第六讲 母线差动保护

数字母线保南大学电气工程系Yuanyubo@Yybseu@袁宇波母线故障和装设母线保护基本原则

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，造成严重的后果。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。在输电线路的短路故障中，单相接地故障约占故障总数的80％以上。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故障，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。一般来说，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切除。例如：（1）如图8-1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；（2）如图8-2所示的降压变电所，其低压侧的母线正常时分开运行，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断路器跳闸予以切除；（3）如图8-3所示的双侧电源网络（或环形网络），当变电所B母线上d点短路时，则可以由保护1和4的第II段动作予以切除，等等。利用发电机的过电流保护切除母线故障

利用变压器的过电流保护切除低压母线故障

在双侧电源网络上，利用电源侧的保护切除母线故障

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分段单母线时，上述保护不能保证有选择性地切除故障母线。此外超高压枢纽变电站和大型发电厂母线为分段单母线时，上述保护不能保证有选择性地切除故障母线。此外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，严重影响电力系统的安全供电。虽然母线短路几率比输电线短路低的多，但一旦发生，后果特别严重。因此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。

因此，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）母线上所发生的故障，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。（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。

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。实现母线差动保护所必须考虑的特点是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，（短路点的总电流）；（3）如从每个连接元件中电流的相位来看，则在正常运行以及外部故障时，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，具体说来，就是电流流入的元件和电流流出的元件这两者的相位相反。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。单母线完全电流差动母线保护

完全电流差动母线保护的原理接线如图所示，为一次电流，为二次电流。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。因为在一次侧电流总和为零时，母线保护用电流互感器（TA）必须具有相同的变比，才能保证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向量和。

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；而当母线上故障时，则所有与电源连接的元件都向d点供给短路电流，于是流入继电器的电流为

即为故障点的全部短路电流，此电流足够使差动继电器动作而起动出口继电器，使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：

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。（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心的继电器时，其动作电流可按下式计算：

（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

当保护范围内部故障时，应采用下式校验灵敏系数，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门槛值。完全电流差动保护方式原理比较简单，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。高阻抗母线差动保护

在母线发生外部短路时，一般情况下，非故障支路电流一般不很大，它们的TA不易饱和，但是故障支路电流集各电源支路电流之和，可能非常之大，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，上节中介绍的完全电流差动保护将误动作。为避免上述情况下母线保护的误动，将图中的电流差动继电器可以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下图所示。

假设母线上连接有条支路（如图8-5所示），第条支路为故障支路，母线外部短路的等值回路如图8-6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，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，其励磁阻抗近似为零，一次电流全部流入励磁支路。由于电压继电器的内阻很高，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的接线简单、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并且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，在区内故障的大故障电流情况下，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它部件采取加强绝缘水平的措施。

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，动作判据可为最大值制动：

或模值和制动：

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（8-5）和式（8-6）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8-6，即使得因第条故障支路TA严重饱和而使流向继电器的二次电流＝0，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必象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。由于这种保护差动回路的电阻高于电流型差动保护而低于高阻抗母线差动保护，故称之为中阻抗式母线差动保护。

电流比相式母线保护

电流差动保护要求在母线外部短路或正常运行时的二次电流总和。由于在实际运行中TA特性总是存在差异，差流中不平衡电流较大，这必然会影响电流差动保护的灵敏度。这里介绍一种仅仅比较电流相位关系的比相式母线保护。电流比相式母线保护的基本原理是根据母线在内部故障和外部故障时各连接元件电流相位的变化来实现的。众所周知，当母线发生短路时，各有源支路的电流相位几乎是一致的；当外部发生短路时，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，利用这种相位关系来构成电流比相式母线保护。

双母线固定联接的母线差动保护

双母线是发电厂和变电所中广泛采用的一种母线方式。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，当任一组母线上发生故障，可只短时影响到一半的负荷供电，而另一组母线上的连接元件仍可继续运行，这就大大提高了供电的可靠性。为此，要求母线保护具有选择故障母线的能力。现就几种实现方法分析说明如下。一般情况下，双母线同时运行时，每组母线上连接的供电元件和受电元件的连接方式较为固定，因此有可能装设元件固定连接的双母线电流差动保护。

一般情况下，双母线同时运行时，每组母线上连接的供电元件和受电元件的连接方式较为固定，因此有可能装设元件固定连接的双母线电流差动保护。元件固定连接的电流差动保护的主要部分由三组差动保护组成。如图8-7所示，第一组由TA1、TA2、TA5和差动继电器KD1（I母分差动）组成，用以选择第Ⅰ组母线上的故障；第二组由TA3、TA4、TA6和差动继电器KD2（Ⅱ母分差动）组成，用以选择第Ⅱ组母线上的故障；第三组实际上是由TA1、TA2、TA3、TA4和差动继电器KD3组成的一个完全电流差动（总差动）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。

如图8-8所示，当正常运行及母线外部故障（d点）时，流经继电器KD1、KD2和KD3的电流均为不平衡电流，保护装置已从定值上躲开，不会误动作。如图8-9所示，当第Ⅰ组母线上（d点）短路时，由电流的分布情况可见，继电器KD1和KD3中流入全部故障电流，而继电器KD2中为不平衡电流，于是KD1和KD3起动。KD3动作后使母联断路器QF5跳闸。KD1动作后即可使断路器QF1和QF2跳闸，并发出相应的信号。这样就把发生故障的第Ⅰ组母线从电力系统中切除了，而没有故障的第Ⅱ组母线仍可继续运行。同理可分析当第Ⅱ组母线上某点短路时，只有KD2和KD3动作，最后由断路器QF3、QF4和QF5跳闸切除故障。

