重庆大学网络教育学院

本科毕业设计（论文）开题报告

第二篇：电力系统继电保护设计

电力系统继电保护课程设计报告

保护综述

班级：电气08-2班

姓名：冯文龙

学号:0867130208

目录

目录………………………………………………………………….1

内蒙古科技大学课程设计任务书…………………………………..2

摘要…………………………………………………………………..4

第一章         发电机保护………………………………………………..4                                                  

第一节    发电机的故障、不正常运行状态及其保护方式……………..4

第二节    发电机的差动保护………………………………………....5

第三节    发电机定子绕组单相接地保护……………………………...9

第四节    发电机负序电流保护…………………………..…………..11

第五节    发电机的失磁保护………………………………………...12

第六节    发电机的失步保护…………………………………………14

第七节    发电机励磁回路接地保护…………………………………..15

第二章         母线保护…………………………………………………...15

第一节    母线故障和装设母线保护的基本原则………………………15

第二节    母线差动保护……………………………………………..16

第三节    母线保护的特殊问题及其对策……………………………..20

第四节    断路器失灵保护…………………………………………...21

结论…………………………………………………………………..22

参考文献……………………………………………………………..22

内蒙古科技大学课程设计任务书

发电机与母线保护设计

摘要：发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用，同时发电机本身也是十分贵重的电气设备，因此，应该针对各种不同的故障和不正常运行状态，装设性能完善的继电保护装置。发电厂和变电所的母线是电力系统中的一个重要组成元件，当母线上发生故障时，将使连接在故障母线上的所有元件在修复故障母线期间，或转换到另一组无故障的母线上运行以前被迫停电。这里，我将介绍一下发电机与母线保护的的故障类型、保护种类、基本原则以及整定计算等问题。

关键词：发电机 母线 保护 基本原则 整定计算

第一章 发电机保护

第一节 发电机的故障、不正常运行状态及其保护方式

发电机保护是保护发电机免受短路故障损坏的重要自动装置。当发电机内部短路故障时，继电保护装置在很短的时间内发出动作命令，保护发电机免受短路电流的损坏。发电机定子绕组中性点不直接接地或不接地所以发电机定子绕组设计为全绝缘。尽管如此发电机有可能因种种原因发生单相接地和短路故障，发电机内部短路故障在短接绕组中将会出现很大的短路电流。严重损伤发电机本体，甚至使发电机报废，危害严重。发电机的修复费用很高，单相接地不会引起大的短路电流，不属于严重的短路故障，但发生单相接地，有可能由于电弧引发故障点处发生相间短路或由于电位的变化发生另一点接地，而构成两点接地短路。因此发电机的故障主要有定子绕组相间短路。

1、发电机的故障类型

    发电机的故障类型主要有定子绕组相间短路、定子一相绕组内的匝间短路、定子绕组单相接地、定子绕组一点接地或两点接地、转子励磁回路励磁电流的消失等。

2、发电机的不正常运行状态

    发电机的不正常运行状态主要有：定子绕组过电流和定子过负荷；定子绕组负序过电流和负序过负荷；由于外部不对称短路和不对称负荷引起；发电机突然甩负荷引起的定子绕组过电压； 由于主汽门突然关闭引起的发电机逆功率 ；由于励磁回路故障或强行励磁时间过长引起的转子过负荷；发电机频率上升或下降等。

3、针对以上故障类型及其不正常运行状态，发电机应装设以下保护：

    a、纵联差动保护，反应发电机定子绕组及引出线相间短路；

    b、定子绕组匝间短路；

    c、定子单相接地保护；

    d、过电流保护 ；

    e、对称过负荷保护；

    f、 励磁回路接地保护

    g、失磁保护

    h、 失步保护

    I、转子过负荷保护

    j、逆功率保护

    k、定子绕组过电压保护

L、发电机过励磁保护

为了快速消除发电机的内部故障，在保护动作于发电机断路器跳闸的同时，还必须动作于自动灭磁开关，断开发电机励磁回路，使定子绕组中不再感应出电动势，继续供给短路电流。

第二节 发电机的差动保护

     发电机的差动保护可分为纵差动保护和横差动保护，纵差动保护又包括比率制动式纵差动保护和标积制动式差动保护。把纵联电流差动保护原理应用于发动机就构成了发电机纵差动保护。如图1.1所示：

图1.1 发电机纵差动保护原理图

1、比率制动式纵差动保护

由图1.1可知，以一相为例，规定一次电流以流入发电机为正方向。当正常运行以及发电机发生区外故障时，流入差动继电器KD的差动电流为零，继电器将不动作。当发生发电机内部故障时，流入差动继电器KD的差动电流将会出现较大的数值，当差动电流超过额定值时，继电器判为发生了发电机内部故障而作用于跳闸。设=|+|，，比率制动式差动保护的动作方程为：

