110Kv变电所母线保护.docx

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110Kv变电所母线保护

母线是电力系统变电站最重要的设备之一。

母线保护是保障母线安全和可靠运行的保护设备.获取保护性能和可靠性更高的母线保护是变电所继电保护所要达到的目的。

母线保护由过去的固定连接式母线完全差动保护、电流相位比较式母线差动保护，发展到现在的中阻抗比率制动母线差动保护和微机母线差动保护，在类保护中，经多年的经验总结，分相电流差动原理构成的比率制动式母差保护效果最佳。

随着我国电网电压等级的提高，新型传感器的应用以及IEC-61850标准（变电站通信网络与系统）的推行，母线保护技术也必将提高到一个新的水平，中阻抗比率制动母线差动保护和集中式微机母线差动保护以其良好的性能在目前的市场占据主导地位，分布式微机母线保护将是未来的主要发展方向。

1.1母线保护的重要性

变电所的母线是电力系统的重要组成部分，是汇集和分配电能的枢纽。

母线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。

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。

虽然母线发生故障的几率很低，但母线故障的后果十分严重，它将使连接在故障母线上所有元件在母线故障修复期间或切换到另一组母线所必需的时间内被停电，尤其发生母线多相短路而不能瞬间切除时，可能破坏整个电力系统的并列运行稳定性。

1.2母线保护的装设原则

由于母线在电力系统中的地位和母线发生故障造成的后果的严重性及其母线保护在电力系统中的重要性，因此必需装设相应的保护庄主，以便快速、有选择性地切除故障母线。

根据电力装置的继电保护和自动装置设计规范规程规定，装设母线保护的原则如下：

1）对3～10KV分段母线宜采用不完全电流差动保护，保护装置应接入有电源支路的电流。

保护装置应由两段组成,第一段可采用无时限或带时限的电流速断，当灵敏系数不符合要求时，可采用电流闭锁电压速断；第二段可采用过电流保护。

当灵敏系数不符合要求时，可将一部分负荷较大的配电线路接入差动回路。

2）对发电厂和变电所的

KV电压的母线，在下列情况下应装设专用的母线保护：

（1）110KV双母线；

（2）110KV单母线，重要的发电厂或变电所的

KV母线，根据系统稳定要求或为保证重要用户最低允许电压要求，需要快速地切除母线上的故障时。

3）旁路断路器和兼作旁路的母联或分段断路器上，应装设可代替线路保护的保护装置。

在专用的母联或母线分段断路器上，可装设相电流或零序电流保护，作母线充电合闸时的保护。

1.3母线保护配置的选型和方案设计

随着母线保护的微机化，微机型母线保护相对于传统的母线保护，它有着以下优点：

可以允许TA变比不同，通过调整系数可以对其进行整定；微机母线保护对TA保护具有独特的判据；还具有灵活的后台通信方式，可方便地与监控系统互联来完成信息的远传与远控；其主要特点是充分运用了微型计算机进行数字计算的能力，方便的实现比率制动特性的电流瞬时值的差动保护原理。

在本设计方案中110KV母线、35KV母线及其10KV母线的保护均采用南瑞集团RCS-915AB型微机母线保护装置，根据不同的运行环境选择不同的保护进行对其保护。

该装置使用于各种电压等级的单母线、单母分段、双母线等各种主接线方式，母线上允许所接的线路与原件数最多为21（包括母联），并可满足有母联兼旁路运行方式主接线系统的要求。

1.4RCS-915AB型母线保护硬件配置

该保护装置设有母线差动保护、母联充电保护、母联死区保护、母联失灵保护、母联过流保护、母联非全相保护以及断路器失灵保护等功能。

保护装置有两个RS-485通讯接口和一个光纤通讯接口，支持IEC60044-8点对点光纤通讯的方案实现电子式互感器数据的接入。

装置核心部分采用的是32位单片微处理器MC68332，能够完成保护出口逻辑及后台功能；为使保护装置有较大的数据处理能力，保护运算采用高速数字处理处理（DSP）芯片。

