第九章母線保護(hù)20230410

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第一節(jié)裝設(shè)母線保護(hù)的基本原則

一、母線保護(hù)的作用

母線是電能集中與分派的重要環(huán)節(jié)，它的安全運(yùn)行對(duì)不休止供電具有極為重要的意義。母線故障是發(fā)電廠和變電所中電氣設(shè)備最嚴(yán)重的故障之一，將使連接在故障母線上的所有元件在修復(fù)故障母線期間或是轉(zhuǎn)換到另一組無故障的母線上運(yùn)行以前被迫停電。而且，在電力系統(tǒng)樞紐變電所的母線上發(fā)生故障時(shí)，有可能引起系統(tǒng)穩(wěn)定的破壞，造成電力系統(tǒng)解列、大面積停電甚至崩潰，所以必需針對(duì)母線故障設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)裝置。

低壓電網(wǎng)中發(fā)電廠或變電所母線大多采用單母線，與系統(tǒng)的電氣距離較遠(yuǎn)，母線故障不至于對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定和供電可靠性帶來嚴(yán)重影響，所以可以不裝設(shè)專門的母線保護(hù)，利用供電元件的保護(hù)裝置來切除母線故障。例如：

（1）如圖9-1所示的發(fā)電廠采用單母線接線，此時(shí)母線上的故障可以利用發(fā)電機(jī)的過電流保護(hù)使發(fā)電機(jī)的斷路器跳閘而予以切除。

k

圖9-1利用發(fā)電機(jī)的過電流保護(hù)切除母線故障

（2）如圖9-2所示的降壓變電所，其低壓側(cè)的母線正常時(shí)分列運(yùn)行，低壓母線上的故障可以由相應(yīng)變壓器的過電流保護(hù)使變壓器的斷路器跳閘予以切除。

電源k

圖9-2利用變壓器的過電流保護(hù)切除低壓母線故障

（3）如圖9-3所示的雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)（或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)），當(dāng)變電所F母線上k點(diǎn)短路時(shí)，可以由保護(hù)1和4的第Ⅱ段動(dòng)作予以切除，等等。

EG12kF43圖9-3在雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)上，利用電源側(cè)的保護(hù)切除母線故障

由于供電元件快速動(dòng)作的保護(hù)如差動(dòng)保護(hù)，不能反應(yīng)母線故障，所以利用供電元件的保護(hù)裝置切除母線故障時(shí)，故障切除的時(shí)間一般較長(zhǎng)。此外，當(dāng)雙母線同時(shí)運(yùn)行或母線為分段單母線時(shí)，上述保護(hù)不能保證有選擇性地切除故障母線。

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模和容量的不斷擴(kuò)大，目前對(duì)高壓重要母線普遍裝設(shè)專門的快速保護(hù)。具體而言，在以下狀況下應(yīng)當(dāng)裝設(shè)專門的母線保護(hù)：

（1）在110kV及以上的雙母線和分段單母線，為保證有選擇性地切除任一組（或段）母線上所發(fā)生的故障，而另一組（或段）無故障的母線仍能繼續(xù)運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)裝設(shè)專用的母線保護(hù)。對(duì)于3／2斷路器接線的每組母線應(yīng)當(dāng)裝設(shè)兩套母線保護(hù)。

（2）110kV及以上的單母線，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所的35kV母線，依照系統(tǒng)的要求必需快速切除母線上的故障時(shí)，應(yīng)當(dāng)裝設(shè)專用的母線保護(hù)。

由于母線在電力系統(tǒng)中的地位極為重要，母線故障對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定將造成嚴(yán)重要挾，必需以極快的速度予以切除。而且，母線的連接元件好多，實(shí)現(xiàn)母線保護(hù)需將所有接于母線各回路的保護(hù)二次回路﹑跳閘回路聚集在一起，結(jié)構(gòu)繁雜，極易由于一個(gè)元器件或回路的故障，特別是人為的誤碰誤操作造成母線保護(hù)誤動(dòng)作，使大量電源和線路被切除，造成巨大損失。由于上述原因，對(duì)母線保護(hù)的要求應(yīng)當(dāng)突出安全性和快速性。同時(shí)在設(shè)計(jì)母線保護(hù)時(shí)還應(yīng)當(dāng)注意以下問題：

