母線保護(hù)原理

電流差動(dòng)母線保護(hù)的原理

電流差動(dòng)母線保護(hù)原理是母線保護(hù)的一種最常用的保護(hù)原理，其主要原理依據(jù)是基爾霍夫電流定律。對(duì)于一個(gè)母線系統(tǒng)，母線上有n 條支路。

I_d = I₁ I₂ I₃ …… I_n，為流入母線的和電流，即母線保護(hù)的差動(dòng)電流。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行或外部發(fā)生故障時(shí)，流入母線的電流和為零，即母線差動(dòng)保護(hù)的差動(dòng)電流，母線保護(hù)不動(dòng)作。當(dāng)母線發(fā)生故障時(shí)，等于流入故障點(diǎn)的電流，如果大于母線保護(hù)所設(shè)定的動(dòng)作電流時(shí)，母線保護(hù)將會(huì)動(dòng)作。在實(shí)際的系統(tǒng)中，微機(jī)保護(hù)“差電流”與“和電流”不是從模擬電流回路中直接獲得，而是通過(guò)電流采樣值的數(shù)值計(jì)算求得，即通過(guò)采集母線各支路的電流互感器（以下簡(jiǎn)稱CT）的電流值，由母線保護(hù)裝置計(jì)算所得。因此，電流互感器能否正確提供電流信息，成為母線保護(hù)正確動(dòng)作的一個(gè)關(guān)鍵因素。實(shí)際中，當(dāng)母線系統(tǒng)外部發(fā)生故障時(shí)母線差動(dòng)電流I_d≠0，而為一小的數(shù)值，這就是由于電流互感器誤差而產(chǎn)生的差動(dòng)不平衡電流。差動(dòng)不平衡電流的大小隨著故障電流的增大而增大，當(dāng)區(qū)外近距離發(fā)生故障時(shí)，差動(dòng)不平衡電流增大，有可能導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)。為了避免保護(hù)誤動(dòng)，提出具有制動(dòng)特性的母線差動(dòng)保護(hù)。

具有制動(dòng)特性的母線差動(dòng)保護(hù)

根據(jù)制動(dòng)特性的不同，可以將具有制動(dòng)特性的母線差動(dòng)保護(hù)分為：比率差動(dòng)，大電流范圍制動(dòng)，復(fù)式比率差動(dòng)。比率差動(dòng)繼電保護(hù)的原理是采用一次的穿越電流作為制動(dòng)電流，母線保護(hù)動(dòng)作電流隨制動(dòng)電流的變化而變化，從而使其在母線區(qū)外故障時(shí)能夠有一定的制動(dòng)能力。其動(dòng)作方程為

I_d>I_dset

I_d ≥ K·I_r

式中I_d為差動(dòng)電流，I_dset為差動(dòng)電流整定門檻，它的整定原則 是避免母線外部短路時(shí)的最大不衡電流 。I_r為制動(dòng)電流，是指母線所有連接元件電流的絕對(duì)值之和。K為比率制動(dòng)系數(shù)，不同制動(dòng)系數(shù)K對(duì)應(yīng)的C的誤差承受能力不同。其動(dòng)作特性曲線如圖2所示。當(dāng)發(fā)生在母線發(fā)生區(qū)外短路故障時(shí)，此時(shí)雖然因?yàn)镃T飽和出現(xiàn)不平衡流，但由于故障支路上電流會(huì)明顯增大，從而使制動(dòng)電流Ir也增大，能夠提供較強(qiáng)的制動(dòng)能力，從而能夠防止此時(shí)CT飽和所造成的誤動(dòng)。比率差動(dòng)母線保護(hù)采用一次的穿電流作為制動(dòng)電流，使保護(hù)在區(qū)外故障時(shí)有較強(qiáng)的制動(dòng)能力。但是在母線內(nèi)部故障時(shí)，制動(dòng)電流仍然存在，這就導(dǎo)致在母線內(nèi)部故障時(shí)保護(hù)的靈敏度有所下降。例如，當(dāng)區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，差動(dòng)電流I_d滿足I_d>I_dset，但此時(shí)某些支路上電流較大，制動(dòng)電流較大，導(dǎo)致I_d < K·I_r，此時(shí)保護(hù)將會(huì)拒動(dòng)。因此比率差動(dòng)母線保護(hù)在母線區(qū)內(nèi)故障時(shí)由于制動(dòng)電流的存在導(dǎo)致保護(hù)靈敏度和可靠性有所降低。大電流范圍制動(dòng)保護(hù)是比率差動(dòng)保護(hù)的原理的進(jìn)一步發(fā)展，它在一定程度上提高了母線保護(hù)的靈敏性與可靠性。其原理是在比率差動(dòng)的基礎(chǔ)上給制動(dòng)電流設(shè)置一個(gè)門檻值I_s，并且通過(guò)邏輯器件判斷制動(dòng)電流是否達(dá)到門檻值來(lái)進(jìn)行操作，從而能夠提高比率差動(dòng)原理在小電流范圍的可靠性 。

