220KV变电所继电保护问题—母线保护

1、网络教育学院本科生毕业论文（设计）题目：220KV变电所继电保护问题母线保护学习中心：层 次：专 业：年 级：学 号：学 生：指导教师：完成日期：内容摘要变电所是电力转换站，在输配电中有着不可取代的作用。而母线在变电所中也扮演着中转站的角色，同样在变电所中也是不可取代的部分。重要性不言而喻，所以对于母线保护我们要高度重视，在工作中不停地寻找母线保护的不足，争取把它改向完美。关键词：母线保护 ；母差保护；CT（电流互感器）；断路器 ；区内故障；区外故障；南瑞RCS-915AB目 录内容摘要I1 绪论11.2 母线保护在国内外的发展11.2.1 母线保护在我国电网中的应用11.2.2 母线保护在国

2、外的发展现状22 变电所母线保护的研究42.1 母线保护的基本原理42.2 母线保护的整定原则62.3 母线保护的反措要求73 母线保护在变电所实际应用中遇到的问题93.1 母线保护中的区内区外故障的判别方法93.2 母线保护在应用中存在的问题及解决对策143.2.1 CT断线告警问题143.2.2 刀闸辅助接点出错引起的母差保护误动问题153.3 915AB保护在实际中的应用153.3.1 原理分析153.3.2 试验、分析过程163.3.3 不同原理试验163.3.4 厂家指导下再试验并得出结论174 结论18参考文献191 绪论母线是发电厂和变电站重要组成部分之一。母线又称汇流排，是汇集

3、电能及分配电能的重要设备。在变电所中各种各样设备保护，包括线路保护、变压器保护、输电线路的纵联保护、母线保护等等。与其他主设备保护相比，对母线保护的要求更苛刻。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。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。在枢纽变电站，母线连接元件甚多。主要连接元件除出线单元之外，尚有TV、电容器等。运行实践表明：在众多的连接元件中，由于绝缘子的老化，污秽引起的闪路接地故障和雷击造成的短路故障次数甚多

4、。另外，运行人员带地线合刀闸造成的母线短路故障，也有发生。当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。变电站的汇流母线，短路水平高，影响范围大，因而需要保护快速做出反应，差动保护正好能充当这一角色，其原理简单、使用电气量单纯、保护范围明确、动作不需延时，能有效担当母线保护神。因为母线上唯一进出线路，正常运行，有大小相等，相位相同的进出电流。母线差动保护基本原理,用简单的比喻，按收入，支出和平衡的原理来判

5、断行动。如果母线出现故障，平衡将被破坏。有的保护采用比较电流是否平衡，有的保护采用比较电流相位是否一致，有的二者兼有，一旦判别出母线故障，保护动作元件立即启动，母线上的所有断路器断开。如果双母线并列运行，有的保护会有选择地跳开母联开关，所有故障母线的进出线路断路器都会跳开，以缩小停电范围。1.2 母线保护在国内外的发展 母线保护在我国电网中的应用中国电网母线保护的种类很多，在元器件组成上以整流型、集成电路型和微机型为基础。LXB电流相位比较式母差保护是利用差动电流参考向量比较母联电流相位，以确定故障母线，在我们的七十年代和八十年代的电网已被广泛应用于。其主要特点是：简单的原理，没有交流电流切换

6、回路，二次接线简单，能适应一次系统的倒闸操作；要求TA特性、变比一致，否则要加辅助TA。集成电路母差保护的产品有上海继电器厂组装生产的PMH-150(RADSS/S)，南京电力自动化设备总厂生产的JMZ，HMZ，JCMZ系列，许昌继电器厂的PMH-140系列，阿城继电器厂的PMH-40系列均系仿ASEA公司(现ABB公司)的中阻抗集成电路母差保护。微机型母差保护是目前的趋势所向。在我国的微机型母差保护主要有WMZ-41型保护，BP-2A型保护，分布式母差保护。WMZ-41型保护该保护是由国家电力公司南京电力自动化设备总厂生产。该保护设置了一个复合电压闭锁功能，提高了装置抗误动能力；有TA，TV

7、断线监视，直流稳压消失监视等功能；设置线路断路器失灵保护、母联断路器失灵保护(死区保护)及充电保护等功能；对各支路主TA变比不一致，通过软件改变各支路通道系数的方法来解决。系统发生区内故障时，保护迅速出口，不受TA饱和影响；区外故障TA饱和时，保护可靠不误动。BP-2A型保护是由南京自动化研究院研究成果。该保护特点是采用复式比率差动原理，允许TA变比不一致，TA饱和能力强；在区内故障时无制动，相反在区外故障有极强的制动，高灵敏度的差动保护；以大差动判别故障，各段母线小差动保证选择性；倒闸操作过程中，保护不用退出，且实时地切换差动回路和输出回路。分布式母差保护是由北京哈德威四方公司生产。完全分布

