继电保护原理6—母线保护

第六章母线保护

第一节概述

一、母线保护的概述

母线是发电厂和变电站的重要组成部分。在母线上连接着电厂和变电所的发动机、变压器、输电线路和调相设备，母线的作用是汇集和分配电能。

如果母线的短路故障不能迅速地被切除，将会引起事故扩大，破坏电力系统的稳定运行，造成电力系统的瓦解事故。

二、母线的主接线形式

单母线；单母分段（专设分段、分段兼旁路、旁路兼分段）；单母多分段；双母线（专设母联、母联兼旁路、旁路兼母联）；双母单分段（专设母联、母联兼旁路）；双母双分段（按两面屏配置）；3/2接线（按两套单母线配置）。

1、单母线

图6-1-1 单母线

2、单母分段（专设母联）

图6-1-2 单母分段（专设母联）

3、单母分段（母联兼旁路）

图6-1-3 单母分段（母联兼旁路）4、单母分段（旁路兼母联）

图6-1-4 单母分段（旁路兼母联）5、单母三分段

图6-1-5 单母三分段

6、双母线（专设母联）

图6-1-6 双母线（专设母联）

7、双母线（母联兼旁路）

图6-1-7 双母线（母联兼旁路）8、双母线（旁路兼母联）

图6-1-8 双母线（旁路兼母联）9、双母线单分段（专设母联）

图6-1-3 双母单分段（专设母联）10、双母线单分段（母联兼旁路）

图6-1-10 双母单分段（母联兼旁路）11、双母双分段

图6-1-11 双母双分段

三、母线保护的硬件组成

1、标准配置

1.1 保护箱

图6-1-12 保护箱（一）插件布置图（后视图）

1.1.1交流变换插件（NJL-801/NJL-818）：将系统电压互感器、电流互感器二次侧信号变换成保护装置所需的弱电信号，同时起隔离和抗干扰作用。该插件共有8 路电流通道、6 路电压通道。

1.1.2交流变换插件（NJL-817/NJL-819）：将系统电流互感器二次侧信号变换成保护装置所需的弱电信号，同时起隔离和抗干扰作用。该插件共有15 路电流通道。

1.1.3 CPU 插件（NPU-804）：在单块PCB 板上完成数据采集、I/O、保护及控制功能等。

1.1.4 采保插件（NCB-801）：将由变换器来的弱电信号经过低通滤波后，由多路转换开关对信号进行选通，然后通过电压跟随器对信号进行处理，以提高其负载能力。该插件还有+5V、-15V、+15V 及累加和自检功能。此外通过运算放大器过零比较检测电路可实现基频测量。能够完成80 路模拟信号采集，模拟量的输出幅值范围为-10V～+10V。

1.1.5 开入插件（NKR-810）：每个开入插件提供30 路开关量输入回路。开入电源为直流220V 或110V；其正电源连接到开入节点，负电源接到31－32 端子。

1.1.6 开入插件（NKR-812）：每个开入插件提供64 路开关量输入回路。开入电源为直流24V。

1.1.7 信号插件（NXH-808）：主要提供保护的信号接点，共三组信号接点，两瞬动一保持。

1.1.8 通讯插件（NTX-803）：提供的通讯接口有：一个就地打印口（RS232），两个GPS对时口（RS485、RS232），及与保护管理机通讯的LON网接口，与变电站自动化系统通讯的双通道接口（RS485，RS232,以太网口）。另外，必要时端子04、05可作为码对时通讯口。

1.1.9 稳压电源插件（NDY-801）：直流逆变电源插件。直流220 V 或110 V 电压输入经抗

干扰滤波回路后，利用逆变原理输出本装置需要的三组直流电压，即5 V、±15 V 及24 V。电源插件具有失电告警功能。

1.2 辅助箱

图6-1-13 辅助箱插件布置图（后视图）

1.2.1 交流变换插件（NJL-801/NJL-818）：将系统电压互感器、电流互感器二次侧信号变换成保护装置所需的弱电信号，同时起隔离和抗干扰作用。该插件共有8 路电流通道、6 路电压通道。

