四方CSC150数字式母线保护装置说明书.docx

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四方CSC150数字式母线保护装置说明书

四方CSC-150数字式母线保护装置

说明书

第一篇装置性能介绍

1概述

1.1适用范围

CSC-150数字式成套母线保护装置（以下简称装置或产品）适用于750kV及以下各种电压

等级的母线系统，包括单母线、单母分段、双母线、双母分段及一个半断路器接线等多种接线型

式。

最大接入单元为24个（包括线路、元件、母联及分段开关）。

2.6热性能（过载能力）

装置的热性能（过载能力）符合DL/T478-2001的以下规定：

a）交流电流回路：

在2倍额定电流下连续工作，20倍额定电流下允许10s，40倍额定电流

下允许2s；

b）交流电压回路：

Un=100/3V在2倍额定电压下连续工作，180V电压下允许2分钟；

Un=100V在1.4倍额定电压下连续工作，180V电压下允许2分钟。

2.7功率消耗

装置的功率消耗符合DL/T478-2001的以下规定：

a）直流电源回路：

当正常工作时，不大于50W；当保护动作时，不大于80W；

b）交流电流回路：

当额定电流为5A时，每相不大于0.3VA；额定电流为1A时，每相不大

于0.1VA；

c）交流电压回路：

在额定电压下每相不大于0.3VA。

2.8输出触点容量

a）跳闸触点容量：

在电压不大于250V、电流不大于1A、时间常数L/R为（5±0.75）ms的

直流有感负荷回路中，触点断开容量为50W，长期允许通过电流不大于5A；

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b）其它触点容量：

在电压不大于250V、电流不大于0.5A、时间常数L/R为（5±0.75）ms

的直流有感负荷回路中，触点断开容量为30W，长期允许通过电流不大于3A。

2.9装置主要功能

装置具有以下功能：

a）快速虚拟比相式电流突变量保护；

b）常规比率制动式电流差动保护；

c）断路器失灵保护；

d）母联充电保护；

e）母联失灵及死区保护；

f）母联过流保护。

另外根据用户需要可配置母联非全相保护。

2.10装置主要技术参数

2.10.1额定参数

a）直流电压：

220V或110V（按订货要求）；

b）交流电压：

相电压100/3V；

c）交流电流：

5A或1A（按订货要求）；

d）频率：

50Hz。

2.10.2差动电流元件整定范围

a）差动电流门槛整定范围：

0.2In～10In；

b）比率制动斜率整定范围：

0.3～1；

c）低电压（相电压）整定范围：

0～Un；

d）负序电压整定范围：

0～Un；

e）零序电压整定范围：

0～Un。

其中In为二次额定电流，Un为二次额定电压。

2.10.3动作值误差

a）电流动作值误差不超过±5%（或0.01In）；

b）电压动作值误差不超过±3%（或0.01Un）；

c）时间动作值误差不超过20ms。

2.10.4交流回路精确工作范围

a）交_________流电压：

Un=100/3V时0.25V～70V，Un=100V时0.4V～120V；

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b）交流电流：

0.08In～30In。

2.10.5整组动作时间

差动保护整组动作时间：

<15ms（动作条件：

大于2倍的动作电流，低于0.5倍的低电压）。

3装置硬件

3.1装置结构

装置采用符合IEC60297-3的标准19英寸机箱，整体面板，包括一个8U高度的保护箱和一

个4U高度的辅助箱。

装置内部的功能组件具有锁紧机构，前插拔方式。

装置的安装方式为嵌入式，接线为后接线方式，安装开孔尺寸见图3-1和图3-2。

3.2装置功能组件概述

装置包括一个8U高度的保护机箱（CSC-150/1）和一个4U辅助机箱（CSC-150/2）。

针对母

线系统的不同接线型式，如无特殊需求供货屏数及每面屏所含机箱可参照表3-1所示原则选配。

8U保护机箱共配置17个插件和1个CAN网接口，包括8个交流插件、CPU1插件、CPU2插件、

开入插件1、管理板、开出插件1（主板加副板）、开出插件2（主板）、开出插件3（主板加副板）

及电源插件。

4U辅助机箱共配置7个插件和1个CAN网接口，插件包括开入连接板1、开入插

件2、开入插件3、开入插件4、开入插件5、开入插件6、开入连接板2；此外对于双母线系统

辅助机箱还配置了模拟盘显示功能，除直观显示主接线型式外，还提供强分/强合控制开关供用户

强行干预不对应的隔离刀闸辅助触点状态。

装置内部插件可根据需要配置以满足用户的需求。

交

流插件、开出插件、开入插件和电源插件为“直通式”，即插件连接器直接与机箱端子相连，增

加了接线的可靠性。

插件布置见图3-3和图3-4。

表3-1

母线接线型式供货屏数（面）每面屏选配机箱

单母线接线（无断路器失灵保护）11套8U机箱

单母线接线（有断路器失灵保护）11套8U机箱、1套4U机箱

单母分段接线（无断路器失灵保护）11套8U机箱

单母分段接线（有断路器失灵保护）11套8U机箱、1套4U机箱

一个半接线21套8U机箱

双母线接线（包括带旁路方式）11套8U机箱、1套4U机箱

双母单分段接线（包括带旁路方式）11套8U机箱、1套4U机箱

双母双分段接线（包括带旁路方式）21套8U机箱、1套4U机箱

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3.3交流插件（AC）

本插件共有8块交流插件，包括电压变换器和电流变换器两部分。

电压变换器相电压额定值

为3100V；电流变换器根据供货要求提供额定输入电流5A或额定输入电流1A。

3.4保护CPU插件（CPU）

CPU插件是装置的核心插件，本装置共有2块CPU插件，硬件完全相同，完成保护功能、

A/D变换、软硬件自检等。

一个CPU完成所有保护功能，另一个CPU完成启动和电压闭锁，各

CPU具有独立的供电电源。

开入连接板1开入插件2开入插件3开入插件4开入插件5开入连接板2图3-44U辅助机（CSC-150/2）插件布置图开入插件6交流插件1交流插件2交流插件3交流插件4交流插件5交流插件6交流件7交流插件8CPU1插件CPU2插件开入插件1管理插件电源插件开出插件1（主+副）开出插件2（主）开出插件3（主+副）图3-38U保护机箱（CSC-150/1）插件布置图电源插