8、式结构是该保护的特性，以促进和适应分层分布式自动化系统。启动元件和选择元件通过每个间隔单元保护装置由多个CPU分别构成，同级别的环网通过不同间隔上同一功能的CPU由光纤构成，可通过MMI与LonWorks或高速以太网相连。 母线保护在国外的发展现状ABB公司的REB500分散式微机母差保护，在硬件结构上由不同类型的底盘(间隔模块)和所用的中央处理装置组成，可适用于分散安装和集中安装。微机母线保护的主要技术特点可以分布式安装，母线差动保护装置（间隔模块）可安装在开关设备机架的箱子中，与光纤电缆连接到中央处理单元，当分布和分散的自动化系统结合使用时，可以形成一个理想的状态，对TA饱和基本不灵敏，在

9、发生母线内外故障时，经过2 ms后，TA处于饱和；运动速度快，可靠性高;所有数字信号处理，自检功能和通信接口，可以取代好，易于扩展。MBP - D型保护是日本三菱公司在MBP - C的集成电路母线保护的基础上，利用微机技术，在1986年推出并投入使用。在采用通常的比率差动原理的基础上，增加了波形判别原理，以提高保护的选择性。波形判别原则的区外故障TA饱和和区内故障漏电流问题的设计考虑。 MBP - D计算机母线保护的可靠性是可以接受的的，动作速度快，整组动作时间为1525 ms；装置具有自适应能力，可适应各种母线的形式和运行方式的改变。本文研究的是220KV变电所中母线保护的应用和所遇到的问题

10、。全文共4章，各章的内容如下：第一章绪论，简述母线保护的背景和意义；母线保护在我国电网中的应用，母线保护在国外的发展现状。第二章是关于母线保护的研究，包括母线保护的基本原理母线保护的整定原则和母线保护的反措要求。第三章是关于母线保护区内和区外故障的判别方法和母线保护在变电所实际应用中遇到的问题。第四章是对全文的一个总结。2 变电所母线保护的研究2.1 母线保护的基本原理在大型发电厂及枢纽变电站的成套母线保护装置中，配置有母线差动保护、母联充电保护、母联死区保护、母联过流保护、母联非全相运行保护及断路器失灵保护等。在母线保护中最主要的是母差保护。母线差动保护，主要由三个分相差动元件构成。另外，为

11、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。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。大差元件中接入大差元件的电流为二条母线所有连接单元TA的二次电流。大差和小差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。双母线或单

12、母线分段一相母差保护的逻辑框图如图2.1所示。图2.1双母线或单母线分段母差保护逻辑框图（以一相为例） 母联过电流保护是临时性保护。当用母联代路时投入运行。当流过母联断路器三相电流中的任一相或零序电流大于整定值时动作，跳开母联开关。母联过流保护的逻辑框图如图2.2所示。图2.2母联过流保护逻辑框图在图2.2中：LP母联过流保护投退压板（或控制字）。母联断路器失灵保护是断路器中的重要保护。母线保护或其他有关保护动作，跳母联断路器的出口继电器接点闭合，但母联TA二次仍有电流，即判为母联断路器失灵，去启动母联失灵保护。母联失灵保护逻辑框图如图2.3所示。图2.3母联失灵保护逻辑框图在图2.3中：、为

13、母联TA二次三相电流。在故障发生在母联断路器及母联TA之间时，母差保护无法切除故障。即在母联断路器与母联TA之间的区域是母差保护的死区。为确保电力系统的稳定性，在微机型母线保护装置中设置了死区保护，用以快速切除死区内的各种故障。死区保护的逻辑框图如图2.4所示。图2.4母线死区保护逻辑框图在图2.4中：、为母联TA二次三相电流。2.2 母线保护的整定原则母线保护整定原则1、差动保护启动电流定值：保证母线最小运行方式故障时有足够灵敏度，并应尽可能躲过母线出线最大负荷电流。2、CT断线闭锁定值：按正常运行时流过母线保护的最大不平衡电流整定。3、母联分段失灵时间定值:应大于母联或分段开关的最大跳闸灭

