电力系统继电保护 第八章

第8章 母 线 保 护母线是发电厂和变电所的重要组成部分，在母线上连接着发电厂和变电所的发电机、变压器、输电线路、配电线路和调相设备等，母线工作的可靠性将直接影响发电厂和变电所工作的可靠性。

此外，变电所的高压母线也是电力系统的中枢部分，如果母线的短路故障不能够迅速地切除，将会引起事故的进一步扩大，破坏电力系统的稳定运行，造成电力系统的解列事故。

因此，母线的接线方式和保护方式的正确选择和运行，是保证电力系统安全运行的重要环节之一。

本章主要介绍母线装设保护的基本原则、母线差动保护的原理等。

8.1 母线的故障及装设保护的原则母线是电力系统汇集和分配电能的重要元件，母线发生故障，将使连接在母线上的所有元件停电。

若在枢纽变电所母线上发生故障，甚至会破坏整个系统的稳定，使事故进一步扩大，后果极为严重。

运行经验表明，母线故障绝大多数是单相接地短路和由其引起的相间短路。

母线短路故障的类型比例与输电线路不同，在输电线路的短路故障中，单相接地故障约占故障总数的80%以上。

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故障，而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。

造成母线短路的主要原因有：①母线绝缘子、断路器套管以及电压、电流互感器的套管和支持绝缘子的闪络或损坏。

②运行人员的误操作，如带地线误合闸或带负荷拉开隔离开关产生电弧等。

尽管母线故障的几率比线路要少，并且通过提高运行维护水平和设备质量、采用防误操作闭锁装置，可以大大减小母线故障的次数。

但是，由于母线在电力系统中所处的重要地位，利用母线保护来减小故障所造成的影响仍是十分必要的。

由于低压电网中发电厂或变电所母线大多采用单母线或分段母线，与系统的电气距离较远，母线故障不致对系统稳定和供电可靠性带来影响，所以通常可不装设专用的母线保护，而是利用供电元件(发电机、变压器或有电源的线路等)的后备保护来切除母线故障。

如图8.1所示的采用单母线接线的发电厂，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而予以切除。

图8.2所示的降压变电所，其低压侧的母线正常时分开运行，若接于低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。

电力系统继电保护·224··224·图8.1利用发电机的过电流保护切除母线故障图8.2 利用变压器的过电流保护切除低压母线故障对图8.3所示的双侧电源网络(或环形网络)，当变电所B母线上k点短路时，则可以由保护1和2的第II段动作予以切除。

图8.3 在双侧电源网络上利用电源侧的保护切除母线故障图8.4所示的单侧电源辐射形网络，当母线C上k点发生故障时，可以利用送电线路电源侧的保护2的第II段或第III段(当没有装设第II段时)动作切除故障，等等。

这些保护方式简单、经济。

但切除故障时间较长，不能有选择性地切除故障母线(例如分段单母线或双母线)，特别是对于高压电网不能满足系统稳定和运行上的要求。

第8章 母线保护·225··225·图8.4 利用送电线路电源侧的保护切除母线故障因此，根据有关规程规定，下列情况应装设专用的母线保护：(1) 由于系统稳定的要求，当母线上发生故障时必须快速切除。

如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。

(2) 在某些较简单或较低电压的网络中，有时没有提出稳定的要求，这时应根据母线发生故障时，主要发电厂用电母线上残余电压的数值来判断。

当残余电压小于(0.5～0.6)N U 时，为了保证厂用电及其他重要用户的供电质量，应考虑装设母线专用保护。

(3) 110kV 及以上的双母线和分段单母线上，装设专用的母线保护，可以有选择性地切除任一组(或段)母线上所发生的故障，而另一组无故障的母线仍能继续运行，保证了供电的可靠性。

(4) 对于固定连接的母线和元件由双断路器连接母线时，应考虑装设专用母线保护。

(5) 当发电厂或变电所送电线路的断路器，其切断容量系按电抗器后短路选择时，则在电抗器前发生短路时保护不能切除，这时应尽量装设母线保护，来切除部分或全部供电元件，以减少短路容量。

对母线保护的基本要求是：必须快速、有选择地切除故障母线；应能可靠、方便地适应母线运行方式的变化；保护装置应十分可靠和具有足够的灵敏度；接线尽量简化。

母线保护的接线方式，对于中性点直接接地系统，为反应相间短路和单相接地短路，应采用三相式接线；对于中性点非直接接地系统，只需反应相间短路，可采用两相式接线。

近年来在母线上装设了自动重合闸装置，由于母线上的很多故障是暂时性的，所以装设母线重合闸对提高供电的可靠性起到了良好的作用。

8.2 母线差动保护的基本原理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。

实现母线差动保护所必须考虑的问题是在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)。

所以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。

但不管母线上元件有多少，实现差动保护的基本原则仍是适用的。

(1) 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，或表示为0I =∑；当母线上发生故障时，所有与电源连接的元件都向故障点供给短路电流，而在供电给负荷的连接元件中电流等于零，因此，k I I =∑(短路点的总电流)。