（1）由于母線保護(hù)所連接的支路多，外部故障時(shí)，故障電流大，而且超高壓母線接近電源，直流分量衰減的時(shí)間常數(shù)大，因此電流互感器可能出現(xiàn)深度飽和的現(xiàn)象。母線保護(hù)必需要采取措施，防止因電流互感器飽和導(dǎo)致誤動(dòng)作；

（2）母線的運(yùn)行方式變化較多，倒閘操作頻繁，特別是雙母線接線，隨著運(yùn)行方式的變化，母線上各連接元件經(jīng)常在兩條母線上切換。母線保護(hù)必需能適應(yīng)運(yùn)行方式的變化。

二、母線保護(hù)的分類

1．按母線保護(hù)的原理分類，可分為電流差動(dòng)母線保護(hù)和電流比相式母線保護(hù)。

構(gòu)成電流差動(dòng)母線保護(hù)的基本原則是：在正常運(yùn)行以及母線范圍以外故障時(shí)，在母線上所有連接元件中，流入的電流和流出的電流相等，差動(dòng)回路的電流為零，可以表示為

?I?0；當(dāng)母線內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，

所有與電源連接的元件都向故障點(diǎn)供給短路電流，而供電給負(fù)荷的連接元件中電流很小或等于零，差動(dòng)回路的電流為短路點(diǎn)的總電流IK，即

?I?IK。

構(gòu)成電流比相式母線保護(hù)的基本原則是：在正常運(yùn)行及母線外部故障時(shí)，至少有一個(gè)母線連接元件中的電流相位和其余元件中的電流相位是相反的，具體說來，就是電流流入的元件和電流流出的元件中電流的相位相反；當(dāng)母線故障時(shí)，除電流等于零的元件以外，其它元件中的電流是基本上同相位的。

2．按母線差動(dòng)保護(hù)中差動(dòng)回路的電阻大小分類，可以分為低阻抗型﹑中阻抗型和高阻抗型母線差動(dòng)

保護(hù)。

常規(guī)的母線差動(dòng)保護(hù)是低阻抗型的，即差動(dòng)回路的阻抗很小，只有數(shù)歐姆。其優(yōu)點(diǎn)是在內(nèi)部故障時(shí)，當(dāng)全部故障電流流經(jīng)阻抗很低的差動(dòng)回路，差動(dòng)回路上的電壓不會(huì)很大，不會(huì)由于增大電流互感器的負(fù)擔(dān)而使電流互感器飽和并產(chǎn)生很大的不平衡電流，同時(shí)也不會(huì)造成保護(hù)回路過電壓。但在外部故障時(shí)，全部故障電流流過故障支路的電流互感器而使其飽和，此時(shí)將產(chǎn)生很大的不平衡電流。為了使保護(hù)不誤動(dòng)，保護(hù)定值應(yīng)按躲過此不平衡電流整定，或采取制動(dòng)措施。

高阻抗母線差動(dòng)保護(hù)是在差動(dòng)回路中串入一高阻抗，其值可在數(shù)百歐姆以上，因而在外部故障使電流互感器飽和時(shí)，可減小差動(dòng)回路的不平衡電流，因而不需要制動(dòng)。但在內(nèi)部故障時(shí)，差動(dòng)回路可產(chǎn)生危險(xiǎn)的過電壓，必需用過電壓保護(hù)回路減小此過電壓，以保證既能使保護(hù)裝置正確動(dòng)作，又不會(huì)因過電壓而損壞。