14、弧时间。4、CT断线告警定值：设置CT断线报警是为了更灵敏的反应轻负荷线路CT断线和CT回路分流等异常情况，整定的灵敏度应较Idx高，可按1.5-2倍最大运行方式下差流显示值整定。5、母联分段失灵电流定值，按母线故障时流过母联或分段的最小故障电流来整定，应考虑母差动作后系统变化对流经母联或分段断路器的故障电流影响。6、低电压闭锁定值：按连接本母线上的最长线路末端对称故障发生短路故障时有足够的灵敏度调整，并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。7、零序电压闭锁定值，按连接本母线上的最长线路末端不对称故障发生短路故障是有足够的灵敏度整定，并应躲过母线正常运行时最大不平衡电压的零序

15、分量。8、负序电压闭锁定值：按连接本母线上的最长线路末端不对称故障发生短路故障时有足够的灵敏度整定，并应躲过母线正常运行时最大不平衡电压的零序分量。9、三相失灵相电流定值：应保证本线路末端三相故障有足够的灵敏度，并应尽量躲过所有变压器支路最大负荷电流。10、失灵零序电流定值 ：应保证本线路末端或本变压器低压侧相间故障有足够的灵敏度。11、失灵负序电流定值 ：应保证本线路末端或本变压器低压侧单相接地故障有足够的灵敏度。12、失灵保护一时限：即失灵跳母联时间，该时间定值应大于断路器动作时间和保护返回时间之和，再考虑一定的裕度，为缩短失灵保护切除故障的时间，此延时宜整定与失灵保护动作时间相同。13、

16、失灵保护二时限：即失灵跳母线时间，该时间定值应先在跳母联的前提下，加上母联断路器的动作时间和保护返回时间之和，再考虑一定的裕度，失灵保护动作时间应在保证动作选择性的前提下尽可能缩短。2.3 母线保护的反措要求1、双重化配置 为了确保维护总线时，母线差动保护不会失去保护，对威胁的稳定和扩大事故跳闸母线差动保护系统，如果有必要，和重要的母线在220千伏变电站，发电厂应该是双母线保护配置，还应注意：每条母线采用两个完整的，独立的母线差动保护，并安装在自己的柜内。2、对空母线充电时，固定连接式和母联电流相位比较式母线差动保护应退出运行。 3、母联、母联分段断路器充电保护应被独立的配置在母联、母联分段断

17、路器宜。保护应该有行成可瞬时和延迟电路跳闸。4、断路器失灵保护按一套配置。断路器失灵保护涉及范围很广，投产的依存度高，很少有机会使用整组试验方法进行全面检查。因此，断路器失灵保护的设计，安装，调试和操作，应加强质量管理和技术监督的各个阶段，以确保断路器失灵保护不留隐患投产。5、在用于双母线时采用相位比较原理的母线差动保护，增设两母线相继发生故障时能可靠切除后一组故障母线的保护回路。6、在双母线接线形式的变电站，断路器失灵保护、母差保护的复合电压闭锁接点应分别被接在各断路器的跳闸回路中。7、做好电气量保护与非电气量保护出口继电器分开的反措，不得使用不能快速返回的电气量保护和非电量保护作为断路器失

18、灵保护的起动量，并要求断路器失灵保护的相电流判别元件动作时间和返回时间均不应大于20毫秒。3 母线保护在变电所实际应用中遇到的问题3.1 母线保护中的区内区外故障的判别方法区内区外故障以线路CT为分界点，线路CT以内（包括母线）属于区内故障，以外属于区外故障。假如在母线到线路CT之间出现故障的话，此时线路保护不会动作（没差流），只能靠母差来跳。在现场通过继电保护测试仪来对装置进行区内和区外的故障分析。1、短接元件1的I母刀闸位置及元件2的II母刀闸位置接点。将元件2TA与母联TA同极性串联，再与元件1TA反极性串联，模拟母线区 外故障。 图 3.1 区外故障电流电压二次端子排图图3.1为电流电

19、压回路二次端子排图,先输入母联的Ia相电流，母联的Ia相输出In相和和元件二的Ia相连接，极性相同，所以母联和元件二的电流方向一致。电流经过元件二In相和元件一的In相连接,形成反极性相连，由图3.1所示元件一电流流经方向和母联相反。图3.2为一次接线图。由图式：母联电流方向为I母流向II母，元件一为流向母线，元件二为母线流出。母联II母I母元件一元件二图3.2 区外故障一次接线图2、实验步骤 通过继电保护测试仪中的功能中选择试验仪的状态序列测试模块 。第一步，设置状态一（故障前状态），故障前状态为额定电压。“状态参数”中设置幅值均为57.74V的三相对称电压，三相电流均为零，频率为50HZ。