(2) 从每个连接元件中电流的相位来看，在正常运行和外部故障时，至少有一个元件电力系统继电保护·226··226·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，其他元件中的电流几乎是同相位的。

根据上述原则可构成不同的母线差动保护，本节主要讨论用于母线的电流差动保护。

8.2.1 完全电流差动母线保护完全电流差动母线保护的原理接线如图8.5所示，在母线的所有连接元件上装设具有相同变比和特性的电流互感器。

因为在一次侧电流总和为零时，母线保护用电流互感器TA 必须具有相同的变比TA K ，才能保证二次侧的电流总和也为零。

所有TA 的二次侧在母线侧的端子连接在一起，另一侧的端子也连接在一起，然后接入差动继电器。

这样差动继电器中的电流d I •即为各个母线连接元件二次电流的相量和。

图8.5 完全电流差动母线保护的原理接线图在正常运行及外部故障时，流入继电器的是由于各电流互感器的特性不同而引起的不平衡电流unb I •；当母线上(如图中的k 点)发生故障时，则所有与电源连接的元件都向k 点提供短路电流，于是流入差动继电器中的电流为d k 11TA TA11n n i ii i I I I I K K ••••==′′′===∑∑ (8-1) k I •即为短路点的全部短路电流，此电流足够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。

差动继电器的动作电流应按如下条件考虑，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，当所有电流互感器均按10%误差曲线选择，且差动继电器采用具有速饱和铁芯的继电器时，其动作电流可按下式计算：OP d rel K max TA /I K I K ⋅⋅= (8-2) 式中 rel K ——可靠系数，取为1.3；K max I ⋅——在母线范围外任一连接元件上短路时，流过TA 一次侧的最大短路电流；TA K ——母线保护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，所以电流互感器二次侧断线的几率比较大。

为了防止在正常运行情况下，任一电流互感器二次侧断线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L max I ⋅，即OP d rel L max TA /I K I K ⋅⋅= (8-3)第8章 母线保护·227··227·当保护范围内部故障时，应采用下式校验灵敏系数：K min sen OP d2IK I ⋅⋅=≥ (8-4)式中，K min I ⋅应采用实际运行中可能出现的连接元件最少时，在母线上发生故障的最小短路电流的二次值。

完全电流差动保护方式原理比较简单，灵敏度高，选择性好，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。

因为电流互感器二次侧在其装设地点附近是固定的，不能任意切换，所以不能用于双母线系统。

8.2.2 高阻抗母线差动保护(也称电压差动母线保护)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，它们的电流互感器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，极限情况下近似为零。

这时虽然一次电流很大，但其几乎全部流入励磁支路，二次电流近似为零。

这时差动继电器中将流过很大的不平衡电流，将使完全电流差动母线保护误动作。

为避免这种情况下母线保护的误动，可将图8.5中的电流差动继电器改用内阻很高的电压继电器，其阻抗值很大，一般约为2.5k Ω～7.5k Ω。

高阻抗母线差动保护的原理接线如图8.6所示。

图8.6 高阻抗母线差动保护原理接线图假设母线上连接有n 条支路，第n 条支路为故障支路，母线外部短路的等值回路如 图8.7所示。

图中虚线框内为故障支路TA 的等效回路，m Z 为励磁阻抗，1Z σ和2Z σ分别为TA 的一次和二次绕组漏抗，r 为故障支路TA 至电压继电器二次回路的阻抗值，µr 为电压差动继电器的内阻。

在外部短路时，若电流互感器无误差，则非故障支路二次电流之和与故障支路二次电流大小相等、方向相反，此时差动继电器(不论是电流型的还是电压型的)中的电流为零，非故障支路二次电流都流入故障支路TA 的二次绕组中。

外部短路最严重的情况是故障支路的TA 出现极度饱和的情况，其励磁阻抗m Z 近似为零，一次电流全部流入励磁支路。

由于电压差动继电器KV 的内阻µr 很高，非故障支路二次电流都流入故障支路TA 的二次绕组，差动继电器中电流仍然很小，不会动作。

在内部短路时，所有引出线电流都是流入母线的，所有支路的二次电流都流向电压继电器。

由于其内阻很高，电压继电器端出现高电压，于是电压继电器动作。

电力系统继电保护·228··228·r μ图8.7 母线外部短路时高阻抗母线差动保护等值电路高阻抗母线差动保护的优点是保护的接线简单、选择性好、灵敏度高，在一定程度上可防止母线发生外部短路并且TA 饱和时母线保护的误动作。