继电保护技术第七章母线保护

《继电保护技术》

第七章母线保护

第七章母线保护第一节母线故障及其保护方式第二节母线电流差动保护第三节电流比相式母线保护第四节双母线同时运行时的母线差动保护第五节母差死区保护第六节断路器失灵保护

一、母线故障运行实践表明，母线故障的原因主要有：母线绝缘子和断路器套管的老化、污秽引起的闪络接地故障，装于母线上的电压互感器和装在母线和断路器之间的电流互感器的故障，母线隔离开关和空气断路器的支持绝缘子损坏，雷击造成的短路故障，运行人员带地线合隔离开关等。母线故障的类型主要有单相接地故障，两相接地短路故障以及三相短路故障。两相短路故障的几率较少。二、母线保护（二）母线保护装设的基本原则1.利用其他供电元件的保护装置来切除母线故障。2.专用母线保护（一）母线保护的基本要求1.高度的安全性和可靠性。2.选择性强、动作速度快。1.利用其他供电元件的保护装置来切除母线故障当母线上发生故障时，将使连接在故障母线上的所有元件在修复故障母线期间，或转换到另一组无故障的母线上运行以前被迫停电。一般说来，不采用专门的母线保护，而利用供电元件的保护装置就可以把母线故障切除。利用供电元件的保护来切除母线故障，不需另外装设保护，简单、经济，但故障切除的时间一般较长。利用供电元件保护装置切除母线故障2.专用母线保护（1）在110kV及以上的双母线和分段单母线上，为保证有选择性地切除任一组（或段）母线上所发生的故障，而另一组（或段）无故障的母线仍能继续进行，应装设专门的母线保护。（2）110kV及以上的单母线，重要发电厂的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.专用母线保护为满足速动性和选择性的要求，母线保护都是按差动原理构成的。所以不管母线上元件有多少，实现差动保护的基本原则仍是适用的，即：（a）在正常运行以及母线范围以外故障时，在母线上所有连接元件中，流入的电流和流出的电流相等。（b）当母线上发生故障时，所有与电源连接元件都向故障点供给短路电流，而在供电给负荷的连接元件中电流等于零，因此，母线中的总电流等于差动电流。（c）如从每个连接元件中电流的相位来看，则在正常运行以及外部故障时，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，具体地说，就是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以外，其它元件中的电流则是同相位的。三、母差保护的分类所有的母差保护均反映母线上连接单元TA二次电流的相量和。按照母线差动保护装置差电流回路输入阻抗的大小，可将其分为低阻抗母线差动保护、中阻抗母线差动保护、高阻抗母线差动保护。目前母线保护中均使用为低阻抗母线差动保护，也叫电流型母线差动保护。根据动作条件分根据动作条件，电流型母线差动保护可分为母联电流比相式母线差动保护、电流相位比较式母线差动保护、电流差动式母线差动保护。迄今为止，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电流差动式母差保护效果最佳。

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母线电流差动保护一、母线电流差动保护的作用原理母线电流差动保护原理接线图目前，国内应用的微机型母线差动保护，多数采用比率制动式电流差动保护，其动作方程为（7-1）（7-2）其中为第j条支路中的电流；K为比率制动系数；为差动元件的初始动作电流。从式（7-1）可以看出，保护的动作条件是由不平衡差动电流决定的。从式（7-2）可以看出，保护的动作条件是由母线上所有元件的差动电流和制动电流的比率决定的。综上所述，装置的动作条件是由上述两个判据与门输出，提高的而保护的可靠性。其动作特性为具有两段折线式的比率制动的曲线如图7-7所示。图7-7中为差动电流，为制动电流，K为制动系数。比率制动式电流差动保护动作曲线二、母线差动保护的逻辑框图双母线或者单母线分段母差保护逻辑框图（以一相为例）大差元件与母线小差元件各有特点，大差元件用于检查母线故障，大差的差动保护涵盖了各段母线，大多数情况下不受运行方式控制；小差元件选择出故障所在的哪段或者哪条母线，受运行方式的控制，具有选择性。从图7-8可以看出，双母线正常运行时，若大差元件、小差元件和起动元件同时动作，母差保护出口继电器才动作；同时，只有复合电压闭锁元件也动作，保护才能去跳各断路器。TA饱和鉴定元件检测出差动电流越限是由于区外故障TA饱和时造成的，母线差动保护不应动作，而应该立即闭锁母差保护，当转入区内故障时，应立即开放母差保护。

三、TA饱和鉴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。在系统发生故障瞬间，无论一次电流有多大，TA不可能立即饱和。从故障发生到TA饱和至少经1/4周波的时间，在此期间TA能正确传变一次电流。