其動(dòng)作方程為I_d > I_dset；I_d > K·（I_r- I_s）

式中：（I_r- I_s）——邏輯判斷式，當(dāng)I_r- I_s大于零時(shí)?。↖_r- I_s），否則取零。

母線是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，在整個(gè)輸配電系統(tǒng)中起著非常重要的作用。母線連接的設(shè)備很多，電氣接線復(fù)雜。相關(guān)設(shè)備操作頻繁，設(shè)備外絕緣擊穿、機(jī)械損壞、外力異物、人員誤操作等均可能造成母線故障。

母線故障是電力系統(tǒng)最嚴(yán)重故障之一。一旦出現(xiàn)問(wèn)題，連接在該母線上的所有設(shè)備必然被切除，勢(shì)必造成較大面積的停電。樞紐變電站的母線故障若不能及時(shí)切除，還有可能引發(fā)電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞的事故。由于母線位于變電站內(nèi)部，定期的檢查與維護(hù)降低了母線故障的概率，即便如此，母線故障并不能完全避免，需要配置性能完善的保護(hù)，以便在母線故障時(shí)，及時(shí)切除故障，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)于非重要且對(duì)系統(tǒng)影響較小的母線，當(dāng)母線發(fā)生故障時(shí)?？梢砸揽颗c母線相連設(shè)備的后備保護(hù)切除。圖1所示為簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)，當(dāng)變電站M母線發(fā)生故障時(shí)，若分段斷路器QF處于合閘位置，當(dāng)沒(méi)有裝設(shè)專用母線保護(hù)時(shí)，則由QF1、QF2所在處的線路保護(hù)Ⅱ段動(dòng)作（通常情況下QF3、QF4處的線路保護(hù)不動(dòng)作）切除故障。

1．設(shè)置

光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)有母線時(shí)?？刹辉O(shè)專用母線保護(hù)，發(fā)生故障時(shí)可由母線有源連接元件的后備保護(hù)切除故障。

有特殊要求時(shí)，如后備保護(hù)時(shí)限不能滿足要求，也可設(shè)置獨(dú)立的母線保護(hù)裝置。

2．10kV母線保護(hù)

（1）配置原則。若光伏系統(tǒng)側(cè)為線變組接線，經(jīng)升壓變后直接輸出，不配置母線保護(hù)。

對(duì)于設(shè)置10kW母線的光伏系統(tǒng)，10kV母線保護(hù)配置應(yīng)與10kV線路保護(hù)統(tǒng)籌考慮。當(dāng)系統(tǒng)側(cè)配置線路過(guò)電流或距離保護(hù)時(shí)，光伏系統(tǒng)側(cè)可不配置母線保護(hù)。僅由變電站側(cè)線路保護(hù)切除故障；當(dāng)線路兩側(cè)配置線路縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)時(shí)．光伏系統(tǒng)側(cè)宦配置一套母線保護(hù)；在光伏系統(tǒng)時(shí)限允許時(shí)。也可儀靠各進(jìn)線的后備保護(hù)切除故障。

