繼電保護 第9章母線保護

1、第九章 母線保護第一節(jié) 概述一、 母線保護的作用母線起著匯總和分配電能的作用，為電能供應(yīng)的樞紐。母線一旦發(fā)生故障，母線電壓的降低影響全系統(tǒng)的供電質(zhì)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。若采用母線所連組件的后備保護切除母線故障，動作時間較長，不能保證安全連續(xù)供電，甚至可能造成系統(tǒng)穩(wěn)定性破壞；此外，母線短路故障產(chǎn)生的短路電流很大，保護動作的延時將造成母線設(shè)備的嚴(yán)重損壞，檢修和停電倒母線造成的損失也很大。為此，對于高壓重要母線應(yīng)裝設(shè)專門的快速母線保護。母線保護應(yīng)突出安全性和快速性。高壓重要母線應(yīng)采用兩套主保護，分別裝設(shè)在相距2m以上的不同保護屏上，以防同時受斷路器和隔離開關(guān)頻繁操作使母線保護過電壓和干擾而誤動作，并且

2、通過“與”方式出口，以保證可靠性（安全性和可信賴性）。對于特別重要的母線要求采用三套主保護，通過三取取二表決方式出口。我國國標(biāo)繼電保護及安全自動裝置技術(shù)規(guī)程GB14285-1993規(guī)定：（1） 在110kV的雙母線和220kV及以上的母線上，為保證快速地有選擇性地切除任一組（或段）母線上的故障，而另一組（或段）無故障母線仍能繼續(xù)運行，應(yīng)裝設(shè)專用的母線保護。對于一個半斷路器接線的每組母線應(yīng)裝設(shè)兩套母線保護。（2） 110kV以上的單母線，重要發(fā)電廠的35kV母線或高壓側(cè)為110kV及以上的重要降壓變電站的35kV母線，按照系統(tǒng)的要求必須快速切除母線上的故障時，應(yīng)裝設(shè)專用的母線保護。二、 母線保護

3、的分類母線保護按工作原理可分為以下幾類（1） 用相鄰回路保護實現(xiàn)的母線保護；（2） 電流差動原理母線保護（不完全差動保護和完全差動保護）；（3） 母聯(lián)電流相位比較原理母線保護等。1. 母線保護按差動回路電阻大小分類（1） 低阻抗型母線差動保護；（2） 中阻抗型母線差動保護；（3） 高阻抗型母線差動保護。第二節(jié) 用相鄰回路保護實現(xiàn)的母線保護對于35kV及以下電壓等級的母線，通常不裝設(shè)專門的母線保護，而是利用供電組件的保護來切除母線故障。如圖9-1所示為發(fā)電廠采用單母線接線。母線K點故障可以利用發(fā)電機過電流保護使發(fā)電機的斷路器跳閘來切除。如圖9-2所示為低壓側(cè)母線正常運行時分裂運行的降壓變電站。母

4、線K點故障可以利用相應(yīng)變壓器過電流保護先跳開低壓母線分段斷路器，如果故障不能消失保護不復(fù)歸時再跳開變壓器低壓側(cè)斷路器。如圖9-3所示為雙電源網(wǎng)絡(luò)（或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)），當(dāng)變電站B母線上K點短路時，則可由保護1、4的第段動作切除。利用供電組件的保護的保護裝置切除母線故障時，切除故障的時間一般比較長。另外，當(dāng)雙母線運行或母線為單母線分段運行時，利用遠處供電組件保護裝置不能保證有選擇性地切除故障母線段。母線的方向保護如圖9-4所示。在所有連接于母線的回路上裝設(shè)一個指向母線外部故障的方向組件KPD(KPD2)，當(dāng)母線發(fā)生故障時，回路上所有的短路功率方向均指向母線，這些方向組件均不動作。反之，在母線外部短路時，

