电力系统母线保护新原理

对于传统的带比率制动的母线差动保护而言，母线 发生高阻接地故障时，故障电流较小，严重时可能 造成保护拒动。 对基于综合阻抗的母线保护，母线发生高阻接地故 障时，即使故障电流较小，计算出的综合阻抗始终 是过渡电阻。母线高阻接地的过渡一般为50~100Ω， 整定时使Zset高于此值（如设置Zset =500Ω），可保 证区外故障时保护不误动，区内故障时灵敏度较高。
Zcd Zr

当母线发生外部故障时，无论TA饱和与否，都应该 满足：
2 Zr Zcd ZC
Zcd Krel Zr

这里可靠系数取1.5，即使在饱和TA的二次侧电流 降为零时，依然能够可靠制动，而无需将母线保护 闭锁，既大幅提高了母线保护在外部故障时的安全 性，又使得发生内部故障TA饱和时保护的动作速度 不受任何影响，提高了保护在内部故障时的可靠性。
2012级电气工程 小组成员：
一
• 传统母线保护基本原理
• 基于瞬时阻抗的母线保护
二
• 基于综合阻抗的母线保护
三
• 总结与展望


电力系统中母线保护是主要保护之一。母线的安全 可靠运行直接影响发电厂和变电所工作的可靠性。 当母线上发生短路时，如果故障不能迅速被切除， 将会引起事故扩大，破坏电力系统的稳定运行，严 重时将造成电力系统的瓦解事故。 为满足速动性、选择性的要求，母线保护都是按差 动原理构成的。
I cd I i
i 1 n






2.综合阻抗的特点

1）当母线内部发生故障时，
母线差流就等于流过过渡 电阻 Rg 的电流 I g ，即

I cd I g ，此时综合阻抗为：



Z cd

U

Rg
arg Zcd arg Rg 0
Ig
由以上二式可见母线内部发生故障时，综合阻抗特点为:
（2）主要表现为对地电容，阻抗角约等于-90 °。




3.保护判据 由以上分析可得到如下结论： 1）区内故障时母线的综合阻抗远大于区外故障时 母线的综合阻抗 2）区内故障时母线的综合阻抗的阻抗角约为0°， 区外故障时母线的综合阻抗的阻抗角约为-90°。 另外，当发生故障，母线上的电压值很小时， 其方向性不明确，出现“死区”，难以准确计算综 合阻抗相角值，需设置一电压启动判据。



目前我国母线保护主要采用电流差动保护，在上述 因素中，从技术角度看，因TA饱和而产生不平衡电 流成为制约母线差动保护发展的主要因素，可采取 以下两个方面的应对措施： 1）应加强研究抗TA饱和的措施。例如使用小波变 换等数学工具提取故障电流特征信号作为保护动作 的依据； 2）研究其他原理的母线保护。如上述的基于瞬时 阻抗、基于综合阻抗的保护原理就属于新型的母线 保护原理，为未来母线保护的发展提出了新的思路， 作了原理上的储备。


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2.高阻抗保护 特点：几千欧 区外故障不误动 继电器产生很高的电压
U


3.中阻抗保护 特点：约300欧 高阻抗保护结合比率制动特性既能减小不平 衡电流，又不产生过高的电压 应用广泛

特点：1.将故障状态等效为一个电感电路模型 2.引入母线瞬时等效阻抗和瞬时制动阻抗 3.无需专门的TA饱和识别元件

以单相单母线模型为例：

对于每条支路都有：

化简处理：

这时有：
取模

其中母线差电流
icd i j
j 1
n

引入母线和电流 ir i j
j 1
n
可得：

定义母线的瞬时等效阻抗值为：
Z cd 0 Leq 0 u d icd / dt

定义母线的瞬时制动阻抗值为：


在制定母线保护方案时要从以下几个方面考虑： 1）保护结构的复杂程度； 2）保护受 TA 饱和的影响； 3）母线接线方式和故障类型的影响； 4）双母线上的倒闸操作过程中母线故障的情况； 5）断路器失灵的情况； 6）母联死区故障的情况； 7）经济性与实用性； 8）与失灵保护、非全相保护等断路器保护的配 合问题。
（1）模值较小；（2）阻抗角接近于零。

