第十章 母线保护

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。
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。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Ze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。 高阻抗母线差动保护的优点是保护接线简单、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且TA饱和 时母线保护的误动作。但高阻抗母线差动保护要求各个支路 TA的变比相同，TA二次侧电阻和漏抗要小，TA的二次侧要 尽可能在配电装置处就地并联以减小二次回路连线的电阻， 因而此种母线保护一般只适用于单母线。此外，由于二次回 路阻抗较大，在区内故障产生大故障电流情况下，TA二次侧 可能出现相当高的电压，因此必须对二次电流回路的电缆和 其他部件采取加强绝缘水平的措施。
第十章 母线保护




第一节 母线差动保护基本原理 一．母线差动保护概述 二．单母线完全电流差动保护 三．高阻抗母线差动保护 四．具有比率制动特性的中阻抗母线差动保护 五．母线差动保护常见类型及特点比较 第二节 微机母线保护 一．微机母线差动保护的基本判据 二．母线保护的特殊问题及对策 三．分布式母线微机保护 第三节 断路器失灵保护简介 一．装设断路器失灵保护的条件 二．对断路器失灵保护的要求
电流互感器（TA）必须具 有相同的变比 n TA ，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的二次侧同 极性端连接在一起，接至 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。


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10-4中k点）故障 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） 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：


2．如图10-2所示的降压 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 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、4的第Ⅱ段动作 予以切除，等等。

为避免上述情况下母线保 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 抗值很大，一般约为2.5～ 7.5kΩ。高阻抗母线差动保 护的原理接线如图10-5所 示。

假设母线上连接有n条支路 （如图10-5所示），第n条 支路为故障支路，母线外 部短路的等值回路如图106所示。图中虚线框内为故 障支路TA的等效回路， 为励磁阻抗， 和 分别 为TA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 （二次回路连线阻抗值）， 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


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3可构成电流比相式差动保护。



根据我国国家标准《继电保 护及安全自动装置技术规程》 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 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。

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，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，即：： 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 ； 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负荷电流， 按基尔霍夫电流定律， （ 为短路点的总 电流）；


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，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。 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10-1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。
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。接于差流回路 的电流继电器阻抗很小， 在内部短路时电流互感器 （TA）的负担小，二次电 压低，因而饱和度小，误 差小。 图10-4所示完全电流母线 差动保护的原理接线图中， 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， 为一 次电流，为 二次 电流。母线保护用
三．高阻抗母线差动保护

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TA不 易饱和，但是故障支路电 流集合各电源支路电流之 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，前面介绍的完 全电流母线差动保护将发 生误动。
3．母线保护联系的电路数 目极多，比较的电气量很 多，各电路的工作状态不 同（有电源或无电源，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； 4．母线的运行方式变 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，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，影响保护工作 或使保护装置损坏；
（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，必须 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，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。目前的保护装置已能 做到在故障后3～5ms内动 作； 2．由于母线在电力系统中 的地位极为重要，对其保 护装置的安全性和可靠性， 都要提出极高的要求；





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。 2、当双母线同时运行或母线 为单母分段运行时，不能保证 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，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 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、使发 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，必 须装设有选择性的快速母线保 护。
四．具有比率制动特性的中阻抗母线差动保护


差电流回路电阻介于高阻抗型和低阻抗型 之间的母线差动保护，称为中阻抗式母线 差动保护。这种保护的差动回路总电阻约 有200Ω左右，因而可减小外部短路时进入 继电器的不平衡电流，并与制动回路相配 合，可以保证保护动作的选择性。 将比率制动的电流型差动保护应用于母线， 差动保护判据有多种形式，其中之一为 (10-5) i=1,2,3,…,n



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 计算式为 （10-2） 式中， —可靠系数，取为1.3； —在母线范围外任一连接元件上短路时， 流过差动保护TA一次侧的最大短路电流； —母线保护用TA的变比。
第一节 母线差动保护基本原理


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，将使连接在故 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。 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。 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，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，单相接地故 障约占故障总数的80%以上。




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，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 （10-3） 当保护范围内部故障时，应采用下式校验灵敏系 数 （10-4） 其值一般应不低于2。 式中， —在母线上发生故障的最小短路电流值。 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。


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式（10-5）又称为最大值制动判据。 差动保护的另一种判据为 ， i=1,2,3,…,n (10-6) 式（10-6）称为模值和制动判据。 式中， —制动系数； —母线各连接元件TA二次电流值； — 中的最大值； —动作电流一次值。 此式称为模值和制动判据 当母线外部短路而使故障支路的TA严重饱和时，该TA二 次电流接近于零，使式（10-5）和式（10-6）中失去一个 最大的制动电流。为了弥补这一缺陷，可在差动回路中适 当增加电阻，如图10-6，即使得因第n条故障支路的TA严 重饱和而使流向继电器的二次电流 ，该TA的二次回 路（ 回路）仍流过电流，此电流从其他支路流入，起制 动作用。由于保留了比率制动特性，这种保护差动回路的 电阻不像高阻抗母线差动保护的差动回路内阻那么高，也 就不需要有限制高电压的措施。
五．母线差动保护常见类型及特点比较



按照母线差动保护装置差电流回路输入阻抗的大小，可将 其分为低阻抗母线差动保护（一般为几Ω）、中阻抗母线 差动保护（一般为几百Ω）和高阻抗母线差动保护（一般 为几千Ω）。 常规的母线保护及目前使用的微机母线保护均为低阻 抗母线差动保护。低阻抗母线差动保护装置比较简单，一 般采用先进的、久经考验的判据，系统的监视较为简单。 但低阻抗母线差动保护在外部故障使TA饱和时，母线差 动继电器中会出现较大不平衡电流，可能使母差保护误动 作。目前微机低阻抗母线保护通过采用TA饱和识别和闭 锁辅助措施，能有效地防TA饱和引起的误动。因此，微 机低阻抗母线保护在我国电力系统中得到了广泛的应用。 高阻抗母线差动保护较好地解决了母线区外故障TA饱 和时保证保护不误动的问题；但在母线内部故障时，TA 的二次侧可能出现过高电压，对继电器可靠工作不利，且 要求TA的传变特性完全一致、变比相同，这对于扩建的 变电所来说较难以做到。