，    （1.1）

，                     （1.2）

式中 ——差动电流或称动作电流；

     ——制动电流；

     ——拐点电流；

     ——启动电流 ；

     K——制动线斜率；（图1.2中斜线CD的斜率）

式（1.1）、（1.2）对应的比率制动特性如图1.2所示。由式（1.1）可以看出，它在动作方程中引入了启动电流和拐点电流，制动线CD一般以不再经过原点，从而能够更好地拟合TA的误差特性，进一步提高差动保护的灵敏度。根据比率制动特性曲线分析。当发电机正常运行，或区外较远的地方发生短路时，差动电流接近为零，差动保护不会误动。而在发电机内部发生短路故障时，差动电流明显增大，和相位接近相同，减小了制动量，从而可灵敏动作。当发生发电机内部轻微故障时，虽然有负荷电流制动，但制动量比较小，保护一般也能可靠动作。

图1.2 比率制动特性曲线

2、标积制动式纵差动保护

标积制动是比率制动原理的另一种表达形式，以下为标积制动式纵差动保护判据，仍以电流流入发电机为正方向，令

                   （1.3）

（1.4）

式中——标记制动系数；

    ——和的夹角。

3、发电机纵差动保护整定与灵敏度

1）、纵差动保护灵敏度系数的定义与校验

      根据规程规定，发电机纵差动保护的灵敏度是在发电机机端发生两相金属性短路情况下差动电流和动作电流的比值，要求。随着对发电机内部短路分析的进一步深入，对发电机内部发生轻微故障的分析成为可能，可以更多的分析内部发生故障时的保护动作行为，从而更好地选择保护原理和方案。

2)纵差动保护的整定

（1）、启动电流的整定。启动电流的整定原则是躲过发电机额定工况下差动回路中的最大步平衡电流。因此，启动电流为

                                          （1.5）

式中 ——可靠系数，取1.5~2；

     ——保护两侧的TA变比误差产生的差流，取0.06（为发电机的额定电流）；

     ——保护量的的二次误差（包括二次回路引线差异以及纵差动保护输入通道变换系数调整不一致）产生的差流，去0.01.

代入式（1.5）得。

（2）、拐点电流的整定。拐点电流的大小，决定保护开始产生制动作用的电流的大小。拐点电流越小，差动保护的动作区越小，而制动区越大；反之亦然。因此，拐点电流的大小直接影响差动保护的动作灵敏度。通常拐点电流的整定计算式为

                                          （1.6）

(3)、比率制动特性的制动系数和制动线斜率K的整定。发电机纵差动保护比率制动特性的制动线斜率K，决定于夹角（图1.2中AC延长线与CD的夹角）。可以看出，当拐点电流确定后，夹角决定于D点。而特性曲线上的D点又可近似由发电机外部故障时最大短路电流与差动回路中的最大不平衡电流确定。由此制动系数可以表示为

                                                （1.7）

而制动线斜率K，则可表示为

                                          （1.8）

      差动回路中的最大不平衡电流，除与纵差动保护用两侧TA的10%误差、二次回路参数差异及差动保护测量误差（即前述二次误差）有关外，尚与纵差动保护两侧TA暂态特性有关。考虑到上述情况，外部故障时，为躲过差动回路中的最大不平衡电流，D点的纵坐标电流应取为

                                （1.10）

式中 ——可靠系数，取1.3~1.5；

——暂态特性系数，当两侧TA变比、型号完全相同且二次回路参数相同时，，当两侧TA变比、型号不同时，可取0.05~0.1；

——最大动作电流。

将以上数据代入式1.10得。令=，代入式（1.7）可得

        。                             （1.11）

因此，对于发电机完全纵差动保护，可取0.3；而对于不完全纵差动保护，可取0.3~0.4。而制动线斜率K则可以根据与推导得出。

对发电机差动保护上长期存在许多值得探讨的问题进行了详细的分析。包括发电机定子可能发生哪些短路故障；比率制动原理的制动系数和斜率的概念有什么差别；如何理解标积制动原理的高灵敏性；故障分量原理实现的关键在哪；不完全差动保护需要解决的根本问题是什么；如何合理分析差动保护的灵敏度；如何评价保护的性能更合理等，并尽可能在详细的分析基础上给出相应的结论。

4、发电机横差动保护

     横差动保护，可以反应定子绕组的相间短路和匝间短路。

图1.3 发电机横差动保护原理图

A相横差动电流：                          ，如果                 ，认为故障；

B相横差动电流：                          ，如果                 ，认为故障；

C相横差动电流：                          ，如果                 ，认为故障；

第三节 发电机定子绕组单相接地保护

我国发电机中性点接地方式主要有以下三种：不接地(含经单相电压互感器接地)；经消弧线圈(欠补偿)接地；经配电变压器高阻接地。

在发电机单相接地故障时，不同的中性点接地方式，将有不同的接地电流和动态过电压以及不同的保护出口方式。

当机端单相金属性接地电容电流I_C小于允许值时，发电机中性点应不接地，单相接地保护带时限动作于信号；若I_C大于允许值，宜以消弧线圈(欠补偿)接地，补偿后的残余电流(容性)小于允许值时，保护仍带时限动作于信号；但当消弧线圈退出运行或由于其他原因使残余电流大于允许值时，保护应切换为动作于停机。