5、至少有一條回路上的短路功率方向指向母線外部，由此即可判別母線的內(nèi)部故障和外部故障。這種原理構(gòu)成的母線保護動作速度可以很快，保護裝置利用微機實現(xiàn)時，只要將所有方向組件的動作標(biāo)志送到變電站后臺機，如果母線故障，變電站后臺機立即通過網(wǎng)絡(luò)跳開與故障母線相連的所有斷路器。為了防止方向組件在負荷功率下誤動作，保護裝置還應(yīng)設(shè)置躲過任一連接組件中最大負荷電流的起動元件KA。第三節(jié) 低阻抗型母線差動保護如圖9-5所示為單母線低阻抗型母線差動保護的原理接線，選用的電流互感器TA變比、特性完全相同，則其差動回路阻抗很小，通常只有幾奧姆。母線內(nèi)部短路時，電流互感器TA負擔(dān)小且不會造成二次回路過電壓，但母線外部短路時，

6、全部故障電流流過故障支路的電流互感器而使其嚴(yán)重飽和，導(dǎo)致差動回路不平衡電流很大，因此保護的動作電流必須躲過最大不平衡電流，或外部故障采取制動措施。目前，電流互感器飽和前，帶有制動特性的低阻抗型母線差動保護半個周波內(nèi)，甚至35ms即可動作，在我國有很成熟的運行經(jīng)驗，應(yīng)用十分廣泛。正常運行或母線外部故障時，選擇母線保護的電流互感器具有相同的特性、變比nTA，則理想情況下流入差動繼電器KD的電流，實際流入差動繼電器KD的電流為較小的不平衡電流，保護不動作。當(dāng)母線內(nèi)部故障時，所有與電源連接組件均向母線故障點提供短路電流，則流入差動繼電器KD的電流為故障點總電流的二次值，即此電流能夠使母線保護動作，跳開

7、母線各斷路器。母線差動保護的起動電流按以下兩個條件整定，取其中較大值。（1） 躲開外部故障時的最大不平衡電流。母線所連各組件電流互感器均按10%誤差曲線選擇負載，且差動保護采取措施消除非周期分量的影響，則起動電流為Krel可靠系數(shù)，取1.3；IK.max母線外部任一連接組件故障時，流過該組件的的最大短路電流；nTA母線差動保護電流互感器變比。（2） 躲開正常運行情況下，任一電流互感器二次斷線時的最大負荷電流，即母線差動保護的靈敏系數(shù)按實際運行中可能出現(xiàn)連接組件最少，在母線上故障時的最小短路電流校驗，要求。即這種保護方式適用于單母線或雙母線經(jīng)常只有一組母線運行的情況。如果母線連接有對端無電源的供

8、電線路，則這些線路不會給故障母線提供短路電流，為了簡化接線，可將這些線路不接入保護的差動回路。這種保護方式即不完全差動保護。此時，保護的動作電流應(yīng)躲開這些線路的最大負荷電流之和。第四節(jié) 高阻抗型母線差動保護高阻抗型母線差動保護的原理接線如圖9-6所示，其差動回路中接入數(shù)千歐的高阻抗。外部故障時電流互感器飽和，利用高阻抗限制差動回路中產(chǎn)生的不平衡電流流入繼電器。保護按電流互感器二次電壓的瞬時值工作。如圖9-7所示，當(dāng)母線外部K點故障時，流過故障組件一次電流使電流互感器3TA嚴(yán)重飽和，則很難傳變到二次。同時，由于在外部故障硅雙向開關(guān)SBS斷開狀態(tài)下，繼電器支路呈現(xiàn)高阻抗，二次回路中差動繼電器支路的

9、阻抗R遠高于與之并聯(lián)的3TA電阻加引線電阻Rs和從并聯(lián)點到電流互感器的電纜電阻RL支路的電阻（Rs+2RL），故二次電流幾乎全部流過Rs和RL支路，因而差動回路中差動繼電器支路流過的不平衡電流很小，在差動繼電器上產(chǎn)生的最大峰值UP電壓不足使圖9-6（b）所示繼電器動作。在全偏移電流情況下（電流完全偏于時間軸一側(cè)），繼電器上出現(xiàn)最大峰值電壓時，保護應(yīng)可靠不動作。式中 電流互感器二次工頻對稱正弦電流有效值。內(nèi)部故障時，全部電流互感器的二次電流均通過圖9-6（b）所示端子5、6差動回路繼電器支路的電阻分壓器上。其中R3兩端的電壓加于C和硅雙向開關(guān)SBS上。繼電器支路電壓達到導(dǎo)通電壓時，SBS導(dǎo)通，根

