继电保护第八章母线

第八章母线的继电保护本章主要内容:装设母线保护的基本原则完全电流差动母线保护电流比相式母线保护双母线同时运行时,母线保护的实现方法断路器失灵保护8.1装设母线保护的基本原则

母线是电力系统中的一个重要元件，当母线上发生故障时，将使连接在母线的所有元件在修复故障母线期间或转换到另一组无故障的母线上运行以前被迫停电，在枢纽变电站母线上发生故障时，可能引起系统稳定的破坏，造成严重的后果。

一般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予以切除。1）发电厂采用单母线接线，母线上的故障可利用发电机的定子过电流保护使发电机的断路器跳闸予以切除。tt-k++++

II-定子绕组过电流保护2）对降压变电所，其低压母线采用单母线分段，正常时分开运行，低压母线上的故障可以由相应变压器的过电流保护使变压器的断路器跳闸于以切除。t++-t++

-IIk电源单母线分段高压母线低压母线变压器的过电流保护3）对双侧电源网络（或环形网络）当变电所Ｂ母线故障时可由保护１和４的Ⅱ段动作于以切除。

k1234ABCＢ变电所母线5装设专用母线保护的原因：A）利用供电元件的保护装置切除母线故障的时间较长。（速动性）电源kB）当双母同时运行或单母分段时，保护不能保证有选择性地切除故障母线。（选择性）双母同时运行低压母线什么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母线上所发生的故障，而另一组无故障母线仍能继续运行，应装设专用的母线保护。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，应装设专用母线保护。为满足速动性和选择性的要求，母线保护均按照差动原理构成，母线上一般连接着较多的电气元件（线路、变压器、发电机等），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。8.2母线差动保护的基本原则母线差动保护的基本原则a)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，即: （流入母线为电流的正方向）b)当母线上发生故障时，所有与电源连接的元件都向故障点供给短路电流，而在供电给负荷的连接元件中电流等于零，故（短路点的总电流）c)若从电流相位看，则正常运行及外部故障时，至少有一元件中的电流相位和其余元件中的电流相位相反，而当母线故障时，除电流等于零的元件以外，其它元件的电流则是同相位的。8.2.1单母线完全电流差动母线保护

在母线的所有连接元件上装具有相同变比和特性的电流互感器，所有互感器的二次线圈在母线侧的端子互相连接，另一端的端子也互相连接，然后接入差动继电器，继电器中的电流即为各个二次电流的向量和。I-I

-+++......123元件1的一次电流原理在正常运行及外部故障时，流入继电器的是由各互感器特性不同而引起的不平衡电流Iunb而当母线上故障时，则所有与电源连接的元件均向短路点供给短路电流，于是流入继电器的电流为：

此电流足够使差动继电器动作而起动出口继电器３，从而使所有连接元件的断路器跳闸。

第i个元件的二次电流差动继电器启动电流整定原则：

——按如下条件整定，选择其中较大的一个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Ir.set可按以下计算：其中Ｋrel—可靠系数取1.3

Ik.max—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

nTA—母线保护用TA的变比为防止在正常运行情况下，任一电流互感器二次回路断线时，引起保护装置误动作，起动电流应大于任一连接元件中最大的负荷电流IL.max灵敏系数校验当保护范围内部故障时，应采用下式校验灵敏系数：其中：Ik.min--应采用实际运行中可能出现的母线连接元件最少时，在母线上发生故障的最小短路电流值。

灵敏系数Ksen其值一般应不低于2按照母线保护装置输入阻抗的大小，可分为:低阻抗型母线保护（一般为几Ω）中阻抗型母线保护（一般为几百Ω）高阻抗型母线保护（一般为几千Ω）。4.母线保护常见类型常规的母线保护及微机保护均为低阻抗型母线保护。低阻抗母线保护装置比较简单，一般采用先进的、久经考验的判据，系统的监视较为简单，特别是微机母线保护具有完善的自检及互检功能，事故记录、断路器失灵保护以及接地保护、过流保护等后备保护功能。但低阻抗母线保护在外部故障TA饱和时，母线差动继电器中将出现较大不平衡电流，可能使母差保护误动作。母线外部短路它们的TA不易饱和其TA可能饱和相应励磁阻抗很小很大的一次电流几乎全部流入励磁支路二次电流近似为零差动继电器中有很大不平衡电流完全电流差动保护误动作非故障支路电流一般不很大故障支路电流可能非常大高阻抗型母线电流差动保护