发电机中性点经配电变压器高阻接地时，接地故障电流大于I_C，一般情况下均将大于允许值，所以单相接地保护应带时限动作于停机，其时限应与系统接地保护相配合。

1、基于暂态分量的定子单相接地保护原理

由于发电机定子绕组的漏抗和电阻较小，若忽略它们的影响，定子绕组单相接地后，零序基波及3次谐波电压的故障分量简化电路都可以等效为图1.4的形式。其中Zt、Zn 分别为机端和中性点等效阻抗，Rg 为接地过渡电阻，为故障前故障点的电压。从图中可以看出，故障后机端和中性点的零序基波及3次谐波电压的故障分量()近似相同(包括幅值与相位)。

图1.4定子绕组单相接地时零序基波及

3次谐波的故障分量等效电路

发电机正常运行时，零序基波()和3次谐波电压（）等效电路如图1.5所示。其中，Cg 为每相定子绕组对地电容，Ct 为机端外接元件等效的每相对地电容，机端和中性点的电压相位差在90°~180°范围内。

图1.5 发电机正常运行时基波及3 次谐波电压的等效电路

当运行方式变化或由于其他原因引起零序基波3次谐波电压变化时，机端和中性点的零序基波3次谐波电压变化量的比值近似不变，相位差近似于正常运行时的规律。因此可以选取机端和中性点的3次谐波电压故障暂态分量之和作为动作量，它们的差作为制动量，结合零序基波电压保护判据，构成单相接地保护的动作判据为

                                 （1.12）

式中：为基波零序电压的故障分量；为门槛电压；分别为机端和中性点的3次谐波电压故障分量；β为制动系数，取为1。

2 定子绕组单相接地自适应保护判据

式(1.12)判据利用故障暂态分量有效提高了保护的灵敏度，但是存在以下问题：1）根据故障时机端和中性点的3 次谐波故障分量的相位关系，以保证单相接地保护动作为前提，判据中制动系数β 取为1，这实际制约了保护的灵敏度；2）保护判据分为基波和3次谐2部分，增加了复杂性。因此，可以考虑引入能反映零序基波3次谐波电压故障分量综合效应的动作信号和制动信号，并利用它们的谱能量比值自动调整上述判据中的制动系数。

信号f(t)的谱能量定义为在时间区间(0,T)内信号的能量，即

              （1.13）

动作信号取为，制动信号取为。其Ug为考虑正常运行情况下零序基波电压影响的一个浮动门槛，可取正常运行时中性点零序基波电压的4%~ 20%，主要是躲过正常情况下基波增量的非零输出。设N 为微机保护所用的数据窗长，本文取20 ms 所对应的采样点数，Δt 为采样间隔，则动作信号和制动信号在(0,T)内的谱能量表达式为

                                          （1.14）

发电机正常运行时，由于机端和中性点的零序基波及3 次谐波电压的相位差在90°~180°之间，由它们合成的制动量和动作量的谱能量相差不大，其比值制动系数λ=Eres/ Eop 接近1。而发生定子绕组单相接地时，由于机端和中性点的零序基波电压及3 次谐波电压的故障分量幅值近似相等，相位相同，所以动作量的谱能量远大于制动量的谱能量，λ远小于1。基于上述特点，选取λ作为制动系数，则发电机定子单相接地保护的自适应判据为

                            （1.15）

在微机保护的计算中，首先取故障后第1 周期和故障前最后1 周期的采样数据求取ΔUt(k)和ΔUn(k)，然后按式(1.14)求取动作信号和制动信号的谱能量，进而求出λ。所以，随着正常运行工况、故障情况的变化而取不同的数值。特别是当定子绕组经过渡电阻Rg 单相接地时，根据图（1.4）可知：故障分量ΔUt和ΔUn幅值及相位相等，不受过渡电阻的影响。因此λ的值也不受过渡电阻的影响。实际中故障分量ΔUt 和ΔUn 的幅值相位非常接近但又不完全相等，它们的差比它们的和要小得多，以此计算的Ures 比Uop 也小得多，致使制动系数不可能太大。由此可见，本文所提的判据可以提高保护对定子经过渡电阻单相接地的响应灵敏度。

第四节 发电机负序电流保护

大容量的发电机，额定电流比较大，低电压启动的过电流保护，往往不能满足远后备灵敏度的要求。此外当电力系统发生不对称短路、断线、或负载不平衡等情况，发电机定子绕组中将产生负序电流，并将在转子铁芯、励磁绕组及阻尼绕组等部件上感应出倍频电压、电流，引起转子附加发热，危害发电机的安全运行。所以，对于容量为5万kW以上的发电机，需配置负序电流保护。

