母线差动保护原理推导.docx

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母线差动保护原理推导

第二部分母线保护的概述

发电厂和变电所的母线可能发生单相接地或者相间短路故障。

运行经验表明，单相接地故障占母线故障的绝大多数，而相间短路则较少。

发生引起母线故障的原因很多，其中主要有：

因空气污染损坏绝缘，从而导致母线绝缘子、断路器、隔离开关套管闪络，母线电压互感器及装设在断路器和母线之间的电流互感器的故障，倒闸操作时引起断路器和隔离开关的支持绝缘子损坏，运行人员误操作，例如带负荷拉隔离开关与带地线合闸等，从而引起母线故障。

母线故障远较线路故障机会少，但是由于母线故障后果特别严重，所以装设专门的母线保护，有选择性地迅速切除母线故障，对重要母线来说，因后备保护切除故障时间长且选择性差，往往不能满足运行上的要求。

按照差动原理构成的母线保护，能够保证有较好的选择和快速性，因此，得到了广泛的应用。

2.1母线保护的重要性

母线差动保护是保证电网安全、稳定运行的重要系统设备，它的安全性、可靠性、灵敏性和快速性对保证整个区域电网的安全具有决定性的意义。

因此，对母线差动保护在设计、安装、调试和运行的各个阶段都应加强质量管理和技术监督，不论在新建工程，还是扩建和技改工程中都必须保证母线差动保护不留隐患地投入运行。

随着电网微机保护技术的普及和微机型母差保护的不断完善，以中阻抗比率差动保护为代表的传统型母差保护的局限性逐渐体现出来。

尤其是随着变电站自动化程度的提高，各种设备的信息需上传到监控系统中进行远方监控，使传统型的母差保护无法满足现代变电站运行维护的需要。

母线故障大部分是由于绝缘子对地放电引起，母线故障开始阶段很多表现为单相接地故障，而随着短路电弧的移动，故障往往发展为两相或三相接地短路。

绝缘子污秽老化、电流互感器损坏或爆炸、运行人员误操作是造成母线故障主要原因。

拖长切除母线故障时间将给电力系统和设备安全运行带来严重后果：

由于需要由线路对侧和变压器后备保护来切除母线短路故障，扩大事故范围。

故障使功率输送不平衡，将使故障母线两侧的发电机组失去同步，系统电压大幅波动，将大量甩负荷，而发电机组重新启动与电网并列花费很长时间，破坏电力系统稳定运行。

2.2母线保护的要求及原理

一、对母线保护的基本要求如下：

（1）保护装置在动作原理和接线上必须十分可靠，母线故障时应有足够的灵敏度，区外故障及装置本身故障时保证不误动。

（2）保护装置应能快速且有选择性地切除故障母线。

（3）大接地电流系统的母线保护应采用三相式接线，以便反应相间和接地故障；小接地电流系统的母线保护，应采用两相式接线，只要求反应相间故障。

母联电流相位比较式母线差动保护

母联电流相位比较式母差保护，可以克服元件固定连接式双母线差动保护的缺点。

它不受元件连接方式的影响。

具有较高的可靠性和动作选择性，目前在10kV～220kV电力系统中广泛采用。

二、基本工作原理

保护装置接线：

差动继电器1～3CQf是整套保护的启动元件，接在母线差动电流回路中，由它来判断足母线故障还是保护范围外故障。

若故障发生在保护区内，则l～3CQJ动作，l～3LXU是I母线和U母线故障的选择元件，用来判断故障发生在哪组母线上。

保护装置工作的基本原理是比较母联电流和差动回路电流的相位，作为选择故障母线的依据。

当第l组母线故障时，母联故障电流（即母联断路中的电流）从母线Ⅱ流向母线I，执行元件lJa、lJb、lJc动作；当第n组母线上发生故障时，母联故障电流从母线I流向母线Ⅱ，执行元件2h、2Jb、2Jc动作。