较好地解决了低阻抗母线保护中母差保护误动这一问题，但在母线内部故障时，电流互感器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站来说较难做到。中阻抗型母线保护

采用了快速、灵敏、比率制动式电流差动保护方案，即具有低阻抗、高阻抗保护的优点，又避开了它们的缺点，在处理TA饱和方面具有独特的优势。8.2.2高阻抗型母线电流差动保护U-U-+++......123k在外部故障时，非故障支路电流不很大，其TA不易饱和，但故障支路电流是集各电源支路电流之和，可能非常大，其TA可能极度饱和，这时一次电流大部分消耗在励磁上，传变到二次侧近似为零，故差动回路将流过很大的不平衡电流，从而引起差动保护误动。TA极度饱和U-U

-+++......123k解决的办法是采用电压型差动继电器，由于电压差动继电器的内阻很高，非故障支路的二次电流都被故障支路TA的二次绕组旁路，故流入差动继电器的电流很小，差动继电器不会动作。电压型差动继电器内阻很高旁路高阻抗型母差保护U-U

-+++......123k当母线内部故障时，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差动继电器。由于其内阻很高，在电压差动继电器两端出现高电压，从而使保护动作。电压型差动继电器8.2.3比率制动式中阻抗型母线电流差动保护比率制动式中阻抗型母线电流差动保护，其动作判据可为最大值制动，即：或动作判据为模值和制动，即：其中：Kres—制动系数Ii—母线各连接元件TA二次电流值。--中的最大电流值Iset.0—动作电流门槛值8.2.4电流比相式母线保护1.原理母线在内部故障和外部故障时各连接元件电流相位发生变化。注意：母线保护规定：电流从线路流向母线为正，从母线流向线路为负。１２母线当母线正常运行及外部故障时（k1点），按规定的电流正方向来看和大小相等，相位相差180O

１２k1当母线内部故障时（k2点）,和均流向母线，在理想情况下两者相位相同１２k2小母线中间变流器中间变流器

切换装置

切换装置

相位比较

延时回路

脉冲展宽回路

出口跳闸ZLH1ZLH2电流比相式母线保护原理图小母线中间变流器中间变流器

切换装置

切换装置

相位比较

延时回路

脉冲展宽回路

出口跳闸ZLH1ZLH2切换装置用于双母线时切换保护二次回路（当一次元件从一条母线切换到另一条母线时，其对应的二次回路也切换到另一条小母线上）各电流互感器二次输出的电流，…分别接入中间变流器ZLH1,ZLH2，…的一次线圈。小母线中间变流器中间变流器

切换装置

切换装置

相位比较

延时回路

脉冲展宽回路

出口跳闸ZLH1ZLH2其二次输出电压分为二组，经半波整流后分别接在小母线1,2,3上；fx1,fx2为非线性电阻（压敏电阻）当电流互感器二次电流Ｉs2很大时，用以防止ZLH1,ZLH2的二次侧产生危险的高压，小母线的输出接到相位比较、延时、脉冲展宽回路。......U0132....D1D2D3D4相位比较延时展宽++--在电流的正半周以母线3为参考（设其为0V，则母线2上为负电位）参考0电位在电流的正半周，都在小母线2上出现半波负电位......U0132....D1D2D3D4相位比较延时展宽在电流的负半周以母线3为参考（设其为0V，则母线1上为负电位）++--在电流的负半周，都在小母线1上出现半波负电位工作情况母线不带电的情况

母线不带电时，小母线上无电压，相位比较延时，展宽回路无输出。母线处于正常运行或外部故障情况

母线处于正常运行或外部故障时，按规定的正方向电流相位相差180O,中间变流器一次侧及二次侧经检波后的波形如下：

由于检波后波形相加的结果，在小母线1、2上都呈现出连续的负电位，因此，比相回路无输出，不启动延时回路，整个回路无输出，不跳闸。tt-EE1E2E1E2t小母线2的波形-EE2E1E2E1t小母线1的波形正常运行或外部故障母线内部故障情况

母线内部故障时，各连接元件的电流均流向母线，各中间变流器的一次电流基本上同相位，由于、相位相同，两者叠加后，在小母线１和小母线２上呈现出相间的断续负电位，在负电位的间断期间比相回路输出一脉冲，起动延时回路，若此脉冲延续时间大于3.3ms(60O)，则延时回路起动脉冲展宽回路，后者输出一连续脉冲使开关跳闸。tt-EE1E2E1E2t小母线2的波形-EE2E1E2E1t小母线1的波形由于、相位相同，两者叠加后，在小母线１和小母线２上呈现出相间的断续负电位母线内部故障延时60O回路的作用和保护的闭锁角