1、负序电流危害产生的原因：

（1）定子绕组负序电流产生的定子合成磁场与正序电流产生的磁场转向相反，即逆转子旋转方向的旋转。相对于转子来说以2倍同步转速相对旋转。

（2）负序电流产生的定子合成磁场切割转子，会在转子本体和各部件（如阻尼条）上感应两倍工频的涡流。

（3）由于转子本体和各部件的自阻抗很小，涡流很大，导致转子过热，甚至烧坏转子本体表面及阻尼条。

（4）使发电机转子产生100HZ的交变振动。

2、定时限负序过电流保护的整定

     负序过电流保护的整定值可按以下原则考虑：对过负荷的信号部分，其整定值应按照躲开发电机长期允许的负序电流值和最大负荷下负序过滤器的不平衡电流（均应考虑继电器的返回系数）来确定。根据有关规定，汽轮发电机的长期允许负序电流为6%~8%的额定电流，水轮发电机的长期允许负序电流为12%的额定电流。因此，一般情况下其整定值可取为

                                      （1.16）

式中 ——负序过电流保护整定值；

     ——长期允许的负序电流。

负序过电流保护的动作时限则应保证在外部不对称的选择性，一般采用5~10s。

3、反时限过电流保护

     反时限过电流保护反映发电机定子的负序电流大小，防止发电机转子表面过热。该保护电流取自发电机中性点TA三相电流。

     当发电机负序电流大于上限整定值时，则按上限定时限动作，如果负序电流低于下限整定值，但不足以使反时限部分动作，或反时限部分动作时间太长时，则按下限定时限动作；负序电流在上、下限整定值之间，则按反时限动作。

     负序反时限特性能真实地模拟转子的热积累过程，并能模拟散热，即发电机发热后若负序电流消失，热积累并不消失，而是慢慢地散热消失，如此时负序电流再次增大，则上一次热积累将成为该次的初值。

    反时限部分的动作方程为

                                          （1.17）

式中 ——发电机负序电流标么值；

     ——发电机发热同时的散热效应系数；

     A——发电机的A值。

第五节 发电机的失磁保护

　一、发电机的失磁运行

发电机失磁故障是指发电机的励磁突然全部或部分地消失。引起失磁的原因有: 转子绕组故障、自动灭磁开关误跳闸、半导体励磁系统中某元件损坏或回路发生故障以及误操作等。

当发电机完全失去励磁时, 励磁电流将逐渐衰减至零。由于发电机的感应电动势Ed 随着励磁电流的减小而减小, 因此, 其电磁转矩也将小于原动机的转矩, 因而引起转子加速, 使发电机的功角? 增大。当? 超过静态稳定极限值时, 发电机与系统失去同步。发电机失磁后将从并列运行的电力系统中吸取电感性无功功率供给转子励磁电流, 在定子绕组中感应电动势。在发电机超过同步转速后, 转子回路中将感应出频率为f G- f S( 此处f G 为对应发电机转速的频率, f S 为系统的频率) 的电流。此电流产生异步制动转矩, 当异步转矩与原动机转矩达到新的平衡时,即进入稳定的异步运行。

当发电机失磁后而异步运行时, 将对电力系统和发电机产生以下影响:

1) 需要从电网中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场, 可能导致系统无功功率的严重缺额。所需要无功功率的大小, 主要取决于发电机的参数( X1、X2、Xad) 以及实际运行时的转差率。由于从电力系统中吸收无功功率将引起电力系统电压下降, 如果电力系统的容量较小或无功功率的储备不足, 则可能使失磁发电机的机端电压、升压变压器高压侧的母线电压、或其他邻近点的电压低于允许值, 从而破坏了负荷与各电源间的稳定运行, 甚至可能因电压崩溃而使系统瓦解。

2) 失磁发电机进入异步运行后, 不仅要吸收大量的无功功率, 还要发出一定的有功功率, 这有可能导致定子绕组过电流。失磁前发电机所带的有功功率愈大, 则异步运行时的转差率以及所吸收的无功功率也愈大。因此发电机在重负荷下失磁时, 定子绕组将可能因过电流而过热。

3) 失磁后发电机的转速超过同步转速, 因此, 在转子及励磁回路中将产生频率为fG - fS 的交流电流, 因而形成附加的损耗, 使发电机转子和励磁回路过热。当转差率越大时, 所引起的过热也越严重。

4) 在上述转子回路差频电流脉动磁场的作用下, 将引起发电机振动, 危机发电机的安全。据以上分析, 结合汽轮发电机来看, 由于其异步功率比较大, 调速器也比较灵敏, 因此当超速运行后, 调速器立即关小汽门, 使汽轮机的输出功率与发电机的异步功率很快达到平衡, 在转差率小于0. 5%的情况下即可稳定运行。故汽轮发电机在很效的转差下异步运行一段时间, 原则上使完全允许的。此时, 是否需要并允许其异步运行, 主要取决于电力系统的具体情况。例如, 当电力系统的有功功率供应比较紧张, 同时一台发电机失磁后, 系统能够供给它所需要的无功功率, 并能保证电网的电压水平时, 则失磁后就应该继续运行; 反之, 如果系统有功功率有足够的储备, 或者系统没有能力供给它所需要的无功功率, 则失磁后就不应该继续运行。

