论文部分内容阅读
在发电厂和变电所中，母线是电力系统中集中与分配的重要环节，母线上连接的用电设备较多，一般是多条进线、出线交汇于此，它的安全运行对不间断供电具有极为重要的意义。母线发生故障时处理不得当，将使连接在故障母线上的所有元件在切除故障期间处于停电状态。同时，延时切除将造成母线结构和设备严重损坏，检修设备和停电倒母线造成的损失非常大，有可能引起系统稳定的破坏。所以对母线保护的要求应突出安全性和快速性，在母线故障设置相应的保护装置。
随着计算机多媒体技术、图像技术等的发展，人们开始使用数字仿真技术代替传统的物理模拟实验，在计算机上进行仿真实验，在广东工业大学投入使用的变电站仿真系统KEA采用开放式的实时UNIX操作系统作为仿真软件运行环境，在电力系统尤其是高压及超高压系统中应用越来越普及，可模拟实际系统中继电保护中常规保护的动作行为，如线路距离保护、零序保护、过流保护、母线的母差保护、开关失灵保护、变压器的纵差保护、瓦斯保护、 零序电流保护等。
电力系统的继电保护及装置结构
继电保护概述
继电保护主要由电力系统故障分析、继电保护原理及实现继电保护配置设计、继电保护装置运行与维护等技术构成。利用电力系统中发生故障或不正常运行状态时的电气量（电流、电压、功率、频率等）的变化，迅速找出有别于正常运行状态的特征量，从而构成继电保护动作的原理，还有根据电气设备的特点实现反映非电气量的保护，如变压器油箱内部绕组发生短路时产生的大量瓦斯和油箱压力增大的保护。
电力系统继电保护装置
电力系统继电保护装置是就是通过反映电力系统中被保护设备的各种电气状态，当发生故障或不正常运行状态时，自动、迅速、准确地跳开离故障元件最近的断路器，使故障元件及时从电力系统中切除，减少对电网及系统元件的损坏，防止事故的扩大和蔓延；继电保护装置是电力系统密不可分的一部分，是保障电力设备安全和防止、限制电力系统大面积停电的最基本、最重要、最有效的技术手段。同时，它的基本要求有选择性、速动性、灵敏性、可靠性，除了以上四个基本的要求外，在实际中还要考虑经济性，在能实现电力系统安全运行的前提下，尽量采用投资少、维护费用低的保护装置。
母线继电保护的基本原则
（1）电流差动母线保护：通过比较与母线相连的所有元件的流入与流出电流，即差动回路的电流∑I，可以用来判断母线故障或正常运行与母线外部故障；以单母线电流差动保护为例，所有接于母线的支路，都将其电流接入差动回路，因而这些支路的元件发生故障都不在母线差动保护范围内。在正常运行及外部故障时，I流入差动回路=Iub；当母线上故障时，流入差动回路的电流如下：
（2）电流比相式母线保护：利用总差动电流判别是否母线上发生故障，在判别为母线故障的情况下，一差动电流为参考量，用母联电流相位判别故障母线。在正常运行及母线外部故障时，至少有一个母线连接元件中的电流相位和其余元件中的电流相位是相反的，即电流流入的元件和电流流出的元件中电流的相位相反；当母线故障时，除电流等于零的元件以外，其他元件的电流基本上是同相位的。
（3）断路器失灵保护：在110kV及以上电压等级的电网中，当母线发生故障，在保护装置动作于切除故障时，出现了断路器拒动现象，称之为断路器失灵故障，所以要装设断路器失灵保护。断路器失灵保护动作时要求故障母线上连接的所有支路断路器能够以较短的时间全都跳开，隔离故障部分，降低保护勿动带来的损失。对断路器失灵保护增加了两个保护动作出口条件：故障支路保护装置出口继电器在保护动作后一直处于保持状态不返回；被保护范围内的故障状态仍未被切除。当母线支路较多时，一般采用母线Tv检测的方法判断母线故障或者断路器拒动是否被切除；当母线支路较少时，一般采用各支路TA检测的方法判断母线故障或者断路器拒动是否被切除。
新建220kV变电站仿真系统
新建220kV变电站主接线图如图1所示。新建220kV变电站采用双母线双分段接线方式，有两台母联联络断路器，220kV八回出线，其中六回为联络线，一回线为联络线或终端方式，一回为终端线，220kV与35kV母线之间用三台两圈五载调压变压器连接，单台容量为100兆伏安，35kV侧接地变中性点经小电阻接地。35kV为单母线六分段接线方式，中间用三台分段断路器连接，共24回出线，35kV母线上接有三组电容器，电抗器作为无功补偿。两台站用变，35kV/380V。直流部分分为二套硅整流器，一套硅整流器，一套蓄电池，二段直流母线，八路直流负荷线。
