第九章母线保护

第九章 母线保护

《继电保护和安全自动装置技术规程》规定 一、非专门母线保护

对于发电厂和主要变电所的3～10kV分段母线及并列运行的双母线，一般可由发电机和变压器的后备保护实现对母线的保护。

二、在下列情况下，应装设专用母线保护

1.35～66kV电力网中，主要变电所的35～66kV双母线或分段单母线需快速而有选择地切除一段或一组母线上故障，以保证系统安全稳定运行和可靠供电时。

2.110kV单母线，重要发电厂或110kV以上重要变电所的35～66kV母线，按ll0kV线路和220kV线路要求：ll0kV线路采用远后备方式、220kV线路采用近后备方式，需要快速切除母线上的故障时。

3.对220～500kV母线，应装设能快速有选择地切除故障的母线保护。对1个半断路器接线，每组母线宜装设两套母线保护。

4.须快速而有选择地切除一段或一组母线上的故障，以保证发电厂及电力网安全运行和重要负荷的可靠供电时。

5.当线路断路器不允许切除线路电抗器前的短路时。 三、专用母线保护应考虑以下问题

1.对于双母线并联运行的发电厂或变电所，当线路保护在某些情况下可能失去选择性时，母线保护应保证先跳开母联断路器，但不能影响系统稳定运行。

2.为防止误动作，应增设简单可靠的闭锁装置(1个半断路器接线的母线保护除外)。

3.母线保护动作后，(1个半断路器接线除外)对不带分支的线路，应采取措施，促使对侧全线速动保护跳闸。

4.应采取措施，减少外部短路产生的不平衡电流的影响，并装设电流回路的断线闭锁装置。 5.在一组母线或某一段母线充电合闸时，应能快速而有选择地断开有故障的母线。在母线倒闸操作时，必须快速切除母线上的故障；同时又能保证外部故障时不误动作。

6.双母线情况下，母线保护动作时，应闭锁可能误动的横联保护。 7.当实现母线自动重合闸时，必要时应装设灵敏元件。

8.对构成环路的各类母线方式(如1个半断路器方式和双母线双分段方式等)，当母线短路，该母线上所接元件的电流可能自母线流出时，母线保护不应因此而拒动。

9.在各种类型区外短路时，母线保护不应由于电流互感器饱和以及短路电流中的暂态分量而引起误动作。

10.母线保护宜适应一次各种运行方式，并能满足双母线同时故障及先后故障的动作要求。 四、对3～10kV分段母线，宜采用不完全电流差动式母线保护，保护仅接入有电源支路的电流。保护由两段组成：其第一段采用无时限或带时限的电流速断保护，当灵敏系数不符合要求时，可采用电流闭锁电压速断保护；第二段采用过电流保护，当灵敏系数不符合要求时，可将一部分负荷较大的配电线路接入差动回路，以降低保护的起动电流。

当有电源的支路经常接在不同的母线上运行时，宜在所有有电源的支路上(发电机除外)装设单独的电流闭锁电压速断保护。

第一节 母线故障及其保护方式

发电厂和变电所的母线是电力系统中重要的组成元件之一，是系统中汇集电能、分配电能的枢纽点。虽然母线不长，结构也简单，但母线也有发生故障的可能性；在发电厂或变电所的母线上可能发生单相接地或者多相短路故障。运行经验表明：大多数母线故障是单相接地；而多相短路故障所占的比例很小。发生母线故障的原因是：母线绝缘子和断路器套管的闪络；装设在母线上的电压互感器及装设在断路器和母线之间的电流互感器发生故障；操作切换时引起空气断路器和隔离开关的支持绝缘子损坏；因为空气污秽，其中含有损坏绝缘子的气体或固体物质而导致的闪络等。此外，由于运行人员的误操作例如带负荷拉隔离开关产生电弧而引起母线故障等。

