芯不进入饱和 来降低电流误差 选用较大变比 两组电流互感器串联使用 减少保护装置阻抗值也能降低电流误差 电路互感器的二次回路应有且只能有一个接地点 母线保护装置的电流互感器均连接在一起 应在保护屏上经端子排接地 因为一个变电所的接地网并非实际的等电位面 因而在不同点会出现电位差 当大的接地电流注入地网时 如果二次回路有多点接地 则不同的二次回路就会感应不同电流 引起差流 此外 多点接地还会引起电流分流 或某些二次电流回路被短接 79 电流互感器的暂态特性 在发生短路开始阶段的第一到第二周波之内 电流互感器铁芯的磁密尚未达到饱和磁密 电流互感器可以正确地传变一次电流 如果继电保护能在该时间内动作 基本可不受铁芯饱和影响 当铁芯进入饱和阶段 二次电流波形出现缺损现象 如负载为纯电阻时 从铁芯进入饱和开始 二次电流很快从瞬时值下降到零 如果负载有电感时 二次电流逐步从瞬时值下降到零 当一次电流从的瞬时值由正半波趋向负半波时 铁芯的磁密又恢复到非饱和状态 电流互感器可以正确地传变一次电流 因此 一次电流经过零点时 二次电流也经过零点 80 电流互感器的暂态特性 CT饱和时波形 81 断路器失灵保护 断路器失灵当输电线路 变压器 母线或其他主设备发生短路 保护装置动作并发出了跳闸指令 但故障设备的断路器拒绝动作 称之为断路器失灵 断路器失灵的原因运行实践表明 发生断路器失灵故障的原因很多 主要有 断路器跳闸线圈断线 断路器操作机构出现故障 空气断路器的气压降低或液压式断路器的液压降低 直流电源消失及控制回路故障等 其中发生最多的是气压或液压降低 直流电源消失及操作回路出现问题 断路器失灵的影响系统发生故障之后 如果出现了断路器失灵而又没采取其他措施 将会造成严重的后果 82 断路器失灵保护 1 损坏主设备或引起火灾例如变压器出口短路而保护动作后断路器拒绝跳闸 将严重损坏变压器或造成变压器着火 2 扩大停电范围如图所示 当线路L1上发生故障断路器QF5跳开而断路器QF1拒动时 只能由线路L3 L2对侧的后备保护及发电机变压器的后备保护切除故障 即断路器QF6 QF7 QF4将被切除 这样扩大了停电的范围 将造成很大的经济损失 83 断路器失灵保护 3 可能使电力系统瓦解当发生断路器失灵故障时 要靠各相邻元件的后备保护切除故障 扩大了停电范围 有可能切除许多电源 另外 由于故障被切除时间过长 影响了运行系统的稳定性 有可能使系统瓦解 上世纪90年代中期 西北某330KV线路上发生了接地故障 由于故障没即时切除 使某省南部电网瓦解 断路器失灵保护为防止电力系统故障并伴随断路器失灵造成的严重后果 必须装设断路器失灵保护 在DL400 91继电保护和安全自动装置技术规程中规定 在220 500KV电力网中 以及110KV电力网的个别重要系统 应按规定设置断路器失灵保护 84 断路器失灵保护 断路器失灵保护的装设原则在220 500kV电力网中 以及110kV电力网的个别重要部分 可按下列规定装设断路器失灵保护 1 线路保护采用近后备方式 对220 500kV分相操作的断路器 可只考虑断路器单相拒动的情况 2 线路保护采用远后备方式 如果由其它线路或变压器的后备保护切除故障将扩大停电范围 例如采用多角形接线 双母线或分段单母线等时 并引起严重后果时 3 如断路器与电流互感器之间发生故障 不能由该回路主保护切除 而由其它线路和变压器后备保护切除又将扩大停电范围 并引起严重后果时 85 断路器失灵保护 对失灵保护的要求 1 高度的安全性和可靠性断路器失灵保护与母差保护一样 其误动或拒动都将造成严重后果 因此 要求其安全性及动作可靠性高 2 动作选择性强断路器失灵保护动作后 宜无延时再次去跳断路器 对于双母线或单母线分段接线 保护动作后以较短的时间断开母联或分段断路器 再经另一时间断开与失灵断路器接在同一母线上的其他断路器 3