继电保护讲义：第9章母线保护

第九章母线保护第一节概述一、母线保护的作用母线起着汇总和分配电能的作用，为电能供应的枢纽。

母线一旦发生故障，母线电压的降低影响全系统的供电质量和系统的稳定运行。

若采用母线所连组件的后备保护切除母线故障，动作时间较长，不能保证安全连续供电，甚至可能造成系统稳定性破坏；此外，母线短路故障产生的短路电流很大，保护动作的延时将造成母线设备的严重损坏，检修和停电倒母线造成的损失也很大。

为此，对于高压重要母线应装设专门的快速母线保护。

母线保护应突出安全性和快速性。

高压重要母线应采用两套主保护，分别装设在相距2m 以上的不同保护屏上，以防同时受断路器和隔离开关频繁操作使母线保护过电压和干扰而误动作，并且通过“与”方式出口，以保证可靠性（安全性和可信赖性）。

对于特别重要的母线要求采用三套主保护，通过三取取二表决方式出口。

我国国标《继电保护及安全自动装置技术规程》GB14285-1993规定：（1）在110kV的双母线和220kV及以上的母线上，为保证快速地有选择性地切除任一组（或段）母线上的故障，而另一组（或段）无故障母线仍能继续运行，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站的35kV母线，按照系统的要求必须快速切除母线上的故障时，应装设专用的母线保护。

二、母线保护的分类母线保护按工作原理可分为以下几类（1）用相邻回路保护实现的母线保护；（2）电流差动原理母线保护（不完全差动保护和完全差动保护）；（3）母联电流相位比较原理母线保护等。

1.母线保护按差动回路电阻大小分类（1）低阻抗型母线差动保护；（2）中阻抗型母线差动保护；（3）高阻抗型母线差动保护。

第二节用相邻回路保护实现的母线保护对于35kV及以下电压等级的母线，通常不装设专门的母线保护，而是利用供电组件的保护来切除母线故障。

如图9-1所示为发电厂采用单母线接线。

母线K 点故障可以利用发电机过电流保护使发电机的断路器跳闸来切除。

图9-1 利用发电机过电流保护构成母线保护图9-2 利用变压器过电流保护构成母线保护如图9-2所示为低压侧母线正常运行时分裂运行的降压变电站。

母线K 点故障可以利用相应变压器过电流保护先跳开低压母线分段断路器，如果故障不能消失保护不复归时再跳开变压器低压侧断路器。

如图9-3所示为双电源网络（或环形网络），当变电站B 母线上K 点短路时，则可由保护1、4的第Ⅱ段动作切除。

利用供电组件的保护的保护装置切除母线故障时，切除故障的时间一般比较长。

另外，当双母线运行或母线为单母线分段运行时，利用远处供电组件保护装置不能保证有选择性地切除故障母线段。

母线的方向保护如图9-4所示。

在所有连接于母线的回路上装设一个指向母线外部故障的方向组件KPD (KPD 2)，当母线发生故障时，回路上所有的短路功率方向均指向母线，这些方向组件均不动作。

反之，在母线外部短路时，至少有一条回路上的短路功率方向指向母线外部，由此即可判别母线的内部故障和外部故障。

这种原理构成的母线保护动作速度可以很快，保护装置利用微机实现时，只要将所有方向组件的动作标志送到变电站后台机，如果母线故障，变电站后台机立即通过网络跳开与故障母线相连的所有断路器。

为了防止方向组件在负荷功率下误动作，保护装置还应设置躲过任一连接组件中最大负荷电流的起动元件KA 。

图9-3 利用供电线路的保护构成母线保护图9-4 母线方向保护构成原理图第三节 低阻抗型母线差动保护如图9-5所示为单母线低阻抗型母线差动保护的原理接线，选用的电流互感器TA 变比、特性完全相同，则其差动回路阻抗很小，通常只有几奥姆。

母线内部短路时，电流互感器TA 负担小且不会造成二次回路过电压，但母线外部短路时，全部故障电流流过故障支路的电流互感器而使其严重饱和，导致差动回路不平衡电流很大，因此保护的动作电流必须躲过最大不平衡电流，或外部故障采取制动措施。

目前，电流互感器饱和前，带有制动特性的低阻抗型母线差动保护半个周波内，甚至3~5ms 即可动作，在我国有很成熟的运行经验，应用十分广泛。

图9-5 单母线差动保护原理图跳1QF~nQFL 1L 2L 3Ln正常运行或母线外部故障时，选择母线保护的电流互感器具有相同的特性、变比n TA ，则理想情况下流入差动继电器KD 的电流0)(1321=++++=∑nI I I I nI，实际流入差动继电器KD 的电流为较小的不平衡电流max .unb I I =∑，保护不动作。

当母线内部故障时，所有与电源连接组件均向母线故障点提供短路电流，则流入差动继电器KD 的电流为故障点总电流KI 的二次值，即 TAK n TA n I I I I I n I =++++=∑)(1321此电流能够使母线保护动作，跳开母线各断路器。

母线差动保护的起动电流按以下两个条件整定，取其中较大值。

（1） 躲开外部故障时的最大不平衡电流。

母线所连各组件电流互感器均按10%误差曲线选择负载，且差动保护采取措施消除非周期分量的影响，则起动电流op I 为TA K rel unb rel op n I K I K I max .max .1.0==K rel —可靠系数，取1.3；I K.max —母线外部任一连接组件故障时，流过该组件的的最大短路电流； n TA —母线差动保护电流互感器变比。