1.2.2交流变换插件（NJL-817/NJL-819）：将系统电流互感器二次侧信号变换成保护装置所需的弱电信号，同时起隔离和抗干扰作用。该插件共有15 路电流通道。

1.2.3 开入插件（NKR-810）：每个开入插件提供30 路开关量输入回路。开入电源为直流220V 或110V；其正电源连接到开入节点，负电源接到31－32 端子。

1.2.4 出口插件（NCK-804/NCK-812）：主要提供16副（共8组，每组2副接点）的出口接点。

1.2.5 转换插件（NZJ-807）：主要完成辅助箱与保护箱之间开入、出口回路间的转接。

2、简化配置

图6-1-14 保护箱（二）插件布置图（后视图）

2.1 交流变换插件（NJL-801/NJL-818）：将系统电压互感器、电流互感器二次侧信号变换成保护装置所需的弱电信号，同时起隔离和抗干扰作用。该插件共有8 路电流通道、6 路电压通道（未用）。

2.2 交流变换插件（NJL-817/NJL-819）：将系统电流互感器二次侧信号变换成保护装置所需的弱电信号，同时起隔离和抗干扰作用。该插件共有15 路电流通道。

2.3 CPU 插件（NPU-804）：在单块PCB 板上完成数据采集、I/O、保护及控制功能等。2.4 采保插件（NCB-801）：将由变换器来的弱电信号经过低通滤波后，由多路转换开关对信号进行选通，然后通过电压跟随器对信号进行处理，以提高其负载能力。该插件还有+5V、-15V、+15V 及累加和自检功能。此外通过运算放大器过零比较检测电路可实现基频测量。能够完成80 路模拟信号采集，模拟量的输出幅值范围为-10V～+10V。

2.5 开入插件（NKR-810）：每个开入插件提供30 路开关量输入回路。开入电源为直流220V 或110V；其正电源连接到开入节点，负电源接到31－32 端子。

2.6 出口插件（NCK-804/NCK-812）：主要提供16副（共8组，每组2副接点）的出口接点。

2.7 信号插件（NXH-808）：主要提供保护的信号接点，共三组信号接点，两瞬动一保持。

2.8 通讯插件（NTX-803）：提供的通讯接口有：一个就地打印口（RS232），两个GPS对时口（RS485、RS232），及与保护管理机通讯的LON网接口，与变电站自动化系统通讯的双通道接口（RS485，RS232,以太网口）。另外，必要时端子04、05可作为码对时通讯口。2.9 稳压电源插件（NDY-801）：直流逆变电源插件。直流220 V 或110 V 电压输入经抗干扰滤波回路后，利用逆变原理输出本装置需要的三组直流电压，即5 V、±15 V 及24 V。

电源插件具有失电告警功能。

四、母线保护的软件版本介绍

1、WMH-800A/R1版属三相式，适用于各种接线方式，母线上允许连接元件数最大为23 个

（含母联及分段元件）；

2、WMH-800A/R2 版属三相式，专用于3/2 接线，母线上允许连接元件数最大为12 个；

3、WMH-800A/R3 版属两相式，适用于各种接线方式，母线上允许连接元件数最大为32

个（含母联及分段元件）；

4、WMH-800A/R4是专用的电压闭锁装置，与母线差动保护或断路器失灵保护配合使用，

满足母线保护出口回路有独立的电压闭锁硬接点的反措要求;

5、WMH-800A/R5版属三相式，适用于各种接线方式，母线上允许连接元件数最大为23 个

（含母联及分段元件），只有失灵保护.