10、據(jù)所加電壓極性的不同，一個周波內(nèi)，晶閘管VTH20、VTH21交替觸發(fā)、導(dǎo)通，將分壓電阻R3短接，繼電器支路呈現(xiàn)很小的阻抗，有效防止繼電器支路過電壓。此時，差動電流在分壓器上產(chǎn)生的電壓向脈沖變壓器T20一次側(cè)放電，二次側(cè)感應(yīng)的脈沖經(jīng)中間電壓變換器T1后整流，再經(jīng)電平檢測、放大回路，使出口繼電器KOM動作并自保持，直至母線斷路器跳閘。高阻抗母線保護不需要采取防止外部故障產(chǎn)生的不平衡電流引起保護誤動作的措施，動作速度很快，但應(yīng)注意內(nèi)部故障時差動回路產(chǎn)生的過電壓對人身和設(shè)備可能造成的危險。目前，高阻抗母線保護在國外得到應(yīng)用。參見GE公司SDB11B母線差動保護裝置說明書。第五節(jié) 中阻抗型母線差動保護

11、中阻抗型母線差動保護如圖9-8所示，母線連接有n條支路，每條支路裝設(shè)一組主電流互感器，經(jīng)過一組輔助電流互感器接于保護回路，使各支路主電流互感器和輔助電流互感器的總變比相同，另外，二次電流經(jīng)輔助電流互感器進一步減小以降低保護回路的功率損耗。差動回路電阻約200左右，與制動回路相配合，可以大大減小外部故障時差動回路產(chǎn)生的不平衡電流，提高保護的靈敏性。同時，內(nèi)部故障時，差動回路的電壓不會超過允許值。1. 正常運行狀態(tài)下正常運行時正半軸的一次、二次電流分布如圖9-8所示，由nTA極性端流出進入整流橋，經(jīng)整流變成直流電流IT進入兩個串聯(lián)電阻構(gòu)成的制動臂，變成IL，通過整流二極管回到1TA的同極性端，形成

12、環(huán)流。根據(jù)克?；舴螂娏鞫?，差動回路電流，因此動作電壓Ud3為零，二極管V2在制動電壓Us的作用下導(dǎo)通，繼電器K被短接，保護不會動作。正常運行時負半軸的一次、二次電流與正半周相反，但IT、IL不變，因而保護也不會動作。2. 母線外部K1點短路當(dāng)母線外部K1點短路時，一次、二次電流分布與正常運行狀態(tài)相同。若故障組件的nTA嚴(yán)重飽和，則，將有不平衡電流流入差動回路，經(jīng)差流變流器TMd變換整流后，在電阻R3上產(chǎn)生動作電壓Ud3。調(diào)整參數(shù)使Ud3<Us，保護仍不會誤動作。3. 母線內(nèi)部K2點短路當(dāng)母線內(nèi)部K2點短路時，各輔助電流互感器的二次電流流入差動回路，不同半周將有或，且制動回路電阻由減小為

13、，因此Ud3>Us，二極管V2截止，V1導(dǎo)通，繼電器K動作，跳開母線斷路器1QFn QF。中阻抗型母線差動保護的制動特性分析和整定計算方法參見：PMH-150（RADSS/S）型母線差動保護裝置說明書。上海繼電器廠。中阻抗型母線差動保護差動回路阻抗較大，有效減小了外部故障時的不平衡電流，且差動回路不會引起太大的過電壓，但保護的整定計算較為復(fù)雜。目前在我國應(yīng)用廣泛。第六節(jié) 雙母線保護發(fā)電廠和重要變電站的高壓母線，一般采用雙母線同時運行、母線聯(lián)絡(luò)斷路器經(jīng)常投入的運行方式，每條母線連接一半的供電和受電組件。母線故障時，為了提高供電的可靠性，要求母線保護具有選擇故障母線的能力，只切除故障母線，保