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3.5通信管理插件（MASTER）

本插件是装置的管理和通信插件，其功能为：

a）接收和储存CPU板的事故和事件报告，将信息输送至打印机打印并通过Lon网口、以太

网口或RS485口输送至监控后台和工程师站；

b）输出报告至液晶显示和通过面板键盘操作装置。

连接面板上的标准RS-232串口与外接PC机通信，完成调试软件CSPC的功能。

3.6开入插件（DI）

开入插件用来接入各保护压板、隔离刀闸辅助触点位置、断路器失灵开入等开关量输入信号。

开入插件对各路开入回路进行实时自检。

装置设置了6个开入插件，同时还留有若干个开入插件的备用位置。

开入插件1为主开入插

件，主要为保护功能压板（24V）及保护信号开入（220V或110V）。

开入插件2、开入插件6为

隔离开关辅助触点位置，开入插件3、开入插件4、开入插件5为断路器失灵开入，开入插件2

至开入插件6均为220V或110V。

3.7开出插件（DO）

装置共设置了五块开出插件，主要输出跳闸及信号接点。

3.8电源插件（POW）

装置采用了双直流逆变电源插件，输入直流为220V或110V（订货时请注明），输出+24V、

±12V、+5V。

注：

所有的开入、开出实际上是可以灵活、方便地进行配置，其含义可以随不同的工程而改变以

适应于各种不同的应用场合。

4装置软件

4.1保护程序整体结构

保护CPU软件包括主程序、采样中断程序和故障处理中断程序。

主程序完成装置的硬件自

检、投切压板、固化定值、上送报告等功能。

每隔一个采样间隔时间执行一次采样中断程序，进

行电气量的采集、录波、突变量启动判别等。

故障处理中断也是每隔固定时间执行一次，完成保

护功能的逻辑和TV、TA异常判别等。

如果有异常，则发出相应的告警信号和报文。

对于危及保

护安全性和可靠性的严重告警，发出信号的同时闭锁保护出口，对于普通告警，发出信号提示运

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行人员注意检查处理。

发生故障时，在故障处理中断中完成故障判别、出口跳闸等功能。

基本功能分为主保护和辅助保护两部分。

4.2主保护

装置的主保护采用分相式快速虚拟比相式电流突变量保护和比率制动式电流差动保护原理。

快速虚拟比相式电流突变量保护仅在故障开始时投入，然后改用比率制动式电流差动保护。

两种

原理保护均设有大差启动元件、小差选择元件和电压闭锁元件。

大差启动元件和小差选择元件中

有反映任意一相电流突变或电压突变的启动量，它和差动动作判据一起在每个采样中断中实时进

行判断，以确保内部故障时电流保护正确动作，在同时满足电压闭锁开放条件时跳开故障母线上

所有断路器。

其出口逻辑如图4-1所示。

比率制动式电流差动保护基于电流采样值构建，采取持续多点满足动作条件才开放母线保护

电流元件方式实现。

下面的原理分析对于每一个采样时刻均成立，因此在部分公式中省去了采样

时刻标识。

4.2.1比率制动式电流差动保护原理

装置的稳态判据采用常规比率制动原理。

母线在正常工作或其保护范围外部故障时所有流入

及流出母线的电流之和为零（差动电流为零），而在内部故障情况下所有流入及流出母线的电流

之和不再为零（差动电流不为零）。

基于这种前提，差动保护可以正确地区分母线内部和外部故

障。

比率制动式电流差动保护的基本判据为：

Iiiin021≥+++Λ（4.1.1）

I母电压闭锁开放

I母小差选择元件动作

大差启动元件动作

II母小差选择元件动作

II母电压闭锁开放

&跳I母

&跳II母

图4-1双母线方式的保护出口逻辑图

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（）iiiKiiinn+++⋅≥+++ΛΛ2121（4.1.2）