第二节WMH-800A/R1

一、WMH-800A/R1概述

1.WMH-800A/R1适用于750 kV 及以下各种电压等级、各种主接线方式的母线，作为发

电厂、变电站母线的成套保护装置。

2.通过绘制主接线即可自动实现软件定义，自动获取母线接线结构、特殊元件定义等信息，

使同一个版本的软件可以适用于所有常规主接线方式。

3.跳闸出口采用“启动＋保护动作”的方式，杜绝保护装置硬件故障引起的误动。

4.完善的自检功能

4.1 A/D采样回路自检能避免A/D 采样出错导致的装置误动；

4.2 开出回路自检可以准确检测任一路开出回路断线或开出击穿故障，发出告警并可靠闭锁保护；

4.3 定值自检能够检测定值存储区出错、定值越限等；

4.4 ＋5V、±15V电源自检功能，当电源电压不正常时，装置发告警信息，并闭锁保护；

4.5 RAM自检，EOPROM自检。

5.硬件存储容量大

可循环存储多达200 条保护事件报告记录和装置自检报告，100 条保护动作报告记录。事件记录包括软、硬压板投退、开关量变位等。装置自检报告包括硬件自检出错报警、装置长期启动。

6.灵活配置的通信功能

有PC 调试口、就地打印口，两个以太网和两个485接口，GPS网络对时。

7.对时方式

7.1 外部GPS 脉冲对时；

7.2 RS485/RS232方式的串口对时；

7.3 监控系统绝对时间的对时报文；

7.4 B 码对时。

8.采用双CPU方式

WMH-800A微机母线保护装置设有两套保护用计算机系统和一套人机接口计算机系统，

CPU2完成启动（大差、失灵、母联等保护启动），CPU1完成出口（大差及各段母线小差、复合电压闭锁、失灵保护、母联保护等），双CPU模式可防止一块CPU意外故障而引起保护误出口。其中，母联保护包括母联充电保护、过流保护和非全相保护。此外，CPU1还具有母线运行方式的自动识别元件、TA断线闭锁元件、TA饱和检测元件、母联失灵及死区保护元件和TV断线判别元件等。

9.灵活的TA变比

当某元件TA 变比大于10 倍基准变比时，装置发TA 变比异常告警，异常告警后闭锁母差保护。

对于TA变比不同时(二次额定电流相同)，差动保护电流计算及差动电流的显示均归算到了基准TA 的二次侧。

当遇到不同规格的TA混用遇到时，WMH-800A 母线保护装置内采用和该元件规格相对应的辅助变流器，在整定TA 变比时，该元件TA 二次额定值按其它TA二次额定值计算。例如：某一路变比为1200/1，其它变比为1200/5、600/5 等，整定时，TA变比分别按：1200/5，1200/5，600/5等整定。

二、保护功能介绍

1.保护功能配置

1）比率制动差动保护（稳态量差动保护和突变量差动保护）；

2）大差后备保护；

3）母线保护复合电压闭锁；

4）母联死区保护；

5）母联失灵保护；

6）母联充电保护；

7）母联过流保护；

8）母联非全相保护；

9）断路器失灵保护；

10）失灵保护复合电压闭锁；

11）TA 异常告警；

12）TA 断线闭锁及告警；

13）TV 断线告警；

14）母线运行方式自动识别。

2. 保护原理介绍

2.1 差动保护

2.1.1 比率差动保护

母线差动保护为分相式比率制动差动保护，设置大差及各段母线小差。大差由除母联外母线上所有元件构成，每段母线小差由每段母线上所有元件（包括母联）构成。大差作为起动元件，用以区分母线区内外故障，小差为故障母线的选择元件。大差、小差均采用具有比率制动特性的分相电流差动算法，其动作方程为：

s d I I > (3-1)

r d KI I > (3-2) 其中：∑==n j j d I I 1

∑==n

j j r I I 1

式中d I 为差动电流；r I 为制动电流；K 为比率制动系数；S I 为差动电流定值；j

I 为各回路电流。

为防止在母联断开的情况下，弱电源侧母线发生故障时大差比率差动元件灵敏度不够，或双母单分段接线合环运行工况下母线故障小差比率差动元件可能灵敏度不够，制动系数设置了高低两个定值。母线并列运行或单母运行情况下大差制动系数取高定值，分列运行时取低定值。双母单分段接线合环运行时小差制动系数取低定值，其它情况下都取高定值。

