国内外各类母线保护技术特性分析
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摘 要：就目前国内外各类整流型、中阻抗型、微机型母线保护的技术特性作了比较分析，并对母线保护的应用及发展方向提出了观点。 母线故障是最严重的电气故障之一，因为它与各个电气元件相联。母线保护装置是正确迅速切除母线故障的重要手段，它的拒动或误动将给电力系统带来严重危害。相对于线路保护的发展，母差保护的发展比较缓慢，下面就国内外几种主要的母差保护的技术特性进行比较分析。
我国电网中使用的母线保护类型较多， 从元器件构成上大致可分为整流型、 集成电路型和微机型。 1.1 LXB整流型母线差动保护 LXB电流相位比较式母差保护是用差动电流作参考向量来比较母联电流相位以判别故障母线，在我国七八十年代的电网上曾广泛使用。其主要特点是：原理简单，没有交流电流切换回路，二次接线简单，能适应一次系统的倒闸操作；要求TA特性、变比一致，否则要加辅助TA。 LXB母差保护曾在湖南省110 kV及以上系统广泛使用，其间经历过区内和区外故障的考验，为电网的安全稳定运行作出了贡献，同时也暴露出其存在的某些缺陷。曾做过一些改进，例如增加相继动作功能等，由于原理及技术条件的限制，仍存在许多问题：当两条母线所接电源严重不平衡时，大电源所在母线内部故障，小电源提供母联电流不能启动LXB继电器时，母差将拒动；母联TA为单侧设置时，在母联与TA之间发生故障，故障母线不能快速切除；双母线分裂运行时，动作失去选择性；动作时间较长，当TA严重饱和时，可能失去选择性。 从电网的发展来看，无论是从性能上还是运行维护等方面，该保护都越来越难以满足要求，LXB型母差保护将逐渐被替换。  a. 集成电路中阻抗母差保护，是一种三相带比率制动特性的母差保护装置，特点为快速动作，装置动作时间约为8～9 ms，起动继电器和差动继电器的动作时间约为1～2 ms。在大电源系统发生穿越性短路而线路TA完全饱和的情况下，保护装置具有充分的稳定性和可靠性，其灵敏度基本上不受差动回路中回路数的影响。母线内部故障，由于检测速度极快，在TA没有饱和之前就动作，所以对线路TA的饱和特性要求不高。也可采用辅助TA调整总变比，适应不同变比的TA。 b. 集成电路中阻抗母差保护，可配置监视模块，且具有事件记录、字母数字LCD显示，RS-232接口及IRIG-B时钟同步功能，可实现与监控系统的通信。 其主要技术特点是：主保护元件是一个三相带比率制动及稳定电阻的差动电流继电器；灵敏母差电流检测保证在TA回路开路时能告警且闭锁母差保护；只要符合设计标准，可使用特性和变比不一定相同的TA；区内故障动作时间<10 ms。 c. 集成电路母差保护，其采用比较各支路电流之和的绝对值与各支路电流的绝对值之和，差动元件为首半波比相、比率差动特性，整组动作时间约17 ms。该母差保护系西门子70年代技术，结构及元器件质量稍显落后。 d. JCMZ系列中阻抗母差保护，目前在国内500 kV及以下变电所有广泛的应用，湖南电网220 kV母线保护基本采用该系列母差保护。它是一种高速灵敏中阻抗型的电流差动保护，适用于超高压电网的中阻抗母差保护，将中阻抗特性和比率制动特性两者有机结合在一起。 它具有下列特点：动作速度快，故障检测时间<3 ms，保护整组动作时间<10 ms；在穿越性外部故障时，即使TA饱和也不会误动；母线内部故障时，由于检测速度极快，在TA完全没有饱和之前就动作，对TA饱和特性要求不高；采用辅助TA调整总变比，可适应不同变比的TA；允许TA二次回路的环路阻抗较大，易满足要求；主回路简单可靠。 e. PMH-150(RADSS/S)型中阻抗母差保护适用于超高压电网，分全进口元件、半进口元件、国产元件3种类型，但差动元件均为进口件。因其与JCMZ系列母差保护装置属相似中阻抗型的电流差动保护，两者技术特点基本相同。 1.3 微机型母差保护 1.3.1 REB500型保护 ABB公司的REB500分散式微机母差保护，在硬件结构上由不同类型的底盘(间隔模块)和所用的中央处理装置组成，可适用于分散安装和集中安装。其工作原理是底盘装置进行有关数据的收集、预处理之后，该过程数据以一定的时间间隔，通过过程母线经光纤送至中央处理装置，由其再进行综合计算处理，发出跳闸指令，动作时间<15 ms。 该微机母差保护的主要技术特点是：可分散安装，母差保护装置(间隔模块)可装在开关设备机架的箱子或柜子中，用光纤电缆与中央处理装置相连接，当与分散分布式自动化系统结合使用时，可形成一种理想状态；对TA饱和基本不灵敏，在发生母线内外故障时，2 ms后允许TA处于饱和；动作速度快，可靠性高；全数字信号处理，具有自检功能和通信接口；可更换性好，便于扩充。 1.3.2 MBP-D型保护 该保护是日本三菱公司在MBP-C型集成电路母差保护基础上，采用微机技术于1986年推出并投入运行的。在采用通常的比率差动原理的基础上，增加了波形判别原理，以提高保护的选择性。波形判别原理设计考虑了区外故障TA饱和及区内故障汲出电流的问题。MBP-D微机母差保护可靠性尚可，动作速度较快，整组动作时间为15～25 ms；装置具有自适应能力，可适应各种母线的形式和运行方式的改变；每个间隔价格为2.7～3万元，与国产母差保护价格相差不大。