式中i1、i2、…、in为支路电流，K为制动系数，I0为差动电流门坎值。

（4.1.1）式的动作条件是由不平衡差动电流决定的，而（4.1.2）式的动作条件是由母线所有

元件的差动电流和制动电流的比率决定的。

在外部故障短路电流很大时，不平衡差动电流较大，

（4.1.1）式易于满足，但不平衡差动电流占制动电流的比率很小，因而（4.1.2）式不会满足，装

置的动作条件由上述两判据“与”门输出，提高了差动保护的可靠性，所以当外部故障短路电流

较大时，由于（4.1.2）式使得保护不误动，而内部故障时，（4.1.2）式易于满足，只要同时满足

（4.1.1）式提供的差动电流动作门槛，保护就能正确动作，这样提高了差动保护的可靠性。

比率

制动式电流差动保护动作曲线如图4-2所示。

图中iiiind+++=Λ21为差动电流，

iiiinf+++=Λ21为制动电流，K为制动系数。

4.2.2虚拟比相式电流突变量保护原理

为了加快差动保护的动作速度，提高重负荷、高阻接地及系统功角摆开时常规比率制动式差

动保护的灵敏度，装置采用了快速虚拟比相式电流突变量保护，该保护和制动系数为0.3的高灵

敏度常规比率制动原理配合使用。

假设t时刻母线系统故障，各支路电流为it1，it2，…，int，突变量为itΔ1，itΔ2，…，intΔ，

前一周正常负荷电流为iTt）（1−，iTt）（2−，…，iTtn）（−，母线t时刻的故障电流为

（）∑Δ−∑Δ=∑Δ=∑Δ+∑=∑Δ+=∑=

=

−

=

+

===

−

=

−

=

n

j

jt

n

j

jt

n

j

jt

n

j

jt

n

j

Ttj

n

j

jtTtj

n

j

jtdtiiiiiiiii

11111

）（

1

）（

1

。

我们把同一时刻

动

作

区

图4-2比率制动式电流差动保护动作曲线

iifd=

iKifd⋅=

I0

if

id

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所有电流正突变量之和∑Δ

=

+

n

j

jti

1

虚拟成流入电流，所有电流负突变量之和∑Δ

=

−

n

j

jti

1

虚拟成流出电

流，当母线发生区外故障时每一时刻均满足0

11

=∑Δ−∑Δ=

=

−

=

+

n

j

jt

n

j

jtdtiii，虚拟流入电流等于虚拟

流出电流，即1

1

1=

∑Δ

∑Δ

=

−

=

+

n

j

jt

n

j

jt

i

i

，此时虚拟流入电流和虚拟流出电流的对应关系如图4-3所示；当母

线发生区内故障时0

11

≠∑Δ−∑Δ=

=

−

=

+

n

j

jt

n

j

jtdtiii，虚拟流入电流不等于虚拟流出电流，即

1

1

1≠

∑Δ

∑Δ

=

−

=

+

n

j

jt

n

j

jt

i

i

，若各支路系统参数一致则满足∞=

∑Δ

∑Δ

=

−

=

+

n

j

jt

n

j

jt

i

i

1

1

或0

1

1=

∑Δ

∑Δ

=

−

=

+

n

j

jt

n

j

jt

i

i

，若考虑各支路系统

参数之间的差异，则1

1

1>

∑Δ

∑Δ

=

−

=

+

N

j

jt

N

j

jt

i

i

或1

1

1<

∑Δ

∑Δ

=

−

=

+

N

j

jt

N

j

jt

i

i

，此时虚拟流入电流和虚拟流出电流的对应关

系如图4-4所示。

因此快速虚拟比相式电流突变量保护的主要判据如下：

K

i

i

n

j

jt

n

j

jt

≥

∑Δ

∑Δ

=

−

=

+

1

1

或

Kn

j

jt

n

j

jt

i

i1

1

1≤