装置采样率为每周波24点，在故障全过程对所有保护算法进行并行实时计算，使其具有很高的固有可靠性及安全性。

输入电流、电压首先经隔离互感器传至二次侧，成为小电压信号分别进入CPU板和管理版。

通过CPU板完成对保护逻辑及跳闸出口功能，同时能够完成事件记录及打印、保护部分的后台通讯及，面板CPU的通讯；，配有RS-485和光纤通讯接口（可选）。

支持电力行业标准DL/T667-1999（IEC60870-5-103标准）通讯规约。

管理板内设有总启动元件，起动后开放出口继电器的正电源，另外还有完整的故障录波功能，其格式与COMTRADE格式兼容，录波数据可单独串口输出或打印输出。

具体硬件模板图如1.1所示

1）RCS—915AB装置插件配置如下表所示：

（1）交流输入插件

将TV或TA二次侧电气量转换成小电压信号，交流插件中的电流互感器按额定电流可分为1A、5A两种。

（2）保护板插件和管理板插件

是完全相同的两块插件，完成滤波，采样，保护的运算或起动功能。

（3）电源插件

将250/220V/125/110V直流变换成装置内部需要的电压，另外还有开关量输入功能，开关量输入经由250/220V/125/110V/24V光耦。

（4）信号插件

包含远方信号、中央信号和事件记录等各类信号接点。

（5）开入开出信号插件

包含所有跳闸出口接点和开入信号接点。

（6）人机接口插件

由液晶、键键盘、信号指示灯和调试串口组成，方便用户与装置间进行人机对话。

2）装置输出的接点如下图所示：

1.5RCS-915AB母线保护装置的原理说明

装置保护板和管理版对每种保护功能都设有起动元件，管理版起动后开放出口正电源。

母线差动保护由分相式比率差动元件构成。

母线差动回路包括母线大差动回路和各段母线小差动回路。

母线大差动回路是指母联开关和分段开关外所有支路电流所构成的差动回路。

母线小差动回路是指母线上所连接的所有支路（包括母联和分段开关）电流所构成的差动回路。

母线大差比率差动用来判别母线区内和区外故障，小差比率差动用于故障母线的选择。

1）起动元件

电压工频变化量元件，当两段母线任一相电压工频变化量大于门坎时电压工频变化量元件动作，依据为：

其中：

为相电压工频变化量瞬时值；

为固定门坎；

是浮动门坎，随着变化量输出变化而逐步自动调整。

差流元件，当任一相差动电流大于差流起动值时差流元件动作，其判据为：

其中：

为大差动相电流；

为差动电流起动值。

2）比率差动元件

（1）常规比率差动元件

动作判据为：

（1）

（2）

其中：

K为比率制动系数；

为第j个连接元件电流；

为差动电流起动定值。

其动作特性曲线如图所示

为防止在母联开关断开的情况下，弱电源侧母线发生故障时大差比率差动元件的灵敏度不够，大差比例差动元件的比率制动系数有高低两个定值。

母联开关处于合闸位置以及投单母或刀闸双跨时大差比率差动元件采用比率制动系数高值，而当母线分列运行时自动转用比率制动系数低值。

小差比例差动元件则固定取比率制动系数高值。

（2）工频变化量比率差动元件

为提高保护抗过渡电阻能力，减少保护性能受故障前系统功角关系的影响，本保护除采用由差流构成的常规比率差动元件外，还采用工频变化量电流构成了工频变化量比率差动元件，与制动系数固定为0.2的常规比率差动元件配合构成快速差动保护。

其动作判据为：

（1）

（2）

其中：

为工频变化量比率制动系数，母联开关处于合闸位置以及单母或刀闸双跨时

取0.75，而当母线分列运行时则自动专用比率制动系数低值，小差则固定取值0.75；

为第j个连接元件的工频变化量电流；

为差动电流起动浮动门坎；

为差流起动的固定门坎，由

得出。

（3）故障母线选择元件

差动保护根据母线上所有连接元件电流采样值计算出大差电流，构成大差比率差动原理，作为差动保护的区内故障判别元件。

对于分段母线或双母线接线方式，根据各连接元件的刀闸位置开入计算出两条母线的小差电流，构成小差比率差动元件，作为故障母线选择元件。

当大差抗饱和母差动作，且任一小差比率差动元件动作，母差动作跳母联；当小差比率差动元件和小差谐波制动元件同时开放时，母差动作跳开相应母线。

当双母线按单母方式运行不需进行故障母线的选择时投入单母方式压板。

当元件在倒闸过程中两条母线经刀闸双跨，则装置自动识别为单母线运行方式。

这两种情况都不进行故障母线的选择，当母线发生故障时将所有母线同时切除。

另外，装置在比率差动连续动作500ms后将推出所有的抗饱和措施，仅保留比率差动元件，若其动作仍不返回则跳相应的母线。

这是为了防止在某些复杂情况下保护误闭锁导致拒动，在这种情况下母线保护动作跳开相应母线对于保护系统稳定和防止事故扩大都是有好处的。

3）TA饱和检测元件

为防止母线保护在母线近线端发生区外故障时TA严重饱和的情况下发生误动，本装置根据TA饱和波形特点设置了两个TA饱和检测元件，用以判别差动电流是否由区外故障TA饱和引起，如果是则闭锁差动饱和出口，否则开放保护出口。