母线故障，后果极其严重。它可能使电力系统失去稳定，造成大面积停电和电力系统受到严重破坏。因此，应根据系统的具体情况，采取适当的保护措施。

母线保护的主要方式有两种： 1．利用供电元件的保护装置切除母线故障

（1）在不太重要的较低电压的厂、站中可利用供电设备(发电

QF1KQF2QF1变压器保护QF3K变压器保护QF2G1发电机保护发电机保护G2QF4 图9-1 发电机保护切除母线故障 图9-2 发电机保护切除母线故障 机、线路、变压器等)的第Ⅱ段及第Ⅲ段保护来反应并切除母线故障。

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9-2在降压变电所低

QF1QF4QF3K压侧母线上K点的故障。可由变压器过电流保护来切除；在图9-3中，变压器高压侧母线上K点的故障，可由供电电源线路保护的Ⅱ段或Ⅲ段来切除。

QF2 图9-3 发电机保护切除母线故障 （2）当母线本身就属于被保护设备的单元部分，可不设专用的母线保护；在此情况下，母线为被保护设备的一部分。母线上的故障由该元件的保护来切除：

如图9-4所示的高压母线为桥式接线和角形(四角形或多角形)接线，各连接元件的断路器及其引线在线路主保护或变压器差动保护的保护范围之内，不需要装设专用的母线保护，而利用连接元件的主保护来保护母线。

图9-4 相邻元件切除母线故障 （a）内桥式接线；（b）四边形接线

2．专用的母线保护

当利用供电元件的保护装置切除切线故障时，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。因此，在下列情况下应装设专用的母线保护（详细内容见规程）；

(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(或分段)母线上所发生的故障，以保证另一组(或分段)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。 对专用的母线保护应满足速动性和选择性的要求，并尽量简化结构强调可靠性。一般按差动原理构成。

第二节 母线完全电流差动保护

一、电流差动母线保护

1．完全电流差动母线保护工作原理

完全电流差动母线保护的原理接线如图9-5所示。从结构上看，母线实际上就是电路的一个节点。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，流入电流与流出电流相等。

?I?件中电流等于零。因此

n＝0

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，而在供电给负荷的连接元

?I?n? ＝IK根据上述特征，为保证一次侧电流总和为零时，二次侧的电流总和也为零，母线上的所有连接元件上都装设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，在外部的端子也互相连接，然后接人差动保护。这样，保护中的电流

?I?n为各个二次电流的相量和。

KQF1QF2QF3母线差动保护 在正常运行及外部故障时，流入保护的电流是由于各互感器的特性不同而引起的不平衡电

?；而当母线上(如图9-5中Ｋ点)故障时，流Iunb则所有与电源连接的元件都向Ｋ点供给短路电流，于是流入保护的一次电流为

??I1?I1?I2??I2?I3??I3??I??I??I? （9-1） Im123即为故障点的全部短路电流，此电流足够使保护动作，从而使断路器QF1、QF2和QF3跳闸。

图9-5 母线完全电流差动保护 2．完全电流差动母线保护整定原则

差动电流按下述条件计算，并取其中的较大者为整定值。

（1）躲开外部短路时流入差动回路的最大不平衡电流。当所有电流互感器均按10％误差曲线选择，且差动保护具有速饱和特性时，其动作电流Ｉset可按下式计算

Iset?KrelIunb.max （9-2）

式中 Ｋrel——为可靠系数，取1.3。

Iunb.max——为最大不平衡电流。

（2）按躲开最大负荷电流，即

Iset?KrelIL.max （9-3）

式中 IL.ma——母线所有连接元件中最大的负荷电流。 x保护中的电流为二次值

Iset.K?1KrelIL.max （9-4） nTA式中 nTA——为电流互感器变比。

在母线内部短路时，应按下式校验灵敏系数，其灵敏系数应不小于2

Ksen?式中 IK.mi——母线短路时，最小的短路电流。 nIK.min Iset第三节 双母线电流差动保护

母线差动保护由分相式比率差动元件构成，TA极性要求各支路TA同名端在母线侧，母联TA同名端在一母侧。差动回路包括母线大差回路和各段母线小差回路，如图9-6所示。母线大差是指除母联开关和分段开关外所有支路电流所构成的差动回路。某段母线的小差是指该段母线上所连接的所有支路（包括母联和分段开关）电流所构成的差动回路。母线大差比率差动用于判别母线区内和区外故障，小差比率差动用于故障母线的选择。