TA饱和后，二次电流波形出现畸变、缺损，但当一次电流过零点附近时，饱和TA二次侧将出现一个线性传变区，即其二次电流能正确反应一次电流。

同步识别法

TA是否饱和的判别可以采用同步识别法。同步识别法是判别“故障发生”与“差流越限”是否同步发生。若“故障发生”与“差流越限”同时出现，则认为“差流越限”是由母线区内故障引起。此时差动保护在5ms以内，发出“动作指令”并记忆下来，快速切除故障。若判别到“故障发生”与“差流越限”不是同时出现，而是“故障发生”在前而后出现“差流越限”，则认为“差流越限”是由母线区外故障TA饱和所引起。此时将母差保护闭锁一个周波，然后在下一周波内重复上述判别。若仍是区外故障，则在随后的每个周波内判别一次，直到区外故障消失；若发展成了区内故障，则经判定后发出跳闸命令。四、差动继电器动作电流的整定对于母线差动保护的整定计算，应合理的确定差动元件以及复合电压闭锁元件的整定值。1.动作电流差动继电器的动作电流按以下条件计算，并选择其中较大的一个为整定值。（1）躲过外部短路时的最大不平衡电流。当所有电流互感器均按10%误差曲线选择，且差动继电器采用具有速饱和铁心的继电器时，其动作电流Iop按下式计算

式中——可靠系数，取1.3；——保护范围外短路时，流过差动保护电流互感器的最大短路电流；——母线保护用电流互感器变比。（2）按躲过最大负荷电流计算

在保护范围内部故障时，应按下式校验灵敏系数

式中——母线故障时最小短路电流；其灵敏系数应不小于2

2.比率制动系数S具有比率制动特性的母差保护的比率制动系数S的整定，应按照能可靠躲区外故障产生的最大差流来整定，同时确保区内故障时差动保护具备足够的灵敏度。（1）按照能可靠躲区外故障产生的最大差流来整定母线区外故障时，在差动元件回路中产生的最大差流为其中为最大不平衡电流；为TA的10%误差，取0.1；为保护装置通道传输机调整误差，取0.1；为区外故障瞬间由于各侧TA暂态特性差异产生的误差，取0.1；为区外故障的最大短路电流。即比率制动系数有式中为可靠系数，取0.15-0.2

（2）按确保动作灵敏度来整定当母线出现故障时，其最小故障电流应大于母差保护起动电流的2倍以上，当满足上述条件时，有动作灵敏度系数，取1.5-2.0.3.复合电压闭锁（1）低电压元件的整定电压在母差保护中，低电压闭锁元件的动作电压，应该按照躲正常运行时母线TV二次的最低电压来整定。一般规定电力系统对用户供电电压的变化范围是，实际上，母线电压可能下降到90%-85%的额定电压下运行。同时考虑到母线TV的变比误差2%-3%，母线低电压保护动作电压为在母线上发生三相短路时，母线电压将严重下降，此时电压元件可以正确动作。（2）负序电压元件的动作电压负序电压闭锁元件的动作电压，应该按照躲正常运行时母线TV二次的最大负序电压来整定。即其中为可靠系数，一般取1.3-1.5；为正常运行时母线TV二次侧的最大负序电压，即

(取（2%-3%),取)。

（3）零序电压元件的动作电压零序电压的动作电压与负序电压的动作电压是相同的。

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一、电流比相式母线保护的基本原理图7-5(a)母线外部故障的电流分布图7-5（b）母线内部故障的电流分布二、电流比相式母线保护的特点：（一）电流比相式母线保护只与电流的相位有关，而与电流的幅值无关。因此，既不用考虑采用同型号和同变比的电流的互感器，也不需要考虑不平衡电流的影响等问题，这就提高了保护的灵敏度，增加了使用的灵活性。（二）每条母线都装设这种保护，从而克服了一般母线差动保护不适应母线运行方式改变的缺点。

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双母线同时运行时母线保护的实现一、双母线同时运行时，元件固定连接的电流差动保护双母线同时运行时元件固定连接的电流差动保护单相原理接线图

当固定连接破坏时，能够防止外部故障时差动保护误动作；当母线故障时，保护将失去选择性。外部故障时，流经差动继电器1KD、2KD和3KD的电流均为不平衡电流。而保护装置是按躲过外部故障时最大不平衡电流来整定的，所以保护不会误动作。当I母线故障时，流经差动继电器1KD、3KD的电流为全部故障二次电流，1KD、3KD动作；而2KD的电流为不平衡电流，不动作。外部故障内部故障固定连接破坏原理接线图母线外部故障时的电流分布图母线内部故障电流分布图固定连接破坏内部故障固定连接破坏外部故障二、母联电流相位比较式差动保护

