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母线保护基础知识技术培训资料


母线保护 第一节 概述 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, 是汇集电能及分配电能的 重要设备。 一 母线的接线方式 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,连接元件的数量及其他条件,选择最适宜的接线方式。 1 单母线和单母线分段 单母线及单母线分段的接线方式如图 12-1 所示。
母线

/>QF1

QF2

(b) 单母线分段 图 12-1 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。 2 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 12-2 所示。

(a) 单母线

3

图 12-2 双母线接线 在图中:QF1~QF4-出线断路器; QF5-母联断路器。 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 12-3 所示。

1

QF1

QF 2

QF 4

QF3

图 12-3 在图中:QF1~QF4-出线断路器。 4
3 断路器母线 2

角形接线母线

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 断路器母线
2

的接线方式。其接线如图 12-4 所示。

I母

QF 1 QF2 QF 3

QF4

QF5 QF6
II母

图 12-4

3 断路器母线接线方式 2

在图 12-4 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。 母线的故障 在大型发电厂和枢纽变电站,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。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。 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。 母线保护 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 三 二

2

常必要的。 1 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。 2 对电流互感器的要求 母线保护应接在专用 TA 二次回路中, 且要求在该回路中不接入其他设备的保护装置或 测量表计。TA 的测量精度要高,暂态特性及抗饱和能力强。 母线 TA 在电气上的安装位置,应尽量靠近线路或变压器一侧,使母线保护与线路保护 或变压器保护有重叠保护区。 3 与其他保护及自动装置的配合 由于母线保护关联到母线上的所有出线元件,因此,在设计母线保护时,应考虑与其他 保护及自动装置相配合。 (1)母差保护动作后作用于纵联保护停信(对闭锁式保护而言) 当母线发生短路故障(故障点在断路器与 TA 之间)或断路器失灵时,为使线路对侧的 高频保护迅速作用于跳闸,母线保护动作后应使本侧的收发信机停信。 (2)闭锁线路重合闸 当发电厂或重要变电站母线上发生故障时, 为防止线路断路器对故障母线进行重合, 母 线保护动作后,应闭锁线路重合闸。 (3)起动断路器失灵保护 为使在母线发生短路故障而某一断路器失灵或故障点在断路器与 TA 之间时, 失灵保护 能可靠切除故障,在母线保护动作后,应立即去启动失灵保护。 (4)短接线路纵差本侧电流回路 对输电线路,为确保线路保护的选择性,通常配置线路纵差保护。当母线区内发生故障 时,为使线路对侧断路器能可靠跳闸,母线保护动作后,应短接线路纵差保护的电流回路, 使其可靠动作,去切除对侧断路器。 (5)使对侧平行线路电流横差保护可靠不动作 当平行线路上配置有电流横差保护时 (两回线分别接在两条母线上) 母线保护动作后, , 应闭锁横差保护。 四 大型发电厂及枢纽变电站母线保护装置中含保护的类别 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、 母联失灵保 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。

第二节 母线差动保护 在母线保护中最主要的是母差保护 一 母差保护的分类

3

就其作用原理而言, 所有母线差动保护均是反映母线上各连接单元 TA 二次电流的向量 和的。当母线上发生故障时,各连接单元的电流均流向母线;而在母线之外(线路上或变压 器内部)发生故障,各连接单元的电流有流向母线的,有流出母线的。母线上故障母差保护 应动作,而母线外故障母差保护可靠不动作。 若按母差保护差动回路中的阻抗分类, 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。 本节介绍国产微机电流型母差保护、中阻抗母差保护及高阻抗母差保护。 二 1 微机电流型母线差动保护 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

∑ I&
j =1

n

j

=0

……………………………………………………(12-1)

; 式中:n-正整数(母线联接单元数)
& I j -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, 各电流的向量和等 于零。 当母线上发生故障时

∑ I&
j =1

n

j

≥ I op

……………………………………………………(12-2)

保护动作。 式中: I op -差动元件的动作电流;
& I j 的物理意义同式(12-1) 。

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。 双母线或单母线分段一相母差保护的逻辑框图如图 12-5 所示。

4

图 12-5 双母线或单母线分段母差保护逻辑框图(以一相为例) 由图 12-5 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,立即将母差保护出口短 暂闭锁。 2 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
? ? ? ? ? ? ? ? ?

