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母线槽生产厂家:中阻抗母线保护原理、整定及运行的探讨
来源:www.zjhrdq.net 发表时间:2017-10-18

母线槽生产厂家:

摘要:母线保护是电力系统中重要的保护,其正确动作直接影响到电力系统安全、稳定运行。作者以母线保护输入阻抗为线索,阐述了低阻抗、中阻抗及高阻抗母线保护的特点及使用范围。分析了中国电力系统广泛采用的中阻抗母线保护的原理,结合电力系统的实际情况对母线各种运行状态,如正常运行、区外故障CT未饱和、区外故障CT饱和、区内故障以及区内故障CT饱和等情况对保护的性能进行了定性、定量分析,根据中阻抗电流差动继电器动作特性曲线得到保护在各种运行方式下稳定运行的条件。并提出了辅助变流器、差动回路、电压闭锁、交流断线闭锁等重要环节的整定原则及方法。此外还阐述了中阻抗母线保护装置在投入运行前的各种实验,运行、维护应注意事项。后指出中阻抗母线保护方案在快速动作、较好的抗CT饱和性能、装置原理及实现简单、可靠等方面具有较大的优势。
  关键词:母线保护;中阻抗方案;制动系数;CT饱和;整定;运行
  1引言
  母线保护必须满足各种不同类型的主接线的要求,并且对可靠性、安全性、选择性、速动性以及测量精度有较高的要求。
  母线如果因故退出运行,将对电力系统的稳定性产生较大的影响,甚至于造成一个地区大面积停电。如果母线上发生短路,因为故障电流可能达到几千安培,将使其上的电气设备损坏。因此,母线保护与其他的保护相比,应具有更高的安全性及速动性。
   母线保护的动作判据是基于对母线上流入连接元件的电流与流出连接元件的电流的比较。该方法已成功地使用多年,电力系统用它构成比率制动式电流差动保护,并应用于各种母线差动保护,取得了上佳效果。
  安全性的提高基于采取两种不同的测量方法,各自具有自己独立的判据。当采用数字技术时,“二取二”也了保护的安全性及选择性。
  按照母线保护装置输入阻抗的大小,可分为低阻抗型母线保护(一般为几欧姆),中阻抗型母线保护(一般为几百欧姆)和高阻抗型母线保护(一般为几千欧姆)。
  无论采用何种类型保护,高压及超高压系统母线保护的研究应注重以下几个原则:
   (1)对母线外部故障,即使CT(电流互感器)完全饱和时应可靠不误动。
  (2)能快速检测母线内部故障及跳闸。
  (3)自适应能力强。
  (4)调试、维护和运行简单、可靠。
   常规的母线保护以及微机型母线保护均为低阻抗型母线保护。它们一般采用先进的、久经考验的判据,如电流差动原理、电流相位比较原理或二者的组合,构成分相差动方案。国内外已研制出基于此原理的微机型、集成电路型的母线保护装置。
电力系统采用低阻抗型母线保护的原因有:
  (1)对主CT没有特殊的要求。
  (2)每个连接元件的CT变比可以不一致。
  (3)可以和其他保护共用一组CT铁芯。
   (4)CT二次回路不允许直接切换,即防止因CT二次回路开路造成的高电压。
   (5)可通过对差回路电流的动态测量监视CT线圈,并可判断出CT断线。
   低阻抗型母线保护的广泛使用还在于其装置相对比较简单。因为构成保护的模块均集成在系统中,并与变电站有机地联成一体。保护在出厂前均可以完成各种实验。
  另一个优点是系统监视较为简单,特别是微机母线保护具有完善的自检及互检功能。此外,微机保护还包括事故记录,断路器失灵保护以及接地保护、过流保护等后备保护。
