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母线差动微机保护原理[1]


动力公司水源中心变

5 母线差动微机保护原理
1.前言
本论文是结合水源中心变的一次系统简图和南京南瑞继保电气有限公司生产的 RCS-915AB 型微 机母线保护装置进行分析和说明的,以实例进行分析和说明能形象的、更好的帮助我们说明和理解。 RCS-915AB 型微机母线保护装置所设的主要保护功能有 7 个:①母线差动保护;②母联充电保护

; ③母联死区保护;④母联失灵保护;⑤母联过流保护;⑥母联非全相保护;⑦断路器失灵保护。 该保护装置的基础性且主要元件是分相式比率差动元件,以下简称差动元件,其中又分大差和 小差元件,大差小差的动作情况是该保护装置保护功能实现的基础,且是差动保护的核心元件之一, 是本论文要论述的重点。对其主要元件大差小差进行详细了解,能帮助我们对其中的母线差动保护、 母联死区保护和母联失灵保护等保护功能更好的理解。另外还有一重要元件 TA 饱和检测元件,是微 机保护中另外一个很重要的元件,其理论研究及其抗饱和的措施有很多,本文不作论述。

5.1 差动元件的动作原理
(1)差动回路
⑴差动回路的构成元件: 母线保护用电流互感器 TA,大差元件,小差元件(即 I 母小差、II 母小差) 。 TA 的位置及其极性如图 1 所示:①TA 安装位置在线路侧(主要是为了和线路的保护有重叠保护 区) 。②TA 的极性:要求同名端在母线侧。③本文母联 TA 的同名端在 I 段母线侧。说明:装置内部 只认母线的物理位置,与编号无关,即编号只是人为规定的,应以实际物理位置为准。 ⑵差动回路的分类: ①大差:指母联开关或分段开关外,所有支路电流构成的差动回路。 ②I 母小差:指 I 母上所连接的所有支路(包括母联开关或分段开关) 。 ③II 母小差:指 II 母上所连接的所有支路(包括母联开关或分段开关) 。 ⑶差动回路的作用: ①大差:用以判别故障是区内故障,还是区外故障。 ②I 母小差:是故障母线的选择元件。故障点在 I 母上,则 I 母小差动作。 ③II 母小差:同 I 母小差,是故障母线的选择元件。故障点在 II 母上,则 II 母小差动作。

5.2 大差小差的动作原理
图 1 是水源中心变一次系统简图,其中两条进线为:水源中心变 1#线、水源中心变 2#线。两条 出线取了十区 1#线、十区 2#线。图 1 标出了正常运行时的一次电流方向,同时依据电流互感器的极 性和位置都已安装确定,得出并标出了其二次电流方向。说明:增加的 4 处短路故障点,只是为了 在讨论 4 种故障时,说明一下其故障点的位置而已,图 1 标出的电流流向是正常运行时的。 为便于分析,作以下规定:①大小差采用的是分相式比率差动元件, ,电流均以一相分析。②母 联断路器处于投运状态,正常运行时假设其电流流向如图 1 所示。③为便于说明,一次电流用大写字 母表示,其对应的二次电流用小写字母表示。④电流的大小和方向的表示:流入元件的电流用正号 表示,流出元件的电流用负号表示。电流的大小用字母表示。即字母只代表电流的大小,正负号只 代表电流的方向,这点很重要,否则不容易理解。说明:由于是微机保护,它的一个很重要的优点 就是,把从电流互感器采样过来的数值,存储到微机的专门的数据区,谁要用,谁就可以到指定的

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数据区去取,实现了一个电气数据量的共享。还一个优点就是,可以对数据进行处理。电流互感器 的变比不等,可以通过软件整定其调节系数,来达到一次、二次电流的大小对应关系。图 1 为了更 好的说明问题,采用的是大家比较直观和熟悉的原始的电路图的表示,实质上电流的方向流入流出 在微机里就是用正负表示。 ⑴正常运行时 ①大差 其一次电流简图如图 2 所示(假设正常运行时母联电流方向如图 2 所示) ,正常运行时,其 一次电流是平衡的,即:I1+I3=I2+I4 则其二次电流的大小:i1+i3=i2+i4(见正常运行 时的图 1 接线,附在后面) 。说明:一次电流的关系式,与二次电流的关系式,总是对应的,这 是因为已经按实际接线规定好了同名端,以此使得二次电流与一次电流的关系式相对应。以后 一次电流按其关系式变化,二次电流也即按对应关系式变化。 流入大差的二次电流:x=i2+i4-i1-i3=0。所以大差不动作。
水 源 中 心 变 2#线 水 源 中 心 变 1#线
水 源 中 心 变 2#线 水 源 中 心 变 1#线