∑ I&
j =1 n

n

j

≥ I 0 po

………………………………………………..(12-3)
j

∑ I&
j =1

≥S

∑ I&
j =1

n

j

式中:n-其值为正整数;
I j -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; I 0 po -小差元件的启动电流。

(2)动作特性 根据式(12-3)的动作方程,绘制出的动作特性曲线如图 12-6 所示。
Id

α2

α1

I opo
Ires

图 12-6

差动元件的动作特性图

5

在图中: I d -差动电流, I d =

∑ I&
j =1

n

j



& Ires -制动电流, I res = ∑ I j ;
j =1

n

∑ I&
α1 -整定的动作曲线与 Ires 轴的夹角, α1 = arctg

n

j


j =1

j =1 n


& Ij

即 α 2 -动作特性曲线的上限与 Ires 轴的夹角,


j =1

n

& Ij =

∑ I&
j =1

n

j

时动作特性曲线

与 Ires 轴的夹角,显然, α 2 =450,或 tgα 2 = 1 。 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

∑ I&
j =1

n

j



可能大于

∑ I&
j =1

n

j

,故差动元件不可能工作于 α 2 =450 曲线的上方。因此将 α 2 =450 曲线的上

方称之无意义区。 3 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, 大差比率制动系数采用低定值,当两段母线并列运行时,大差比率制动系数采用高定值。而 小差元件则固定取比率制动系数高定值。 4 启动元件 为提高母差保护的动作可靠性,设置有专用的启动元件,只有在启动元件启动之后,母 差保护才能动作。 不同型号母差保护,采用的启动元件有差异。通常采用的启动元件有:电压工频变化量 元件、电流工频变化量元件及差流越限元件。 (1)电压工频变化量元件 当两条母线上任一相电压工频变化量大于门坎值时, 电压工频变化量元件动作, 去启动 母差保护。动作方程为 …………………………………………….(12-4) ?U ≥ ?UT + 0.05U N 式中: ?U -相电压工频变化量瞬时值; ; U N -额定相电压(TV 二次值) ?U T -浮动动作门坎值。 (2)电流工频变化量元件 当相电流工频变化量大于门坎值时,电流工频变化量元件动作,去启动母差保护。动作

6

方程为
?I ≥ KI N

…………………………………………….(12-5)

式中: ?I -相电流工频变化量瞬时值; I N -标称额定电流; K-小于 1 的常数。 (3)差流越限元件 当某一相大差元件测量差流大于某一值时,差流越限元件动作,去启动母差保护。动作 方程为

∑ I&
j =1

n

j

′ ≥ I opo

…………………………………………….(12-6)

式中: I′ -差动电流启动门坎值; opo
Id =

∑ I&
j =1

n

j

-大差元件某相差动电流。

当上述各启动元件动作后,均将动作展宽 0.5 秒。 5 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: (I)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。 (II)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。 (III)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。 (IV)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。 (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

7

TA 饱和的方法称作同步识别法。 (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 ?Z 。所谈的变化量阻抗 ?Z ,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; TA 饱和之后, 当 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 ?Z 。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。 (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短暂闭锁,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, S 有 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 区内故障,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。 (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。 6 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
?U Φ ≤ U op ? ? ?3U 0 ≥ U 0op ? ?U 2 ≥ U 2op ?

…………………………………………………(12-7)

8

式中: U Φ -相电压(TV 二次值) ; 3U 0 -零序电压,在微机母差保护中,利用 TV 二次三相电压自产; ; U 2 -负序相电压(二次值)
U op -低电压元件动作整定值; U 0op -零序电压元件动作整定值; U 2op -负序电压元件动作整定值。

复合电压元件逻辑框图如图 12-7 所示。
UΦ ?
3U 0 ?
U2?

图 12-7 复合电压元件逻辑框图 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。 中阻抗母差保护 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,抗故障时 TA 饱和的能力强。 1 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 12-8 所示。 三

图 12-8 中阻抗差动继电器原理接线图 在图 12-8 中:T1、T2-辅助变流器;

9

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。 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 I&1 、 I&2 的流向如图 12-8
′ 所示,则辅助变流器 T1 二次电流 i1 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 i2

由 T2 二次极性端流出,经二极管 D2、电阻 Rs 2 、电阻 Rc、GLJ 元件、TM 一次回到 T2 的
′ ′ 非极性端。此时,由于电流 i1 与 i2 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。 当母线上发生故障时, 出线单元上电流 I&2 的流向将发生变化, 由流出母线变成流入母线,
′ ′ ′ 从而使电流 i2 的流向发生变化。 此时,i2 与 i1 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 i1 及 i2 的向量和,而 Us ′ ′ 决定于 i1 及 i2 绝对值的和。 2 动作方程 启动元件的动作方程

∑ I&
j =1 n

n

j

≥ I Lop

…………………………………………………….(12-8)

动作元件的动作方程


j =1

& Ij ≥ S

∑ I&
j =1

n

j

+ I hop

……………………………………….(12-9)