20、 继电保护测试仪设置的故障前状态界面先设置一个正常的状态然后再设置故障状态。所以中间有一个触发条件。“触发条件”中设置最长状态输出时间为20S，有足够时间使装置回复到正常态。 第二步，设置状态二（故障状态）。“状态参数”中设置UA幅值20V（满足复合电压元件动作），UB、UC幅值均为57.74V的电压；IA幅值设置为8A（大于差动动作电流高值），IB、IC相幅值均设为零；频率为50HZ。 UA从57.7V到20V为的是满足复压闭锁解除，而IA的电流从0A到8A是为了加个故障电流。图 3.4 继电保护测试仪设置的故障状态界面“触发条件”中设置最长状态输出时间为200MS。第三步，点击工具栏中的按

21、钮，进入试验。 3、试验结果，在保证母差电压闭锁条件开放的情况下，通入大于差流起动高定值的电流，母线差动保护不应动作。 因为母线上两条电流是一进一出刚好平衡，所以母线差动保护不会动作。区内故障的判别方法的判别方法和区外故障方法大致相同。区内故障是判断故障电流在哪条母线上，故要在I母和II上分别模拟。首先短接元件1的I母刀闸位置及元件2的II母刀闸位置接点。 1、 将元件1TA、母联TA和元件2TA同极性串联，模拟I母线内部故障。 图 3.5 区内故障电流电压回路二次端子排图情况一图3.5为电流电压回路二次端子排图，先输入母联的Ia相电流，母联的Ia相输出In相和和元件一的Ia相连接，极性相同，

22、所以母联和元件一的电流方向一致。元件一的In相和元件二的Ia相连接,极性相同。由图所示元件一和元件二电流流经方向和母联相同。图 3.6为一次接线图。由图式：母联电流方向为I母流向II母，元件一和元件二为母线流出。元件二元件一II母I母母 联图3.6 区内故障一次接线图情况一试验步骤及各种参数设置与区外故障的相同。试验结果，在保证母差电压闭锁条件开放的情况下，通入大于差流起动高定值的电流，母线差动保护应动作I母线。2、将元件1TA和元件2TA同极性串联，再与母联TA反极性串联，模拟II母线内部故障。 图 3.7 区内故障电流电压回路二次端子排图情况二图3.7为电流电压回路二次端子排图,先输入元件

23、一的Ia相电流，元件一的Ia相输出In相和和元件二的Ia相连接，极性相同。所以元件二和元件一的电流方向一致。元件二的In相和母联的In相连接,极性相反。由图所示元件一和元件二电流流经方向和母联相反。图 3.8为一次接线图。由图式：母联电流方向为I母流向II母，元件一和元件二为母线流入。II母I母元件二元件一母 联图3.8 区内故障一次接线图情况二试验步骤及各种参数设置与区外故障的相同。试验结果，在保证母差电压闭锁条件开放的情况下，通入大于差流起动高定值电流，母线差动保护应动作II母线。 投入单母压板及投单母控制字或模拟某一单元刀闸双跨。重复上述一种区内故障，母线差动保护应动作切除两母线上所有的

24、连接元件。 3.2 母线保护在应用中存在的问题及解决对策 CT断线告警问题母联带负荷测试母差差流，一般会启动ct断线。220KV母差被母联接入后，母差保护的差动回路有差流。发生这种情况后是暂时停止启动，找出原因和解决的方法在继续投运。调试人员应接入220KV母线保护电路开始检查，是否对外部回路与厂家资料一致，电流的极性，对应的接入单位都必须符合厂家的要求，以前的设备，刚接入的装置的单元，一个个排除。从每个单元的电流切换到母线整流单元，半波整流成相应的母线差动电路继电器开关整流后，挂在母线上的母线保护柜。在母线正常运行或发生区外故障时，通过测量每个线路的电流之和为零。在母线的短路电流和启动差动电

25、路内部故障，做出相应的动作。如果外部回路无故障，那么这个问题可以看出，在新的接入装置单位里面，如果在母线保护柜进行电流回路短接时出现放电现象，由此就可以判断至少有一相开路在新接入母差单元。对此调试人员应该用内部电流回路逐步短接，外部进行升流的方法进行检查。刀闸辅助接点出错引起的母差保护误动问题母线保护装置在电力系统中使用的型号很多，一些老机型的母线保护装置仍然被使用在一些比较老的变电站，造成维护，维修困难，问题多的现象。为了减少繁琐和容易出错的人工干预，要么引进集成电路或微机母线差动保护开关辅助触头，从而确定运行模式，切换内部回路，虽然这种方法是直接和有效的的，但刀闸辅助触头引进部分并不十分可