理想情况：内部故障时电流的相位差为0O， 外部故障时为180O。

实际情况：由于电流互感器，中间变流器误差等因素的影响，各电流间相位差可能是值最大可达60O、有可能使保护误动。-Et小母线2的波形-Et小母线1的波形

当小母线上出现间断的电压时，延时回路就要启动，为了防止在这种情况下发生误动作，就需要选择延时回路的时间>φ

角所对应的时间，即从时间上躲开外部故障时可能出现的电流相位误差。一般采用，即3.3ms双母线同时运行时，母线保护的实现方法

双母线是发电厂和变电所中广泛采用的一种母线方式。对于双母线经常以一组母线运行的方式，在母线发生故障后，将造成全部停电，需把所有连接元件倒换至另一组母线上才能恢复供电，这是一个很大的缺点。

为此，在发电厂以及重要变电所的高压母线上，一般都采用双母线同时运行（母线联络断路器经常投入），而每组母线上连接一部分（大约1/2）供电和受电元件的方式，这样当任一组母线上故障后，就只影响到一半的负荷供电，而另一组母线上的连接元件则仍可以继续运行，这就大大提高了供电的可靠性。这种连接方式相对而言较为固定，因此有可能装设元件固定连接的双母线电流差动保护。

8.2.4元件固定连接的双母线电流差动保护KD1KD2KD3QF1QF2QF3QF4QF5ⅠⅡ隔离开关TA1TA2TA3TA456断路器第一组由电流互感器TA1、TA2、TA5和差动继电器KD1组成，用以选择第Ⅰ组母线上的故障；第三组实际上是由电流互感器TA1、TA2、TA3、TA4和差动继电器KD3组成的一个完全电流差动保护，当任一组母线上发生故障时，它都起动，而当母线外部故障时，它不动作，在正常运行方式下，它作为整个保护的起动元件，当固定接线方式破坏并保护范围外部故障时，可防止保护的非选择性动作第二组由电流互感器TA3、TA4、TA6和差动继电器KD2组成，用以选择第Ⅱ组母线上的故障；反应母线总差电流-直流回路展开图+KD3GGKD1KD2ZJ3XJ1ZJ1XJ2ZJ2XJ3跳QF1XJ4跳QF2XJ5跳QF3XJ6跳QF4XJ7跳QF5ZJ1ZJ1ZJ2ZJ2ZJ3+跳QF4KD3

++++KD1

-+-++XJ1XJ3XJ4ZJ1跳QF1跳QF2跳QF5XJ7ZJ3+KD2

-+++XJ2XJ5XJ6ZJ2跳QF3只要KD3动作，说明母线故障，先跳开母联QF5若KD1动作，说明母线1故障，再跳开QF1，QF2若KD2动作，说明母线2故障，再跳开QF3，QF4KD1KD2KD3QF1QF2QF3QF4QF5ⅠⅡ(1)正常运行时，一次电流分布KD1KD2KD3QF1QF2QF3QF4QF5ⅠⅡ(1)正常运行时，二次电流分布图KD1KD2KD3QF1QF2QF3QF4QF5ⅠⅡ(2)母线外部故障时，一次电流分布图元件1提供的短路电流元件3提供的短路电流元件4提供的短路电流KD1KD2KD3QF1QF2QF3QF4QF5ⅠⅡ(2)母线外部故障时，二次电流分布图KD1KD2KD3QF1QF2QF3QF4QF5ⅠⅡ(3)母线内部故障时，一次电流分布KD1KD2KD3QF1QF2QF3QF4QF5ⅠⅡ(3)母线内部故障时，二次电流分布KD1和KD3动作KD2不动作KD1KD2KD3QF1QF2QF3QF4QF5ⅠⅡ(4)固定连接方式破坏时，保护装置的动作情况假设元件1由母线Ⅰ切换到母线Ⅱ上当母线Ⅰ内部故障时短路电流分布KD1KD2KD3QF1QF2QF3QF4QF5ⅠⅡ当任一母线故障，KD1，KD2，KD3均动作，保护将切除两组母线。二次电流分布QF1QF2QF3QF4ⅠⅡDL28.2.6双母同时运行时的母联相位差动保护LJU3U2W3W2WcdWM母联电流总差电流利用比较母联中电流与总差电流的相位作为故障母线的选择元件。当第一组母线上故障时，流过母联的电流是由母线Ⅱ流向母线Ⅰ。当第二组母线上故障时，流过母联的电流是由母线Ⅰ流向母线Ⅱ