但存在体积大、整定及信号复杂、仍需辅助变流器，当双母线分裂运行时，发生死区故障保护拒动等问题。 1.3.3 WMZ-41型保护 该保护是由国家电力公司南京电力自动化设备总厂生产，装置的主要特点如下所述。 a. 采用一“主”三“从”多CPU结构型式，其全新的算法及保护方案大大提高了母线保护整组出口速度及可靠性，也使保护的调试和维护更加方便。是适用于500 kV及以下各种电压等级、各种母线接线方式的母线保护。 b. 提出了抗TA饱和新方案，对TA无特殊要求。系统发生区内故障时，保护迅速出口，不受TA饱和影响；区外故障TA饱和时，保护可靠不误动。 c. 采用全新的采样值算法及突变量算法，提高了母线区内故障时的出口速度。对双母线保护，自动识别、跟踪运行状态，电流无触点切换。通过对各段母线的所有支路电流的动态分析，结合各支路隔离开关辅助接点的实时读入比较，跟踪双母线系统的运行状态，从而实现双母线保护的自适应性、出口的选择性。在双母线(或单母分段)解列运行或支路倒闸过程中发生区外故障时，均能确保母线的可靠安全运行。当系统发生相继故障或故障发展时，保护均能正确而快速地反应。 d. 设置有复合电压闭锁功能，增强了装置抗误动能力；有TA，TV断线监视，直流稳压消失监视等功能；设置线路断路器失灵保护、母联断路器失灵保护(死区保护)及充电保护等功能；对各支路主TA变比不一致问题，通过软件改变各支路通道系数的方法来解决。保护整组动作时间≤15 ms。 湖南电网已开始应用WMZ-41微机母差保护，力争取得较多的微机母差运行经验。 1.3.4 BP-2A型保护 该保护是南京自动化研究院提供的，主要特点如下：复式比率差动原理，在区内故障时无制动，在区外故障时有极强的制动特性，差动保护灵敏度高；自适应能力强，倒闸操作过程中，保护无需退出，并实时地无触点切换差动回路和出口回路；以大差动判别故障，各段母线小差动保证选择性；允许TA变比不一致，TA饱和能力强；整组动作时间<20 ms。 1.3.5 分布式母差保护 该保护是北京哈德威四方公司推出的，采用完全分布式结构，以便于与分层分布式自动化系统相适应，其主要特点如下： a. 整个装置完全分散化，每个间隔单元保护装置由多个CPU分别构成启动元件和选择元件，不同间隔上同一功能的CPU由光纤构成同级别的环网，可通过MMI与LonWorks或高速以太网相连； b. 各间隔单元的同步采样由软件解决；采用比率制动原理。用三相综合式方案，依靠光纤环网传递A，B，C三相电流的差动量、制动量以及故障信息；担负启动元件的单环采用双通道结构，具有检错和纠错能力；抗TA饱和功能强，采用差动动作时刻与TA饱和时刻不一致，短时闭锁保护。 该保护已在东北电网投入试运行(编者注)。 2 母线保护的应用及发展趋势 我国普遍采用的低阻抗型母线电流差动保护不适用于高压母线，母线外部故障TA饱和时，母线差动继电器中会出现较大不平衡电流，可能使母差保护误动作。高阻抗型母线电流差动保护，较好地解决了这一问题，但在母线内部故障时，电流互感器的二次侧可能出现过高电压，对继电器可靠工作不利，且要求TA的传变特性完全一致，变比相同，这对于需扩建的变电站来说较难做到。 中阻抗型母线电流差动保护，将高阻抗的特性和比率制动特性两者有效结合，显著降低了母差回路的负载阻值，较好地保证了区外故障TA饱和不误动，区内故障正确快速动作。它以电流瞬时值作测量比较，测量元件和差动元件多为集成电路或整流型继电器，当母线内部故障时，动作速度极快，约为1～3 ms。而在1/4周期以前TA不会100%饱和，能较好地传变一次侧电流，对TA无特殊要求，TA变比可以不一致。这是目前国内各电网的主要选择。 制造厂相继推出的微机母差保护，最主要特点是充分利用计算机进行数字计算的能力，方便地实现带比率制动特性的电流瞬时值差动原理、复式比率差动原理等。微机母差对TA饱和具有独特的检测方法，抗TA饱和能力强，国外的几个厂家采用波形判别或补偿法来消除TA饱和的影响，即利用1/4周期前TA线性传变的采样点，用一定的算法进行波形处理或判别，以保证保护的选择性。国内的做法，多用同步识别法来克服TA饱和的影响，通过判别差动动作与故障发生是否同步来识别饱和情况。具有自适应能力，可识别母线运行方式，从理论上可省略引入隔离刀闸辅助触点的麻烦(对双母线接线而言)。同时微机母差保护具有自检功能，可靠性进一步得到提高。更重要的是，微机母差具有通信接口，可方便地与监控系统互联、完成信息的远传与远控，实现自动化。当然微机母差保护具有调试整定方便的优点是不言而喻的。因此，母线保护同线路保护一样，采用微机型的保护是趋势和方向。对于采用分层分布式自动化系统的变电站，分散式的微机母差保护更能与其结构相适应。 应该指出的是，目前微机母差保护动作速度尚不如中阻抗母差保护快，区外故障转区内故障时动作时间较长，运行的稳定性、成熟性有待提高。在解决这些问题之前，将中阻抗母差保护的逻辑回路、信号回路微机化，既发挥了中阻抗保护的优点，又具有微机保护自检、通信接口的优势，应是目前一种较理想的选择。■ |
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