Δ

Δ

∑

∑

=

−

=

+

其中K为_________大于1的常数，该常数根据系统结构和短路容量确定。

虚拟流出电流

图4-4母线区内故障时虚拟流入电流和虚拟流出电流对照图

虚拟流入电流

虚拟流出电流

图4-3母线区外故障时虚拟流入电流和虚拟流出电流对照图

虚拟流入电流

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4.2.3TA变比的自动调整

母线保护因所连接的支路负载情况不同，所选TA也不尽相同。

本装置根据用户整定的一次

TA变比自动进行换算，使得二次电流满足基尔霍夫定理。

假设支路1的TA变比为TA1，支路2

的TA变比为TA2，支路n的TA变比为TAn等等，装置选取最大变比或指定变比作为基准变比

TAbase，选择完基准变比后，TA变比的归算方法如下：

TA

TATA

base

r

1

1=

TA

TATA

base

r

2

2=

Μ

TA

TATA

base

n

nr=

差动电流和制动电流是基于变换后的TA二次相对变比而得的。

TAr1、TAr2、Κ、TAnr为

折算系数。

4.2.4电压闭锁

装置电压闭锁采用的是复合电压闭锁，它由低电压、零序电压和负序电压判据组成，其中任

一判据满足动作条件即开放该段母线的电压闭锁元件。

当用在大接地系统时，低电压闭锁判据采

用的是相电压。

当用在小接地电流系统时，低电压闭锁判据采用线电压，并且取消零序电压判据。

电压闭锁开放逻辑图如图4-5。

母线TV断线时开放对应母线段的电压闭锁元件，但双母线（分段母线）接线型式在通过母

联/分段断路器或其他支路刀闸双跨互联运行时，若某段母线TV断线，电压闭锁元件自动切换使

用正常母线段电压决定是否开放电压闭锁。

+

对应母线电

压闭锁开放

大接地电流系统

U2>U2zd

Uc

Ub

Ua

3U0>U0zd

+

U2>U2zd

Uca

Ubc

Uab

小接地电流系统

对应母线电

压闭锁开放

图4-5电压闭锁开放逻辑图

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4.2.5母线运行方式字的识别

双母线运行的一个特点是操作灵活、多变，但是运行的灵活却给保护的配置带来了一定的困

难，常规保护中通过引入隔离开关辅助触点的方法来动态跟踪现场的运行工况，如图4-6所示。

L为连接在双母线上的一条支路，G1、G2是L的隔离开关，将G1、G2辅助触点的状态送到母线

保护的开关量输入端子，若用高电平“1”表示开关合上，低电平“0”表示开关断开，则保护可

将L的运行状态表述如表4-1。

表4-1

G1G2说明

00L停运

01L运行在Ⅱ母

10L运行在Ⅰ母

11L同时运行在Ⅰ、Ⅱ母（倒闸操作）

微机母线保护通过其开关量输入读取各支路状态，形成Ⅰ母运行方式字和Ⅱ母运行方式字，

同时辅以电流校验，实时跟踪母线运行方式。

装置配备了母线运行方式显示屏，对应于某种运行

方式，在电流不平衡时会出现告警，提醒用户进行干预。

用户可以根据现场的运行方式选择自动、

强合、强分来干预显示屏上每个隔离开关辅助触点，使得运行方式识别准确可靠。

装置在支路有

电流但其刀闸辅助触点信号因故消失时可以通过记忆保持正常状态。

另外针对因隔离刀闸辅助触

点工作电源丢失而导致的所有刀闸位置都为0的情况，装置能够记忆掉电前的刀闸位置和母线运

行方式字直到开入电源恢复正常为止，使得母线保护在该状态下仍可以正确跳闸。

下面简单介绍双母线不同运行方式下差动电流、制动电流的处理方法，正、负电流突变量之

和处理类同。

4.2.5.1双母线专用母联方式

双母线专用母联接线图如图4-7所示。

在此种接线型式下所有支路的Ⅰ母刀、Ⅱ母刀均应作

为确定母线运行方式字的输入量，大差差动电流和制动电流均不计及母联电流，各段小差差动电