如果大差和某段小差都满足上式的动作方程，判为母线内部故障，母线保护动作，跳开故障母线上的所有断路器。对双母线接线，当某个元件在倒闸过程中两条母线经刀闸双跨或投入母线互联压板时，双母线按单母方式运行，此时不再进行故障母线的选择，如果母线发生故障，则将两条母线同时切除。单母线分段母线互联时同样按单母线处理。图3-1是差动保护动作曲线图。

d I r I S

I d r

I KI =d r

I I =0

动作区

图6-2-1 差动保护动作曲线 对单母线接线，不存在大差和小差之分。对单母分段接线方式，大差和小差的概念及意义与双母线一致。

2.1.2 突变量差动保护

突变量比率制动差动保护与制动系数固定为0.3的常规比率制动差动保护配合使用。动作条件为:

0.3d r I I > (3-3)

s d I I >? (3-4)

r d I .I ?>?70 (3-5)

其中：s I 为差动定值；∑=?=n j j

d I I 1Δ ；∑=?=?n

j j r I I 1 （j I ?为第j 个连接元件的电流突变量 j I ?= )(k j I - )2(T k j I -? ）

2.1.3 大差后备保护

大差连续动作达到大差后备延时（无论小差是否动作），跳开母线上无隔离刀闸辅助触点位置的元件和母联，出口经复合电压闭锁。

大差后备保护主要有以下两个作用：

1）母线故障差动保护动作跳闸后，如果故障母线上还连有无隔离刀闸辅助触点位置的电源元件（故障前可能电流很小，方式识别元件不能正确识别到该元件的状态），则可通过大差后备保护来切除；对于一些新建变电站，平常可能负荷很小，电源元件也可能很少（比如说一个），当此电源元件无刀闸位置时，如果母线故障，小差可能不动作，这时就可以通

过大差后备保护将故障切除。

2）如下图，当由Ⅰ母线通过母联开关向Ⅱ母线充电时死区故障，充电保护由于母联TA 无电流而不能动作，同时充电时可能设置闭锁母差保护而使母线保护此时不能动作，利用大差后备保护跳开母联开关而切除故障。 II I

K

图6-2-2 充电时母联死区故障示意图

2.1.4 TA 饱和检测

当母线外部发生故障特别是母线近端发生外部故障时，TA 可能发生饱和，使TA 的二次电流发生畸变，不能真实反映系统的一次电流，在差动回路中有差电流存在，对母线差动保护产生不利影响,若不采取必要的闭锁措施，差动保护就可能会误动，因此在各种类型的母线差动保护中必须对TA 饱和采取相应的闭锁措施。

根据分析，即使TA 严重饱和时，在故障发生的初始阶段和电流过零点附近TA 存在一个线性传变区，在线性传变区内差动保护不会误动作。利用区外故障TA 饱和时差动保护判据满足时刻滞后于故障发生时刻的特点，利用同步识别法判断是否为区外故障，如果是区外故障则闭锁差动保护，然后利用波形识别法来开放差动保护，以确保母线区外转区内故障时，差动保护能可靠动作。

2.1.5 母联死区保护

在双母线接线或单母线分段接线中，如果母联断路器两侧各装设一组TA ，并且交叉接线，这时不存在死区，不设置死区保护。如果母联断路器仅一侧装设TA ，如图3-3所示，需要配置死区保护。

两段母线并列运行时，K 点发生故障，对Ⅱ母差动保护来说为外部故障，Ⅱ母差动保护不动；对Ⅰ母差动保护为内部故障，Ⅰ母差动保护动作，跳开Ⅰ母上的连接元件及母联断路器。但此时故障仍不能切除，针对这种情况，本装置采用Ⅰ母母差动作后经死区保护延时后

