内容发布更新时间 : 2024/12/28 12:33:53星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

第九章 母线保护

第一节 装设母线保护的基本原则

一、母线保护的作用

母线是电能集中与分配的重要环节，它的安全运行对不间断供电具有极为重要的意义。母线故障是发电厂和变电所中电气设备最严重的故障之一，将使连接在故障母线上的所有元件在修复故障母线期间或是转换到另一组无故障的母线上运行以前被迫停电。而且，在电力系统枢纽变电所的母线上发生故障时，有可能引起系统稳定的破坏，造成电力系统解列、大面积停电甚至崩溃，所以必须针对母线故障设置相应的保护装置。

低压电网中发电厂或变电所母线大多采用单母线，与系统的电气距离较远，母线故障不至于对系统稳定和供电可靠性带来严重影响，所以可以不装设专门的母线保护，利用供电元件的保护装置来切除母线故障。例如：

（1）如图9-1所示的发电厂采用单母线接线，此时母线上的故障可以利用发电机的过电流保护使发电机的断路器跳闸而予以切除。

k

图9-1 利用发电机的过电流保护切除母线故障

（2）如图9-2所示的降压变电所，其低压侧的母线正常时分列运行，低压母线上的故障可以由相应变压器的过电流保护使变压器的断路器跳闸予以切除。

电源k

图9-2 利用变压器的过电流保护切除低压母线故障

（3）如图9-3所示的双侧电源网络（或环形网络），当变电所F母线上k点短路时，可以由保护1和4的第Ⅱ段动作予以切除，等等。

EG12kF43 图9-3 在双侧电源网络上，利用电源侧的保护切除母线故障

由于供电元件快速动作的保护如差动保护，不能反应母线故障，所以利用供电元件的保护装置切除母线故障时，故障切除的时间一般较长。此外，当双母线同时运行或母线为分段单母线时，上述保护不能保证有选择性地切除故障母线。

随着电力系统规模和容量的不断扩大，目前对高压重要母线普遍装设专门的快速保护。具体而言，在下列情况下应该装设专门的母线保护：

（1）在110kV及以上的双母线和分段单母线，为保证有选择性地切除任一组（或段）母线上所发生的故障，而另一组（或段）无故障的母线仍能继续运行，应该装设专用的母线保护。对于3／2断路器接线的每组母线应该装设两套母线保护。

（2）110kV及以上的单母线，重要发电厂的35kV母线或高压侧为110kV及以上的重要降压变电所的35kV母线，按照系统的要求必须快速切除母线上的故障时，应该装设专用的母线保护。

由于母线在电力系统中的地位极为重要，母线故障对电力系统稳定将造成严重威胁，必须以极快的速度予以切除。而且，母线的连接元件很多，实现母线保护需将所有接于母线各回路的保护二次回路﹑跳闸回路聚集在一起，结构复杂，极易由于一个元器件或回路的故障，尤其是人为的误碰误操作造成母线保护误动作，使大量电源和线路被切除，造成巨大损失。由于上述原因，对母线保护的要求应该突出安全性和快速性。同时在设计母线保护时还应该注意以下问题：

（1）由于母线保护所连接的支路多，外部故障时，故障电流大，而且超高压母线接近电源，直流分量衰减的时间常数大，因此电流互感器可能出现深度饱和的现象。母线保护必须要采取措施，防止因电流互感器饱和导致误动作；

（2）母线的运行方式变化较多，倒闸操作频繁，尤其是双母线接线，随着运行方式的变化，母线上各连接元件经常在两条母线上切换。母线保护必须能适应运行方式的变化。

二、母线保护的分类

1．按母线保护的原理分类，可分为电流差动母线保护和电流比相式母线保护。

构成电流差动母线保护的基本原则是：在正常运行以及母线范围以外故障时，在母线上所有连接元件中，流入的电流和流出的电流相等，差动回路的电流为零，可以表示为

?I?0；当母线内部发生故障时，

所有与电源连接的元件都向故障点供给短路电流，而供电给负荷的连接元件中电流很小或等于零，差动回路的电流为短路点的总电流IK，即

?I?IK。

构成电流比相式母线保护的基本原则是：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，具体说来，就是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，其它元件中的电流是基本上同相位的。