二、失磁保护的构成方式

1、对失磁保护的要求

发电机失磁后, 对系统及发电机本身的危害性,与发电机的构造型式、容量大小及其在系统的情况有很大的关系。因此, 对失磁保护的要求可以归纳为两点:

1) 当发电机失磁后, 对系统和机组本身并未构成严重的威胁时, 则失磁保护可以动作于信号, 并允许发电机在短时间内失磁运行。

2) 当发电机失磁后将危机系统或发电机本身的安全运行时, 失磁保护应立即动作将发电机切除。

2、失磁保护的构成方式

失磁保护应能正确反应发电机的失磁故障, 而在发电机外部故障、电力系统振荡、发电机自同步并列以及发电机低励磁( 同步) 运行时不误动作。根据发电机容量和励磁方式的不同, 失磁保护的方式有如下两种:

1) 利用自动灭磁开关连锁跳开发电机断路器过去发电机失磁保护都是采用这种方式。但实际上发电机失磁并不都时由于自动灭磁开关跳开而引起的, 特别是采用半导体励磁系统时, 由于半导体元件或回路的故障而引起发电机失磁时可能的, 而在这种情况下保护将不能动作。因此这种保护方式一般用于容量在100MW 以下带直流励磁机的水轮发电机及不允许失磁运行的汽轮发电机上。

2) 利用失磁后发电机定子各参数变化的特点构成失磁保护这种方式的保护所反应的发电机定子参数的变化如: 机端测量阻抗由第一象限进入第四象限, 无功功率改变方向, 机端电压下降, 功角?增大, 励磁电压降低等。目前对容量在100MW 及以上的发电机和采用半导体励磁的发电机, 普遍增设了这种方式的保护。

图1.6 发电机失磁保护的逻辑图

第六节 发电机的失步保护

1、失步危害性

系统在遭受干扰后, 若其不能再建立稳态运行状态, 则系统的功率、电流和电压就会不断振荡, 将使整个系统崩溃, 导致大面积停电。对于大机组和超高压电力系统, 振荡中心通常落在发电机机端或升压变压器的范围内。由于振荡中心靠近机端, 使机端电压周期性的严重下降, 这对大型发电机的安全运行造成危害。因为机炉的辅机都由接在机端的厂用变压器供电,厂用电压的周期性下降, 将使给煤或给油电动机运行不稳定, 导致炉膛爆炸。振荡过程中, 在发生短路和切除故障后, 汽轮发电机将可能出现扭转振荡, 使大轴遭受机械损伤。短路故障伴随振荡的情况下, 发电机定子绕组先遭受短路电流产生的应力, 然后承受幅值很大的振荡电流产生的周期性的应力, 使定子绕组端部出现机械损伤的可能性增加。由于振荡电流相当大,若振荡时间较长, 则定子绕组将因过热而遭受损伤。

综上原因, 大型发电机必须装设失步保护,用以及时检出失步故障, 迅速采取措施, 以保证电力系统和机组本身的安全。

2、现有失步保护判据

当前失步保护的判据主要有以下几种：

（1）、利用阻抗元件检测振荡阻抗。这种方法能够满足鉴别短路和稳定振荡, 能够在第一个振荡周期内检出失步故障, 但不能在扰动出现后未滑极时预测是否会发生失步。

（2）、用电力系统稳定判据作为失步保护的判据。目前主要是利用李雅普诺夫函数来构成失步保护主判据。这种方法同样也能鉴别短路和稳定振荡, 并有较好的预测功能。但李雅普诺夫函数构造困难, 而且它是稳定判据的充分而非必要条件。因此不易实现。

（3）、通过测振荡中心电压及其变化率来反应功角及其变化率。这种方法能鉴别短路和稳定振荡, 能较早的检出故障, 但振荡中心随故障点和故障类型而变, 因而不易测得。以上失步保护判据存在一定局限性。失步情况复杂, 与系统正常运行情况, 重合闸运作情况, 采用的自动调速系统以及励磁调节系统密切相关。以往的研究常常假设发电机的励磁系统能保证发电机的暂态电势保持恒定, 且不计调速器的作用。随着大机组自动调节系统的不断完善和快速关闭汽门的运用, 上述假设已不适应实际情况, 因而需要寻找一个具有广泛适应性的失步保护判剧。

第七节 发电机励磁回路接地保护

通常发电机转子是不接地运行的, 当励磁回路发生一点接地故障时, 对发电机的运行不会产生影响和损害, 然而由于一点接地故障的存在增加了励磁回路第二点接地的可能性。励磁回路两点接地将严重威胁发电机的安全, 因此大中型发电机需要装设转子一点、两点接地保护。