  由于输入回路呈现高阻抗,对高阻抗型母线保护主要的要求是要具有高可靠性。其方法是设计一个附加的高阻抗保护系统作为检测元件,并提供第二个跳闸判据。但是,需要一种与之匹配的CT线圈,并且每个连接元件的二次回路必须连接牢固。
CT线圈必须满足以下要求:
  (1)CT线圈不能与其他保护共享;
  (2)有相同的变比;
  (3)二次线圈必须有较低的阻抗;
  (4)励磁电流必须很校
   双母线系统不宜采用高阻抗保护。双母线的各种接线方式为了获得选择性,CT二次回路不得不根据隔离刀闸的位置进行切换。倒闸过程应该很快,在某种情况下CT线圈可能发生开路,由于其二次线圈上的高电压而造成设备损坏。
  同时,母线内部故障时,由于在高阻上产生相当高的电压(一般达几千伏),高阻抗继电器本身需要附加压控电阻(VDR)和短路线圈进行保护。
  除了高阻抗保护系统需要在工程建设、维护等方面增加相当多的投资外,变电站还须增加额外的设备。总之,尽管高阻抗保护系统投资似乎较少,但是运行、维护、维修十分困难。另外,如果考虑到专用CT线圈的费用,高阻抗保护不是佳的选择。
  中阻抗型母线保护采用了快速、灵敏、采用比率制动式电流差动保护方案,既具有低阻抗、高阻抗保护的优点,又避开了它们的缺点,在处理CT饱和方面具有独突的优势。特别是中阻抗型母线保护首次实现动作时间小于10ms,被称为“半周波继电器”。实践证明,目前中阻抗型母线保护是一种好的母线保护方案。
  中阻抗型母线保护方案于60年代末在IEEE上发表,70年代初由瑞典ASEA公司研制出基于中阻抗方案的RADSS母线保护,在荷兰高电压实验室做了大量实验,经受各种考验,证明是一种较好的方案。迄今为止,RADSS保护在全世界已有几千套在运行。后来,ABB公司又推出了REB103系列的中阻抗型母线保护装置,它仅对差动回路做了较少的改动,仍然保留了中阻抗型母线保护方案。
  我国套中阻抗型母线保护运行于华中电网500kV凤凰山变电站。现在,我国已有近千套中阻抗型母线保护在运行。除了RADSS保护外,美国GE公司的BUS-1000、中国许继公司的JMH-1、上海继电器厂、阿城继电器厂、南京电力自动化设备厂的等中阻抗型母线保护装置均在我国电力系统中广泛使用。
  2原理分析
  2.1中阻抗原理分析
中阻抗型母线保护方案基于两个基本假设:
   (1)对于外部故障,完全饱和的连接元件的CT二次回路可以只用其全部直流回路电阻表示。
  (2)对于内部故障,空载的连接元件的CT二次回路可以用一个较大的励磁阻抗表示。
  中阻抗型母线保护方案十分简单、巧妙。它由全波整流二管、整流桥、电阻、干簧继电器构成,其原理如图1。图中,R为差动电阻,Rs为制动电阻,Rcd为差回路辅加电阻,TMA、TMB、TMX为辅助变流器,TA、TB、TX为电流互感器,DL为整流桥,CDJ为差动继电器,CLJ为差流继电器,TMD为差动变流器,IT为流进继电器的总电流,Id1为流进差回路的总电流。
  经推导,其动作方程见式(1)。其中,S为制动系数。   Id1=SIT+K(1)
   2.2各种运行状态分析
  2.2.1正常运行状态
  设流入差动回路的不平衡电流为αIT(0<α<1),整定时只要选取适当的制动系数S,满足式(2)就能实现稳定可靠运行。
αIT<SIT+K(2)
   2.2.2外部故障运行状态
  (1)CT未饱和
  该运行状态的分析同正常运行,此时,流入差动回路的不平衡电流为CT在满足10%误差曲线的前提下形成。
   