式中: I& j -为第 j 个连接元件的电流;
10

I Lop -启动元件的动作电流; I hop -动作元件的最小动作电流; S -比率制动系数。

根据式(12-8)及式(12-9)并考虑到 特性如图 12-9 所示。


j =1

n

& I j 不可能大于

∑ I&
j =1

n

j

,绘出的中阻抗保护动作

450

图 12-9 图中: I d -为差电流;
S -制动系数; I res -制动电流;

中阻抗保护的动作特性

其他符号的物理意义同式(12-8)及式(12-9) 。 在图 12-9 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 3


j =1

n

& Ij =

∑ I&
j =1

n

j

,其斜率等于 1。可以看出直线 C 的上方为无意义区。

影响比率制动系数的因数 所谓动作元件的比率制动系数,指的是曲线 B 的斜率,即 S = tgα 。 由图可以看出,若不计动作元件动作门坎(即最小动作电流 I hop )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

U s = IT RS ? I C RS / 2 + I D RS
而动作电压

U d = ( I C NTM ? I D ) Rd

…………………………………..(12-10)

式中: NTM -升流变流器的变比; 其他符号的物理意义同图 12-8 及式(12-9) 。 则制动系数 S =

Rs NTM Rd + RS / 2

…………………………………..(12-11)

11

可以看出:制动系数 S 由继电器回路的参数 Rd、Rs 及 NTM 决定。 4 差动 TA 饱和的影响 (1)区外故障 TA 饱和 设故障点在图 12-8 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 i1 及辅助电流互感器 T1 的二次电 ′ 流 i1 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,
′ 由 经二极管 D2、 电阻 Rs 2 、 电阻 Rs 2 、 辅助变流器 T2 二次电流 i2 的流经变成: T2 极性端出,

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。 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; 饱和时其内 TA 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。 5 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 12-10 所示。

图 12-10 中阻抗保护动作逻辑框图 由图 12-10 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。 6 复合电压闭锁元件

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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。其逻辑框图同图 12-7。 四 高阻抗母差保护 高阻抗母差保护是在差动回路中串接一阻抗值很大 (约 2.5~7.5KΩ) 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。 1 原理接线及工作原理 设母线上有三条出线,其一相电压差动型母差保护的原理接线图如图 12-11 所示。

图 12-11 电压型母差保护原理接线 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 I&1 由母线流出,而电流 I&2 、 I&3 流入母线,则根据克希荷夫定律 知
& & & I1 = I 2 + I 3

其等值电路如图 12-12 所示。

图 12-12 电压型母差保护等值网路 在图 12-12 中: Z M 1 -电流互感器 LH1 的励磁阻抗; Z M 2 -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 、 Z 2 -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。 根据戴维南定理,图 12-12 可以简化成一个等值电流源 I&Σ 及一个等值阻抗 ZΣ 。等值电

13

流源 I&Σ 为将图 12-12 中 m、n 两点短路时流过该两点的电流,等值阻抗 ZΣ 为将 m、n 两点 之间开路的,该两点之间的输入阻抗。
IΣ = ZΣ = ZM1 & ZM 2 & Z M 1Z 2 ? Z M 2 Z1 & I ? I = I ………………………(12-12) Z M 1 + Z1 1 Z M 2 + Z 2 1 ( Z M 1 + Z1 )(Z M 2 + Z 2 ) 1 ( Z M 1 + Z1 )( Z M 2 + Z 2 ) Z M 1 + Z M 2 + Z1 + Z 2

………………………………………(12-13)

由于电压继电器的阻抗很大,其两端的电压
& UYJ = I Σ Z Σ = Z M 1Z 2 ? Z M 2 Z1 & I Z M 1 + Z M 2 + Z1 + Z 2 1

………………………(12-14)

式中: UYJ -电压继电器电压线圈上的电压。 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 Z M 2 =
ZM1 Z , Z 2 = 1 。代入式(12-14)得 UYJ ≈ 0 。即继电器上 2 2

无电压,保护不动作。 当外部故障 TA 不饱和时,可得出与上述相同的结论。 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,当各支路 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。 当区外故障某一支路 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。而当区内故障某一支路 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。 2 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。 提高母线差动保护动作可靠性措施 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。 1 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。 (1)TA 二次回路断线判别 五

14

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
I d ≥ I op

…………………………………………………….(12-15)

时,判为差动 TA 二次回路断线。 式中: I d -差电流;
I op -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 3I 0 ? 0.25I Φ max + 0.4 I N ………………………………………………(12-16) 时,判为差动 TA 断线。 式中: 3I 0 -零序电流; I Φ max -最大相电流; 。 I N -标称额定电流(5A 或 1A) (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 一相差动保护,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。 2 TV 断线监视 对采用复合电压闭锁的母差保护, 为防止由于 TV 二次回路断线造成对母线电压的误判 断,设置有 TV 二次回路断线的监视元件。 TV 断线监视元件的 TV 断线判据有各种各样的。 (1)利用自产零序电压与 TV 开口三角形电压进行比较判别,即当
& & & U a + U b + U c ? 3U 0 3 > U op