变电站继电保护配置：变电站中2201线采用7SD24，LCD21，PL-H-11A（相间距离Ⅰ Ⅱ Ⅲ段，接地距离Ⅰ、Ⅱ段，零序Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ段），断路器失灵保护等保护配置；2202线的保护配置有电流Ⅰ、Ⅱ段（两套）；而2203线与2207线采用WXB-11C，LFP901A保护配置，2204线与2208线采用JGB-11D，JGX-11D，PLH-11A（相间距离Ⅰ Ⅱ Ⅲ段，接地距离Ⅰ Ⅱ段，零序Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ段）保护配置，而2205线采用CLS101A，LEP902A保护配置，2206线采用LEP931A，LFP902A；母线上220母联和220分段都采用充电保护、解列保护、断路器失灵保护，主变T1、T2、T3的保护配置有差动（BCH-1），220kV零流Ⅰ Ⅱ段，220kV零压，220kV速断、220kV过流、35kV过流、35kV零流、35kV过负荷、重瓦斯、温度、断路器失灵保护；同时，该变电站在接地变装有速断、过流、零流Ⅰ Ⅱ段，重瓦斯、轻瓦斯等保护配置，在35kV母线上有单母母差保护，35kV电容器采用了过流Ⅰ Ⅱ段，零流Ⅰ Ⅱ段，压差、低电压、过电压等保护配置，35kV电抗器则采用了差动、重瓦斯、过流Ⅰ Ⅱ段、零流Ⅰ Ⅱ段等保护配置。
母线故障模拟及结果分析 故障类型：正一母线A相接地
（1）故障现象：该变电站与正一母线相连接的负载断开，母联断路器、分段断路器断开。1号母联断路器中正一母差动动作，220kV1号母联第一、二组出口跳闸，正一母复合电压动作；2201线路中第一、二组出口跳闸；2202线路中第一、二组出口跳闸，WXB-11C故障，LFP-901发信及异常，WXB-11C发信 ；2203线路中的WXB-11C故障，LFP-901A发信及异常，WXB-11C发信；2204线路JGX-11D发信，JGB-11发信；2205线路上YBX-1（CSL-101A）动作；2206线路中WXB-11C故障，LFP-901A发信及异常，WXB-11C发信；2207线路中WXB-11C故障，LFP-901A发信及异常；2208线路中JGX-11D发信，JGB-11D发信。
（2）故障分析：压板打上之后，正一母线发生A相接地故障时，A相电压下降为零，正一母差动动作跳闸，切除正一母与付一母的连接，防止故障扩大到付一母线，同理，分段断路器2也动作跳闸，切除正一母线与正二母线的连接，防止故障扩大到正二母线。2201、2202线路与正一母连接， 2201线路零序Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段保护动作，母线故障导致WXB-11C微机高频距离保护和LFP-901A微机方向高频保护检测到外部故障先发出闭锁信号；在正一母切除后，线路2202失压，WXB-11C发信使2202的第一、二组出口跳闸，切除线路与母线的连接；同理，连接在正一母线上的负载全部断开连接。对于2203～2208的其他负载线路，正一母线的故障属于外部故障，因此，对应线路的保护会发出相应的闭锁信号。
故障类型：220kV正一母A相接地（压变处）、220kV#1母联开关拒动