1）起动元件

a）电压工频变化量元件，当

图9-6 标准双母线保护 Ⅰ母小差电流**Ⅱ母小差电流***大差电流*************** 两段母线任一相电压工频变化量大于门坎（由浮动门坎和固定门坎构成）时电压工频变化量元件动作，其判据为

△u >△UT +0.05UN （9-5）

其中：△u为相电压工频变化量瞬时值；0.05UN 为固定门坎；△UT 是浮动门坎，随着变化量输出变化而逐步自动调整。

b）差流元件，当任一相差动电流大于差流起动值时差流元件动作，其判据为

Id > Id.st （9-6）

其中：Id为大差动相电流；Id.st为差动电流起动定值。

母线差动保护电压工频变化量元件或差流元件起动后展宽500ms。 2）比率差动元件 a） 常规比率差动元件 动作判据为：

?Ij?1mj?Id.st （9-7）

m?Ij?1mj?K?Ij

j?1 其中：K为比率制动系数；Ij为第j个连接元件的电流；Id.st为差动电流起动定值。其动作特性曲线如图9-7所示。

为防止在母联开关断开的情况下，弱电源侧母线发生故障时大差比率差动元件的灵敏度不够，大差比例差动元件的比率制动系数有高低两个定值。母联开关处于合闸位置以及投单母或刀闸双跨时大差比率差动元件采用比率制动系数高值，而当母线分列运行时自动转用比率制动系数低值。

b） 工频变化量比例差动元件

为提高保护抗过渡电阻能力，减少保护性能受故障前系统功角关系的影响，本保护除采用由差流构成的常规比率差动元件外，还采用工频变化量电流构成了工频变化量比率差动元件，与低制动系数（取0.2）的常规比率差动元件配合构成快速差动保护。其动作判据为：

?Ij?Ij??Ij动作区?Ij?K?IjId.st?Ij ??Ij??DIT?DId.st （9-8）

j?1m??Ij?K???Ij （9-9）

j?1j?1mm其中K?为工频变化量比例制动系数，大差变化量比例制动系数可以整定，一般取0.75，当母线区内故障有较大电流流出时，可根据流出的电流比适当地降低变化量比率制动系数定值，小差固定取0.75；△Ij为第j个连接元件的工频变化量电流；△DIT为差动电流起动浮动门坎；DId.st为差流起动的固定门坎,由Id.st得出。

3）故障母线选择元件

差动保护根据母线上所有连接元件电流采样值计算出大差电流，构成大差比例差动元件，作为差动保护的区内故障判别元件。

对于分段母线或双母线接线方式，根据各连接元件的刀闸位置开入计算出两条母线的小差电流，构成小差比率差动元件，作为故障母线选择元件。

当双母线按单母方式运行不需进行故障母线的选择时可投入单母方式压板。当元件在倒闸过程中两条母线经刀闸双跨，则装置自动识别为单母运行方式。这两种情况都不进行故障母线的选择，当母线发生故障时将所有母线同时切除。

母差保护另设一后备段，当抗饱和母差动作（下述TA饱和检测元件二检测为母线区内故障），且无母线跳闸，则经过250ms切除母线上所有的元件。

另外，装置在比率差动连续动作500ms后将退出所有的抗饱和措施，仅保留比率差动元件（

?Ij?1mj?Id.st，?Ij?K?Ij），若其动作仍不返回则跳相应母线。这是为了防止在某些复杂故障

j?1j?1mm情况下保护误闭锁导致拒动，在这种情况下母线保护动作跳开相应母线对于保护系统稳定和防止事故扩大都是有好处的。（而事实上真正发生区外故障时，TA的暂态饱和过程也不可能持续超过500ms）