…………………………………………..(12-17) …………………………………………..(12-18)



& & & U a + U b + U c ? 3U 0 ? 3 > U op

判为 TV 二次断线。
& & & 式中: U a 、 U b 、 U c -TV 二次三相电压;

3U 0 -TV 开口三角形电压;
U op -TV 断线闭锁元件动作电压。

式(12-17)适用于大电流接地系统,而式(12-18)适用于小电流接地(或不接地)系

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统。 (2)利用负序电压判别 当 TV 二次负序电压大于某一值,例如 U 2 ≥ 12 V 时 判 TV 断线。 (3)利用三相电压幅值之和及 TA 二次有电流判别,即
& & & ?Ua + Ub + Uc ? U N ? ? ?I a (b,c) ≥ 0.04 I N ?

……………………………………………………(12-19)

判断为 TV 二次断线。
& & & 式中: U a 、 U b 、 U c -TV 二次三相电压;

U N -TV 二次额定电压; I a (b,c ) -TA 二次三相电流;

。 I N -TA 二次标称额定电流(5A 或 1A) 检测出 TV 二次断线后经延时发出告警信号,但不应闭锁保护。 3 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。 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。 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。 (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

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(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,有的装置(WMZ- 41A 型母差保护装置) 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。 4 大差元件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。 (1)母联断路器状态对差动元件动作灵敏度的影响 现以图 12-13 的双母线接线为例来分析差动元件动作灵敏度。
I4

QF1
I母

I3

QF 2

I0

QF0

II母

QF 3
I1 I2

QF4

图 12-13 母线接线示意图 在图 12-13 中:QF1~QF4-母线出线断路器; QF0-母联断路器。 运行时, 流入大差元件的电流为 I&1 ~ I&4 4 个电流; 流入 I 母小差元件的电流为 I&3 、I&4 及 I&0 三个电流;流入 II 母小差元件的电流为 I&1 、 I&2 、 I&0 3 个电流。 当母联运行时 I 母发生短路故障,I 母小差元件的差流为 I&3 + I&4 + I&0 = I&3 + I&4 + I&1 + I&2 ; I 母小差元件的制动电流也为 I&3 + I&4 + I&1 + I&2 。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。 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 I&3 + I&4 ,制动电流也为
& & I3 + I 4 , 两者之比为 1。 而大差元件的制动电流仍为 I&3 + I&4 + I&1 + I&2 , 但差流确只有 I&3 + I&4 。

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显然大差元件的动作灵敏度大大下降。 (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。 5 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 12-14 所示。
* * *

i3 i4
*

LH3

LH4

I母小 差元件

QF 1
I母

I3

I4

QF2 QF0
i0
* *

I0

II母

LH0

i0

QF 3
I1
* *

QF 4
LH1
I2

II母小 差元件

* *

LH2
i1 i2

图 12-14 双母线及其原理接线 在图 12-14 中:QF1~QF4-出线断路器; QF0-母联断路器; LH1~LH4-出线电流互感器; LH0-母联电流互感器。 设正常工况下电流 I&1 、&2 流入母线, I&3 、&4 流出母线, I 而 I 则母联电流 I&0 = I&1 + I&2 = ?( I&3 + I&4 ) 。 由图可以看出:流入 II 母小差的电流为
i1 + i2 + i0 = 0

则流入 I 母小差的电流为 i3 + i4 + i0 = 0 ,故两个小差元件均不动作。大差元件亦不动作。 当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 I&1 、 I&2 及 I&0 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 I&3 与

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& I 4 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。 6 提高母差保护可靠性的其他措施 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。 (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。 (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。 第三节 母联过流及充电保护

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母联过流保护 母联过电流保护是临时性保护。当用母联代路时投入运行。 1 动作方程 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。 动作方程为
I a (b,c ) ≥ I op 3I 0 ≥ I 0op



………………………………………………………………(12-20) ………………………………………………………………(12-21)

式中: I a (b,c ) -流经母联时 a 相或 b 相或 c 相的电流;
I op -过电流元件动作电流整定值;
3I 0 -流过母联的零序电流; I 0op -零序电流元件动作电流整定值。

2

逻辑框图 母联过流保护的逻辑框图如图 12-15 所示。

I a?
I b?

I c?