中阻抗母線差動(dòng)保護(hù)實(shí)際上是上述兩種母線差動(dòng)保護(hù)的折衷方案。在差動(dòng)回路接入一定的阻抗（約200?），采用特別的制動(dòng)回路既能減小不平衡電流的影響，又不產(chǎn)生危險(xiǎn)的過電壓，不需要專門的過電壓保護(hù)回路。

3．按母線的接線方式分類，可以分為單母線分段、雙母線、雙母線帶旁路母線（專用旁路母線或母聯(lián)兼旁路母線）、雙母線單分段、雙母線雙分段、3/2接線母線等的母線保護(hù)。橋式接線和四邊形接線母線不采用專門的母線保護(hù)。

目前數(shù)字式母線差動(dòng)保護(hù)采用電流差動(dòng)保護(hù)原理，通過專門的TA飽和識(shí)別和閉鎖輔助措施，能有效地防止TA飽和引起的誤動(dòng)。適用于單母線、雙母線，3/2接線母線等各種母線接線，因此在我國電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

其次節(jié)電流差動(dòng)母線保護(hù)

一、電流差動(dòng)母線保護(hù)的基本原理以單母線完全電流母線差動(dòng)保護(hù)為例，原理接線如圖9-4所示。所謂完全差動(dòng)是所有接于母線的支路，不管該支路對(duì)端是否有電源，都將其電流接入差動(dòng)回路，因而這些支路的元件發(fā)生故障（電流互感器以外）都不在母線差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)。完全母差保護(hù)在母線的所有連接元件上裝設(shè)具有一致變比和磁化特性的電流互感器。所有互感器的二次繞組在母線側(cè)的端子相互連接，另一側(cè)的端子也相互連接，然后接入差動(dòng)回路。差動(dòng)回路中的電流即為各個(gè)二次電流的相量和。

1QF2QF3QFnQFId1TA?I1?2TA?I2?3TA?I3?nTA?In?mni?1?Ii'n??1??2??3??n

?圖9-4單母線電流差動(dòng)母線保護(hù)原理

在正常運(yùn)行和外部短路時(shí)一次側(cè)電流總和為零，母線保護(hù)用的電流互感器必需具有一致的變比nTA，

才能保證二次側(cè)的電流總和也為零。因各互感器的特性不可能絕對(duì)一致，在正常運(yùn)行及外部故障時(shí)，流入差動(dòng)回路的是由于各互感器的特性不同而產(chǎn)生的不平衡電流Iub；而當(dāng)母線上故障時(shí)，則所有與電源連接的元件都向短路點(diǎn)k供給短路電流，于是流入差動(dòng)回路的電流為：

?1???1???I1??I2??I3??Ik(I1?I2?I3)?Ik

nTAnTA????Ik即為故障點(diǎn)的全部一次短路電流，此電流足夠使保護(hù)裝置動(dòng)作，從而使所有連接元件的斷路器跳閘。

差動(dòng)保護(hù)的起動(dòng)電流應(yīng)按如下條件整定，并選擇其中較大的一個(gè)：

（1）躲開外部故障時(shí)所產(chǎn)生的最大不平衡電流，當(dāng)所有電流互感器的負(fù)載均按10﹪誤差的要求選擇，且差動(dòng)回路采用配有速飽和變流器或其它抑制非周期分量的措施時(shí)，有

Iset?KrelIub?max?Krel?0.1Ik?max/nTA（9-1）

式中，Krel為可靠系數(shù)，可取為1.3；Ik?max為在母線范圍外任一連接元件上短路時(shí)，流過該元件電流互感器的最大短路電流；nTA為母線保護(hù)所用電流互感器的變比。

（2）由于母線差動(dòng)保護(hù)電流回路中連接的元件較多，接線繁雜，因此，電流互感器二次回路斷線的幾率比較大，為了防止在正常運(yùn)行狀況下，任一電流互感器二次回路斷線時(shí)引起保護(hù)裝置誤動(dòng)作，起動(dòng)電流應(yīng)大于任一連接元件中的最大負(fù)荷電流IL?max，即