检测母联断路器位置，若母联处于跳位，并且母联电流大于定值时，母联电流不再计算入差动保护，从而破坏Ⅱ母电流平衡，使Ⅱ母差动动作，最终切除故障。

II I K

图6-2-3 母联（分段）死区故障示意图

若没有把母联的跳位接点引入保护装置，或者保护没有识别到母联断路器的位置，则母联死区故障时保护自动按母联失灵来处理。

在母联热备用情况下（母联刀闸闭合、开关断开、两段母线都有电压），运行方式识别认为母联是不运行的，发生死区故障时母联电流不计入小差，只跳故障母线。

母联跳位（TWJ ）为三相常开接点（母联开关在跳闸位置时接点闭合）串联。

图6-2-4 母联死区保护逻辑框图

图中Tsq 为母联死区延时定值，整定下限是0.1s 。

图6-2-5 母差保护逻辑框图（以Ⅰ母为例）

图中Ts 为大差后备延时定值。闭锁母差状态包含充电闭锁母差和外部闭锁母差。

2.2 复压闭锁

复合电压闭锁元件包括三部分：母线保护用复合电压闭锁、失灵保护用复合电压闭锁（若含有失灵保护功能）、TV 断线告警。母线保护用电压闭锁元件和失灵保护用电压闭锁元件定值分别整定。

2.2.1 母线用复合电压

母线保护用复合电压闭锁元件含母线各相间低电压、负序电压（2U ）、零序电压（自产03U ）元件，各元件并行工作，构成或门关系。判据如下：

s U U φφ< (3-6)

s U U 22> (3-7)

s U U 003> (3-8)

其中，U φφ为母线相间电压；2213

A B C U U a U aU =++ ，C B A U U U U ++=03，s U 、s U 2、s U 0分别为母线保护用电压闭锁元件相间低电压、负序、零序电压定值。

母线保护用复合电压闭锁元件和差动元件配合，实现分母线闭锁。

2.2.2 失灵用复合电压

失灵保护用复合电压闭锁元件含母线各相间低电压、负序电压（2U ）、零序电压（自产03U ）元件，各元件并行工作，构成或门关系。判据如下：

SSL U U φφ< (3-9)

22SL U U > (3-10)

003SL U U > (3-11)

其中，U φφ为母线相间电压；2213

A B C U U a U aU =++ ，033A B C U U U U =++ ，SSL U 、2SL U 、0SL U 分别为失灵保护用电压闭锁元件相间低电压、负序、零序电压定值。

失灵保护用复合电压闭锁元件和断路器失灵保护配合，实现分母线闭锁。对变压器低压侧故障，高压侧断路器失灵，失灵保护复合电压闭锁元件可能存在灵敏度不足问题，装置设置有解除失灵复合电压闭锁的开入回路。

2.2.3 TV 断线告警元件

当正序电压 V 301，延时10s 报TV 断线并发告警信号。TV 断线元件仅发告警信号不闭锁差动保护。

2.3 母联失灵保护

当保护向母联断路器发跳令后，经整定延时（应大于母联断路器最大动作时间）母联电流仍然大于母联失灵电流定值时，母联失灵保护经两条母线的复合电压闭锁后切除两条母线上的所有连接元件。母联失灵保护可由差动保护、充电保护、过流保护、失灵保护启动，也可由外部保护启动。装置中母线差动保护、充电保护动作后固定启动母联失灵保护。断路器失灵保护、母联过流保护、外部启动母联失灵保护经控制字可投退。