目前, 励磁回路一点接地保护主要有电桥式、叠加直流电压式、叠加交流电压式、利用导纳继电器的叠加交流电压式和切换采样式。通常的电桥式一点接地保护在故障发生在励磁绕组中点附近时, 即使是金属性接地, 保护也不能动作, 因而保护存在一定的死区。叠加直流电压式一点接地保护在励磁绕组上不同点接地时, 流过继电器的电流相差很大, 因而不同点接地时灵敏度相差很大。叠加交流电压式一点接地保护由于受励磁绕组对地电容的影响较大,灵敏度较低。用导纳继电器的叠加交流电压式一点接地保护在实际运行中, 动作特性受很多因素影响,易发生误动和拒动, 整定要求精确, 分析起来复杂。

转子两点接地保护主要是基于实时求解两个不同的接地回路方程, 计算转子过渡电阻及接地点位置, 一点接地故障后, 启动两点接地保护, 当测得的接地位置值发生变化, 并且变化值超过整定阈值时,确认为发生两点接地故障。这种两点接地保护的过渡电阻整定值越大, 检测故障位置偏差的整定值越大, 保护的灵敏度越低, 当故障位置偏差很小时存在保护死区的问题。

第二章 母线保护

第一节 母线故障和装设母线保护的基本原则

与输电线路相比，母线发生故障的次数较少，但母线故障的可能性还是有的，虽然母线总长度不过几十米至上百米，而母线连接的设备多，电气接线复杂，设备损坏老化或绝缘子老化，污秽以及雷击等引起的短路故障，同时也存在着操作频繁，由于值班人员的误操作引起的人为三相故障（如带地线合闸，带负荷拉闸），因此，母线的短路故障在电力系统故障中仍存在着一定的比例，并且造成的后果十分严重。

母线上发生的短路故障，单相接地所占比例最高，大部分故障是由绝缘子对地放电引起，母线故障开始阶段大多数表现为单相接地故障，而随着电弧的移动，故障往往发展为两相

或三相接地短路；相间短路较少；因此，母线故障的性质一般比较严重，对电力系统的安全带来的危害较大，装设快速切除故障的母线保护是十分重要，决不可少的。

一般来说，不采用专门的母线保护，而利用供电元件的保护装置就可以把母线故障切除。只有在下列情况下应装设专门的母线保护。

（1）、在110KV及以上的双母线和分段单母线上，为保证有选择性地切除任一组（或段）母线上发生的故障，而另一组（或段）无故障的母线仍能继续运行，应装设专门的母线保护。

（2）、110KV及以上的单母线，重要发电厂的35KV母线或高压侧为110KV及以上的重要降压变电所的35KV母线，按照装设全线速动保护的要求必须快速切除母线上的故障时，应装设专用的母线保护。

第二节 母线差动保护及基本原理

    为了满足速动性和选择性的要求，母线保护都是按差动保护原理构成的。实现母线差动保护必须考虑在母线上一般连接着较多的电气元件（如线路、变压器、发电机等），因此，就不能像发电机差动保护那样，只用简单的接线加以实现。但不管母线上元件有多少，时限差动保护的原则仍是实用的，即

     （1）在正常运行以及母线范围以外故障时，在母线上所有连接元件中，流入的电流和流出的电流相等，或表示为；

     （2）当母线上发生故障时，所有与母线连接的元件都像故障点供给短路电流或流出残留的负荷电流，按基尔霍夫电流定律，；

     （3）从每个连接元件中电流的相位来看，在正常运行及外部故障时，至少有一个元件中的电流相位和其余元件中的电流相位是相反的。具体说来，就是电流流入的元件和电流流出的元件中的电流相位相反。而当母线故障时，除了电流等于零的元件外，其他元件中的电流是接近同相位的。

      根据原则（1）和原则（2）可构成电流差动保护，根据原则（3）可构成电流比相式差动保护。

1、完全电流母线差动保护

（1）单母线完全电流母线差动保护

      图2.1所示完全电流母线差动保护的原理接线图中，在母线的所有连接元件上装设具有相同变比和特性的电流互感器，，，．．．，为一次侧电流，，，．．．，为二次侧电流。因为在一次侧电流总和为零时，母线保护用电流互感器TA必须具有相同的变比，才能保证二次侧的电流总和也为零。所有TA的二次侧同极性端连接在一起，接至差动继电器中，这样，继电器中的电流即为各个母线连接元件二次侧电流的向量和。

     实际上由于TA有误差，因此在母线正常运行及外部故障时，继电器中有不平衡电流出现出现；而当母线上（如图2.1中k点所示）故障时，则所有与电源连接的元件都向k点供给短路电流，于是流入继电器的电流为

                            （2.1）

图2.1 完全电流母线差动保护的原理接线图

   即为故障点的全部短路电流，此电流足够使差动继电器动作而驱动出口继电器，从而使所有连接元件的断路器跳闸。差动继电器的启动电流应按如下条件考虑，并选择其中较大的一个：