Iset?KrelIL?max/nTA（9-2）

當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)部故障時(shí)，應(yīng)采用下式校驗(yàn)靈敏系數(shù)

Ksen?Ik?min

IsetnTA（9-3）

式中Ik?min應(yīng)采用實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的連接元件最少時(shí)，在母線上發(fā)生故障時(shí)的最小短路電流值。一般要求靈敏系數(shù)不低于2。這種保護(hù)方式適用于單母線或雙母線經(jīng)常只有一組母線運(yùn)行的狀況。

二、母線差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)特性

目前廣泛使用的微機(jī)母線差動(dòng)保護(hù)均采用分相完全電流差動(dòng)保護(hù)原理。為了解決外部故障時(shí)的不平衡電流問題，微機(jī)母線差動(dòng)保護(hù)引入制動(dòng)特性。比率制動(dòng)特性母線電流差動(dòng)保護(hù)的判據(jù)為

Id?Id.min,Id?KresIres當(dāng)Ires?Ires1???（9-4）

,當(dāng)Ires?Ires1??n?i?1式中，Id為差動(dòng)電流，即所有連接元件的電流相量為?Ii，Ires為制動(dòng)電流，Id.min為最小動(dòng)作電流，Ires1為拐點(diǎn)電流，Kres為比例制動(dòng)系數(shù)，即Kres?tg?，如圖9－5所示。

IdId?min?Ires1Ires

圖9-5母線差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作特性

普通比率制動(dòng)特性母線差動(dòng)保護(hù)利用穿越性故障電流作為制動(dòng)電流戰(zhàn)勝差動(dòng)不平衡電流，以防止在外部短路時(shí)差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)作，即

Ires??Ii（9-5）

i?1n?由于在母線內(nèi)部短路時(shí)，差動(dòng)回路中也有制動(dòng)電流，特別是在11斷路器接線的母線中可能有部分故2障電流流出母線，加大了制動(dòng)量，在此種狀況下普通比率制動(dòng)特性母線差動(dòng)保護(hù)的靈敏度將有所下降。為了提高比率制動(dòng)特性母線差動(dòng)保護(hù)的靈敏性，希望進(jìn)一步降低在發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)的制動(dòng)電流。為此提出的復(fù)式比率制動(dòng)特性的制動(dòng)電流取為

Ires??Ii?i?1n??Ii?1n?i（9-6）

此外，還可以利用故障分量實(shí)現(xiàn)母線差動(dòng)保護(hù)，故障分量比率制動(dòng)特性可以避免故障前的負(fù)荷電流對(duì)比率制動(dòng)特性產(chǎn)生的不良影響，從而提高母線差動(dòng)保護(hù)的靈敏度。

三、母線差動(dòng)保護(hù)的抗TA飽和措施

影響母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作正確性的關(guān)鍵是TA飽和的問題。在TA飽和不是十分嚴(yán)重時(shí)，比率制動(dòng)特性可以保證母線差動(dòng)保護(hù)不誤動(dòng)作；但當(dāng)TA進(jìn)入深度飽和時(shí)，此方法仍不能避免保護(hù)誤動(dòng)，需要采用其它專門的抗TA飽和的方法。在傳統(tǒng)的母線差動(dòng)保護(hù)中采用在差動(dòng)回路中串入阻抗的措施，根據(jù)阻抗的大小可分為中阻抗方式和高阻抗方式，其中以中阻抗母線差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用較為廣泛。如RADSS母線差動(dòng)保護(hù)就是基于中阻抗保護(hù)方案的。在微機(jī)母線保護(hù)中廣泛采用了同步識(shí)別法、波形對(duì)稱原理、諧波制動(dòng)原理等方法來解決TA飽和的問題。

1.傳統(tǒng)母線差動(dòng)保護(hù)在差動(dòng)回路接入阻抗的方法

在母線發(fā)生外部短路時(shí)，一般狀況下非故障支路電流不很大，它們的TA不易飽和。但是故障支路電流集各電源支路電流之和，可能十分之大，它的