流和制动电流均应根据母联刀闸辅助触点的状态、母联断路器跳位和母联TA的极性计及母联电

I

II

G2G1

L

图4-6双母线运行方式示意图

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流。

N单元双母线专用母联差动电流和制动电流表述如下：

iKiKiKiNNmlmld1111−−⋅++⋅+⋅=Λ

iKiKiKiNNmlmlf1111−−⋅++⋅+⋅=Λ

其中Kml为母联支路系数，K1，…，KN1−为非母联支路系数，iml，i1，…，iN1−为经过

换算后的一次电流或二次电流。

计算大差差动电流和制动电流时0=Kml，111===−KKNΛ；

计算Ⅰ母差动电流和制动电流时K1，…，KN1−根据对应支路运行于Ⅰ母取1，不运行于Ⅰ母取

0，当母联投入运行时，若母联TA极性与Ⅰ母一致则1=Kml，若母联TA极性与Ⅱ母一致则

1−=Kml，当母联退出运行时0=Kml。

而计算Ⅱ母差动电流和制动电流时K1，…，KN1−根据

对应支路运行于Ⅱ母取1，不运行于Ⅱ母取0，当母联投入运行时，若母联TA极性与Ⅰ母一致则

1−=Kml，若母联TA极性与Ⅱ母一致则1=Kml，当母联退出运行时0=Kml。

4.2.5.2双母线专用母联专用旁路方式

双母线专用母联专用旁路接线图如图4-8所示。

在这种接线型式下，所有支路的Ⅰ母刀、Ⅱ

母刀均应作为确定母线运行方式字的输入量，旁路按非母联支路处理，其电流参与大、小差差动

电流和制动电流计算，处理方法同双母线专用母联方式。

I母

II母

图4-8双母线专用母联专用旁路接线图

旁母

母联

旁路

图4-7双母线专用母联接线

I母

II母

母联

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4.2.5.3双母线母联兼旁路方式

双母线母联兼旁路方式分Ⅰ母带旁路和Ⅱ母带旁路两种，在此种接线型式下，应根据“母联

旁路运行”压板状态和各元件Ⅰ母刀、Ⅱ母刀状态来确定母线运行方式字。

1）Ⅰ母带旁路

双母线母联兼旁路（Ⅰ母带旁路）接线图如图4-9所示。

母联兼旁路支路作母联时该支路旁

母刀断开，“母联旁路运行”压板退出，电流处理如同双母线专用母联。

作旁路时母联兼旁路支

路Ⅰ母刀和旁母刀合上，Ⅱ母刀断开，“母联旁路运行”压板投入，此时计算大差和Ⅰ母差动电

流和制动电流时应计及该支路电流，计算Ⅱ母差动电流和制动电流时不需计及该支路电流。

假设

该支路编号为1，其余支路编号为2，…，N，则作旁路时差动电流和制动电流表述如下：

iKiKiKiNNd⋅++⋅+⋅=Λ2211

iKiKiKiNNf⋅++⋅+⋅=Λ2211

其中K1，K2，…，KN为支路系数，i1，i2，…，iN为经过换算后的一次电流或二次电

流。

若母联兼旁路TA极性与Ⅰ母一致，则计算大差差动电流和制动电流时

121====KKKNΛ，计算Ⅰ母差动电流和制动电流时11=K，K2，…，KN根据对应支路

运行于Ⅰ母取1，不运行于Ⅰ母取0，而计算Ⅱ母差动电流和制动电流时01=K，K2，…，KN

根据对应支路运行于Ⅱ母取1，不运行于Ⅱ母取0；若母联TA极性与Ⅱ母一致，则计算大差差动

电流和制动电流时11−=K，12===KKNΛ，计算Ⅰ母差动电流和制动电流时11−=K，

K2，…，KN根据对应支路运行于Ⅰ母取1，不运行于Ⅰ母取0，而计算Ⅱ母差动电流和制动电

流时01=K，K2，…，KN根据对应支路运行于Ⅱ母取1，不运行于Ⅱ母取0。

2）Ⅱ母带旁路

双母线母联兼旁路（Ⅱ母带旁路）接线图如图4-10所示。

母联兼旁路支路作母联时该支路

Ⅰ母

旁母

图4-9双母线母联兼旁路（Ⅰ母带旁路）接线图

Ⅱ母

旁母刀

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旁母刀断开，“母联旁路运行”压板退出，电流处理如同双母线专用母联。

作旁路时母联兼旁路

支路