    （1）躲开外部故障时所产生的最大不平衡电流，当所有电流互感器均按10%误差曲线选择，且差动继电器采用具有速饱和铁心的继电器时，其动作电流计算式为

                  （2.2）

式中 ——可靠系数，取为1.3；

     ——在母线范围外任一连接元件上短路时，流过差动保护TA一次侧的最大短路电流；

     ——母线保护用TA的变比。

（2）由于母线差动保护电流回路中连接的元件较多，接线复杂，因此，TA二次回路断线的几率比较大。为了防止在正常运行情况下，任一TA二次回路断线引起保护装置误动作，动作电流大于任一连接元件中最大的负荷电流，即

                                              （2.3）

当保护范围内部故障时，应采用下式校验灵敏系数

                                                       （2.4）

式中 ——在母线上发生故障的最小短路电流门槛值，其值一般应不低于2。

（2）双母线完全电流母线差动保护

     双母线同时运行时，要求任一组母线故障时，有选择性地只将故障母线切除。

保护原理：由3个电流差动元件组成，如图2.2

a、差动元件1：由电流I1、I2、I3、I4、组成。

                                                     ——差动电流

b、差动元件2：由电流I1、I2、I5组成

                                    

c、差动元件3：由电流I3、I4、I6组成

                                          

 

图2.2 双母线差动保护原理图

完全电流差动保护方式原理比较简单，通常适用于单母线或双母线经常只有一组母线运行的情况。

2、高阻抗母线差动保护

     电流差动继电器内阻较小，外部故障TA饱和时，非故障元件TA二次电流将全部流过差动继电器，必然引起误动。为了避免上述情况母线保护的误动，用内阻较高的电压继电器替换电流差动继电器(其阻抗值很大，一般约为2.5~7.5)，构成了高阻抗母线差动保护。其原理接线图如图2.3所示。

图2.3 高阻抗母线差动保护原理接线图

    假设母线上连接有n条支路（如图2.3所示），第n条支路为故障支路，母线外部短路的等值回路如图2.4所示。图中虚线框内为故障支路TA的等效回路，为励磁阻抗，分别为TA一次和二次绕组漏抗，r为故障支路TA至电压继电器二次回路的阻抗值（二次回路连线阻抗值），为电压差动继电器的内阻。

图2.4 母线外部短路时高阻抗母线差动保护等值电路

   高阻抗母线差动保护的优点是保护的接线简单、选择性好、灵敏度高，在一定程度上可防止母线发生外部短路并且TA饱和时母线保护的误动作。但高阻抗母线差动保护要求各个支路TA的变比相同，TA二次侧电阻和漏抗要小。TA的二次侧要尽可能在配电装置处地并联，以减小二次回路阻抗较大，在区内故障产生大故障电流情况下，TA二次侧可能出现相当高的电压，因此，必须对二次侧电流回路的电缆和其他部件采取加强绝缘水平的措施。

3、元件固定连接的双母线电流差动保护

     双母线是发电厂和变电所中广泛采用的一种母线方式。在发电厂以及重要变电所的高压母线上，一般都采用双母线同时运行（母线联络断路器经常投入），而每组母线上连接一部分（大约1/2）供电和受电元件的方式。

     一般情况下，双母线同时运行时，每组母线上连接的供电元件和受电元件的连接方式较为固定，因此有可能装设元件固定连接的双母线电流差动保护。其原理图如图2.5所示。

图2.5元件固定连接的双母线电流差动保护原理接线图

        元件固定连接的双母线电流差动保护构成，TA1,TA2主要由三组差动保护TA1,TA2,TA5和KD1组成Ⅰ母分差； TA3,TA4,TA6和KD2组成Ⅱ母分差TA1,TA2,TA3 ,T和KD3组成完全电流差动。当任一组母线上发生故障时，它都会动作；而当母线外部故障时，它不会动作；在正常运行方式下，它作为整个保护的启动元件；当固定接线方式破坏并保护范围外部故障时，可防止保护的非选择性动作。

4、母联电流比相式母线差动保护

母联电流比相式母线差动保护是在具有固定连接元件的双母线电流差动保护的基础上的改进，它基本上克服了后者缺乏灵活性的缺点，使之更适合做双母线连接元件运行方式常常改变的母线保护。母联电流比相式母线差动保护的原理接线图如图2.6所示。

图2.6 母联电流比相式母线差动保护的原理接线图

此母线保护包括一个KST启动元件，接入除母联断路器外的所有连接元件的二次电 流和回路中，当母线发生短路时，启动元件动作。KD是电流相位比较继电器，一组线圈串接KST的工作线圈，另一组接在母联断路器的TA的二次侧，其动作用于选择故障母线。只有在母线发生短路时，启动元件动作后整组母线保护才得以启动。