（2） 躲开正常运行情况下，任一电流互感器二次断线时的最大负荷电流m ax .L I ，即TA L rel op n I K I max .=母线差动保护的灵敏系数sen K 按实际运行中可能出现连接组件最少，在母线上故障时的最小短路电流m in .K I 校验，要求2≥sen K 。

即2min.≥=TAop K sen n I I K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。

如果母线连接有对端无电源的供电线路，则这些线路不会给故障母线提供短路电流，为了简化接线，可将这些线路不接入保护的差动回路。

这种保护方式即不完全差动保护。

此时，保护的动作电流应躲开这些线路的最大负荷电流之和。

第四节 高阻抗型母线差动保护高阻抗型母线差动保护的原理接线如图9-6所示，其差动回路中接入数千欧的高阻抗。

外部故障时电流互感器饱和，利用高阻抗限制差动回路中产生的不平衡电流流入继电器。

保护按电流互感器二次电压的瞬时值工作。

如图9-7所示，当母线外部K 点故障时，流过故障组件一次电流21I I I K += 使电流互感器3TA 严重饱和，则KI 很难传变到二次。

同时，由于在外部故障硅双向开 关SBS 断开状态下，继电器支路呈现高阻抗，二次回路中差动继电器支路的阻抗R 远高于与之并联的3TA 电阻加引线电阻R s 和从并联点到电流互感器的电缆电阻R L 支路的电阻图9-6 高阻抗型差动保护简化接线图（a ）原理接线；（b ）差动继电器内部接线AABC（a ）（b ）母线（R s +2R L ），故二次电流21I I I K '+'=' 几乎全部流过R s 和R L 支路，因而差动回路中差动继电器支路流过的不平衡电流很小，在差动继电器上产生的最大峰值U P 电压不足使图9-6（b ）所示继电器动作。

在全偏移电流情况下（电流完全偏于时间轴一侧），继电器上出现最大峰值电压)2(22L s KP R R I U +'= 时，保护应可靠不动作。

式中 KI '—电流互感器二次工频对称正弦电流有效值。

内部故障时，全部电流互感器的二次电流均通过图9-6（b ）所示端子5、6差动回路继电器支路的电阻分压器上。

其中R 3两端的电压加于C 和硅双向开关SBS 上。

继电器支路电压达到导通电压时，SBS 导通，根据所加电压极性的不同，一个周波内，晶闸管VTH 20、VTH 21交替触发、导通，将分压电阻R 3短接，继电器支路呈现很小的阻抗，有效防止继电器支路过电压。

此时，差动电流在分压器上产生的电压向脉冲变压器T 20一次侧放电，二次侧感应的脉冲经中间电压变换器T 1后整流，再经电平检测、放大回路，使出口继电器KOM 动作并自保持，直至母线断路器跳闸。

图9-7 母线差动保护外部故障电流分布高阻抗母线保护不需要采取防止外部故障产生的不平衡电流引起保护误动作的措施，动作速度很快，但应注意内部故障时差动回路产生的过电压对人身和设备可能造成的危险。

目前，高阻抗母线保护在国外得到应用①。

①参见GE 公司SDB11B 母线差动保护装置说明书。

第五节 中阻抗型母线差动保护中阻抗型母线差动保护如图9-8所示，母线连接有n 条支路，每条支路装设一组主电流互感器，经过一组辅助电流互感器接于保护回路，使各支路主电流互感器和辅助电流互感器的总变比相同，另外，二次电流经辅助电流互感器进一步减小以降低保护回路的功率损耗。

差动回路电阻约200ω左右，与制动回路相配合，可以大大减小外部故障时差动回路产生的不平衡电流，提高保护的灵敏性。

同时，内部故障时，差动回路的电压不会超过允许值。

图9-8 中阻抗型母线差动保护原理示意图1K T1. 正常运行状态下正常运行时正半轴的一次、二次电流分布如图9-8所示，1I I n =，nI 由n TA 极性端流出进入整流桥，经整流变成直流电流I T 进入两个串联电阻2sR 构成的制动臂，变成I L ，通过整流二极管回到1TA 的同极性端，形成环流。

根据克希霍夫电流定律，差动回路电流011=-=I I I n d ，因此动作电压U d3为零，二极管V 2在制动电压U s 的作用下导通，继电器K 被短接，保护不会动作。

正常运行时负半轴的一次、二次电流与正半周相反，但I T 、I L 不变，因而保护也不会动作。

2. 母线外部K 1点短路当母线外部K 1点短路时，一次、二次电流分布与正常运行状态相同。

若故障组件的n TA严重饱和，则1I I n ≠，将有不平衡电流1I I I n unb -=流入差动回路，经差流变流器TM d 变换整流后，在电阻R 3上产生动作电压U d3。

调整参数使U d3<U s ，保护仍不会误动作。

3. 母线内部K 2点短路当母线内部K 2点短路时，各辅助电流互感器的二次电流nd I I I +=11流入差动回路，不同半周将有T d I I =1或L d I I =1，且制动回路电阻由s R 减小为2sR ，因此U d3>U s ，二极管V 2截止，V 1导通，继电器K 动作，跳开母线断路器1QF ~n QF 。

中阻抗型母线差动保护的制动特性分析和整定计算方法参见：PMH-150（RADSS/S ）型母线差动保护装置说明书。