14、證無故障母線繼續(xù)運行。一、 雙母線同時運行、組件固定連接的電流差動保護如圖9-9所示，雙母線同時運行、組件固定連接的電流差動保護由三組差動保護組成。第一組差動保護由電流互感器1、3、5TA和差動繼電器1KD組成，稱為小差動，用來選擇第組母線上的故障；第二組差動保護由電流互感器3、4、6TA和差動繼電器2KD組成（小差動），用來選擇第組母線上的故障；第三組由電流互感器1、2、3、4、5、6TA和差動繼電器3 KD組成完全電流差動保護（大差動），用來跳開母聯(lián)斷路器和作為母線內(nèi)部故障時整個保護裝置的起動組件。1、 母線正常運行時，每條母線的供電和受電組件的負荷基本平衡，母線聯(lián)絡(luò)斷路器電流為零或很小，

15、差動繼電器1、2、3KD中很小的不平衡電流小于繼電器的動作電流，因此，母線保護不會動作。2、 外部任一點K短路時，一次、二次電流分布如圖9-10（a）所示?？梢?，差動繼電器1、2、3KD中只有不平衡電流，保護可靠不動作。3、 當(dāng)任一組母線K點短路時，一次、二次電流分布如圖9-10（b）所示?？梢?，差動繼電器1、3KD流入全部故障電流，能夠動作；而差動繼電器2KD中只流過不平衡電流，可靠不動作。由圖9-9（b）可知，3KD動作后起動中間繼電器3KM，使母聯(lián)斷路器5QF跳閘并發(fā)出信號，同時給1、2KD提供操作電源。1KD動作后起動中間繼電器1KM，使1、2QF跳閘切除故障母線并發(fā)出母線故障信號。無

16、故障母線繼續(xù)運行。母線故障時的分析方法與前述相同。4、 母線的固定連接方式改變，如1QF需要檢修，將線路L1由母線切換到母線時，由于差動保護的二次回路不能隨著切換，破壞了保護的構(gòu)成原理，通過分析可知，保護將無選擇地切除兩組母線。這種原理構(gòu)成的母線差動保護限制了電力系統(tǒng)運行調(diào)度的靈活性。二、 雙母線同時運行的母聯(lián)相位差動保護*保護裝置的原理接線如圖9-11所示，主要由總差動電流回路、相位比較回路和相應(yīng)的繼電器組成。保護裝置根據(jù)總差動電流的大小判別母線內(nèi)部、外部故障并作為母線內(nèi)部故障時保護裝置的起動組件，通過比較母聯(lián)電流相位與總差動電流相位來選擇故障母線。按此原理構(gòu)成的母線保護不受母線連接組件運行

17、方式變化的影響。如圖9-11（a）所示，電流繼電器KA作為保護內(nèi)部故障的起動組件接于總差動回路。故障母線選擇組件采用磁合成原理構(gòu)成的電流相位比較式繼電器。電流相位比較式繼電器是由中間變流器TAM、整流濾波回路VU1、C1、和VU2、C2以及極化繼電器1KP、2KP組成，可以雙向動作，按幅值比較方式比較總差動電流和母聯(lián)電流的相位。將比較相位的兩個電流和轉(zhuǎn)化為比較幅值的兩個量和。在中間變流器TAM右邊柱上，磁通為，在二次繞組W2中輸出電壓；在左邊柱上，磁通為，W3中輸出電壓。整流、濾波后即可得到幅值比較的兩個電壓U2和U3。如圖9-11（b）所示，相位比較組件的執(zhí)行組件為極化繼電器1KP、2KP，

18、電流從極性端流入，繼電器動作；反之，繼電器制動。U2接1KP的工作繞組和2KP的制動繞組，而U3接2KP的工作繞組和的制動繞組。當(dāng)?shù)诮M母線故障時，和同相位，1KP中工作電流大于制動電流，2KP中制動電流大于工作電流，1KP動作，2KP不動作；反之，第組母線故障時，和相位相反，2KP動作，1KP不動作。正常運行及母線外部故障時，差動回路只有不平衡電流，起動組件KA不動作，通過電阻R3及KA的常閉接點給1KP和2KP的兩組制動繞組附加制動電流，閉鎖相位比較回路，保護可靠不動作。母線內(nèi)部故障時，差動回路電流為故障點電流，大于繼電器KA的動作電流，繼電器KA動作后，其常開接點起動中間繼電器5KM，跳開

