8.2 母线差动保护的基本原理

正常运行或区外故障时母线电流特征
（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。
（2）当母线上发生故障时，所有与母线连接的元件都 向故障点供给短路电流或流出残留的符合电流。
（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 件中德电流相位是相反的。
母线保护。
母线故障时
Ik
I1 I2 I3 I4
电源 电源 负荷1 负荷2
母线故障时，有源支路的电流
是近似同相的，即 I1 和 I2
是近似同相的。
故障出现在非有源支路
I1 I2 I3 I4
电源 电源 负荷1 负荷2
I1、I2 和 I4 是反相的。
故障出现在有源支路
I1 I2 I3 I4
电源 电源 负荷1 负荷2
I1 和 I2 是反相的。
8.2.5 元件固定连接的双母线电流差动保护
在发电厂及重要变电站的高压母线上，一般都采用双母 线同时运行（母线联络器经常投入），每组母线上采用连接 一部分（大约为1/2）供电和受电元件的方式。这样，任一 母线出现故障时，只会影响一半的供电和用电负荷，大大提 高了供电的可靠性。这样就需要母线保护具有选择故障母线 的能力。
动继电器，一般内阻为：2.4~7.5kΩ。电压型差动继电器 的动作判据为：
Ur U set
高阻抗继电器的电路原理
+
+
非常小
-
-
当外阻非常小时，各支路电流将会 通过外电路形成回路。此时，几乎 所有电流都会流经外电路。
+
+
非常大
-
-
当外阻非常大时，各支路电流将会 在由支路自身构成的回路中流动， 外电路中的电流是非常小的。
继电器的端口处将出现较大的电压，电压继电器动作切除故障。
注意：当内部短路电流非常大时，流过电压继电器的差动电流
非常大，此时在电压继电器中将出现很高的电压，危及绝缘。
8.2.3 具有比率制动特性的中阻抗母线差动保护
将比率制动的电流型差动保护应用于母线： （1）最大值制动
n Ii Kres{ Ii }max Iset.0
根据原则（1）和原则（2）可构造电流差动保护，根 据原则（3）可以构造电流比相式差动保护。
正常运行或区外故障时母线电流特征
I1
I2 I3
电源 负荷1 负荷2
I1 I2 I3
I1
I2 I3
电源
负荷1 负荷2
I1 I2 I3 0 I 0
若支路1、2、3上均安装相同变比的电流互感器， 则三个电流互感器的电流之和应等于0（理想情况）。
i1
（2）模值和制动
n Ii Kres n Ii Iset.0
i1
i1
8.2.4 电流比相式母线保护
基本原理 当母线发生故障时，各有源支路的电流相位几乎是
一致的； 当外部出现故障时，非故障有源支路的电流流入母
线，故障支路的电流则流出母线，两者相位相反。 利用这种相位关系构成的母线保护称为电流比相式
母线故障时的电流特征
电源
I1
I2 I3
Ik
依KCL：
I1 I2 I3 Ik 0
即：
I1 I2 I3 Ik
若支路1、2、3上都安装有相同变比的电流互感器，则母线故障时，三个电 流互感器的电流之和应等于短路电流（二次值）。
8.2.1 单母线完全电流差动保护
正 常
Ip1
Ip2
Ip3 Ipn KD
8.2 母线差动保护原理
——单母线完全电流差动保护 ——高阻抗母线差动保护 ——具有比率制动特性的中阻抗母线差动保护
正常运行或区外故障时母线电流特征
为了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。实现母线差动保护必须考虑在母线上一 般连接着较多的电气元件（如线路、变压器、发电机 等），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。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。
100A
1
200A 2
1A
2A
QF1
QF2
KD1
3A 300A QF5
-3A 300A
I
KD3
II
50A
250A
QF3
QF4
-0.5A
-2.5A
-50A 3
-250A 4
KD2
1 QF1
2 QF2
KD1
使QF1和 QF2跳闸