   图1单母线差动保护原理简图
  (2)CT饱和
  在图1中k1点发生外部故障,且第n个连接元件CT严重饱和,根据假设,该饱和CT二次回路可用其直流回路电阻R′LH代替,其等效的电路如图2(a)所示。由于R<<R′LH则图2(a)可简化为图2(b)。
   
   图2CT饱和时的等效电路及其简化图
   其中,RT为差回路的等值电阻,整定时只要选取适当的制动系数S,满足式(4),就能稳定可靠运行。
   
  Id1=R′LH/(R′LH+RT)IT=S″IT(3) 
  S″Ir<SIr(4) 2.2.3内部故障运行状态
(1)CT未饱和
  图1中k2点发生内部故障,设母线上有n个连接元件,其中联络线或电源数目为j,则(n-j)为馈线或检修线路数目,它们属于空载线路。当母线发生内部故障时,从辅助CT二次侧看进去的空载电抗XL和此时流入差回路的电流分别如式(5)和(6)所示。
   
  XL=X′L/(n-j)(5) 
   
  Id1=XL/(XL+Rr)Ir=S′IT(6) 整定时只要选取适当的制动系数S,满足S′>S,就能可靠动作。
  (2)CT饱和
  由于中阻抗型母线保护动作速度很快,当母线发生内部故障时,即使某个连接元件CT严重饱和,差动继电器由于动作速度快而能抢在CT饱和之前正确动作,并通过保持回路母差保护可靠跳闸。
  2.3动作曲线
  根据以上情况,作出差动继电器动作特性曲线,如图3所示。从图可知,只要满足式(7)即可中阻抗型母线保护在各种不同运行方式下安全稳定运行。
   
   
  S″<S<S′(7) 
   