（2）技術(shù)要求。母線保護(hù)接線應(yīng)能滿足最終一次接線的要求。

母線保護(hù)不應(yīng)受電流互感器暫態(tài)飽和的影響而發(fā)生不正確動(dòng)作，并應(yīng)允許使用不同變比的電流互感器。

母線保護(hù)不應(yīng)因母線故障時(shí)流出母線的短路電流影響而拒動(dòng)。

3．系統(tǒng)側(cè)變電站

需要校驗(yàn)系統(tǒng)側(cè)變電站的母線保護(hù)是否滿足接入方案的要求。若能滿足接人的要求，予以說(shuō)明即可。若不能滿足光伏系統(tǒng)接人方案的要求，則系統(tǒng)側(cè)變電站需要配置母線保護(hù)。

4．380V母線保護(hù)

380V/220V不配置母線保護(hù)。

5．其他要求

需核實(shí)變電站側(cè)備自投方案、相關(guān)線路的重合閘方案，要求根據(jù)防孤島檢測(cè)方案，提出調(diào)整方案；光伏系統(tǒng)線路接人變電站后，備自投動(dòng)作時(shí)間須躲過(guò)光伏系統(tǒng)防孤島檢測(cè)動(dòng)作時(shí)間；10kV公共電網(wǎng)線路投入自動(dòng)重合閘時(shí)，應(yīng)校核重合閘時(shí)間。

1．電流相位比較式母線保護(hù)

電流相位比較式母線保護(hù)的原理是利用總差動(dòng)電流判別是否為母線上發(fā)生故障。在判別為母線故障的情況下，以差動(dòng)電流為參考量，用母聯(lián)電流相位判別故障母線。這種保護(hù)可以省略交流切換回路，簡(jiǎn)化二次接線，適應(yīng)一次系統(tǒng)的倒閘操作，它不受母線上元件連接方式的影響。但存在以下問(wèn)題：

1）根據(jù)電力系統(tǒng)潮流分配、減小系統(tǒng)短路容量等運(yùn)行方式的需要，要求將兩組母線分列運(yùn)行時(shí)，母線保護(hù)將失去選擇故障母線組的能力；

2）當(dāng)兩條母線同時(shí)故障或相繼故障時(shí)，只能切除先發(fā)生故障的母線，不能切除后發(fā)生故障的母線。因?yàn)槟嘎?lián)開(kāi)關(guān)跳閘后，母聯(lián)電流消失，母差保護(hù)選擇元件不能動(dòng)作，致使后發(fā)生故障的母線不能切除；

3）當(dāng)故障發(fā)生在母聯(lián)斷路器和母聯(lián)電流互感器之間時(shí)，無(wú)故障母線將被切除；

4）當(dāng)母線故障母差保護(hù)動(dòng)作，若母聯(lián)開(kāi)關(guān)失靈，母差保護(hù)將無(wú)法切除故障。

20世紀(jì)七八十年代曾在我國(guó)出現(xiàn)的LXB型母差保護(hù)就是基于這種原理的典型產(chǎn)品。從電網(wǎng)的要求看，這種保護(hù)無(wú)論在性能還是運(yùn)行維修方面都難以適應(yīng)，將逐步被淘汰。

2．中阻抗型母線保護(hù)

中阻抗型母線電流差動(dòng)保護(hù)充分掌握并利用了電流互感器飽和的暫態(tài)特性，較好地解決了區(qū)外故障電流互感器飽和不誤動(dòng)，區(qū)內(nèi)故障正確快速動(dòng)作。該種保護(hù)對(duì)電流互感器無(wú)特殊要求，電流互感器變比可以不一致。其最突出的優(yōu)點(diǎn)是原理先進(jìn)而電路和結(jié)構(gòu)都十分簡(jiǎn)單，它們?cè)?20kV及以下電網(wǎng)中廣泛采用，取得了較成功的運(yùn)行業(yè)績(jī)。