在卜述两种情况下差回路电流相位是不变的，而母联电流相位改变了180˚。

因此，通过对这两个电流的相位进行比较，就可以选择出故障母线。

按此原理构成的保护装置，在任一组母线故障时，只要母联断路罪中有故障电流流过，选择元件就能正确工作。

为此，母联断路器正常运行时必须处于合闸状态，且每组母线上都应有电源元件，以保证任一组母线上发生故障时，都有足够大的故障电流流过母联断路器进行相位比较。

若两组母线中的一组母线无电源元件，则在有电源的母线上故障时，母联便无故障电流流过，相比元件就不能动作。

当单母线运行或母联断路器停用时需将“严隔离开关合上，此时就没有选择性了。

如母线发生故障，则将两段母线上的元件全部跳掉。

三、三极隔离开关P的使用

双母线母联电流相比式母线差动保护，为保证选择元件在母线故障时能够正确动作，要求双母线运行时，母联断路器必须处于合闸状态，且每组母线均有电源。

但是在运行过程中，有可能会出现如下运行方式：

（1）单母线运行。

（2）虽双母线运行，但其中一条母线没有电源。

（3）利用母联断路器向另一组母线充电。

（4）倒闸操作过程。

（5）利用母联断路器代替连接元件断路器运行。

在以上运行方式下，都有可能在母联回路中没有电流或不适合作为选择元件正常工作的比较电流，其结果在母线故障时，使选择元件不能正常工作，造成母差保护不正确动作。

所以，出现上述运行方式时，必须把选择元件退出工作，用三极隔离开关P短接选择元件1Ja、1Jb、1Jc，2Ja、2Jb、2Jc触点。

这时，母差保护按完全电流差动保护方式工作，只要启动元件13CQJ动作，就把母触线全部连接元件切除。

三极隔离开关闭合后，信号灯HD亮，以示标志。

四、复合电压闭锁

加装复合电压闭锁回路的目的，一是为了当母联断路器首先跳开后，无故障母线的复合电压闭锁装置将返回，使母差（失灵）保护跳无故障母线—[：

的线路回路增加了一个断开点，进一步保证不误动。

二是防止运行人员误碰母差（失灵）保护出口继电器时，发生母差（失灵）保护误动作。

五、信号回路

XJL——母联出口信号；）

ⅪI—一I段母线母差出口信号；

ⅪⅢ——丌段母线母差出口信号；

ⅪX--母差动作闭锁双回线保护信号。

六、装置连接片及运行规定

SMC--X母联电流相位比较式母线保护连接片（以双母线专用母联、专用旁路接线为例，各现场以实际情况及运行规程为准）的使用方法如下：

I段母线复合电压闭锁连接片，正常投入运行；

n段母线复合电压闭锁连接片，正常投入运行；

I、n段母线复合电压联络连接片，正常时不运行，当I、n段母线公用一段TV电压时投入运行，另一段母线复合电压闭锁连接片退出；

短接零相电流表连接片，正常投入运行，测量交流电流回路零相电流时断开；

母差保护跳各元件连接片，正常投入运行；

2.3母线保护的相关技术原则

一、断路器或隔离开关闭锁回路辅助触点的选择

断路器或隔离开关闭锁回路不能用重动继电器，应直接用断路器或隔离开关的辅助触点；母差CT切换用的隔离刀闸辅助接点对于母差失灵保护的正常运行和可靠动作具有特别重要的意义。

二、电流互感器的选择要求

现今，电磁式电流互感器是一个铁芯元件。

它是一个非线性元件。

当一次电流很大时、当一次电流中含有较大直流分量时、当铁芯有很大剩磁时、当二次负载电阻很大时，它的工作点将进入磁化曲线的饱和部份为避免差动保护误动而设立的电流互感器饱和的判据又往往造成母线内短路时差动保护的延缓动作。

鉴于电流互感器饱和的问题，尤其对于高压母线差动保护用电流互感器的选择，由于母线故障时短路电流大，而且外部短路时流过个电流互感器的差别也可能很大，即使各侧选用特性相同的电流互感器，其暂态饱和程度也可能很不一致。

另外，在保护装置原理方面采取了由谐波制动原理构成的TA饱和检测元件、自适应加权式抗TA饱和的差动保护来抗CT饱和。

三、母线互联或分裂运行时汲出电流影响母差灵敏度问题

对于双母单分段或双分段的中阻抗没有大差元件的母差，均在母差上增设一个灵敏电流继电器作为母线分列保护，在母线互联时投入，该元件动作后，第一时间将非互联段母分开关断开。

对于没有装设母线分裂继电器的母差保护，要求在母线倒闸操作时，将非互联母线段上的母联开关断开，则可避免母差保护灵敏度问题。

2.4母线保护反措要求

一、双重化配置

为确保母线差动保护检修时母线不至失去保护、防止母线差动保护拒动而危及系统稳定和事故扩大，必要时在500千伏母线以及重要变电站、发电厂的220千伏母线应采用双重化保护配置，同时还应注意做到：