在固定连接方式破坏时，保护装置的动作情况将发生变化。例如当连接支路1自母线Ⅰ切换到母线Ⅱ上工作时，由于差动保护的二次回路不能随着切换，因此，按原有接线工作的Ⅰ、Ⅱ两组母线的差动保护都不能正确反映母线上实际连接元件的之值，因而在KD1和KD2中将出现差电流。在这种情况下保护的动作将无法选择在哪一组母线上发生了故障。纵上所述，当母线按照固定连接方式运行时，保护装置可以保证有选择性地只切除发生故障的一组母线，而另一组母线可继续运行；当固定接线方式破坏时，任一母线上的故障都将导致切除两组母线，即保护失去选择性。因此从保护的角度看，就希望尽量保证固定接线的运行方式不被破坏，这就必然限制了电力系统调度运行地灵活性，这是此种保护的主要缺点。

母联电流比相式母线差动保护

母联电流比相式母线差动保护是在具有固定连接元件的母线电流差动保护的基础上的改进，它基本上克服了后者缺乏灵活性的缺点，使之更适于作母线连接元件运行方式常常改变的母线保护。母联电流比相式母线保护的原理接线如图8-10所示。

此母线保护包括一个起动元件KST和一个选择元件KD。起动元件接在除母联断路器外所有连接元件的二次电流之和回路中，它的作用是区分两组母线的内部和外部短路故障。只有在母线发生短路时，起动元件动作后整组母线保护才得以起动。选择元件KD是一个电流相位比较继电器。它的一个线圈接入除母联断路器之外其他连接元件的二次电流之和，另一个线圈则接在母联断路器的电流互感器二次侧。它利用比较母联断路器中电流与总差动电流的相位作为故障母线的选择元件。这是因为当第Ⅰ组母线上故障时，流过母联断路器的短路电流是由母线Ⅱ流向母线Ⅰ，而当第Ⅱ组母线上故障时，流过母联断路器的短路电流则是由母线Ⅰ流向母线Ⅱ。在这两种故障情况下，母联断路器电流相位变化了180°，而总差动电流是反应母线故障的总电流，其相位是不变的。因此利用这两个电流的相位比较，就可以选择出故障母线，并切除选择出的故障母线上的全部开关。基于这种原理，当母线上故障时，不管母线上的元件如何连接，只要母联断路器中有电流流过，选择元件KD就能正确动作。因此对母线上的元件就无需提出固定连接的要求，这是母联电流比相式母线差动保护的主要优点，它有利于用在连接元件切换较多的场合。母线保护常见类型及特点比较

按照母线保护装置差电流回路输入阻抗的大小，可将其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）和高阻抗型母线保护（一般为几千Ω）。常规的母线保护及目前使用的数字式母线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。但低阻抗母线保护在外部故障TA饱和时，母线差动继电器中会出现较大不平衡电流，可能使母差保护误动作。目前数字式低阻抗母线保护中可通过采用TA饱和识别和闭锁辅助措施，能有效地防止TA饱和引起的误动。因此，数字式低阻抗母线保护在我国电力系统中得到了广泛的应用。高阻抗型母线差动保护（参见8.2.2小节）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，这对于扩建的变电站来说较难做到。中阻抗型母线保护方案于60年代末在IEEE上发表，70年代初由瑞典ASEA公司（现ABB公司）研制出基于中阻抗方案的RADSS母线保护。中阻抗型母线差动保护将高阻抗的特性和比率制动特性两者有效结合，在处理TA饱和方面具有独特的优势。它以电流瞬时值作测量比较，测量元件和差动元件多为集成电路或整流型继电器，当母线内部故障时，动作速度极快，一般动作时间小于10ms，因此又被称为“半周波继电器”。目前在我国电力系统中得到了广泛的应用。按照母线的接线方式对母线保护分类，主要有单母分段、双母线、双母带旁路（专用旁路或母联兼旁路）、双母单分段、双母双分段、1/2接线母线保护等。桥式接线和四边形接线母线不用专用母线保护。

数字式母线保护的基本判据及算法

数字式母线保护主要采用电流差动母线保护原理。此外由于数字式保护的特点，一些保护原理得以充分发挥自身性能优势。本节将就目前数字式母线保护普遍采用的普通比率制动特性、复式比率制动特性和故障分量比率制动特性母线差动保护的判据及算法进行介绍。

由于比率制动特性的电流差动保护判据是建立在基尔霍夫电流定律的基础之上的，它反映了各个连接元件电流的向量和，在通常情况下能保证在区外故障时具有良好的选择性，在区内故障时有较高的灵敏度，因此在数字式母线保护被广泛应用。

复式比率制动特性母线差动保护

普通比率制动特性电流差动保护利用穿越性故障电流作为制动电流克服差动不平衡电流，以防止在外部短路时差动保护的误动作。但在母线内部短路时，差动保护继电器中也有制动电流，尤其是在1断路器接线的母线中可能有部分故障电流流出母线，加大了制动量，在此种情况下普通的比率制动特性的母线保护的灵敏度将有所下降。为了提高比率制动特性的差动保护的灵敏性，希望进一步降低在发生内部短路时的制动电流。

理想条件下在母线外部短路时差动电流为零，则式（8-8）中第二式的左边为零；在内部短路时式（8-8）第二式的左边分母近似为零，则式（8-8）左侧很大。可见复式比率差动保护测量到的比率在内部和外部短路两种状态下扩展到了理想的极限，使得制动系数有极广的范围可以选择。所以复式比率制动特性的差动保护较普通比率制动特性的差动保护具有更加良好的选择性。从理论上也可分析出复式差动原理和普通差动保护相互之间的对应关系。3.故障分量比率制动特性母线差动保护将故障分量比率制动特性应用于母线差动保护中可避免故障前的负荷电流对比例制动特性产