I3

I1

I3

I1

II段 母 线

I段 母 线

II段 母 线

I段 母 线

1K

I4 I0
十 区 2#线

I2
I4
十 区 1#线
十 区 2#线

I0

I2
十 区 1#线

图 2: 正 常 运 行 时 一 次 电 流 简 图

图 3: 1K处 发 生 短 路 故 障 后 的 一 次 电 流 简 图

②I 母小差 其一次电流简图如图 2 所示,正常运行时,其一次电流是平衡的,即:I1=I2+I0 则其二次 电流的大小:i1=i2+i0。流入 I 母小差的二次电流:x1=i2+i0-i1=0。所以 I 母小差不动作。

③II 母小差 其一次电流简图如图 2 所示,正常运行时,其一次电流是平衡的,即:I3+I0=I4 则其二次 电流的大小:i3+i0=i4。流入 II 母小差的二次电流:x2=i4-i3-i0=0。 所以 II 母小差也不动 作。

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⑵当 I 母发生故障时,如图 4 所示 1K 处发生短路故障时 ①大差 其一次电流简图如图 3 所示,I2 与 I4 的方向发生改变,则其二次电流 i2 与 i4 的电流方向也 发生了改变。流入大差的二次电流:x=-i2-i4-i1-i3=-(i1+i2+i3+i4)≠0,是一个很 大的差流,在我们这个实际系统里,两条出线不反馈电,可以认为是两条进线电流之和,所以大差 动作,则判断为母线区内故障。 说明:大差和小差都是采用的比率差动元件,大差小差的动作与否,与它的动作方程和比率动 作特性曲线及其整定都是有关的。动作方程和比率动作特性曲线在很多资料上都有详细的说明,这 里不在赘述。这里只讨论大差小差动作的必要条件,即有差流,电流不再平衡。 ②I 母小差 其一次电流简图如图 3 所示,I2 与 I0 的方向发生改变,则其二次电流 i2 与 i0 的电流方向也 发生了改变。流入 I 母小差的二次电流:x1=-i2-i0-i1(从如图 4 也可看出。说明:电流方向发 生了改变,只需在正常运行时的基础上,将改变了方向的电流改变其正负号即可,而不必如图 4 标 的那么详细。 4 只是为了在分析其中一种故障时, 图 帮助我们理解而画的, 其他故障情况就不画了) 。 现在求出母联电流 i0。如图 3 所示,II 母的一次电流是平衡的,即 I0=I3+I4,则其二次电流 的大小: 0=i3+i4。代入到 x1=-i2-i0-i1, x1=-i2i 得 (i3+i4) 1=- 1+i2+i3+i4) -i (i

≠0,同样在我们这个实际系统里,可以认为是两条进线电流之和,所以 I 母小差动作。
③II 母小差 其一次电流简图如图 3 所示,I4 与 I0 的方向发生改变,则其二次电流 i4 与 i0 的电流方向也 发生了改变。 流入 I 母小差的二次电流: 2=i0-i3-i4 x (从如图 4 也可看出) 将 i0=i3+i4 代入, 。 得,x2=i0-i3-i4=i3+i4-i3-i4=0。所以 II 母小差不动作。 小结:从中分析可知,大差和 I 母小差动作了,II 母小差不动作。大差的动作判别是区内故障, 说明母线上有故障点,I 母小差的动作说明故障点在 I 母上,实现了小差选择故障母线的要求。

⑶当 II 母发生故障时,如图 1 所示 2K 处发生短路故障时 ①大差 分析同 I 母发生故障。其一次电流简图如图 5 所示,I2 与 I4 的方向发生改变,则其二次电流

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i2 与 i4 的电流方向也发生了改变。 流入大差的二次电流: x=-i2-i4-i1-i3=- i1+i2+i3+i4) ( ≠0,是一个很大的差流,所以大差动作。
②I 母小差 其一次电流简图如图 5 所示,I2 的方向发生改变,则其二次电流 i4 的电流方向也发生了改变。 流入 I 母小差的二次电流:x1=-i2+i0-i1。 现在求出母联电流 i0。如图 3 所示,I 母的一次电流是平衡的,即 I0=I1+I2,则其二次电流 的大小:i0=i1+i2。代入到 作。 ③II 母小差 其一次电流简图如图 5 所示,I4 的方向发生改变,则其二次电流 i4 的电流方向也发生了改变。 流入 II 母小差的二次电流:x2=-i4-i3-i0。将 i0=i1+i2 代入,得,x2=-i4-i3-(i1+i2)