I
KD3
QF5
II 使QF5跳闸
QF3
QF4
3
4
KD2
8.2.5 元件固定连接的双母线电流差动保护
采用高阻抗的电压继电器且外部故障时
Ip1
Ip2
Is1
Is 2
Ip3
Is3
Ipn U
n1
Isi
i1
Ir 0
由于电压继电器的阻抗非常高，兼之第n条支路电流互感器严重饱
和时相当于短路，所以其他n-1条支路的电流基本上不通过电压互
感器而是通过 TA构n成回路。于是，流入电压继电器的电流非常
小，电压继电器的端口电压也非常小，低于整定值，不会误动。
差动继电器的整定方法 （1）躲过最大不平衡电流
可靠系数， 母线以外短路
取1.3
时的最大电流
Ir.set Krel Iunb.max Krel 0.1Ik.max / nTA
（2）躲开任一TA二次回路断线引起的差动电流
Ir.set Krel I L.max / nTA
I L.max 任一元件中的最大负荷电流。
第n个互感器严重饱和时的等效电路
n1
Isi
ru
i1
ru 2.5 ~ 7.5k
Z2
Z1
Z 0
Ipn
采用高阻抗的电压继电器且区内（母线）故障时
Ik（二次侧）
Ip1
Ip2
Is1Is 2来自Ip3 Is3
Ipn Isn
U
-+
Ir
1 nTA
Ik
由于电压继电器的阻抗大，同时流过的电流 I也r 较大，所以电压
母联电流比相式母线差动保护采用了一个启动元件KST和 一个选择元件KD。
启动元件KST的作用是区分是母线故障还是外部故障。只 有母线发生了故障，启动元件才启动整组保护。
选择选件KD通过比较母联断路器中的电流和总差动电流 的相位选择出故障母线。
1 QF1
2 QF2
I
QF
II
KST
KD
QF3
QF4
3
4
流过差动继电器的电流较大， 可能引起差动继电器的误动作。
8.2.1 单母线完全电流差动保护
外
部 故
Ip1
Ip2
障
工 作
Is1
Is 2
时
Ip3 Ipn KD
Is3
Isn
IKA
饱和
IKA
n Isi
i 1
1 nTA
n Ipi
i 1
0
8.2.2 高阻抗母线差动保护
解决电流互感器极度饱和问题的方法 将低内阻的电流型差动继电器换成高内阻的电压型差
缺点：当固定连接方式被破坏时，差动保护将误动作。 即元件固定连接的双母线电流差动保护受系统运行方式的 影响较大。当采用此种保护方式时，必然会影响电力系统 调度的灵活性。
8.2.6 母联电流比相式母线差动保护
在元件固定连接的母线差动保护的基础上进行改进，克服 了其缺乏灵活性的特点，使之更适合元件连接方式经常改变 的情况。
m
正常工作时的情况
I1 I2 I3
IKA Is1 Is2 Is3 (Ip1 I1) (Ip2 I2 ) (Ip3 I3) (I1 I2 I3)
当励磁电流非常小时，由此产生 的不平衡电流尚可通过设置差动 继电器的整定值来躲过。
区外故障使互感器严重饱和的情况
I1 I2 I3
IKA Is1 Is2 Is3 (Ip1 I1) (Ip2 I2 ) 0 (0.9Ip1 0.9Ip2 )
工
作 时
Is1
Is 2
Is3
Isn
IKA
IKA
n Isi
i1
1 nTA
n Ipi
i1
0
8.2.1 单母线完全电流差动保护
Ik
母 线
Ip1
Ip2
Ip3 Ipn KD
故
障 时
Is1
Is 2
Is3
Isn
IKA
IKA
n Isi
i1
1 nTA
n i1
Ipi
1 nTA
Ik
8.2.1 单母线完全电流差动保护
8.2.2 高阻抗母线差动保护
引入高阻抗母线差动保护的原因（电流互感器的极度饱和情况）
X 1
X 2
X 1
X 2
Ip I X m Is ZL
Ip I X m Is ZL
当TA不饱和时，I较小，一 般时不Is较会大超，过基I本p的能10正%确，反此映
电流变换关系。
当TA极度饱和时，励磁电抗X
很认小为，：IIs很大0，严重时可近似
采用低阻抗的电流继电器且外部故障时
Ip1
Ip2
Is1
Is 2
Ip3
Is3
Ipn I Isn 0
n1
Isi 0
i1
由于电流继电器的阻抗非常小，所以各个电流互感器的电流基本 上都通过电流继电器构成回路。此时，第n条支路电路互感器出现 的严重饱和并不影响其它的n-1条支路的电流流入电流继电器。