5、母线差动保护常见类型及其特点比较

    按照母线差动保护装置差点流回路输入阻抗大小，可将其分为低阻抗母线差动保护（一般为几欧）、中阻抗母线差动保护（一般为几百欧）、高阻抗母线差动保护（一般为几千欧）。

    a、低阻抗母线差动保护

常规母线保护和数字式母线保护采用，装置实现简单。但在外部故障时易受TA饱和的影响。目前数字式低阻抗母线保护采用TA饱和识别判据，能有效的防止TA饱和引起的误动。

b、高阻抗母线差动保护

母线区外故障TA饱和时能保证保护不误动，但在母线内部故障时，TA的二次侧可能出现过高电压，对继电器的可靠工作不利，且要求TA的传变特性一致，变比相同。

c、中阻抗母线差动保护

采用电流瞬时值进行测量比较，结合了高阻抗特性和比率制动特性，在处理TA饱和方面有独特的优势。

此外，按母线的接线方式还可分为单母线分段、双母线、双母线带旁路、双母线单分段、双母线双分段、1/2接线母线差动保护等。

第三节 母线保护的特殊问题及其对策

1、电流互感器的饱和问题及其母线保护的常用对策

由于母线的连接元件众多，在发生近端区外故障时，故障支路电流可能非常大，其TA易发生饱和，有时可达极度饱和。这种情况对于普遍以差动保护作为住保护的母线而言极为不利，可能会导致母线差动保护的误动作。为此，母线保护必须考虑防止TA饱和误动作的措施，在母线区外故障TA饱和时能可靠闭锁差动保护，同时在发生区外故障转换为区内故障时，能保证差动保护快速开放、正确动作。

采用中阻抗母线差动保护时，抗TA饱和的措施是利用TA饱和时励磁阻抗降低的特点来防止差动保护的误动作。

采用数字式母线差动保护时，抗TA饱和的措施主要基于以下几种原理：

（1）具有制动特性的母线差动保护；（2）TA线性区母线差动保护；（3）TA饱和的同步识别法；（4）通过比较差动电流变化率鉴别TA饱和；（5）波形对称原理；（6）谐波制动原理。

2、母线运行方式的切换操作问题

   各种主接线方式中以双母线接线运行最为复杂。随运行方式的变化，母线上各种元件在运行中需要经常在两条母线上切换，因此希望母线保护能自动适应系统运行方式的变化，免去人工干预及由此引起的认为误动作。

3、一台半断路器接线的母线及其保护问题

   当母线为一台半断路器接线，在母线内部短路时可能有电流流出。这种情况会使比较母线连接元件电流相位原理的母线保护拒动，也会使具有制动特性原理的母线差动保护的灵敏度降低。要考虑在内部短路时有一定电流流出的影响，是母线保护需要注意的问题之一。

第四节 断路器失灵保护简介

   在110KV及以上电压等级的发电厂和变电所中，当输电线路、变压器或母线发生短路，在保护装置动作于切除故障时，可能伴随故障元件的断路器拒动，也即发生了断路器的失灵故障。产生断路器失灵故障的原因是很多方面的，如断路器跳闸线圈断线，断路器的操动机构失灵等。

1、装设断路器失灵保护的条件

   （1）、相邻元件保护的远后备保护灵敏度不够时应装设断路器失灵保护。对分相操作的断路器，允许只按单相接地故障来校验其灵敏度。

   （2）、根据变电所的重要性和装设失灵保护作用的大小来决定断路器失灵保护。

2、对断路器失灵保护的要求

（1）、失灵保护的误动和母线保护的误动一样，影响范围很广，必须有较高的可靠性。

（2）、失灵保护首先动作于母联断路器和分段断路器，此后相邻元件保护已能以相继动作切除故障时，失灵保护仅动作于母联断路器和分段断路器。

（3）、在保证不误动的前提下，应以较短延时、有选择性地切除有关断路器。

（4）、失灵保护的故障鉴别元件和跳闸闭锁元件，应对断路器所在线路或设备末端故障有足够灵敏度。

例如，实现图2.7母线断路器失灵保护的基本原理框图可利用图2.8说明。

图2.7 母线接线形式

图2.8 断路器失灵保护原理框图

总结：

通过本文的论述，可得出以下结论。发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用，同时发电机本身也是十分贵重的电气设备，因此，应该针对各种不同的故障和不正常运行状态，装设性能完善的继电保护装置。这样才能保证电力系统能够有备无患的正常运行。

母线保护是发电厂和变电所保护的重要元件。在母线上连接有发电机、变压器、避雷器、压变、输电线路、配电线路以及调相设备等元件；母线工作的可靠性直接影响着发电厂和变电所工作的可靠性；同时，变电所或发电厂的高压母线也是电力系统的中枢部分，担负着连接电网，转移负荷的重要任务，若母线故障不能迅速切除，将会造成或扩大事故，破坏电力系统的稳定运行，甚至造成电网的瓦解。所以，在必要的情况下，安装专门的母线保护，对于保证电力系统正常运行有着重大的意。

参考文献

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