（1）故障现象：该变电站的2201线路第一、二组出口跳闸，2202线路第一、二组出口跳闸，WXB-11C故障，LFP-901A发信及异常；2203线路WXB-11C故障，WXB-11C发信；2204线路JGX-11D发信，JGB-11D发信；2205线路中YBX-1（CSL-101A）动作，YBX-1（LFP-902A）动作；2206线路FOX-40动作信号；2207线路WXB-11C故障，LFP-901A发信及异常，WXB-11C发信；而2208线路JGX-11D发信，JGB-11D发信；母线上正一母线上母差动作和复合电压动作，付一母线上复合电压动作，220kV1号母联第一、二组出口跳闸，付二母线上复合电压动作，正二母线上复合电压动作；220kV1号分段断路器的第一、二组出口跳闸；35kV母联上一/六母线失压，二/三母线失压，四/五母线失压，一/六母线低电压动作，二/三母线低电压动作；此时2203线路第一、二组出口跳闸；2204线路出口跳闸，付一母差动动作，正一母线失灵动作，付一母线失灵动作；220千伏2号分段处第一、二组出口跳闸，35kV四/五母线低电压动作，35kV一/六分段报警、弹簧未储能，自切动作，35kV二/三分段自切动作。
（2）故障分析：正一母线发生接地故障，其母差动保护判断为母线故障，瞬时动作，但是由于母联拒动，付一母也相当于短路，付一失灵动作。正一母复合电压也会同时动作。2201和2202线路由于直接接于正一母线，所以其对应的保护瞬时动作。为了不让故障延续到其他母线，正（付）母分段动作，一号分段动作。连接于正一母的一号主变保护及时动作，跳开断路器。为保证供电可靠，一/六分段、二/三分段自切装置动作。
母线保护随着电力系统规模的不断扩大，其在电力系统中的重要性也日渐突出，一旦母线发生故障，会对电力系统的稳定造成严重的威胁，所以必须极快地切除故障，保持系统的稳定；同时母线上的保护装置也有了极高的要求，必须保证其安全性和可靠性。而且母线上上连接的电路数较多，不同电路的电气状态也不一样，变化范围有可能相差较大；当母线发生内部故障时，而母线上的保护装置无法启动保护时，失灵保护动作，同时母线上的复合电压也会同时动作，跳开与故障母线相连的电路；由于母线的运行方式比较多，操作较为频繁，所以母线保护必须要适应母线的各种运行方式。（作者李惜玉供职于广东工业大学自动化学院；周旭良系广东工业大学自动化学院本科生。基金项目：本文系2013年广东省广东工业大学省级大学生创新基金资助项目（项目编号：1184513164）、2014年广东省广东工业大学大学生创新基金资助项目、广东省高等教育教学改革项目（粤财教[2012]361号）、2012广东工业大学校级重点项目（项目编号：2012Z010）、广东省电气工程及其自动化特色专业基金资助项目（项目编号：402102299）的研究成果）
随着计算机多媒体技术、图像技术等的发展，人们开始使用数字仿真技术代替传统的物理模拟实验，在计算机上进行仿真实验，在广东工业大学投入使用的变电站仿真系统KEA采用开放式的实时UNIX操作系统作为仿真软件运行环境，在电力系统尤其是高压及超高压系统中应用越来越普及，可模拟实际系统中继电保护中常规保护的动作行为，如线路距离保护、零序保护、过流保护、母线的母差保护、开关失灵保护、变压器的纵差保护、瓦斯保护、 零序电流保护等。
电力系统的继电保护及装置结构
继电保护概述
继电保护主要由电力系统故障分析、继电保护原理及实现继电保护配置设计、继电保护装置运行与维护等技术构成。利用电力系统中发生故障或不正常运行状态时的电气量（电流、电压、功率、频率等）的变化，迅速找出有别于正常运行状态的特征量，从而构成继电保护动作的原理，还有根据电气设备的特点实现反映非电气量的保护，如变压器油箱内部绕组发生短路时产生的大量瓦斯和油箱压力增大的保护。
电力系统继电保护装置
电力系统继电保护装置是就是通过反映电力系统中被保护设备的各种电气状态，当发生故障或不正常运行状态时，自动、迅速、准确地跳开离故障元件最近的断路器，使故障元件及时从电力系统中切除，减少对电网及系统元件的损坏，防止事故的扩大和蔓延；继电保护装置是电力系统密不可分的一部分，是保障电力设备安全和防止、限制电力系统大面积停电的最基本、最重要、最有效的技术手段。同时，它的基本要求有选择性、速动性、灵敏性、可靠性，除了以上四个基本的要求外，在实际中还要考虑经济性，在能实现电力系统安全运行的前提下，尽量采用投资少、维护费用低的保护装置。
母线继电保护的基本原则