3I 0?
图 12-15 母联过流保护逻辑框图 在图 12-15 中:LP-母联过流保护投退压板(或控制字) 。 母联过流保护动作后经延时跳开母联开关。该保护不经复合电压闭锁元件闭锁。 二 充电保护 母线充电保护也是临时性保护。在变电站母线安装后投运之前或母线检修后再投入之 前,利用母联断路器对母线充电时投入充电保护。 保护的逻辑框图如图 12-16 所示。

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I a ≥ I opL

I b ≥ I opL

I c ≥ I opL

I a ≥ I oph
I b ≥ I oph
I c ≥ I oph

图 12-16 母线充电保护逻辑框图 在图 12-16 中: I a 、 I b 、 I c -母联 TA 二次三相电流;
I opL -充电保护低定值; I oph -充电保护高定值;

LP1、LP2-保护投入压板或控制字。 由图可以看出: 当母联电流的任一相大于充电保护的动作电流整定值时, 保护动作去跳 母联开关。 保护设置两段电流定值,低定值用于长线经变压器对母线充电,需加一较小延时 t;高 定值用于直接经母联开关充电。LP1、LP2 分别为两种充电方式的投入压板。 母线空充电时,需短时闭锁母差保护,一般用母联断路器的手合辅助接点启动。 第四节 母联断路器失灵保护及死区保护 母联断路器失灵保护 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 12-17 所示。 一

I a?

I b?

I c?

21

图 12-17 母联失灵保护逻辑框图 在图 12-17 中: I a 、 I b 、 I c -母联 TA 二次三相电流。 所谓母线保护动作,包括 I 母、II 母母差保护动作,或充电保护动作,或母联过流保护 动作。 其他有关保护包括:发变组保护、线路保护或变压器保护。它们动作后去跳母联断路器 的接点闭合。 母联失灵保护动作后,经短延时(约 0.2~0.3s)去切除 I 母及 II 母。 死区保护 本节指的死区,是母差保护的死区。 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 12-18 所示。 二

I a?

I b?
I c?

图 12-18 母线死区保护逻辑框图 由图 12-18 可以看出,当 I 母或 II 母差动保护动作后,母联开关被跳开,但母联 TA 二 次仍有电流,死区保护动作,经短延时去跳 II 母或 I 母(即去跳另一母线)上连接的各个断 路器。 图中: I a? 、 Ib? 、 I c? -母联 TA 二次三相电流大于某一值。

第五节 非全相运行保护 在运行中,当断路器(包括母联断路器)的一相断开时,将出现断路器非全相运行。 非全相运行, 将在电力系统中产生负序电流。 负序电流将危及发电机及电动机的安全运 行。因此,切除非全相运行的断路器(特别是发变组的断路器) ,对确保旋转电机的安全运 行,具有重要的意义。 断路器非全相运行保护是根据非全相运行时的特点 (三相开关位置不一致及产生负序电 流及零序电流)构成的。 一 母联断路器非全相运行保护 母联断路器非全相运行保护的逻辑框图如图 12-19 所示。

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I 2?
I 0?

图 12-19 母联断路器非全相运行保护逻辑框图 在图 12-19 中: TWJA、TWJB、TWJC-分别为断路器 A、B、C 三相的跳闸位置继电器辅助接点,断 路器跳闸后接点闭合; HWJA、HWJB、HWJC-分别为断路器 A、B、C 三相的合闸位置继电器,当断路器合 闸后接点闭合;
I 2? -负序过电流元件; I 0? -零序过电流元件。

当断路器非全相运行时,在 TWJA、TWJB、TWJC 三者中有一个闭合,而在 HWJA、 HWJB、HWJC 三者中有二个闭合,m、n 两点之间导通;另外,由于流过开关的电流缺少 一相,必将产生负序电流及零序电流。保护动作后,经延时切除非全相运行断路器。有时还 去启动失灵保护。 二 发电机变压器断路器非全相运行保护 发电机变压器断路器非全相运行保护的逻辑框图如图 12-20 所示。

图 12-20 在图 12-20 中:

发电机变压器断路器非全相运行保护逻辑框图

I 2? -负序过电流元件; I 0? -零序过电流元件;

K-断路器三相位置不一致综合接点,相当于图 12-19 中的 m、n 之间等值接点。 由图 12-20 可以看出:当断路器三相位置不一致(即出现非全相运行时) ,综合接点 K 闭合;此时,若流过断路器的负序电流或零序电流大于整定值时,非全相保护动作,经短延 时 t1 去跳非全相运行断路器;若断路器未跳开,非全相运行仍然存在,则保护以延时 t2 去 解除失灵保护的复合电压闭锁,并经延时 t3 去启动断路器失灵保护。 另外,为确保发电机的安全,在发现断路器非全相运行时,应首先采取减少发电机出力

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的措施。 第六节 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。 1 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。 2 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。 (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 12-21 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。 一

图 12-21 断路器失灵事故扩大示意图 (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。 1 对断路器失灵保护的要求 (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 二