2．按母线差动保护中差动回路的电阻大小分类，可以分为低阻抗型﹑中阻抗型和高阻抗型母线差动

保护。

常规的母线差动保护是低阻抗型的，即差动回路的阻抗很小，只有数欧姆。其优点是在内部故障时，当全部故障电流流经阻抗很低的差动回路，差动回路上的电压不会很大，不会因为增大电流互感器的负担而使电流互感器饱和并产生很大的不平衡电流，同时也不会造成保护回路过电压。但在外部故障时，全部故障电流流过故障支路的电流互感器而使其饱和，此时将产生很大的不平衡电流。为了使保护不误动，保护定值应按躲过此不平衡电流整定，或采取制动措施。

高阻抗母线差动保护是在差动回路中串入一高阻抗，其值可在数百欧姆以上，因而在外部故障使电流互感器饱和时，可减小差动回路的不平衡电流，因而不需要制动。但在内部故障时，差动回路可产生危险的过电压，必须用过电压保护回路减小此过电压，以保证既能使保护装置正确动作，又不会因过电压而损坏。

中阻抗母线差动保护实际上是上述两种母线差动保护的折衷方案。在差动回路接入一定的阻抗（约200?），采用特殊的制动回路既能减小不平衡电流的影响，又不产生危险的过电压，不需要专门的过电压保护回路。

3．按母线的接线方式分类，可以分为单母线分段、双母线、双母线带旁路母线（专用旁路母线或母联兼旁路母线）、双母线单分段、双母线双分段、3/2接线母线等的母线保护。桥式接线和四边形接线母线不采用专门的母线保护。

目前数字式母线差动保护采用电流差动保护原理，通过专门的TA饱和识别和闭锁辅助措施，能有效地防止TA饱和引起的误动。适用于单母线、双母线，3/2接线母线等各种母线接线，因此在我国电力系统中得到广泛的应用。

第二节 电流差动母线保护

一、电流差动母线保护的基本原理 以单母线完全电流母线差动保护为例，原理接线如图9-4所示。所谓完全差动是所有接于母线的支路，不论该支路对端是否有电源，都将其电流接入差动回路，因而这些支路的元件发生故障（电流互感器以外）都不在母线差动保护范围内。完全母差保护在母线的所有连接元件上装设具有相同变比和磁化特性的电流互感器。所有互感器的二次绕组在母线侧的端子互相连接，另一侧的端子也互相连接，然后接入差动回路。差动回路中的电流即为各个二次电流的相量和。

1QF2QF3QFnQFId1TA?I1?2TA?I2?3TA?I3?nTA?In?mni?1?Ii'n??1??2??3??n

?图9-4 单母线电流差动母线保护原理

在正常运行和外部短路时一次侧电流总和为零，母线保护用的电流互感器必须具有相同的变比nTA，

才能保证二次侧的电流总和也为零。因各互感器的特性不可能绝对相同，在正常运行及外部故障时，流入差动回路的是由于各互感器的特性不同而产生的不平衡电流Iub；而当母线上故障时，则所有与电源连接的元件都向短路点k供给短路电流，于是流入差动回路的电流为：

?1???1???I1??I2??I3??Ik(I1?I2?I3)?Ik

nTAnTA????Ik即为故障点的全部一次短路电流，此电流足够使保护装置动作，从而使所有连接元件的断路器跳闸。

差动保护的起动电流应按如下条件整定，并选择其中较大的一个：

（1）躲开外部故障时所产生的最大不平衡电流，当所有电流互感器的负载均按10﹪误差的要求选择，且差动回路采用配有速饱和变流器或其它抑制非周期分量的措施时，有

Iset?KrelIub?max?Krel?0.1Ik?max/nTA （9-1）

式中，Krel为可靠系数，可取为1.3；Ik?max为在母线范围外任一连接元件上短路时，流过该元件电流互感器的最大短路电流；nTA为母线保护所用电流互感器的变比。