19、母聯(lián)斷路器5QF，并接通中間繼電器14KM的正電源，同時，其常閉接點解除對1KP和2KP的閉鎖。如圖9-11（c）所示，當(dāng)母線故障時，選擇組件1KP動作，其接點經(jīng)電壓閉鎖繼電器KV1的常閉接點起動中間繼電器1KM和2KM，使斷路器1QF及2QF跳閘。當(dāng)母線故障時，其接點經(jīng)電壓閉鎖繼電器KV2的常閉接點起動中間繼電器3KM和4KM，將斷路器3QF及4QF跳閘。為了反應(yīng)各種故障，KV1、KV2分別接在兩組母線電壓互感器的二次線電壓上。實際中，常采用復(fù)合電壓閉鎖。當(dāng)母聯(lián)斷路器因故退出運行時，由于IM=0，選擇組件將無法工作，此時，可投入人工刀開關(guān)QK，解除1KP和2KP的作用。將電壓或復(fù)合電壓閉鎖繼

20、電器適當(dāng)整定后，即可選擇故障母線。如圖9-11（b）所示，由于系統(tǒng)運行方式的需要，各連接組件斷路器跳閘回路中均裝設(shè)切換連接片XS，根據(jù)連接片位置的不同，可由任一組母線保護跳閘中間繼電器斷開某組件的斷路器。三、 斷路器失靈保護簡介電力系統(tǒng)運行中發(fā)生故障時，有時會出現(xiàn)繼電保護動作發(fā)出跳閘命令，而斷路器失靈不能跳閘，導(dǎo)致設(shè)備燒毀、擴大事故范圍，甚至破壞系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的情況。為了防止這種情況的發(fā)生，應(yīng)采用斷路器失靈保護。斷路器失靈保護是繼電保護動作、斷路器拒動時，能夠以較短時限切除同一發(fā)電廠或變電站內(nèi)其它有關(guān)斷路器，將故障部分隔離，并使停電范圍最小的一種近后備保護。為此，DL400-1991繼電保護和

21、安全自動裝置技術(shù)規(guī)程規(guī)定：在220500kV電力網(wǎng)中以及110kV電力網(wǎng)的個別重要部分，可按下列規(guī)定裝設(shè)斷路器失靈保護：（1） 線路保護采用遠后備方式，且斷路器確有可能拒動時；對220kV500kV分相操作的斷路器，可只考慮斷路器單相拒動的情況。（2） 線路采用遠后備方式，且斷路器確有可能拒動，如果其它線路或變壓器的后備保護切除故障，將擴大停電范圍（例如采用多角形接線、雙母線或分段單母線時），并引起嚴(yán)重后果時。（3） 如斷路器和電流互感器之間距離較長，在其間發(fā)生故障不能由該回路主保護切除，而由其它線路或變壓器的后備保護切除故障又將擴大停電范圍并引起嚴(yán)重后果時。斷路器失靈保護的構(gòu)成原理接線如圖9

22、-12所示。所有連接于段的組件保護裝置，當(dāng)其出口中間繼電器1KM、2KM動作于跳開本身斷路器的同時，起動斷路器失靈保護中的公用時間繼電器KT，其動作延時大于故障組件斷路器的跳閘時間和保護裝置的返回時間之和。因此，斷路器失靈保護并不影響原有保護裝置對故障的正常切除。例如，出線K點發(fā)生故障，保護裝置出口中間繼電器1KM動作后1QF拒動時，起動斷路器失靈保護的時間繼電器KT，經(jīng)過一定的延時，起動中間繼電器3KM，使母線上所有有電源的斷路器2QF、3QF跳閘，切除K點故障，起到1QF失靈拒動時的后備作用。如果斷路器失靈保護誤動作，將引起嚴(yán)重后果。因此，斷路器失靈保護必須同時具備以下兩個條件時，才能投入