TA饱和检测元件一：

采用新型的自适应阻抗加权抗饱和方法，即利用电压工频变化量起动元件自适应地开放加权算法。

当母线区内故障时，工频变化量差动元件△BLCD和工频变化量阻抗元件△Z与工频变化量电压元件△U基本同时动作，而发生母线区外故障时，由于故障起始TA尚未进入饱和，△BLCD元件和△Z元件的动作滞后于工频变化量电压元件。

利用△BLCD元件，△Z元件与工频变化量电压元件动作的相对时序关系的特点，我们得到了抗TA饱和的自适应阻抗加权判据。

由于此判据充分利用了区外故障发生TA饱和时差流不同于区内故障时差流的特点，具有极强的抗TA饱和能力，而且区内故障和一般转换性故障（故障由母线区外转至区内）时的动作速度很快。

在发生交流电压回路断线时，自动将电压开放元件改为电流开放元件，并适当调整加权值，抗饱和能力不受影响。

TA饱和检测元件二：

由谐波制动原理构成的TA饱和检测元件。

这种原理利用了TA饱和时差流波形畸变和每周波存在线性传变区等特点，根据差流中谐波分量的波形特征检测TA是否发生饱和。

以此原理实现的TA饱和检测元件同样具有很强抗TA饱和能力，而且在区外故障TA饱和后发生同名相转换性故障的极端情况下仍能快速切除母线故障。

4）电压闭锁元件

其判据为

其中

为相电压，

三倍零序电压，

为负序相电压，

为相电压闭锁值，

和

分别为零序、负序电压闭锁值。

以上三个判据任一个动作时，电压闭锁元件开放。

在动作于故障母线跳闸时必须经相应的母线电压闭锁元件闭锁。

当用于中性点不接地系统时，将“中性点不接地系统”控制字投入，此时电压闭锁元件为

；

（其中

为线电压，

为负序相电压，

为线电压闭锁值，

为负序电压闭锁值）。

母线保护的工作框图如图所示：

：

Ⅰ母电压工频变化量元件BLCD1’：

Ⅰ母比率差动元件（K=0.2）

：

变化量阻抗元件BLCD：

大差比率差动元件

△BLCD1：

Ⅰ母工频变化量比率差动元件BLCD1：

Ⅰ母比率差动元件

△BLCD：

大差工频变化量比率差动元件SW：

母差保护投退控制字

BLCD’：

大差比率差动元件（K=0.2）YB：

母差保护投入压板

1.6RCS-9615装置对母线运行方式的识别与断线检查

1）母线运行方式的识别

针对不同的主接线方式，应整定不同的系统主接线方式控制字。

若主接线方式为单母线，则应将“投单母线主接线”控制字整定为1；若主接线方式为单母分段，则应将“投单母线分段主接线”控制字长的为1；若该两控制字均为0，则装置认为当前的主接线方式为双母线。