（1）电流差动母线保护：通过比较与母线相连的所有元件的流入与流出电流，即差动回路的电流∑I，可以用来判断母线故障或正常运行与母线外部故障；以单母线电流差动保护为例，所有接于母线的支路，都将其电流接入差动回路，因而这些支路的元件发生故障都不在母线差动保护范围内。在正常运行及外部故障时，I流入差动回路=Iub；当母线上故障时，流入差动回路的电流如下：
（2）电流比相式母线保护：利用总差动电流判别是否母线上发生故障，在判别为母线故障的情况下，一差动电流为参考量，用母联电流相位判别故障母线。在正常运行及母线外部故障时，至少有一个母线连接元件中的电流相位和其余元件中的电流相位是相反的，即电流流入的元件和电流流出的元件中电流的相位相反；当母线故障时，除电流等于零的元件以外，其他元件的电流基本上是同相位的。
（3）断路器失灵保护：在110kV及以上电压等级的电网中，当母线发生故障，在保护装置动作于切除故障时，出现了断路器拒动现象，称之为断路器失灵故障，所以要装设断路器失灵保护。断路器失灵保护动作时要求故障母线上连接的所有支路断路器能够以较短的时间全都跳开，隔离故障部分，降低保护勿动带来的损失。对断路器失灵保护增加了两个保护动作出口条件：故障支路保护装置出口继电器在保护动作后一直处于保持状态不返回；被保护范围内的故障状态仍未被切除。当母线支路较多时，一般采用母线Tv检测的方法判断母线故障或者断路器拒动是否被切除；当母线支路较少时，一般采用各支路TA检测的方法判断母线故障或者断路器拒动是否被切除。
新建220kV变电站仿真系统
新建220kV变电站主接线图如图1所示。新建220kV变电站采用双母线双分段接线方式，有两台母联联络断路器，220kV八回出线，其中六回为联络线，一回线为联络线或终端方式，一回为终端线，220kV与35kV母线之间用三台两圈五载调压变压器连接，单台容量为100兆伏安，35kV侧接地变中性点经小电阻接地。35kV为单母线六分段接线方式，中间用三台分段断路器连接，共24回出线，35kV母线上接有三组电容器，电抗器作为无功补偿。两台站用变，35kV/380V。直流部分分为二套硅整流器，一套硅整流器，一套蓄电池，二段直流母线，八路直流负荷线。
变电站继电保护配置：变电站中2201线采用7SD24，LCD21，PL-H-11A（相间距离Ⅰ Ⅱ Ⅲ段，接地距离Ⅰ、Ⅱ段，零序Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ段），断路器失灵保护等保护配置；2202线的保护配置有电流Ⅰ、Ⅱ段（两套）；而2203线与2207线采用WXB-11C，LFP901A保护配置，2204线与2208线采用JGB-11D，JGX-11D，PLH-11A（相间距离Ⅰ Ⅱ Ⅲ段，接地距离Ⅰ Ⅱ段，零序Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ段）保护配置，而2205线采用CLS101A，LEP902A保护配置，2206线采用LEP931A，LFP902A；母线上220母联和220分段都采用充电保护、解列保护、断路器失灵保护，主变T1、T2、T3的保护配置有差动（BCH-1），220kV零流Ⅰ Ⅱ段，220kV零压，220kV速断、220kV过流、35kV过流、35kV零流、35kV过负荷、重瓦斯、温度、断路器失灵保护；同时，该变电站在接地变装有速断、过流、零流Ⅰ Ⅱ段，重瓦斯、轻瓦斯等保护配置，在35kV母线上有单母母差保护，35kV电容器采用了过流Ⅰ Ⅱ段，零流Ⅰ Ⅱ段，压差、低电压、过电压等保护配置，35kV电抗器则采用了差动、重瓦斯、过流Ⅰ Ⅱ段、零流Ⅰ Ⅱ段等保护配置。
母线故障模拟及结果分析 故障类型：正一母线A相接地
（1）故障现象：该变电站与正一母线相连接的负载断开，母联断路器、分段断路器断开。1号母联断路器中正一母差动动作，220kV1号母联第一、二组出口跳闸，正一母复合电压动作；2201线路中第一、二组出口跳闸；2202线路中第一、二组出口跳闸，WXB-11C故障，LFP-901发信及异常，WXB-11C发信 ；2203线路中的WXB-11C故障，LFP-901A发信及异常，WXB-11C发信；2204线路JGX-11D发信，JGB-11发信；2205线路上YBX-1（CSL-101A）动作；2206线路中WXB-11C故障，LFP-901A发信及异常，WXB-11C发信；2207线路中WXB-11C故障，LFP-901A发信及异常；2208线路中JGX-11D发信，JGB-11D发信。