对于母线连接元件经常变化的母线，也可以采用母联电流相位比较式差动保护。

母联电流相位比较式差动保护的基本原理是利用比较总差动电流与母联断路器回路的电流的相位，作为故障母线的选择元件。母联电流相位比较式差动保护的原理接线图见图7-14。

这种保护解决了固定连接方式破坏时，固定连接的母线差动保护无选择性的问题。它不受元件连接方式的影响。总差电流是反应母线故障的总电流，其相位是不变的，而流过母联回路的电流，则随故障点的位置相差180°。当第Ⅰ组母线上故障时，流过母联中的电流是由母线Ⅱ流向母线Ⅰ，其电流分布如图7-15所示。当第Ⅱ组母线上故障时，流过母联中电流是由母线Ⅰ流向母线Ⅱ，其电流分布如图7-16所示。在这两种故障情况下，母联电流的相位相差180°，因此，利用这两个电流的相位比较，可以选出故障母线。母联电流相位比较式差动保护图7-14母联电流相位比较式差动保护的原理接线图(a)交流电流回路(b)直流回路(c)跳闸回路母联电流相位比较式差动保护图7-15Ⅰ母线故障时电流分布

图7-16Ⅱ母线故障时的电流分布电流比相式母线保护的特点：1.保护的工作原理是基于相位比较，而与幅值无关，不需要考虑不平衡电流都问题，提高了保护的灵敏性。2.当连接在母线上的电流互感器型号不同时或者变比不一致时，任然可以采用该保护，放宽了保护的使用条件。母联电流相位比较式母线保护

母联电流相位比较式母线差动保护的原理是比较母线联络断路器回路的电流与总差动电流的相位关系。

与同相位，则判别为I母线上发生了短路故障

与反相位，则判别为II母线上发生了短路故障

这种保护是在具有固定连接元件的母线电流差动保护的基础上改进的成果，他克服了保护缺乏灵活性的缺点，适用于母线连接元件运行方式经常改变的母线保护。保护装置的原理是利用比较母联中的电流与总的差动电流的相位作为故障母线的选择元件。这是因为当І母线上故障时，流过母线的电流是由П母线流向І母线，当П母线上故障时，流过母线的电流是由І母线流向П母线，此时，母联电流的相位变化了，而总的差动电流是反应母线故障的总电流，其相位是不变的。因此，利用这两个电流的相位比较，就可以选择出故障母线。，基于这种原理，只要母线上有故障，不管母线上元件的连接方式如何，只要母联有电流流过，就能够保证正确动作。母联相位差动保护对母线上的元件不需要固定的连接方式，这就是它的主要优点。

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母差保护死区问题

在各种类型的母线差动保护中，存在一个共同的问题，就是保护死区问题。对于双母线的母差保护，当故障发生在母联断路器和母联TA之间时，母线保护的大差出现差流，跳开母联断路器，故障点对于II母属于区外故障，II母小差不会动作，而故障点对于I母则属于区内故障，虽然母联断路器已经跳开，但母联CT仍然可以感受到故障电流，即I母小差会动作跳I母线上所有间隔断路器，且大差差流也仍然存在。实际上故障点并没有被真正切除掉，这就是母联死区故障。一般把母联断路器与母联TA之间这一段范围称为死区。为了避免死区故障的发生，确保电力系统的稳定性，在微机母线保护装置中一般设置有专用的死区保护，用于快速切除母联断路器与母联TA之间的故障，即当：大差以及I母小差动作跳I母线后，大差及I母小差均不返回，则死区保护逻辑启动直接跳II母线所有断路器。反过来，当大差以及II母小差动作跳II母线后，大差及II母小差均不返回，则死区保护逻辑启动直接跳I母线所有断路器。母线死区保护逻辑框图

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一、断路器失灵保护二、母联失灵保护一、断路器失灵保护断路器失灵断路器失灵保护又称后备接线，是指当系统发生故障时，故障元件的保护动作，而且断路器操作机构失灵拒绝跳闸时，通过故障元件的保护作用于同一母线所有有电源的相邻元件断路器使之跳闸切除故障的接线。这种保护能以较短的时限切除同一发电厂或变电所内其他有关的断路器，以便尽快地把停电范围限制到最小。然而，电力系统正常运行时，有时会出现某个元件发生故障，该元件的继电保护动作发出跳闸脉冲之后，断路器却拒绝动作（即断路器失灵）的情况。这种情况可能导致扩大事故范围、烧毁设备，甚至破坏系统的稳定运行。虽然，用相邻元件保护作远后备是最简单、合理的后备方式，既可作保护拒动时的后备，又可作断路器拒动时的后备。但是，这种后备方式在高压电网中由于各电源支路的助增电流和汲出电流的作用，使后备保护的灵敏度得不到满足，动作时间也较长。因此，对于比较重要的高压电力系统，应装设断路器失灵保护。