  图3继电器动作特性曲线
   
  图3中,直线1为外部故障时差电流在差回路中的分配线;直线2为差动继电器理想动作边界线;直线3为差动继电器实际动作边界线;直线4为内部故障时,差电流在差回路中的分配线;直线5为边界线。
  3整定分析
  3.1辅助变流器
  辅助变流器在中阻抗母线保护中的作用为
  (1)实现主CT变比一致;
   (2)隔离,使交流电流切换在辅助变流器的二次侧进行,避免了CT在电流切换时开路的可能性。
  (3)差动回路作为升流器。
   设主CT及辅助变流器的变比分别为nCT、nfCT,它们的综合变比为n0,则各连接元件的综合变比满足式(8)
n0=nCTnfCT(8)
   装置的热稳定要求中阻抗母线保护差动回路允许长期通过的电流一般为4~5A,设母线上全部负荷电流为IΣ,则在满足式(9)的热稳定的前提下
  IΣ/n0≤4~5(9)
   将母线上大电流互感器变比的连接元件的辅助变流器变比选为基本变比,其它依此类推。
  此外,辅助变流器还必须具有足够高的输出电压,以母线内部故障时保护能可靠快速动作,即辅助变流器的拐点电压Ub应满足式(10)。
Ub/(Id1RT)=1.5~2.0(10)
   3.2差动回路
  差动回路包括制动电阻Rs、差动电阻R、差回路附加电阻Rcd、差动变流器Tmd变比nd等。
  一般来说,制造商出厂时仅提供一组定值,因此差动继电器、差流继电器的动作值,差动继电器的制动系数S以及差动回路的参数是固定的,现场不能改变。
  作为中阻抗母线保护,差回路电阻要在300Ω左右,以利于母线保护安全稳定运行。为母线保护在外部故障CT饱和时能可靠不误动,即满足式(4)。将式(3)联合求得式(11)即为中阻抗母线保护稳定方程。
  R′LH/(R′LH+RT)<S(11)
  RLH≤S/(1-S)RT(12)
   根据前面的分析,中阻抗母线保护只要满足上式就可以安全、稳定运行,而与系统的短路电流水平、时间常数的大小无关,对电流互感器的特性(如CT的匹配、精度、绕组分布、饱和水平、剩磁时间常数等)均无特殊要求。
  由于母线保护在运行时定值不能改变,因此整定时一定要校核母线保护的灵敏度,母线内部故障时母线保护灵敏系数至少大于1.5,同时还要区外故障CT完全饱和时母线保护可靠不误动。
  3.3电压闭锁
作为与母线保护配合的电压闭锁,为母差保护整组动作时间要短,电压闭锁的动作时间也要很快。一般设有相电压、零序电压及负序电压等检测元件。整定时,可以按母线短路时考虑。
  3.4断线闭锁
  断线闭锁的定值小一般为5%In。
  4运行、维护及注意事项
  4.1装置投运前的准备工作
   4.1.1外回路的检查
   (1)检查各电流、电压回路电缆及接线的正确性;
  (2)检查各直流回路电缆及接线的正确性;
  (3)检查各直流电源回路电缆及接线的正确性;
   (4)检查各电流、电压回路、直流回路、直流电源回路的绝缘强度。
   4.1.2母线保护盘的内部检查
   (1)根据厂家提供的配线图检查盘内配线的正确性;
   (2)合上直流开关,检查隔离刀闸回路中双位置继电器动作的正确性;
  (3)检查信号、出口跳闸回路的正确性;
   (4)检查母线保护动作值的精度。
   4.1.3联动实验
   (1)性检查。对母线上的每个连接元件,必须确认其主CT及辅助变流器的接线性正确。要特别注意母联或分段元件的性。
   (2)稳定性检查。将所有连接元件的CT在端子箱处短接(封CT),从辅助变流器的二次侧加电压U,测得电流I,得到U/I值,选取大值为校核稳定性的R′LH,并验证是否满足稳定方程。
   (3)在每个连接元件的CT的端子箱处,模拟母线的各种运行方式,检查保护的动作行为。
   当所有实验均正确无误,进一步检查装置带负荷运行时差回路电流是否足够小(确认电流回路性正确)后,即可将母线保护投入运行。
  4.2装置的维护
  母线保护运行时,应经常巡视母线保护屏的各个信号灯状态,确保装置正确工作。当发生下列情况时母线保护应退出运行:
   (1)装置(包括差动回路、差动继电器、差流继电器、电压继电器等)出现异常;
  (2)电流回路断线;
   (3)直流回路异常;
   (4)切换回路异常。
  5结论
  中阻抗母线保护在外部故障时通过以下两个基本措施可其稳定性及安全性。
   (1)比率制动方案可以有效地母线正常运行或外部故障时不误动。
   (2)中阻抗差动方案增大了差回路的等价电阻,迫使差电流流回到已经饱和的电流互感器的等效电阻回路中,从而减少流入差回路中的电流。同时在满足式(11)的前提下,在外部故障即使CT完全饱和时,母线保护也不会误动。
  在内部故障时中阻抗母线保护的灵敏度及可靠性由以下两个因素:
   (1)快速动作,即使CT饱和,母线保护也能抢在其饱和之前动作。
   (2)差动继电器动作电压低于CT拐点电压。虽然CT开始饱和,但由于继电器动作电压低于CT拐点电压,继电器仍能可靠动作。同时馈线或空载CT的分流对差动继电器影响也不是太大,因为励磁阻抗大,时间常数大,差回路仍有足够的电流使差动继电器动作。
  总之,中阻抗母线保护方案巧妙地利用了CT的暂态过程又考虑了稳态过程,能母线保护可靠、正确、快速工作。此方案在快速动作、较好的抗CT饱和性能、装置原理及实现简单、可靠等方面要优于微机母线保护。此外,由于国内外微机母线保护装置刚刚出现,运行经验缺乏,因此今后几年内中阻抗母线保护装置仍将发挥重要作用。
   参考文献:
   [1]许继电气股份有限公司,许昌继电器研究所.JMH-1型母线保护装置技术说明书[R],1994.
   [2]ABBNetworkPartner.REB500numericalbusbarandbreaker-failureprotection[M],1997.
   
  作者简介:
  程利军(1966-),男,高级工程师,博士研究生,研究方向为计算机在电力系统继电保护及自动控制中的应用;
  杨奇逊(1937-),男,教授,博士生导师,中国工程院院士,从事电力系统继电保护与自动化的研究开发与教学工作。

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