对于单母线分段等固定连接的主接线方式无需要外引刀闸位置，装置提供刀闸位置控制字可供整定。

双母线上各连接元件在系统运行中需要经常在两条母线上切换，因此正确识别母线运行方式直接影响到母线保护动作的正确性。

本装置引入隔离刀闸辅助触点判别母线运行方式，同时对刀闸辅助触点进行自检。

在以下几种情况下装置会发出刀闸位置报警信号；

（1）当有刀闸位置变位时，需要运行人员检查无误后按刀闸位置确认按钮复归

（2）刀闸位置出现双跨时，此时不响应刀闸位置确认按钮；

（3）当某条支路有电流而无刀闸位置时，装置能够记忆原来的刀闸位置，并根据当前系统的电流分布情况校验该支路刀闸位置的正确性，此时不响应刀闸位置确认按钮；

（4）由于刀闸位置错误造成大差电流小于TA断线定值，而小差电流大于TA断线定值时延时10s发刀闸位置报警信号；

（5）因刀闸位置错误产生小差电流时，装置会根据当前系统的电流分布情况计算出该支路的正确刀闸位置。

另外，为防止无刀闸位置的支路拒动，当无论哪条母线发生故障时，将切除TA调整系数不为0且无刀闸位置的支路。

该装置还具有配套的母差保护装置模拟盘以减小刀闸辅助触点的不可靠性对保护的影响。

当刀闸位置发生异常时保护发出报警信号，通知运行人员检修。

在运行人员检修期间，可以通过模拟盘用强制开关指定相应的刀闸位置状态，保证母差保护在此期间的正常运行。

模拟盘的原理图如下所示：

母线差动保护装置不断的对刀闸辅助触点进行自检，当发现与实际不符，则发出刀闸位置报警，通知运行人员检修。

在运行人员检修期间，可以通过模拟盘强制指定相应的刀闸位置，保证母差保护在此期间的正常运行。

图中LED只是目前的各元件刀闸位置状态，S1、S2为强制开关的辅助触点。

强制开关有三种位置状态：

自动、强制接通、强制断开。

（1）自动：

S1打开，S2闭合，开入取决于刀闸辅助触点；

（2）强制接通：

S1闭合，开入状态被强制为导通状态；

（3）强制断开：

S1、S2均打开，开入状态被强制为断开状态。

通过此模拟盘，当刀闸位置接点异常时，通过强制开关指定正确的刀闸位置，然后按屏上“刀闸位置确认”按钮通知母差保护装置读取正确的刀闸位置。

当刀闸位置检修结束后必须及时强制开关恢复自动位置。

2）交流电压断线检查

（1）母线负序电压3U2大于12V，延时1.25秒报该母线TV断线。

（2）母线三相电压幅值之和（|Ua|+|Ub|+|Uc|）小于Un，且母联或任一出线的任一相有电流（>0.04In）或母线任一相电压大于0.3Un，延时1.25秒延时报该母线TV断线。

（3）当用于中性点不接地系统时，将“投中性点不接地系统”控制字整定为1，此时TV断线判据改为3U2>12V或任一线电压低于70V。

（4）三相电压恢复正常后，经10秒延时后全部恢复正常运行。

（5）当检测到系统有扰动或任一支路的零序电流大于0.1In时不进行TV断线的检测，以防止区外故障时误判。

（6）若任一母线电压闭锁条件开放，延时3秒报该母线电压闭锁开放。

3）交流电流断线检查

（1）大差电流大于TA断线整定值IDX，延时5秒发TA断线报警信号。

（2）大差电流小于TA断线整定值IDX，两个小差电流均大于IDX时，延时5秒报母联TA断线，当母联代路时不进行该判据的判别。

（3）如果仅母联TA断线不闭锁母差保护，但此时自动切到单母方式，发生区内故障时不再进行故障母线的选择。

由大差电流判出的TA断线闭锁母差保护（其它保护功能不闭锁）。

需按屏上复归按钮复归TA断线报警信号，母差保护才能恢复正常运行。

（4）当母线电压异常（母差电压闭锁开放）时不进行TA断线的检测。

（5）任一支路3I0>0.25Iфmax+0.04In时延时5秒发该支路TA异常报警信号，对于母联支路发母联不平衡异常报警信号，该判据可由控制字选择退出。

（6）大差电流大于TA异常报警整定值IDXBJ时，延时5秒报TA异常报警。

（7）大差电流小于TA异常报警整定值IDXBJ，两个小差电流均大于IDXBJ时，延时5秒报母联TA异常报警。

（8）TA异常报警不闭锁母差保护，根据母差保护中“投TA异常自动恢复”控制字可以选择电流回路恢复正常后TA异常报警信号是否自动复归。

1.7装置运行说明

装置由开关量输入回路、出口与信号回路、电源插件、CPU板和管理板插件、交流输入回路构成。

装置面板上设有九键键盘和10个信号灯。

信号灯说明如下：

“运行”灯为绿色，装置正常运行时点亮；

“断线报警”灯为黄色，当发生交流回路异常时点亮；

“位置报警”灯为黄色，当发生刀闸位置变位、双跨或自检异常时点亮；

“报警”灯为黄色，当发生装置其它异常情况时点亮。

“跳I母”、“跳II母”灯为红色，母差保护动作跳母线时点亮；

“母联保护”灯为红色，母差跳母联、母联充电、母联非全相、母联过流保护动作或失灵保护跳母联时点亮；

“I母失灵”、“II母失灵”灯为红色，断路器失灵保护动作时点亮；

“线路跟跳”灯为红色，断路器失灵保护动作时点亮；

机柜正面左上部为电压切换开关，PT检修或故障时使用，开关位置有双母，I母、II母三个位置。

当置在双母位置，引入装置的电压分别为I母、II母TV来的电压;当置在I母位置，引入装置的电压都为I母电压，即UA2=UA1，UB2=UB1，UC2=UC1;当置在II母位置，引入装置的电压都为II母电压，即UA1=UA2，UB1=UB2，UC1=UC2。