（2）故障分析：压板打上之后，正一母线发生A相接地故障时，A相电压下降为零，正一母差动动作跳闸，切除正一母与付一母的连接，防止故障扩大到付一母线，同理，分段断路器2也动作跳闸，切除正一母线与正二母线的连接，防止故障扩大到正二母线。2201、2202线路与正一母连接， 2201线路零序Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段保护动作，母线故障导致WXB-11C微机高频距离保护和LFP-901A微机方向高频保护检测到外部故障先发出闭锁信号；在正一母切除后，线路2202失压，WXB-11C发信使2202的第一、二组出口跳闸，切除线路与母线的连接；同理，连接在正一母线上的负载全部断开连接。对于2203～2208的其他负载线路，正一母线的故障属于外部故障，因此，对应线路的保护会发出相应的闭锁信号。
故障类型：220kV正一母A相接地（压变处）、220kV#1母联开关拒动
（1）故障现象：该变电站的2201线路第一、二组出口跳闸，2202线路第一、二组出口跳闸，WXB-11C故障，LFP-901A发信及异常；2203线路WXB-11C故障，WXB-11C发信；2204线路JGX-11D发信，JGB-11D发信；2205线路中YBX-1（CSL-101A）动作，YBX-1（LFP-902A）动作；2206线路FOX-40动作信号；2207线路WXB-11C故障，LFP-901A发信及异常，WXB-11C发信；而2208线路JGX-11D发信，JGB-11D发信；母线上正一母线上母差动作和复合电压动作，付一母线上复合电压动作，220kV1号母联第一、二组出口跳闸，付二母线上复合电压动作，正二母线上复合电压动作；220kV1号分段断路器的第一、二组出口跳闸；35kV母联上一/六母线失压，二/三母线失压，四/五母线失压，一/六母线低电压动作，二/三母线低电压动作；此时2203线路第一、二组出口跳闸；2204线路出口跳闸，付一母差动动作，正一母线失灵动作，付一母线失灵动作；220千伏2号分段处第一、二组出口跳闸，35kV四/五母线低电压动作，35kV一/六分段报警、弹簧未储能，自切动作，35kV二/三分段自切动作。
（2）故障分析：正一母线发生接地故障，其母差动保护判断为母线故障，瞬时动作，但是由于母联拒动，付一母也相当于短路，付一失灵动作。正一母复合电压也会同时动作。2201和2202线路由于直接接于正一母线，所以其对应的保护瞬时动作。为了不让故障延续到其他母线，正（付）母分段动作，一号分段动作。连接于正一母的一号主变保护及时动作，跳开断路器。为保证供电可靠，一/六分段、二/三分段自切装置动作。
母线保护随着电力系统规模的不断扩大，其在电力系统中的重要性也日渐突出，一旦母线发生故障，会对电力系统的稳定造成严重的威胁，所以必须极快地切除故障，保持系统的稳定；同时母线上的保护装置也有了极高的要求，必须保证其安全性和可靠性。而且母线上上连接的电路数较多，不同电路的电气状态也不一样，变化范围有可能相差较大；当母线发生内部故障时，而母线上的保护装置无法启动保护时，失灵保护动作，同时母线上的复合电压也会同时动作，跳开与故障母线相连的电路；由于母线的运行方式比较多，操作较为频繁，所以母线保护必须要适应母线的各种运行方式。（作者李惜玉供职于广东工业大学自动化学院；周旭良系广东工业大学自动化学院本科生。基金项目：本文系2013年广东省广东工业大学省级大学生创新基金资助项目（项目编号：1184513164）、2014年广东省广东工业大学大学生创新基金资助项目、广东省高等教育教学改革项目（粤财教[2012]361号）、2012广东工业大学校级重点项目（项目编号：2012Z010）、广东省电气工程及其自动化特色专业基金资助项目（项目编号：402102299）的研究成果）