（2）由于母线差动保护电流回路中连接的元件较多，接线复杂，因此，电流互感器二次回路断线的几率比较大，为了防止在正常运行情况下，任一电流互感器二次回路断线时引起保护装置误动作，起动电流应大于任一连接元件中的最大负荷电流IL?max，即

Iset?KrelIL?max/nTA （9-2）

当保护范围内部故障时，应采用下式校验灵敏系数

Ksen?Ik?min

IsetnTA（9-3）

式中Ik?min应采用实际运行中可能出现的连接元件最少时，在母线上发生故障时的最小短路电流值。一般要求灵敏系数不低于2。这种保护方式适用于单母线或双母线经常只有一组母线运行的情况。

二、母线差动保护的制动特性

目前广泛使用的微机母线差动保护均采用分相完全电流差动保护原理。为了解决外部故障时的不平衡电流问题，微机母线差动保护引入制动特性。比率制动特性母线电流差动保护的判据为

Id?Id.min,Id?KresIres当Ires?Ires1??? （9-4）

,当Ires?Ires1??n?i?1式中，Id为差动电流，即所有连接元件的电流相量为?Ii，Ires为制动电流，Id.min为最小动作电流，Ires1为拐点电流，Kres为比例制动系数，即Kres?tg?，如图9－5所示。

IdId?min?Ires1Ires

图9-5 母线差动保护的动作特性

普通比率制动特性母线差动保护利用穿越性故障电流作为制动电流克服差动不平衡电流，以防止在外部短路时差动保护的误动作，即

Ires??Ii （9-5）

i?1n?由于在母线内部短路时，差动回路中也有制动电流，尤其是在11断路器接线的母线中可能有部分故2障电流流出母线，加大了制动量，在此种情况下普通比率制动特性母线差动保护的灵敏度将有所下降。为了提高比率制动特性母线差动保护的灵敏性，希望进一步降低在发生内部短路时的制动电流。为此提出的复式比率制动特性的制动电流取为

Ires??Ii?i?1n??Ii?1n?i （9-6）

此外，还可以利用故障分量实现母线差动保护，故障分量比率制动特性可以避免故障前的负荷电流对比率制动特性产生的不良影响，从而提高母线差动保护的灵敏度。

三、母线差动保护的抗TA饱和措施

影响母线差动保护动作正确性的关键是TA饱和的问题。在TA饱和不是非常严重时，比率制动特性可以保证母线差动保护不误动作；但当TA进入深度饱和时，此方法仍不能避免保护误动，需要采用其它专门的抗TA饱和的方法。在传统的母线差动保护中采用在差动回路中串入阻抗的措施，根据阻抗的大小可分为中阻抗方式和高阻抗方式，其中以中阻抗母线差动保护应用较为广泛。如RADSS母线差动保护就是基于中阻抗保护方案的。在微机母线保护中广泛采用了同步识别法、波形对称原理、谐波制动原理等方法来解决TA饱和的问题。

1. 传统母线差动保护在差动回路接入阻抗的方法

在母线发生外部短路时，一般情况下非故障支路电流不很大，它们的TA不易饱和。但是故障支路电流集各电源支路电流之和，可能非常之大，它的TA就可能极度饱和，相应的励磁阻抗必然很小，极限情况近似为零。这时虽然一次电流很大，但几乎全部流入励磁支路，二次电流近似为零。这时差动回路中将流过很大的不平衡电流，完全电流母线差动保护将误动作。

假设母线上连接有n条支路，第n条支路为故障支路，母线外部短路的等值电路如图9-6所示。图中虚线框内为故障支路TA的等效回路，Z?为励磁阻抗，Z?1和Z?2分别为TA一次和二次绕组漏抗，r为故障支路TA至差动回路的阻抗值（二次回路连线阻抗值），ru为差动回路的阻抗。对于中阻抗母线差动