每条母线采用两套完整、独立的母线差动保护，并安装在各自的柜内。

进行母差保护校验工作时，应保证每条母线至少保留一套母差保护运行；用于母线差动保护的断路器和隔离刀闸的辅助接点、切换回路、辅助变流器以及与其他保护配合的相关回路亦应遵循相互独立的原则按双重化配置。

二、采用相位比较原理的母线差动保护在用于双母线时，必须增设两母线相继发生故障时能可靠切除后一组故障母线的保护回路。

三、对空母线充电时，固定连接式和母联电流相位比较式母线差动保护应退出运行。

四、母联、母联分段断路器宜配置独立的母联、母联分段断路器充电保护。

该保护应具备可瞬时跳闸和延时跳闸的回路。

五、断路器失灵保护按一套配置。

断路器失灵保护二次回路牵涉面广、依赖性高，投运后很难有机会利用整组试验的方法进行全面检验。

因此，对断路器失灵保护在设计、安装、调试和运行各个阶段都应加强质量管理和技术监督，保证断路器失灵保护不留隐患地投入运行。

六、做好电气量保护与非电气量保护出口继电器分开的反措，不得使用不能快速返回的电气量保护和非电量保护作为断路器失灵保护的起动量，并要求断路器失灵保护的相电流判别元件动作时间和返回时间均不应大于20毫秒。

七、用于双母线接线形式的变电站，其母差保护、断路器失灵保护的复合电压闭锁接点应分别串接在各断路器的跳闸回路中，不得共用。

2.5装设母线保护的基本整定原则

母线发生故障的几率较线路低，但故障的影响面很大。

这是因为母线上通常连有较多的电气元件，母线故障将使这些元件停电，从而造成大面积停电事故，并可能破坏系统的稳定运行，使故障进一步扩大，可见母线故障是最严重的电气故障之一，因此利用母线保护清除和缩小故障造成的后果，是十分必要的。

母线保护总的来说可以分为两大类型：

一、利用供电元件的保护来保护母线，二、装设母线保护专用装置。

一般来说母线故障可以利用供电元件的保护来切除。

图1.1主电路图

B处的母线故障，可由1DL处的Ⅱ或Ⅲ段切除，2DL和3DL处的发电机、变压器的过流保护切除。

缺点：

延时太长，当双母线或单母线时，无选择性。

所以下列情况应装设专门的母线保护：

母线保护应特别强调其可靠性，并尽量简化结构。

对电力系统的单母线和双母线保护采用差动保护一般可以满足要求，所以得到广泛应用。

母线上连接元件较多，所以母差保护的基本原则为：

（1）幅值上看：

，正常运行和区外故障时

，即

母线故障时

＝0

动作

（2）相位上看：

正常运行和区外故障时，流入、流出电流反相位

母线故障时流入电流同相位

母差保护分为：

1母线完全差动2固定连接的双母线差动保护3电流比相式差动保

护4母联相位差动保护

2.5.1母线完全差点保护

图1.2差点保护原理图

1作用原理

将母线的连接元件都包括在差动回路中，需在母线的所有连接元件上装设具有相同变比和特性的CT。

①正常运行或外部故障时

（

）

所以，

二次侧

②母线故障时

二次侧

2整定计算

两个条件：

①躲外部短路可能产生的

②CT（LH）二次回路断线时不误动

：

母线连接元件中，最大负荷支路上最大负荷电流。

取较大者为定值。

——连接元件最少时

应用：

35KV及以上单母线或双母线经常只有一组母线运行的情况，母线故障时，所有联于母线上的设备都要跳闸。

2.5.2固定连接母线的差动保护

为提高供电的稳定性，常采用双母线同时运行的方式。

按一定要求将引出线和有电源的支路固定联于两条母线上——固定连接母线。

任一母线故障时，只切除联于该母线上的元件，另一母线可以继续运行，从而缩小了停电范围，提高了供电可靠性，此时需要母线差动保护具有选择故障母线的能力。

1构成以及作用原理

图1.3固定连接线母线差点保护原理

5DL母联（开关）断路器

图1.45DL母联断路器

三部分组成：

①1CT、2CT、6CT和1CJ——用于选择母线Ⅰ的故障

②3CT、4CT、5CT和2CJ——用于选择母线Ⅱ的故障

③完全差动保护1~6CT和3CJ——整套保护的启动元件

原理：

①正常运行或区外故障时

由上图电流分布情况可知：

1CJ、2CJ、3CJ中均为不平衡电流，保护不动作

②区内故障时，例，母线Ⅰ故障，见上图红色电流分布情况可见：

1CJ、3CJ中流入全部短路电流，所以1CJ、3CJ启动，跳开1DL、2DL和5DL；2CJ中为不平衡电流，不动，所以母线Ⅱ仍可继续运行。

当母线Ⅱ故障时，分析同上。

2CJ、3CJ起动，跳开3DL、4DL、和5DL，母线Ⅰ继续运行。

2固定连接破坏时，例线路1由母线Ⅰ切换到母线Ⅱ，因二次回路不能随之切换，所以外部短路时，1CJ、2CJ中有较大的差动电流而误动，但3CJ仍流过不平衡电流，不会误动。