2）当母线外部发生故障时， 流过母线的差流主要反 映为母线对地电容电流 I c ，

即 I cd I c 。此时综合阻
抗为：



Z cd

U

Zc
arg Zcd arg Zc 90
Ic
可见，母线外部发生故障时综合阻抗特点为：
（1）模值远大于内部故障时的综合阻抗模值；
2）保护性能不受多角形接线或3/2断路器接线母线
内部故障有汲出电流的影响；
3）母线内部高阻接地时仍有较高的灵敏度。

当母线外部故障TA轻度饱和时，产生的差流较小， 计算得到的综合阻抗依然较大，足以识别出是区外 故障。 TA饱和度较高时，综合阻抗Zcd 减小，向动作区靠 拢，由于外部故障的综合阻抗远大于内部故障综合 阻抗，可通过减小整定值Zset来使动作判据具有更强 的抗TA饱和能力。
Z r 0 Lr 0 u d ir / dt

其中
为工频角频率。

1.母线内部故障
无论TA是否饱和，均有：
Z cd 0 Leq 0
u d icd / dt
Z r 0 Lr 0
u d ir / dt
欲研究 Zcd 和 Z r 的关系，必 须先研究 d icd / dt 和 d ir / dt 的 关系。 为了简化分析，将母线的故 障分量电流用正弦电流近似。

根据以上分析提出基于综合阻抗的母线保护判据如 下： 差流启动判据： I cd 1.25IT I set


电压启动判据： U
幅值判据： Zcd
Z set
krelU N


相角判据：- arg Zcd
保护动作逻辑框图

4.保护性能分析
1）该保护原理具有较强的抗TA饱和能力；
将母线上所有的各连接元件的电流互感器按同名相、 同极性连接到差动回路，电流互感器的特性与变比 均应相同。 理想状态下，在正常运行及 外部故障时，母线的电流矢 量和满足：

I1 I 2 I3 0

在内部故障时， I 0 保护动 作。


1.低阻抗保护 特点：几欧 原理简单 需要TA饱和识别元件

故，在母线区内故障时，无 论TA的工作状态，有：


2.母线外部故障 此时有：
in i j
j 1 n 1

A.当故障支路上TA未发生饱和时 Z 此时求解出的瞬时阻抗值 Z cd 1 / 0C ， cd 实际 反映的是母线的杂散容抗值，达上万欧。 Z 而此时和电流 ， r 只有几十欧。 满足：


汲出电流：以下图为例，当母线B1上F1处发生故障 时，可能会有短路电流流出母线，这一电流即为汲 出电流，如图中红色箭头所示。
汲出 电流

对于传统的带比率制动的母线差动保护而言，汲出 电流与区外故障时的故障电流类似，是一种穿越性 电流，会使保护的制动电流增大，保护灵敏度降低。
对于基于综合阻抗的母线保护而言，保护的整定计 n 算只与差电流（ I cd I i ）有关，不涉及制动量，因 i 1 此灵敏度基本不受影响。

1.母线综合阻抗的概念 设某一母线正常运行时的状态如图1所示：
图1

当母线上F点处发生故障其故障状态如图2所示：
图2

可用下式来定义母线的综合阻抗：

Zcd


U

I cd

U 为母线F点的电压向量，I cd 为母线差流，对于图2
有 I cd I 1 I 2 I 3 I 4 ，若母线上有n条支路，则有



B.当故障支路上TA发生饱和时 TA饱和得越严重，母线的差电流 icd 的值越大， 而计算出的瞬时等效阻抗 Zcd 也越小。 假设TA极度饱和： n 1
icd max
1 i j ir 2 j 1
min
故：
Z cd
2 Zr

综上所述，当母线发生内部故障时，无论TA是否饱 和，都满足：