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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)与其他保护的配合 断路器失灵保护动作后,应闭锁有关线路的重合闸。 对于 1 1 断路器接线方式,当一串的中间断路器失灵时,失灵保护则应启动远方跳闸装
2

置,断开对侧断路器,并闭锁重合闸。 对多角形接线方式的断路器,当断路器失灵时,失灵保护也应启动远方跳闸装置,并闭 锁重合闸。 2 构成原理 被保护设备的保护动作, 其出口继电器接点闭合, 断路器仍在闭合状态且仍有电流流过 断路器,则可判断为断路器失灵。 断路器失灵保护启动元件就是基于上述原理构成的。 3 断路器失灵保护的构成原则 (1) 断路器失灵保护应由故障设备的继电保护启动, 手动跳断路器时不能启动失灵保护; (2) 在断路器失灵保护的启动回路中,除有故障设备的继电保护出口接点之外,还应有 断路器失灵判别元件的出口接点(或动作条件) ; (3) 失灵保护应有动作延时,且最短的动作延时应大于故障设备断路器的跳闸时间与保 护继电器返回时间之和; (4) 正常工况下,失灵保护回路中任一对触点闭合,失灵保护不应被误启动或误跳断路 器; 4 失灵保护的逻辑框图 断路器失灵保护由 4 部分构成:启动回路、失灵判别元件、动作延时元件及复合电压闭 锁元件。双母线断路器失灵保护的逻辑框图如图 12-22 所示。

图 12-22 双母线断路器失灵保护逻辑框图 (1)失灵启动及判别元件 失灵启动及判别元件由电流启动元件、保护出口动作接点及断路器位置辅助接点构成。 电流启动元件, 一般由三个相电流元件组成, 当灵敏度不够时还可以接入零序电流元件。 保护出口跳闸接点有两类。在超高压输电线路保护中,有分相跳闸接点和三相跳闸接点,而 在变压器或发变组保护中只有三跳接点。 保护出口跳闸接点不同, 失灵启动及判别元件的逻辑回路有差别。 线路断路器失灵保护 及变压器或发变组断路器失灵保护的失灵启动及判别回路, 分别如图 12-23 及图 12-24 所示。

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I a?

I b?

I c?

图 12-23
Ia? I b? I c?

线路断路器失灵保护启动回路

3I 0?

图 12-24 变压器(发变组)断路器失灵启动回路 在图中:TA、TB、TC-线路保护分相跳闸出口继电器接点; TS-三跳出口继电器接点; HWJ-断路器合闸位置继电器接点,断路器合闸时闭合;
I a? 、 Ib? 、 I c? -分别为 a、b、c 相过电流元件; 3I 0? -零序过电流元件。

由图 12-23 可以看出:线路保护任一相出口继电器动作或三相出口继电器动作,若流过 某相断路器的电流仍然存在,则就判为断路器失灵,去启动失灵保护。 在图 12-24 中,继电保护出口继电器接点 TS 闭合,断路器仍在合位(合位继电器接点 HWJ 闭合)且流过断路器的相电流或零序电流仍然存在,则去启动失灵,并经延时解除失 灵保护的复合电压闭锁元件。 (2)复合电压闭锁元件 复合电压闭锁元件作用是防止失灵保护出口继电器误动或维护人员误碰出口继电器接 点、 而造成误跳断路器的措施。其动作判据有
U Φ ≤ U op 3U 0 ≥ U 0op U 2 ≥ U 2op

……………………………………………………(12-22) ……………………………………………………(12-23) ……………………………………………………(12-24)

式中: U Φ -母线 TV 二次相电压;
26

; 3U 0 -零序电压(二次值) ; U 2 -负序电压(二次值)
U op 、U 0op 、U 2op -分别为相电压元件、零序电压元件及负序电压元件动作的整定值。