区内短路时，1CJ、2CJ都可能动作，3CJ动作，所以两条母线都可能切除。

该保护优点：

能快速而有选择性的切除母线故障；

缺点：

当固定连接破坏时，不能选择故障母线，限制了系统运行调度的灵活性。

四电流比相式母线保护

为提三部分组成：

①1CT、2CT、6CT和1CJ——用于选择母线Ⅰ的故障

②3CT、4CT、5CT和2CJ——用于选择母线Ⅱ的故障

③完全差动保护1~6CT和3CJ——整套保护的启动元件

原理：

①正常运行或区外故障时

由上图电流分布情况可知：

1CJ、2CJ、3CJ中均为不平衡电流，保护不动作

②区内故障时，例，母线Ⅰ故障，见上图红色电流分布情况可见：

1CJ、3CJ中流入全部短路电流，所以1CJ、3CJ启动，跳开1DL、2DL和5DL；2CJ中为不平衡电流，不动，所以母线Ⅱ仍可继续运行。

当母线Ⅱ故障时，分析同上。

2CJ、3CJ起动，跳开3DL、4DL、和5DL，母线Ⅰ继续运行。

2固定连接破坏时，例线路1由母线Ⅰ切换到母线Ⅱ，因二次回路不能随之切换，所以外部短路时，1CJ、2CJ中有较大的差动电流而误动，但3CJ仍流过不平衡电流，不会误动。

区内短路时，1CJ、2CJ都可能动作，3CJ动作，所以两条母线都可能切除。

该保护优点：

能快速而有选择性的切除母线故障；

缺点：

当固定连接破坏时，不能选择故障母线，限制了系统运行调度的灵活性。

2.5.3电流比相式母线保护

为提高母线保护运行的灵活性而提出

高母线保护运行的灵活性而提出

图1.5电流比相母线保护原理

正常运行或者

故障时：

母线故障时：

即：

利用比相元件比较各元件的相位，便可判断区内、区外故障。

图1.6单相方框图

从每个连接元件的CT引出三相电流，经电压形成回路分别送入各相的小母线，每相的

小母线分别送至本相的比较回路。

延时回路的作用是从时间上躲开外部短路时出现的相位误

差，脉冲展宽回路的作用是使出口继电器可靠动作。

特点：

①只与电流相位有关，而与电流的幅值大小无关

②不需考虑不平衡电流的影响，提高了灵敏度

③不要求采用同型号和同变比的CT，增加了使用的灵活性。

五母联相位差动保护

固定连接母线的差动保护的改进。

比较母联中电流与总差电流的相位作为故障母线的

选择元件。

图1.7母联差点保护原理

①Ⅰ母线发生故障时，母联中电流方向从Ⅱ母线流向Ⅰ母线

②Ⅱ母线发生故障时，母联中电流方向从Ⅰ母线流向Ⅱ母线，两种情况下电流相位变化1800。

基准量：

总差电流，相位不变，同时为故障启动元件。

可见，不管母线上元件如何连接，

只要母联中有电流流过，则能选择出故障母线，无固定连接的要求。

这是它的优点。

六断路器失灵保护

定义：

P226

例：

图1.8例图

d处发生故障时候，5DL拒动，装设于变电所B的断路器失灵保护动作，加速断开2DL、3DL。

可使故障范围不至于影响到变电所A和C。

（1DL、4DL的远后备保护动作亦可达到同样的目的，但因为动作时间太长满足不了系统的要求）

原理：

图1.9原理框图

原理方框图

当d处发生故障的时候，5DL保护动作，若5DL拒动，而且U<动作，则“与”门开放，经延时t跳开2DL、3DL。

延时元件t：

鉴别断路还是失灵。

>

通常取t=0.3~0.5s。

U<：

辅助判别元件。

各保护出口（2DL、3DL、5DL）：

起动元件。