。在这两种故障情况下，母联电流的相位变化了比较这两个电流的相位，就可以选择出故障母线而总差电流是反映母线故障的总电流，其相位是不变的（始终是正的）。保护装置主要由总差动电流回路，相位比较回路和相应的继电器组成在总差动回路中接有保护装置的启动元件LJ，其作用与固定连接式母线保护中的KD3相同。只当母线范围内部故障时它才动作。选择元件是电流相位比较式继电器。LJW2R1U2BZ1C1JJ2JJ1W3R2U3BZ2C2JJ2JJ1LJR3+-动作绕组制动绕组JJJJ1U2U3JJ2U3U2LJ电流从同名端流入为动作电流，电流从同名端流出为制动电流正常运行及母线外部故障时，LJ常闭触点闭合，附加直流电源通过R3到JJ2的制动绕组，通过LJ的常闭触点，再通过JJ1的制动绕组返回，对JJ1和JJ2供给制动电流，所以JJ1和JJ2不动作。制动方向动作方向W2R1U2BZ1C1JJ2JJ1W3R2U3BZ2C2JJ2JJ1R3+-LJ母线内部故障时，LJ常闭触点断开U2产生的电流加在JJ2的制动绕组，JJ1的动作绕组。U3产生的电流加在JJ2的动作绕组，JJ1的制动绕组。附加直流回路不通DL1DL2DL3DL4ⅠⅡDL2LJU3U2W3W2WcdWMZLH采用中间变流器ZLH进行磁通综合，在右侧柱上磁通为φ2，其与成正比。在左侧柱上磁通为φ3，其与 成正比。Wcd当母线Ⅱ故障时，母联电流由母线Ⅰ流向母线Ⅱ，总差电流和母联电流所产生的磁通在左侧立柱上抵消，在右侧立柱上加强，故U2>U3,这时，JJ1动作。采用中间变流器ZLH进行磁通综合，在右侧柱上磁通为φ2，在左侧柱上磁通为φ3。在右侧二次线圈W2中的输出电压

在左侧二次线圈W3中的输出电压

因此，当与同相，则>，JJ1动作，JJ2不动作 当与反相，则>，JJ2动作，JJ1不动作JJ1U2U3JJ2U3U2JJ1动作，跳开断路器QF1和QF2。JJ2动作，跳开断路器QF3和QF4。LJ动作，跳开母联断路器QF5。LJ常开触点，母线故障时动作，触点闭合，跳开母联断路器常闭触点，正常运行及外部故障时不动作，触点闭合，向JJ1和JJ2附加的制动电流。为提高选择元件工作的可靠性，在正常运行情况下，JJ1和JJ2的两组线圈中通过电阻R3和启动元件LJ的常闭触点，都加入一个附加的制动电流，使它处于闭锁状态，仅当母线发生故障，LJ动作以后，此附加电流才取消，JJ1和JJ2将根据相位比较结果而动作说明跳开母联断路器QF5动作后触点断开，撤消附加的制动电流XJ4跳QF1XJ5跳QF2XJ6跳QF3XJ7跳QF4XJ8跳QF5ZJ1ZJ1ZJ2ZJ2ZJ3+直流回路展开图+LJGJJ1-ZJ5XJ2ZJ1XJ1YJ1GJJ2XJ3ZJ3YJ2ZJ2ZJ4说明1）母线外部故障时，差动回路中仅有不平衡电流，LJ不动作，选择元件因LJ不动作而处于闭锁状态，故保护装置不可能动作。2）母线内部故障时，差动回路电流Icd永远反应故障点的总电流，其方向与故障母线的组别无关，这时，LJ动作，其常开触点闭合后启动母联断路器QF5的跳闸继电器5ZJ，并为启动1ZJ-4ZJ跳闸继电器的回路准备好正电源，其常闭触点断开而解除对JJ1和JJ2的制动。保护装置的电压闭锁元件为两组低电压继电器，分别接在两组母线的电压互感器二次侧线电压上，能反映母线上各种类型的故障。+LJGJJ1-ZJ5XJ2ZJ1XJ1YJ1GJJ2XJ3ZJ3YJ2ZJ2ZJ4在正常运行情况下，低电压继电器YJ1和YJ2均不启动，将保护闭锁，防止各种原因引起的保护误动作。(正常运行情况下，低电压继电器YJ1和YJ2均不动作,触点断开)+LJGJJ1-ZJ5XJ2ZJ1XJ1YJ1GJJ2XJ3ZJ3YJ2ZJ2ZJ4正常运行时不动作触点断开，将母线保护闭锁当母联断路器因故退出运行时，由于IM=0，选择元件无法工作，这时可投入刀闸G，解除JJ1和JJ2的作用。并利用电压闭锁元件作为保护装置的选择元件。当LJ动作跳开母联断路器后,故障母线的低电压元件动作,触点闭合,保护动作。+LJGJJ1-ZJ5XJ2ZJ1XJ1YJ1GJJ2XJ3ZJ3YJ2ZJ2ZJ4