23、工作：（1） 故障組件的保護裝置出口繼電器動作后不返回，如圖9-12中，1KM、2KM的常開接點一直處于閉合狀態(tài)。（2） 在被保護范圍內(nèi)仍然存在著故障。當(dāng)母線連接組件較多時，通常采用檢查電壓的方法來判斷故障是否切除，以此來確定斷路器失靈保護的工作狀態(tài)，其構(gòu)成原理如圖9-13所示。對于保護動作于多個斷路器或采用單相重合閘時，還可以采用檢查每相斷路器故障電流的方式來判定斷路器是否拒動。由于斷路器失靈保護是在出線保護動作后才開始計時，因而其動作時限應(yīng)與其它保護的動作時限相配合，通常取0.30.5s。第七節(jié) 一個半斷路器接線的母線保護一、 雙母線接線方式的特點雙母線具有投資設(shè)備少，一次回路操作比較靈活

24、，繼電保護和自動裝置接線簡單、可靠等優(yōu)點。但也存在一些不足。例如，在母聯(lián)斷路器兼做旁路斷路器，或旁路斷路器兼做母聯(lián)斷路器的情況下，雙母線將以單母線方式運行，若此時母線發(fā)生短路，將使雙母線全部停電。此外，高壓斷路器檢修通常需要半個月以上，這樣，雙母線在一年中將有很長時間以單母線方式運行，相對降低了供電的可靠性。在采用雙母線的變電站中，母聯(lián)斷路器通常處于合閘狀態(tài)，即按分段單母線運行。當(dāng)一組母線故障，將有約一半的連接組件停電，若同時伴隨母聯(lián)斷路器失靈或故障發(fā)生在母聯(lián)斷路器和電流互感器之間的保護死區(qū)，則會造成變電站全部停電。目前，對于500kV變電站和220kV樞紐變電站，要求在母線發(fā)生短路時不影響變

25、電站的連續(xù)供電；在母線短路伴隨斷路器失靈時，要求停電范圍最小。因此，對于220kV及以上的重要變電站，如串?dāng)?shù)為3串以上時，推薦采用如圖9-14所示的一個半斷路器母線接線方式。二、 一個半斷路器母線接線方式的特點1. 一個半斷路器母線接線方式的優(yōu)點（1） 在任一斷路器檢修時不影響所連接元件的連續(xù)供電，不需要進行倒閘操作，可以減少一次回路誤操作的機會。（2） 當(dāng)進行母線檢修或清掃時，不需要進行復(fù)雜操作。（3） 當(dāng)一組母線發(fā)生短路時，母線保護動作后只跳開與該母線相連的所有斷路器，不會使任何連接元件停電。（4） 任一組母線或任一連接元件發(fā)生短路并伴隨斷路器失靈（拒動）時，失靈保護動作后需要跳開斷路器的

26、數(shù)量少，不會引起全廠或全站停電。下面分三種情況說明：1） 如圖9-15（a）所示線路L1的K點發(fā)生短路，保護應(yīng)跳開1QF、2QF，若1QF失靈，失靈保護動作后，跳開母線上的所有斷路器4、7QF，因此除線路L1外，其它連接元件都不停電。2） 同理，如圖9-15（b）所示，線路L1的K點發(fā)生短路并伴隨2QF失靈，失靈保護動作后，跳開3QF，因此除同一串的線路L1和變壓器T1兩個連接元件外，其它連接元件均不停電。3） 如圖9-15（c）所示，母線上的K點發(fā)生短路，保護應(yīng)跳開1QF、4QF、7QF，若1QF失靈，失靈保護動作后，跳開斷路器2QF，因此除與故障母線相連且斷路器失靈的連接元件外，其它連接元件均不停電。注：白色方框表示斷路器處于閉合狀態(tài)，黑色方框表示斷開狀態(tài)，方框打叉表示拒動狀態(tài)。（5） 在一個半母線接線方式中，各隔離開關(guān)只作為檢修斷路器時隔離用，不需要象雙母線接線方式中那樣進行倒閘操作，因此減少了隔離開關(guān)誤操作的機會。（6） 由于不需要裝設(shè)旁路開關(guān)，變電站一次回路的布置清晰，配電裝置占地面積小，消耗材料少。（7） 由于不采用旁路斷路器代替線路斷路器的工作方式，因而不需要對線路保護進行切換或重新整定，簡化了繼電保護的接線和運行。2. 一個半斷路器母線接線方式存在的問題（1） 如果進出線數(shù)目為n，采用雙母線接線時，需用的斷路器數(shù)為n+2，而一個半斷路器母線接線方式下，需用1.