图6-2-6母联失灵保护的逻辑框图。

图中S I 为母联失灵过电流定值；S T 为母联失灵保护延时。

若外部启动母联失灵开入长期存在超过10s ，装置发告警信号，并报“母联失灵启动开入异常”，同时闭锁该开入。

2.4 母联充电保护

当任一组母线检修后再投入运行之前，利用母联断路器对该母线进行充电试验时可投入母联充电保护，当被试验母线存在故障时，可通过母联充电保护切除故障。

充电保护有专门的启动元件，且只能短时启动，在充电保护启动期间如果母联任一相电流大于充电保护电流定值，充电保护按整定延时动作切除母联断路器。母联充电保护出口不经复合电压闭锁。

充电保护的启动逻辑为：在至少一组母线无压的前提下，当母联断路器位置在分位（TWJ=1）且母联电流由无电流变为有电流（>0.04 In ）时，或母联断路器位置由分位变为合位（TWJ 由1变为0）时，启动充电保护。充电保护启动后开放充电保护300ms 。

根据“投充电闭锁母差”控制字（该项控制字在差动保护定值中）的投退来决定充电保护开放期间是否闭锁母差保护。若控制字投入，则在充电保护开放期间闭锁母差保护300 ms 。

如果希望外部保护（如充电保护）动作时闭锁本装置母差保护，可以引入“外部闭锁母差开入”。将“投外部闭锁母差”控制字置1，装置检测到“外部闭锁母差开入”时闭锁母差保护，最长闭锁1s 。若该开入保持10 s 不返回，装置发告警信号并报“外部闭锁母差开入异常”。

图6-2-7为母联充电保护的逻辑框图

图中S I 为充电保护相电流定值；S T 为充电保护延时。

母联充电保护只在由正常运行母线通过母联断路器向空母线充电时使用，当需要较长时间投入母联保护时可采用装置的母联过流保护。

2.5 断路器失灵保护

断路器失灵保护由各连接元件保护装置的失灵启动接点（或保护跳闸接点）启动，任一断路器失灵时，该元件的失灵启动接点启动断路器失灵保护，断路器失灵保护判出该元件所在母线，并经设定的跟跳延时、跳母联延时和跳母线延时来跟跳该元件、跳母联和跳失灵元件所在的母线。

装置的断路器失灵启动经对应连接元件的相电流、零序电流或负序电流元件控制。其中判相电流元件始终投入，零序电流元件、负序电流元件可分别由控制字投退。当断路器失灵启动不需要经电流元件控制时可将失灵启动电流元件定值整定为0。失灵启动开入分跳A 失灵启动、跳B 失灵启动、跳C 失灵启动、三跳失灵启动。若某元件失灵启动开入保持10 s 不返回，装置发告警信号，报“失灵启动开入异常”，并闭锁该失灵开入，当该失灵开入返回后再解除对它的闭锁。

另外，考虑到变压器低压侧故障而高压侧断路器失灵时，高压侧母线复合电压闭锁可能会因灵敏度不够而无法开放，装置可以引入变压器失灵解闭锁开入接点，当变压器失灵解闭锁接点闭合时，解除失灵复合电压闭锁。每个连接元件都有一个解除失灵电压闭锁的控制字，保护根据该控制字的状态，决定该元件失灵启动且有失灵解闭锁开入时是否解除复合电压闭锁。

图6-2-8 断路器失灵保护逻辑框图

图中1T 、2T 、3T 分别为失灵保护跟跳延时、失灵跳母联延时、失灵跳母线延时。 注意，主变元件通常接在元件4、10、16、20这几个支路。母差保护动作跳这几个支路时同时输出失灵启动接点，用于启动主变开关失灵。主变开关失灵跳母线时同时输出跳主变其它各侧的接点。

2.6 母联过流保护

当利用母联断路器带出线运行且出线无保护时可投入母联过流保护作线路的临时保护。 当母联过流保护投入时，母联任一相电流大于母联过流保护相电流整定值，或母联零序电流（03I ）大于零序电流整定值，经整定延时跳母联开关。母联过流保护出口不经复合电压闭锁。

母联过流保护按两段设置。