第十章 母线保护

根据我国国家标准《继电保护及安全自动装置技术规程》 根据我国国家标准《继电保护及安全自动装置技术规程》 GB14285-1993，目前我国在下列情况下应装设专门的母 GB14285-1993，目前我国在下列情况下应装设专门的母 线保护： 1、在110kV及以上的双母线和分段单母线上，为保证有 、在110kV及以上的双母线和分段单母线上，为保证有 选择性地切除任一组（或段）母线上发生的故障，而另一 组（或段）无故障的母线仍能继续运行，应装设专用的母 线保护。对于一个半断路器接线的每组母线应装设两套母 线保护； 2、110kV及以上的单母线，重要发电厂的35kV母线或高 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 压侧为110kV及以上的重要降压变电所的35kV母线，按照 装设全线速动保护的要求必须快速切除母线上的故障时， 应装设专用的母线保护。
二．单母线完全电流差动保护
传统的母线差动保护 都是低阻抗型 低阻抗型。 都是低阻抗型。接于 差流回路的电流继电 器阻抗很小， 器阻抗很小，在内部 短路时电流互感器 TA）的负担小， （TA）的负担小，二 次电压低， 次电压低，因而饱和 度小，误差小。 度小，误差小。 母线保护用电流互感 TA） 器（TA）必须具有相 同的变比 n TA ,
三．高阻抗母线差动保护
在母线发生外部短路时， 在母线发生外部短路时， 一般情况下， 一般情况下，非故障支路 电流不很大，它们的TA不 电流不很大，它们的TA不 易饱和，但是故障支路电 易饱和， 流集合各电源支路电流之 可能非常大，它的TA 和，可能非常大，它的TA 就可能极度饱和， 就可能极度饱和，相应的 励磁阻抗必然很小，极限 励磁阻抗必然很小， 情况近似为零。 情况近似为零。这时虽然 一次电流很大， 一次电流很大，但其几乎 全部流入励磁支路， 全部流入励磁支路，二次 电流近似为零。 电流近似为零。这时差动 继电器中将流过很大的不 平衡电流， 平衡电流，前面介绍的完 全电流母线差动保护将发 生误动。 生误动。 为避免上述情况下母线保 护误动，可将图10护误动，可将图10-4中的 电流差动继电器改用内阻 很高的电压继电器，其阻 很高的电压继电器， 抗值很大，一般约为2.5～ 抗值很大，一般约为2.5～ 7.5k 。
接线复杂，因此，TA二次回路断线的几率比较大。 二次回路断线的几率比较大。 接线复杂，因此，TA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TA二次回路断线 为了防止在正常运行情况下，任一TA二次回路断线 引起保护装置误动作， 引起保护装置误动作，动作电流应大于任一连接元 件中最大的负荷电流 ，即 10（10-3） 当保护范围内部故障时， 当保护范围内部故障时，应采用下式校验灵敏系数 10（10-4） 其值一般应不低于2 其值一般应不低于2。 完全电流差动保护原理比较简单， 完全电流差动保护原理比较简单，通常适用于单母 线或双母线经常只有一组母线运行的情况。 线或双母线经常只有一组母线运行的情况。
2．如图10-2所示的降压 ．如图10变电所，其低压侧的母 线正常时分裂运行，若 接于低压侧母线上的线 路为馈电线路，则低压 母线上的故障就可以由 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。 3．如图10-3所示的双侧 ．如图10电源网络（或环形网 络），当变电所B 络），当变电所B母线 上k点短路时，则可以由 保护1 保护1、4的第Ⅱ段动作 的第Ⅱ 予以切除，等等。
利用供电元件的保护装置切除母线故障不能满足要求： 利用供电元件的保护装置切除母线故障不能满足要求： 1、故障切除的时间一般较长。 故障切除的时间一般较长。 2、当双母线同时运行或母线为单母分段运行时，不能保证 当双母线同时运行或母线为单母分段运行时， 有选择性的切除故障母线； 有选择性的切除故障母线； 3、超高压枢纽变电站和大型发电厂的母线联系着各个地区 系统和各台大型发电机组， 系统和各台大型发电机组，母线发生短路直接破坏了各部分 系统之间或各台机组之间的同步运行，严重影响电力系统安 系统之间或各台机组之间的同步运行， 全供电。 全供电。 装设母线保护的原则：对那些威胁电力系统稳定运行、 装设母线保护的原则：对那些威胁电力系统稳定运行、使发 电厂厂用电及重要负荷的供电电压低于允许值（ 电厂厂用电及重要负荷的供电电压低于允许值（一般为额定 电压的60%）的母线故障， 电压的60%）的母线故障，必须装设有选择性的快速母线保 护。
3．从每个连接元件中电流的相位来看，在 正常运行及外部故障时，至少有一个元件 中的电流相位和其余元件中的电流相位是 相反的。具体来说，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。而 当母线故障时，除电流等于零的元件以外， 其他元件中的电流是接近同相位的。 根据原则1和原则2可构成电流差动保护， 根据原则1和原则2可构成电流差动保护， 根据原则3可构成电流比相式差动保护。 根据原则3可构成电流比相式差动保护。
才能保证在一次侧电流总和 为零时二次侧的电流总和 也为零。所有TA的二次侧 也为零。所有TA的二次侧 同极性端连接在一起， 同极性端连接在一起，接 至差动继电器中，这样， 至差动继电器中，这样， 继电器中的电流 即为各 个母线连接元件二次电流 的相量和。 的相量和。