26、靠。母差保护必须正确动作，为此继电保护研究人员进行了三方面的探索：第一种方法是放弃刀闸辅助的接点，使用微机的计算功能，在通过的负荷计算电流确定的母线运行模式，但是由于存在等电流元件和空载、轻载原件，这种方法还没有成功；另外一种方案是同时引入每一副刀闸的常开接点和常闭接点，两个节点的组合来确定状态刀闸。这种方法能消除引入环节造成的错误，但占用了很多开入的通道和电缆而且也不能解决由刀闸辅助接点的损害导致的错误。为了提高母差保护的动作的正确率，研究人员又进行了第三种尝试：微机为基础的保护和刀闸辅助触点相结合。在微机保护平台，每个单元测试的负荷电流计算精度的辅助触点开关，自动纠正错误的主刀闸辅助触点。

27、每一副刀闸引入一对辅助接点，由微机实时的瞬时电流值计算，根据目前的判断，使共同确定的稳态和瞬态结合起来，实时检测和辅助触头纠正错误这种方法需要微机保护平台，可以是一个瞬时电流值差动保护小的差异，可以同时完成，以确定差动保护的计算过程。3.3 915AB保护在实际中的应用在220kV大舜变调试过程中发现南瑞公司的RCS-915AB型母线保护的差动起动低值不会动作。分析原因南瑞RCS-915AB母差保护说明书中，差动起动电流低值主要是为防止母线故障大电源跳开差动起动元件返回而设，按切除小电源能满足足够的灵敏度整定。 原理分析南瑞RCS-915AB母差保护说明书中，差动起动电流低值主要是为防止母线故

28、障大电源跳开差动起动元件返回而设，按切除小电源能满足足够的灵敏度整定。图 3.9 母联母线一次接线图 如图 3.9：设间隔1、2为大电源间隔，3、4为小电源间隔，在母发生故障时，母差保护动作切除1、2间隔，若同时母也发生故障，但差流小于差动高值、大于低值，此时差动保护应可靠动作切除3、4间隔。试验、分析过程如图 3.9：用ONLLY三相试验装置状态序列功能，在间隔1加入电流大于差动高值，通过状态序列二在间隔3为加入电流小于高值、大于低值；试验结果：母动作，母不动。动作结果与说明书不符，按说明书二次动作原理，动作结果应为：母动作，母动作。那么是试验方法不对还是说明书写的不正确？从上面的试验方法分

29、析可以确定试验方法没有问题。那么是说明书写的不正确？既然低值不会动作那为什么厂家还要设低值？分析认为可能差动低值是起保持作用。即母线故障时，若大电源间隔先跳开，差动元件返回，可能造成小电源间隔未被切除，故障继续存在，此时若差流大于低值，差动元件不应该返回。按其他厂家的母差保护的原理，其差动返回值应该为低值的75%。3. 不同原理试验如上图：直接在间隔1加入大于差动高值的电流，监视出口接点可靠动作，然后慢慢减小电流（为算法简单起见，将差动高值整定为2A，低值整定为1A），当降到时差动返回。试验发现差动低值确为起保持作用。在咨询厂家后，得到一致结论：厂家说明书上的原理为第一版时的原理，其后虽然版本

30、进行了升级但说明书一直没有进行修改。但按厂家的说法其差动返回值应该为低值的90%。显然，结合我们的试验结果与厂家说法不一。此时厂家建议将低值整为高值的90%，也就是。厂家指导下再试验并得出结论试验方法同上，结果差动接点在时返回。显然厂家说的差动返回值应该为低值的90%与试验结果不符。将试验结果直接带到南瑞厂里，与厂家研发人员再试验，结果与现场试验一致。于是厂家研发人员检查程序，最终得出由于低值采用半波积分算法，造成误差较大的结论。从我们的试验数据和厂家的解释来看实际RCS-915AB母差保护的差动低值已起不到其所说的保持作用。我们查阅了近来RCS-915AB母差保护的整定单，发现其差动低值的整定都是按厂家的建议将低值整为高值的90%左右。但从我们的试验数据的试验数据来看如按厂家的建议来整定其返回值与动作值几乎没有区别，仅略小于动作值。这样厂家所谓的保持作用也根本无从谈起。南瑞RCS-915AB差动保护低值问题发现已有一段时间，但由于厂家服务人员一直解释为：低值主要是为北方小水电比较多的地方而设，对南方没什么影响，所以一直没有引起大家的重视。通过对此问题的深入研究和一次次的试验，论证了此保护程序确实存在问题，体现了用数据说话的重要性，同时也是对今后工作的一个提醒：对于保护元件的调试，在厂家技术说明及