电气系统继电保护第三章母线的继电保护

图9.4 单母线电流差动保护原理
最简单的单母线固定连接的差动保护如图9.5所示。图中
母线M上有4条引出线，4条引出线上流过的电流分别为I1、I2、 I3和I4。各引出线上装有完全相同的电流互感器，这些电流互 感器同极性端连在一起，差动继电器中的电流为所有电流互感
器副方电流之和，电流互感器副方线圈中的电流分别为i1、i2、 i3和i4。
早期的电流差动保护装置，虽然其动作速度比较快，但 由于其动作电流要躲过母线外部故障的最大不平衡电流，灵 敏度往往较低。针对这一缺陷，人们研制出了带制动特性的 母线保护以及相位比较式母线保护，从而大大提高了母线保 护的灵敏度。
(2）防止电流互感器饱和的影响
在一些严重的母线外部故障情况下，电流互感器可能深度 饱和，其副方输出严重畸变，这是母线保护误动的重要原因之 一。如何有效地防止电流互感器饱和对母线保护的影响是母线 保护的主要研究课题之一。
(2）电流差动原理
电流差动原理简单可靠，应用最广，但要采取措施解决 外部故障时的不平衡电流间题。目前在国内仍然是具有各种 制动特性的电流差动原理的保护应用最厂。对于单母线，其 原理接线参见图9-4。单母线电流差动按其保护范围又可分为 完全差动和不完全差动保护，所谓完全差动是所有接于母线 的回路，不论该回路刘端有无电源，都将其电流接入差动回 路形成差电流，因而这些回路本身（电流互感器以外）都不 在差动保护范围内。所谓不完全差动保护是只将对端有电源 回路的电流接入差回路，而只带负荷的回路的电流不接入差 回路，因而该负荷线路上的故障被认为是母线差动保护范围 内的故障。差动保护的定值应大于所有这种线路的最大负荷 电流之和，在正常运行情况下差动保护才不会误动作。
4、母线保护主要研究的方向：
（l）提高保护动作速度和动作灵敏度
对于母线保护，提高保护的动作速度，不仅是被保护元 件本身的要求，而且是防止电流互感器饱和对母线保护的影 响以及电力系统稳定运行的要求。从电力系统运行稳定性的 角度来看，母线故障被切除的时间越短越好。超高压变电站 母线保护装置，其动作时间一般都要求在10ms之内。
(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。
9.2 带制动特性的母线差动保护
带制动特性的母线差动保护将母线上引出线的电流（即 电流互感器的副方电流）按一定的方式组合成一制动电压， 以阻止继电保护动作，这种电流又以另外的方式组合成一差 动电压，以启动继电保护。继电保护的动作与否决定于制动 电压与差动电压之间的大小；如果差动电压大于制动电压， 则保护装置动作；如果差动电压小于制动电压，则保护装置 不动作，这就是这种差动保护的工作原理。
当利用供电元件的保护装置切除母线故障时，故障切除的 时间一般较长。此外，当双母线同时运行或母线为单母线分段 时，利用远处供电元件的保护装置不能保证有选择性地切除故 障母线段。
图9.2 利用变压器的过流保护切除母线故障
图9.3 利用供电线的保护切除母线故障
④母线的方向保护。利用相邻元件的保护装置保护母线， 除了上述几种方法外，还可以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元件，当母线上发生故障时，这 些回路上的短路功率方向元件都是指向母线，这些方向元件都 不动作。反之，在母线外部短路时至少有一条回路上的功率方 向指向母线的外部，因而这条回路上的方向元件应该动作。应 用这个特征可以区分母线的内部和外部故障。当母线保护起动 后，所有这些方向元件都不动作，表示故障在母线上，则应将 所有断路器跳开。只要有一个方向元件动作，就不能跳闸。这 种保护方式动作速度可以很快，也容易实现，尤其是应用微机 保护时只要将所有方向元件的动作标志送到变电站后台机，由 后台机判断是否是母线故障，如果是母线故障，可立即通过网 络跳开所有断路器。这种保护的可靠性决定于所应用的方向元 件的性能。方向元件不能有电压死区，不应受系统振荡影响而 误动等。对于不对称短路应尽量采用负序方向兀件。对于三相 短路可采用各种故障分量的方向元件。
(3）增强母线保护适应母线运行方式变化的能力
为了提高供电系统运行的可靠性和灵活性，现在高电压输 电系统很少采用简单的单母线供电方式。 双母线、双母线分段、 旁路母线等的使用，一方面提高了电力系统运行的可靠性，但 同时又给母线差动保护提出了新的问题，这方面问题较多地涉 及差动保护的构成原理以及对不平衡电流产生原因的分析；另 一方面的问题则是要解决母线保护适应不同母线运行方式的能 力）这个问题从原理上讲比前一个问题简单些，但要较多涉及 母线保护方案的实现。
9.1.2 母线保护的分类
1、母线保护按其原理可分为以下几类