实际上由于TA有误差，因此在母线正常运 实际上由于TA有误差，因此在母线正常运 行及外部故障时，继电器中有不平衡电流 出现；而当母线上（如图10出现；而当母线上（如图10-4中k点）故障 时，则所有与电源连接的元件都向k 时，则所有与电源连接的元件都向k点供给 短路电流，于是流入继电器的电流为 （10-1） 10即为故障点的全部短路电流，此电流足 以使差动继电器动作而驱动出口继电器， 从而使所有连接元件的断路器跳闸。差动 继电器的起动电流应按如下条件考虑，并 选择其中较大的一个：
而在母线故障中，大部分故障是由绝缘子对地放 电所引起的，母线故障开始阶段大多表现为单相 接地短路，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ随着短路电弧的移动，故障往往发 展为两相或三相接地短路。 对于35kV及以下电压等级的母线，一般来说，不 对于35kV及以下电压等级的母线，一般来说，不 装设专门的母线保护，而利用供电元件的保护装 置就可以把母线故障以较小的延时切除。例如： 如图10如图10-1所示的发电厂采用单母线接线，若接于 母线的线路对侧没有电源，此时母线上的故障就 可以利用发电机的过电流保护使发电机的断路器 跳闸予以切除。
第一节 母线差动保护基本原理
一、概述 一、概述 （一）母线故障和装设母线保护的基本原则 发电厂和变电所的母线是电力系统中的一个重要 组成元件，当母线上发生故障时， 组成元件，当母线上发生故障时，将使连接在故 障母线上的所有元件在修复故障母线期间、 障母线上的所有元件在修复故障母线期间、或在 转换到另一组无故障的母线上运行以前被迫停电。 转换到另一组无故障的母线上运行以前被迫停电。 此外，在电力系统中枢纽变电所的母线上故障时， 此外，在电力系统中枢纽变电所的母线上故障时， 还可能引起系统稳定的破坏，造成严重后果。 还可能引起系统稳定的破坏，造成严重后果。 母线上发生的短路故障可能是各种类型的接地和 相间短路故障， 相间短路故障，母线短路故障类型的比例与输电 线路不同。在输电线路短路故障中， 线路不同。在输电线路短路故障中，单相接地故 障约占故障总数的80%以上 以上。 障约占故障总数的80%以上。
图中虚线框内为故障支路 TA的等效回路 TA的等效回路， 为励磁 的等效回路， 阻抗， 分别为TA一 阻抗， 和 分别为TA一 次和二次绕组漏抗， 次和二次绕组漏抗，r为故 障支路TA至电压继电器二 障支路TA至电压继电器二 次回路的阻抗值（ 次回路的阻抗值（二次回 路连线阻抗值）， 路连线阻抗值）， 为电 压差动继电器的内阻 。在 外部短路时， 外部短路时，若电流互感 器无误差， 器无误差，则非故障支路 二次电流之和与故障支路
5．由于母线保护所连接的电路数目多，外 部故障时，故障电流倍数很大，超高压母 线接近电源，直流分量衰减的时间常数大， 因而电流互感器可能出现严重饱和现象。 母线保护必须采取措施，防止电流互感器 饱和引起的误动作。
（三）母线差动保护基本原理
为满足速动性和选择性的要求， 为满足速动性和选择性的要求，母线保护都是按 差动原理构成的。 差动原理构成的。实现母线差动保护必须考虑在 母线上一般连接着较多的电气元件（如线路、 母线上一般连接着较多的电气元件（如线路、变 压器、发电机等），因此， ），因此 压器、发电机等），因此，就不能像发电机的差 动保护那样，只用简单的接线加以实现。 动保护那样，只用简单的接线加以实现。但不管 母线上元件有多少， 母线上元件有多少，实现差动保护的基本原则仍 是适用的，即：： 是适用的， 1．在正常运行以及母线范围以外故障时，在母线 在正常运行以及母线范围以外故障时， 上所有连接元件中， 上所有连接元件中，流入的电流和流出的电流相 等，或表示为 ； 2．当母线上发生故障时，所有与母线连接的元件 当母线上发生故障时， 都向故障点供给短路电流或流出残留的负荷电流， 都向故障点供给短路电流或流出残留的负荷电流， 按基尔霍夫电流定律， 按基尔霍夫电流定律， （ 为短路点的总 电流）； 电流）；
（二）设计母线保护时应注意的问题
1．母线故障对电力系统 稳定将造成严重威胁， 稳定将造成严重威胁，必 须以极快的速度切除， 须以极快的速度切除，同 时为了防止电流互感器 TA）饱和使保护误动， （TA）饱和使保护误动， 也要求保护在故障后几个 毫秒内电流互感器饱和前 就能反应。 就能反应。目前的保护装 置已能做到在故障后3 置已能做到在故障后3～ 5ms内动作 5ms内动作； 内动作； 2．由于母线在电力系统 中的地位极为重要， 中的地位极为重要，对其 保护装置的安全性和可靠 都要提出极高的要求； 性，都要提出极高的要求； 3．母线保护联系的电路 数目极多， 数目极多，比较的电气量 很多， 很多，各电路的工作状态 不同（有电源或无电源， 不同（有电源或无电源， 有负载或无负载）， ），各被 有负载或无负载），各被 比较电气量的变化范围可 能相差很大； 能相差很大； 4．母线的运行方式变 化较多，倒闸操作频繁， 化较多，倒闸操作频繁， 母线保护必须能适应母线 的各种运行方式， 的各种运行方式，同时频 繁的断路器和隔离开关操 作将对母线保护产生过电 压和干扰， 压和干扰，影响保护工作 或使保护装置损坏； 或使保护装置损坏；