机柜正面右上部有三个按钮，分别为信号复归按钮、刀闸位置确认按钮和打印按钮。

复归按钮用于复归保护动作信号，刀闸位置确认按钮是供运行人员在刀闸位置检修完毕后复归位置报警信号，而打印按钮是供运行人员打印当次故障报告。

机柜正面下部为压板，主要包括保护投入压板和各连接元件出口压板。

机柜背面顶部有三个空气开关，分别为直流开关和PT回路开关。

1.8母线保护的整定计算

TV二次额定电压：

固定取为57.7V

TA二次额定电流：

取基准变比的电流互感器的二次额定电流。

TA调整系数：

TA调整系数是专为母线上各连接支路TA变比不同的情况而设，一般取多数相同TA变比为基准变比，TA调整系数整定为1，没有用到的支路TA调整系数整定为0。

例如母线上连接有3个支路，TA变比分别为600：

5，600：

5，1200：

5，则将“支路01TA调整系数”整定为1，“支路02TA调整系数”也整定为1，而将“支路03TA调整系数”整定为2，其余各TA调整系数均整定为0。

选择TA时应保证单个支路一次系统的短路容量不超过30In。

为保证精度，各连接支路TA变比的差别不宜过大。

归算至基准TA二次侧的系统总短路容量不应超过80In。

所有电流的显示值也均归算到了基准TA的二次侧。

如果各连接支路TA二次额定电流不同，订货时应特别声明。

此时TA调整系数应反映各支路TA一次额定电流之比。

例如母线上连接有3个支路，TA变比分别为600：

1，600：

5，1200：

5，则应将TA二次额定电流整定为5A，将“支路01TA调整系数”整定为1（此时装置内支路1的电流变换器额定电流为1A），“支路02TA调整系数”也整定为1，而将“支路03TA调整系数”整定为2，其余各TA调整系数均整定为0。

10kV母线比率差动保护的整定计算

①制动系数的选取，主要考虑的是保护的灵敏度满足要求和躲最大不平衡电流。

1）KH：

比率制动系数高值,比率制动系数高值，按一般最小运行方式下（母联处合位）发生母线故障时，大差比率差动元件具有足够的灵敏度整定，整定为0.7。

2）KL：

比率制动系数低值，按母联开关断开时，弱电源供电母线发生故障的情况下，大差比率差动元件具有足够的灵敏度整定，整定为0.6。

②大差启动电流的整定，

1）Idx：

TA断线电流定值，按正常运行时流过母线保护的最大不平衡电流整定。

应当尽可能躲过母线外部短路时的最大不平衡电流,即

Idx=kk*Klh*Kfzq*Idmax=1.5*0.1*1*5000=750A式（3.1）

——

为可靠系数,取1.5。

为电流互感器的变比误差,一般取0.1。

为非周期分量系数,按保护躲非周期分量的能力在1~2之间选取,新型的母线保护一般取1。

为母线外部短路时流过某一连接元件的最大短路电流。

2）IHcd：

差动起动电流高值，保证母线最小运行方式故障时有足够灵敏度，并应尽可能躲过母线出线最大负荷电流。

IHcd=kk*Ifhmax=1.5*700.6=1050.9A式（3.2）

3）ILcd：

差动起动电流低值，该段定值为防止母线故障大电源跳开差动起动元件返回而设，按切除小电源能满足足够的灵敏度整定，如无大小电源情况整定为0.9IHcd。

ILcd=0.9IHcd=0.9*1050.9=945.81A式（3.3）

大差电流的灵敏度校验按最小运行方式下的母线短路进行,

则灵敏系数为Ksen==38.5/9.05=4.25＞2.0，符合要求。

③小差启动电流的整定

小差是故障母线的选择元件,它用来区分是母线系统的哪一段母线发生了故障,它的整定原则和大差一样,它的整定对象是单段母线。

Id=kk*Klh*Kfzq*Idmax=1.5*0.1*1*1745=261.8A式（3.4）

则灵敏系数为Ksen==42/12.285=3.42＞2.0，符合要求。

④Ubs：

母差低电压闭锁，按母线对称故障有足够的灵敏度整定，推荐值为35～40V。

（注：

当“投中性点不接地系统控制字”投入时，此项定值改为母差线低电压闭锁值，推荐值为70V），本次设计的为中性点不接地系统，整定为70V。