(1）用相邻回路保护实现的母线保护 对于35kV及以下电压的母线，一般说来，不采用专门的 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：
①如图9.1所示的发电厂采用单母线接线，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。
图9.5 差动保护原理图
对于双母线，如果连接于母线的所有回路固定分配于 两个母线时，采用固定连接式母线差动保护。即各个母线 装设一套电流差动保护，作为选择跳闸元件，只反应本母 线的内部故障，称为小差动。另设一套差动保护反应两个 母线中任一母线上的故障，作为母线保护的起动元件，称 为大差动。当固定连接方式被破坏时，这种母线保护将失 去选择性，任一母线上故障时两个母线将被全部切除。这
3、设计母线保护时应注意以下几个问题： (l）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 前已能作到在故障后3-5ms内动作的保护装置； (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； (3）母线保护联系的电路数目很多，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，有负载或空载），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的 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； (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要采取措施， 防止电流互感器饱和引起的误动作。
设母线上有几条引出线，其电流分别为I1、I2、……、IN， 常见几种制动特性的差动保护，其动作条件为：
n
I&i K Ii.max i0
i 1
(9.3)
n
n
I&i K
Ii i0
i 1
i 1
(9.4决定的差动保护的动作方程式可简写成：
Iout Iin K Iout Iin i0
图9.6 母联电流相位比较式保护原理
图9.7 系统接线
(4）电流相位比较式母线保护原理 与输电线的电流相位比较式保护相似，基于外部故障时， 故障回路电流与其他各回路电流之和的相位差接近180°，将 电流波形变成方波比相时，各电流波形之间基本上无间隙。而 在内部故障时各回路电流相位接近相同，各电流波形之间有很 大间隙（见图9.7、图9.8）。这种原理只比较各回路电流的相 位，与其幅值无关，因此基本上不受电流互感器饱和的影响。 但这种原理不适用于母线上故障而各回路电流相位差较大或有 电流流出的情况，例如3/2结线的母线。
正常运行和外部短路的情况如下，根据基尔霍夫电流定理：
4
I&j I&1 I&2 I&3 I&4 0
j 1
(9.1)
由于电流互感器具有相同的变比，且同极性相连，假设
电流互感器工作在非饱和状态，则有：
4
I&j I&1 I&2 I&3 I&4 I&D 0
(9.2)
j 1
式中：I&D ——差动电流。
图9.8 电流相位比较式母线保护原理 (a）外部短路；(b）内部短路
2、按差动回路中的电阻大小分类
可分为低阻抗型、中阻抗型和高阻抗型母线差动保护。 传统的母线差动保护都是低阻抗型，即差回路的阻抗很小， 只有数欧姆。其优点是在内部故障、全部故障电流流经阻抗很 低的差动回路时，差动回路上的电压不会很大，不会增大电流 互感器的负担而使电流互感器饱和并产生很大的不平衡电流， 同时也不会对继电器造成过电压。但在外部故障全部故障电流 流过故障支路的电流互感器而使其饱和时，由于差动回路的阻 抗低，因而通过继电器的不平衡电流很大。为了使保护不误动， 保护定值应按躲过此不平衡电流整定，或采取制动措施，这使 保护的灵敏度降低，使接线复杂化。
为克服上述缺点，可在差动回路中串入一高阻抗，其值可 在数百欧姆以上，因而在外部故障使电流互感器饱和时，可减 小差动回路的不平衡电流，不需要制动。但在内部故障时，差 动回路可产生危险的过电压，必须用过电压保护回路减小此过 电压，以保证既能使继电器动作，又不会因过电压而损坏。这 就是高阻抗母差保护。
中阻抗式母线差动保护实际上是上述两种母线差动保护的 折中方案。差动回路接入一定的阻抗，约300Ω，采用特殊的制 动回路既能减小不平衡电流的影响，又不产生危险的过电压， 不需要专门的过电压保护回路。
是其最大的缺点。
(3）母联电流相位比较原理
分别比较两组母线的总故障电流与母联电流互感器中电流 的相位，相位接近一致的母线组为故障母线组，相位接近 180°的母线组为非故障母线组，参见图9.6。此原理用于长期 并列运行的双母线时比较有利。单母线运行时，母联开关断开， 此保护应退出。因为这种原理只比较电流的相位，与其幅值无 关，因此基本上不受电流互感器饱和的影响。