x1=-i2+i0-i1,得 x1=-i2+i1+i2-i1=0,所以 I 母小差不动

=-(i1+i2+i3+i4)≠0,所以 II 母小差动作。
水 源 中 心 变 2#线
水 源 中 心 变 2#线 水 源 中 心 变 1#线

水 源 中 心 变 1#线

I3
I3 I1
II段 母 线
II段 母 线 I段 母 线

I1

I段 母 线

2K

I4 I0
I4
十 区 2#线

I2

I0

I2
十 区 1#线

十 区 2#线

4K
十 区 1#线

图 5: 3K处 发 生 短 路 故 障 后 的 一 次 电 流 简 图

图 6: 4K处 发 生 短 路 故 障 后 的 一 次 电 流 简 图

⑶当发生区外故障时,如图 1 所示 4K 处发生短路故障时 ①大差 其一次电流简图如图 6 所示,其一次电流

I1+I3+I4=I2 是平衡的, 则其二次电流的大小:
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i1+i3+i4=i2。 I4
的方向发生改变,则其二次电流

i4

的电流方向也发生了改变,流入大差的二次电流:

x=i2-i4-i1-i3=0。 i2=i1+i3+i4 代入得,x=i2-i4-i1-i3=i1+i3+i4-i4-i1-i3=0 将
所以大差不动作。 ②I 母小差 其一次电流简图如图 6 所示,I0 的方向发生改变,则其二次电流 i0 的电流方向也发生了改变, 流入 I 母小差的二次电流:x1=i2-i0-i1=0。 现在求出母联电流 i0。如图 6 所示,II 母的一次电流是平衡的,即 I0=I3+I4,则其二次电流 的大小:i0=i3+i4。 所以:x1=i2-i0-i1=i2(i3+i4) 1=i2-i3-i4-i1,将大差 i1+i3+i4=i2 代入得, -i

x1=0。所以 I 母小差不动作。
③II 母小差 其一次电流简图如图 6 所示,I4 与 I0 的方向发生改变,则其二次电流 i4 与 i0 的电流方向也 发生了改变。流入 II 母小差的二次电流:x2=-i4-i3+i0。将 II 母小差也不动作。 小结:所以发生区外故障时,大差和小差将都不动作。 ⑷当母联死区发生故障时,如图 1 所示 3K 处发生短路故障时 母联死区,如图 1 所示的 3K 处,它是指发生在母联断路器和母联 TA 之间位置的故障。根据以 上的分析,母联死区故障其实就是相当于 II 母的区内故障,I 母的区外故障,只是作为 I 母的区外 故障,故障点离母线很近,容易发展造成 I 母的区内故障。这样,①相当于 II 母的区内故障,大差 和 II 母小差动作,保护辅以其它的条件:比如饱和鉴别、电压闭锁、保护联片和控制字等等,组合 成一个动作的逻辑,去跳 II 母和母联断路器。②相当于 I 母的区外故障,则不跳 I 母。由此动作的 结果是:跳 II 母和母联断路器,I 母不跳。而故障点仍在。这就是微机保护中设死区保护的原因了, 当发生母联死区保护时,应该跳 I 母、II 母和母联断路器,即全跳。 如果当母联断路器不投运时,用母联保护的 TWJ 接点将母联电流不计入小差,则就不会发生非 故障点被切除,而真正的故障点没被切除的情况了。

i0=i3+i4 代入得,x2=0

所以

5.3 差动保护动作情况
当大差动作,说明故障点在区内,即母线上有故障点。小差动作,实现故障母线的选择。 其动作情况是:跳母联,跳故障母线。 ①I 母故障时,如 1K 处发生短路故障时→跳母联,跳 I 母。 ②II 母故障时,如 2K 处发生短路故障时→跳母联,跳 II 母。
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③死区故障时,如 3K 处发生短路故障时→跳母联,跳 I 母及 II 母。如果母联断路器未投运, 则只跳 I 母。 ④区外故障时,如 4K 处发生短路故障→差动保护可靠不动作。

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水 源 中 心 变 2#线

水 源 中 心 变 1#线

I3 i3

I1 i1

II段 母 线

I段 母 线

2K i4 I4 I0
十 区 2# 线 母联

1K i0 I2 i2

3K

4K

十 区 1# 线

i4 i3 i0
II母 小 差

i0

i2 i1
I母 小 差

i3 i4

i1 i2
大差

图 1: 正 常 运 行 时 大 差 小 差 电 流 回 路

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水 源 中 心 变 2#线

水 源 中 心 变 1#线

I3 i3

I1 i1

II段 母 线

I段 母 线

1K i4 I4 I0
十 区 2# 线 母联

i0 I2

i2

3K

4K

十 区 1# 线

i4 i3 i0
II母 小 差

i0

i2 i1
I母 小 差

i3 i4

i1 i2
大差

图 4: 1K处 发 生 短 路 故 障 时 大 差 小 差 电 流 回 路

注:回零的线没在图中表示,否则线太多了,不便于看。

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