在小电流系统中的断路器失灵保护采用的复合电压闭锁元件中,应设有零序电压判据。 以上三个判据中,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别及跳闸回路的闭锁。 (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, 从而决定出失灵保护去切除 该条母线。 断路器所接的母线由隔离刀闸位置决定。 因此, 用隔离刀闸辅助接点来进行运行的识别。 (4)动作延时 根据对失灵保护的要求,其动作延时应有 2 个。以 0.2~0.3s 的延时跳母联开关;以 0.5s 的延时切除接失灵断路器母线上连接的其他元件。 5 提高失灵保护可靠性的其他措施 失灵保护动作后将跳开母线上的各断路器,影响面很大,因此要求失灵保护十分可靠。 (1)把好安装调试关 断路器失灵保护二次回路涉及面广,与其他保护、操作回路相互依赖性高,投运后很难 有机会再对其进行全面校验。因此,在安装、调试及投运试验时应把好质量关,确保不留隐 患。 (2)在失灵启动回路中不能使用非电量保护出口接点 非电气量保护主要有:重瓦斯保护、压力保护、发电机的断水保护及热工保护等。因为 非电气量保护动作后不能快速自动返回,容易造成误动。 另外,要求相电流判别元件的动作时间和返回时间要快,均不应大于 20ms。 (3)复合电压闭锁方式 对于双母线断路器失灵保护,复合电压闭锁元件应设置两套,分别接在各自母线 TV 二 次,并分别作为各自母线失灵跳闸的闭锁元件。 闭锁方式,应采用接点闭锁,分别串接在各断路器的跳闸回路中。 (4)复合电压闭锁元件应有一定的延时返回时间 双母线接线的每条母线上均设置有一组 TV。正常运行时其失灵保护的两套复合电压闭 锁元件分别接在各自母线上的 TV 二次。但当一条母线上的 TV 检修时,两套复合电压闭锁 元件将由同一个 TV 供电。 设 I 母上的 TV 检修,与 I 母连接的系统内出现短路故障 I 母所连的某一出线的断路器 失灵。此时失灵保护动作,以短延时跳开母联。由于失灵保护的两套复合电压闭锁元件均由 II 母 TV 供电,而在母联开关跳开后 II 母电压恢复正常,复合电压元件不会动作,失灵保护 将无法将接在 I 母上各元件的断路器跳开。 为了确保失灵保护能可靠切除故障,复合电压闭锁元件有 1 秒的延时返回时间是必要 的。 第七节 母线保护的整定计算 不同类型的母线保护装置, 在整定内容及取值方面有差异。 本节主要讨论微机型母线保 护的整定计算。 母线保护主要有母差保护和断路器失灵保护。因此,对母线保护的整定计算,主要是对

27

母差保护及失灵保护的整定计算。 一 母差保护的整定计算 目前,国内生产及应用的微机型母差保护,均采用分相式完全电流差动保护。其动作 方程为

∑ I&
i =1 n i =1

n

j

≥ I op.o
n

……………………………………….(12-25)

∑ I& j ? S ∑ I& j ≥ 0
i =1

式 12-23 中:
& I j —第 i 支路中的电流;
I op.o —差动元件的启动电流(初始动作电流) ;

S—比率制动系数。 其动作特性为具有两段折线式比率制动的曲线。 另外,为提高差动保护的动作可靠性,对于 500KV 以下母线的差动保护,除 1 1 开关接
2

线的母线差动保护之外,均采用复合电压闭锁。在复合电压闭锁元件中,有低电压、负序电 压、零序电压及相电压增量ΔU 元件。 对母差保护的整定计算,就是合理地确定差动元件及复合电压闭锁元件中各物理量的 整定值。其中,差动元件要确定启动电流 I op.o 及比率制动系数 S;复合电压闭锁元件要确定 低电压 U Φ 、负序电压 U2、零序电压 U0 及相电压增量ΔU 的动作值。 1、 启动电流 I op.o 在 220~500KV 电网继电保护装置运行整定规程和 3~110KV 电网继电保护装置运行整定 规程(DL/T559-94 和 DL/T584-95)中规定:母线差动电流保护的差电流启动元件定值,应 可靠躲过区外故障最大不平衡电流和任一元件电流回路断线时由于负荷电流引起的最大差 流。 但是,对于有比率制动特性的电流差动元件而言,启动电流 I op.o ,不需考虑外部故障产 生的最大不平衡电流。 其整定原则应是: 应可靠躲过正常工况下差回路的最大不平衡电流及 任一 TA 二次断线时由于负荷电流引起的最大差流。 (1) 按躲过正常工况下的最大不平衡电流来整定 按躲过正常工况下的最大不平衡电流来整定启动电流 I op.o ,其计算公式为:
I op.o = K rel ( K er + K 2 + K 3 ) I N

…………………………………(12-26)

式中: K rel ——可靠系数,可取 1.5~2; ; K er ——各侧 TA 的相对误差,取 0.06(10P 级 TA)

28

K2——保护装置通道传输及调整误差,取 0.1; K3——外部故障切除瞬间各侧 TA 暂态特性不同产生的误差,取 0.1; I N ——TA 二次标称额定电流(1A 或 5A)。 将 Ker、K2 及 K3 取值代入式(12-24) ,可得
I op.o =(0.39 ~0.52) I N

(2)按躲过最大负荷回路 TA 二次断线引起的最大差流来整定 分析表明:当母线出线元件中负荷电流最大的 TA 二次断线时,其在差动保护差流回路 中产生的差流最大为 I N (不考虑出线元件过负荷运行) 。 若按躲过 TA 二次断线条件来整定 I op.o ,则
I op.o ≥ I N