中阻抗型母線保護(hù)方案是基于以下2個(gè)基本假設(shè)：

1）對(duì)于外部故障，完全飽和的連接元件的電流互感器二次回路可以只用其全部直流回路電阻表示；

2）對(duì)于內(nèi)部故障，空載的連接元件的電流互感器二次回路可以用一個(gè)較大的勵(lì)磁阻抗表示。

它的原理是把高阻抗特性和比率制動(dòng)特性結(jié)合起來(lái)的一種保護(hù)。由于電流互感器飽和時(shí)的特性即勵(lì)磁阻抗變得非常小，勵(lì)磁電流隨之變得非常大，電流互感器二次回路分得的電流也就很小。在母線外部故障時(shí)，差動(dòng)回路的差動(dòng)電流變大，因此在差動(dòng)回路中巧妙地串人一個(gè)阻值較大的電阻R_ed，當(dāng)外部發(fā)生故障致使故障支路電流互感器完全飽和時(shí)，故障支路的二次阻抗可近似為其全部直流回路電阻與導(dǎo)線電阻之和，遠(yuǎn)小于差動(dòng)回路中的電阻值，從而使流過(guò)所有非故障元件的二次電流之和（等于故障電流）被強(qiáng)制通過(guò)故障元件電流互感器的二次繞組構(gòu)成的通路，使流過(guò)差動(dòng)回路上的電流大大減小，加在繼電器上的電壓是數(shù)值不大的不平衡電壓。當(dāng)母線內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，流過(guò)差動(dòng)回路的電流（總故障電流的二次電流）很大，加在差動(dòng)繼電器上的電壓升高，使繼電器動(dòng)作。這種方法有效地解決了外部故障時(shí)因電流互感器飽和帶來(lái)的保護(hù)誤動(dòng)問(wèn)題，保證母線保護(hù)可靠、正確、快速動(dòng)作，且裝置原理及實(shí)現(xiàn)等方面優(yōu)于微機(jī)母線保護(hù)。此外，由于國(guó)內(nèi)外微機(jī)裝置剛剛出現(xiàn)，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)缺乏，因此今后幾年內(nèi)中阻抗母線保護(hù)裝置仍將發(fā)揮重要作用。

但中阻抗母差保護(hù)存在雙母線位置切換不可靠及非微機(jī)型保護(hù)無(wú)自檢和通信功能等問(wèn)題，近年來(lái)，已開(kāi)始逐步被微機(jī)型母差保護(hù)所取代。

3．高阻抗型母線保護(hù)

高阻抗母差保護(hù)的原理與中阻抗母差保護(hù)相近。為防止區(qū)外故障母差保護(hù)誤動(dòng)作，中阻抗母差保護(hù)在差電流回路接人了中阻抗，為確保區(qū)外故障母差保護(hù)的可靠性，還必須校驗(yàn)從母差保護(hù)向電流互感器方向看整個(gè)二次回路的電阻是否滿足要求。這在二次回路電纜較長(zhǎng)、比率制動(dòng)系數(shù)較大的情況下是困難的。高阻抗母差保護(hù)在這方面性能要好得多。高阻抗母差保護(hù)也稱電壓型母差保護(hù)，差動(dòng)回路電阻一般為幾千歐姆。與中阻抗母差保護(hù)類似，高阻抗母差保護(hù)對(duì)于區(qū)內(nèi)故障也采用電流互感器飽和前快速動(dòng)作的方式，區(qū)內(nèi)故障動(dòng)作速度快。高阻抗母差保護(hù)靈敏度高，二次回路接線簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，主要技術(shù)問(wèn)題是過(guò)電壓?jiǎn)栴}。這在一定程度上限制了它在國(guó)內(nèi)電網(wǎng)的應(yīng)用。