在110kV及以上电压等级的发电厂和变电所中，当输电线路、变压器或母线发生短路，在保护装置动作于切除故障时，可能伴随故障元件的断路器拒动，也即发生了断路器的失灵故障。产生断路器失灵故障的原因是多方面的，例如:断路器跳闸线圈断线；断路器的操作机构失灵等。8.4断路器失灵保护简介断路器失灵故障的发生会导致故障切除时间的延长、事故范围的扩大，其后果是造成电力系统大范围停电，甚至发生电力系统的瓦解事故。为保证高压电网的安全运行，对于断路器失灵故障，目前采取的主要措施之一是装设专用的断路器失灵保护。

当线路、变压器或母线发生短路并伴随断路器失灵时，相应的继电保护动作发出跳闸脉冲后，断路器拒绝动作时，能够以较短的时限切除同一发电厂或变电所内其它有关的断路器，以使停电范围限制为最小的一种后备保护。

所谓断路器失灵保护是指：1ZJ2ZJ3ZJtQF1QF2QF5QF3QF4当其出口继电器（如1ZJ、2ZJ）动作于跳开本身断路器的同时，也起动失灵保护中的公用时间继电器t，此时间继电器的延时应大于故障元件的断路器跳闸时间及保护装置返回时间之和，因此，并不妨碍正常的切除故障。1ZJ2ZJ3ZJtQF1QF2QF5QF3QF4如果故障线路的断路器拒动时（例如k点短路，1ZJ动作后QF1拒动），则时间继电器动作，起动失灵保护的出口继电器3ZJ，使连接至该组母线上所有其它有电源的断路器（如QF2、QF3）跳闸，从而切除了k点的故障，起到了QF1拒动时的后备作用。

由于断路器失灵保护要动作于跳开一组母线上的所有断路器，而且在保护的接线上将所有断路器的操作回路都连接在一起，因此，应注意提高失灵保护动作的可靠性，以防止误动而造成严重的事故。为此，对断路器失灵保护的起动提出了附加的条件，只当同时具备以下条件时它才能起动：（1）故障元件的保护装置出口继电器（1ZJ、 2ZJ）动作后不返回；（2）在被保护范围内仍然存在着故障。当母线上连接的元件较多时，一般采用检查故障母线电压的方式以确证故障仍未切除；当连接元件较少或一套保护动作于几个断路器（如采用多角形接线时）以及采用单相重合闸时，一般采用检查通过每个或每相断路器的故障电流的方式，作为判别断路器拒动且故障仍未消除之用第八章习题1、母线保护的装设原则是什么？2、母线电流保护为什么要求各连接元件的电流互感器变比相等？3、双母同时运行时，母线保护可依据哪些原理来判断故障母线？4、在元件固定连接的双母电流差动保护中，当元件固定连接破坏后，DL2由母线I转接到母线II后，在DL2外部发生故障和在母线2发生故障时的电流分布图，并说明此时母线保护的动作行为。5、在母线完全差动保护中（图8-4），连接元件III的电流互感器极性相反，试列出差动回路电流的表达式，并分析保护的动作行为。6、说明母联电流相位比较式差动保护中哪个电流相位是变化的，哪个相位是不变的，并简述其电流相位比较继电器的组成和工作原理。

填空题8-1电力系统母线保护是基于正常运行及母线外部故障时 ＝_____，而当母线发生故障时＝_____。8-2母线差动保护的差动继电器动作电流的整定按躲过_____时最大不平衡电流和躲过_____电流计算。8-3双母线同时运行时的母线保护，为了选择故障母线，可采用_____的双母线完全差动保护或_____比较式母线差动保护。8-4母联电流相位比较式母线差动保护，被比较相位的两个电流是_____和_____。

填空题8-5母联电流相位比较式母线差动保护的主要优点是：在_____被破坏后，内部故障时仍能保证_____。8-6按差动原理构成的母线保护，能够使保护动作具有_____和_____。8-7完全电流差动