断路器失灵1.断路器失灵的原因运行经验表明，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、断路器操作机构故障、空气断路器的气压降低或者液压式断路器的液压降低、直流电源消失、以及操作回路故障等，其中发生最多的是液压或者气压降低，操作回路出现故障以及直流电源消失。2.断路器失灵的影响（1）设备损毁或者引起着火。例如变压器出口短路而保护动作后QF拒绝跳闸，将严重损毁变压器，甚至造成变压器起火。（2）扩大停电范围，造成巨大的经济损失。（3）可能使电力系统瓦解。当QF失灵故障时，要靠相邻元件的后备保护切除故障，扩大停电范围，另外由于故障切除时间过长，影响了形同运行的稳定性，也可能使系统瓦解。3.断路器失灵保护对失灵保护的技术要求（1）对双母线接线的失灵保护，当变压器保护起动失灵保护时，应有解除电压闭锁的输入回路。这是因为，当变压器内部或低压侧故障时，失灵保护中的低电压和负序电压的灵敏度可能不够，造成不能开放跳闸回路，跳不开母线上的其它QF。因此，《反措》中明确要求，变压器起动失灵保护要解除复合电压闭锁。（2）失灵保护跳闸时，应同时起动QF的两组跳闸线圈。（3）对用于3/2接线的失灵保护，在保护动作之后，以较短的延时，再次给故障开关一次跳闸脉冲，以较长的延时跳相邻开关。（4）失灵保护动作后，应给线路纵联保护发出允许或闭锁信号，以便使对侧QF跳闸。断路器失灵保护的工作原理

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。失灵保护根据故障开关所在的位置，动作后切除相应母线上的其它开关。在3/2接线的厂、站中，失灵保护是按断路器设置的，当保护动作跳闸，断路器跳不开时，故障开关本身的失灵保护起动，如果故障开关是中间开关，则跳开相邻的两个边开关。如果是边开关故障，则一方面跳开中间开关，另一方面，起动所在母线的母差保护动作，跳开所在母线上的其他开关。按《反措》要求，双母线的失灵保护与母差保护相同，为防止正常运行时保护误动，应设置复合电压闭锁。在发电厂或变电站，无论一次系统是哪种接线形式，均只设置一套失灵保护。断路器失灵保护通常在断路器确有可能拒动的22OkV及以上的电网(以及个别重要的1lOkV电网)中装设。断路器失灵保护的构成原理图断路器失灵保护的逻辑框图断路器失灵保护由四个部分组成：起动回路、失灵判别元件、动作延时元件以及复合电压闭锁元件。双母线断路器失灵保护的逻辑框图（1）失灵起动及判别元件。失灵起动及判别元件由电流起动元件、保护出口动作触点及断路器辅助触点构成。由于断路器失灵保护动作时要切除一段母线上所有连接元件的断路器，而且保护接线中是将所有断路器的操作回路连接在一起，因此，保护的接线必须保证动作的可靠性，以免保护误动作造成严重事故。为此，为提高保护动作的可靠性，要求起动元件同时具备下述两个条件才能启动。(a)故障元件保护的出口继电器动作后不返回。(b)在故障元件的被保护范围内仍存在故障即失灵判别元件起动。当母线上连接的元件较多时，一般采用检查故障母线电压的方式以确定故障仍然没有切除;当连接元件较少或一套保护动作于几个断路器(如采用多角形接线时)以及采用单相合闸时，一般采用检查通过每个或每相断路器的故障电流的方式，作为判别断路器拒动且故障仍未消除之用。

（2）复合电压闭锁元件。复合电压闭锁元件的作用是防止失灵保护误动作，其动作判据为

其中：为母线TV二次相电压；为零序电压（二次值）；为负序电压（二次值）；分别为相电压元件、零序电压元件、以及负序电压元件的动作整定值。在小电流系统中，断路器失灵保护采用的复合电压闭锁元件中，设有零序电压判据。上述三个判据中只要有一个满足动作条件，复合电压闭锁元件就动作，双母线的复合电压闭锁元件有两套，分别用于两条母线所接元件的断路器失灵判据及跳闸回路闭锁。（3）运行方式的识别。运行方式识别回路用于确定失灵断路器接在哪条母线上，从而决定失灵保护该将哪条母线切除。（4）动作延时。根据失灵保护的动作要求，其失灵保护延时有两个：一个是以0.3-0.3s的延时跳母联断路器