综合上述条件, I op.o 取(0.5~1.1)IN 是合理的。当保护有完善的 TA 断线闭锁元件时, 可取较小值。 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的整定,应按能可靠躲过区外故障(TA 不饱和时)产生的最大差流来整定,且应确保内部故障时,差动保护有足够的灵敏度。 (1)按能可靠躲过外部故障整定 区外故障时,在差动元件差回路中产生的最大差流为 ……………………………(12-27) I unb max = ( K er + K 2 + K 3 ) I k max 式中:
I unb max ——最大不平衡电流; K er ——TA 的 10%误差,取 0.1;

K2——保护装置通道传输及调整误差,取 0.1; K3——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; I k max ——区外故障的最大短路电流。 将以上各系数值代入式(12-25) ,得 I unb max =0.3 I k max 此时,比率制动系数可按下式计算
S = K rel I unb max I k max

……………………………….(12-28)

式中: K rel ——可靠系数取 1.5~2; 其他符号的意义同式(12-24) 。 将 K rel 取值代入式(12-26)得 S=0.45~0.6 (2)按确保动作灵敏度系数来整定 首先,当母线上出现故障时,其最小故障电流应大于母差保护启动电流的 2 倍以上。 当上述条件满足时,可按下式计算比率制动系数
S= 1 K sen

…………………………………………..(12-29)

式中:

29

S——差动元件的比率制动系数; K sen ——动作灵敏度系数,取 1.5~2.0。 将 K sen 之值代入上式,得 S=0.5~0.67 综上所述,Kz 取 0.5~0.67 是合理的。 复合电压闭锁

3

(1)低电压元件的整定电压 U op 在母差保护中,低电压闭锁元件的动作电压,应按照躲过正常运行时母线 TV 二次的最 低电压来整定。 按规程规定,电力系统对用户供电电压的变化允许在±5%的范围内。实际上,由于某 种原因,母线电压可能降低至(90%~85%) U N 运行( U N -标称额定电压)。 因此,考虑到母线 TV 的比误差(2%~3%) ,母差保护低电压元件的动作电压定值取 0.75~0.8 倍的额定电压 U N 是合理的,即
U op =0.75~0.8 U N =(40~45)V

当在母线上发生三相对称短路时,母线电压将严重降低,因此,电压元件的动作灵敏 度是无问题的。 (2)负序电压元件的动作电压 U 2op 负序电压元件动作电压的整定值, 可按躲过正常工况下母线 TV 二次的最大负序电压来 整定。 正常运行时,母线 TV 二次可能出现的最大负序电压为 ……………………………………(12-30) U 2 max = U 2TV + U 2 s max 式中: U 2 max ——正常运行时母线 TV 二次的最大负序电压; U2TV——当一次系统对称时 TV 二次出现的负序电压(由三相 TV 不对称或负载不均衡 形成的) ,通常为 2~3% U N ,实取 3% U N ; U 2s max ——正常运行时,系统中出现的最大负序电压,可取 1.1×4% U N ; 将 U2TV 及 U 2s max 的取值代入式(12-28) ,可得 U 2 max =(0.03+0.044) U N =0.074 U N ≈4.3V 负序电压元件的动作电压,可按下式整定
U 2op = K relU 2 max
……………………………………………………………

(12-29)

式中:
K rel ——可靠系数,取 1.3~1.5

故 U 2op =5.5V~7V (3)零序电压元件的动作电压 U 2op 与负序电压元件相同,可取 U 2op =5.5V~7V 二 断路器失灵保护

1、相电流元件的动作电流 I op
30

相电流元件的动作电流 Idz 值,应按能躲过长线空充电时的电容电流来整定。另外,应 保证在线路末端单相接地时,其动作灵敏度系数大于或等于 1.3,并尽可能躲过正常运行时 的负荷电流。 2、时间元件的各段延时 失灵保护的动作时间,应在保证该保护动作选择性的前提下尽量缩短。其第一级动作 时间及第二级动作时间应按下式计算:

?t1 = t 0 + t B + ?t1 ? ?t 2 = t1 + ?t

………………………………………..(12-30)

式中: t1、t2——分别为失灵保护第一级及第二级的动作延时; t0——断路器的跳闸时间,取 0.03~0.05S; tB——保护动作返回时间,取 0.02~0.03S;

?t1 ——时间裕度,取 0.1~0.3S;
?t ——时间级差,取 0.15~0.2S。
对双母线接线或单母线分段: t1 取 0.3S,跳母联或分段开关;t2 取 0.5 秒,跳与失灵断路器接在同一条母线上的所有 断路器。 对于 3/2 断路器接线方式: t1 取 0.15 秒,跳失灵断路器三相;经 0.3S 跳与失灵开关相连接或接在同一条母线上的 所有开关,还要启动远方跳闸装置,跳线路对侧开关。

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