第四节 母线保护应用举例

本节以南瑞RCS915A为例

RCS—915AB 型微机母线保护装置，适用于各种电压等级的单母线、单母分段、双母线等各种主接线方式，母线上允许所接的线路与元件数最多为21 个（包括母联），并可满足有母联兼旁路运行方式主接线系统的要求。

保护配置

RCS—915AB 型微机母线保护装置设有母线差动保护、母联充电保护、母联死区保护、母联失灵保护、母联过流保护、母联非全相保护以及断路器失灵保护等功能。

性能特征

??允许TA 变比不同，TA 调整系数可以整定 ??高灵敏比率差动保护

??新型的自适应阻抗加权抗TA饱和判据 ??完善的事件报文处理 ??友好的全中文人机界面

??灵活的后台通讯方式，配有RS-485 和光纤通讯接口(可选)

??支持电力行业标准DL/T667-1999（IEC60870-5-103 标准）的通讯规约

??与COMTRADE 兼容的故障录波 装置硬件配置

装置核心部分采用Mortorola 公司的32 位单片微处理器MC68332，主要完成保护的出口逻辑及后台功能，保护运算采用AD 公司的高速数字信号处理（DSP）芯片，使保护装置的数据处理能力大大增强。装置采样率为每周波24 点，在故障全过程对所有保护算法进行并行实时计算，使得装置具有很高的固有可靠性及安全性。具体硬件模块图，见图9-8所示。

输入电流、电压首先经隔离互感器传变至二次侧(注:电流变换器的线性工作范围为40IN)，成为小电压信号分别进入CPU 板和管理板。CPU 板主要完成保护的逻辑及跳闸出口功能，同时完成事件记录及打印、保护部分的后台通讯及与面板CPU 的通讯；管理板内设总起动元件，起动后开放出口继电器的正电源，另外，管理板还具有完整的故障录波功能，录波格式与COMTRADE 格式兼容，录波数据可单独串口输出或打印输出。

保护配置 1. 母线差动保护

投入母差保护压板及投母差保护控制字，见图9-9所示。 1）区外故障

短接元件1的I母刀闸位置及元件2的II母刀闸位置接点。

将元件2TA与母联TA同极性串联，再与元件1TA反极性串联，模拟母线区外故障。通入大于差流

管理板串打口印CPU2CPU板串打口印QDJ+E外部开入出口继电器交流信号低通滤波A/DDSP1DSP2CPU1CPLD光隔低通滤波A/DDSP3DSP4CPLD光隔外部开入 图9-8 硬件模块图 起动高定值的电流，并保证母差电压闭锁条件开放，保护起动。

2）区内故障

短接元件1的I母刀闸位置及元件2的II母刀闸位置接点。

将元件1TA、母联TA和元件2 TA同极性串联，模拟I母故障。通入大于差流起动高定值的电流，

△BLCD△BLCD1△Z△U1BLCD'加算权法&&BLCD1'≥1Ubs&跳I母SWXB谐波制动开放BLCD△U1≥1Id>BLCD1&&△U1 : I母电压工频变化量元件△Z : 工频变化量阻抗元件Id : 差流起动元件△BLCD1: I母工频变化量比率差动元件△BLCD : 大差工频变化量比率差动元件BLCD' : 大差比率差动元件（K=0.2）BLCD1' : I母比率差动元件（K=0.2）BLCD : 大差比率差动元件BLCD1 : I母比率差动元件Ubs : I母电压闭锁元件SW : 母差保护投退控制字XB : 母差保护投入压板 图9-9 差动保护工作原理图 并保证母差电压闭锁条件开放，保护动作跳I母。

将元件1TA和元件2TA同极性串联，再与母联TA反极性串联，模拟II母故障。通入大于差流起动高定值的电流，并保证母差电压闭锁条件开放，保护动作跳II母。

投入单母压板及投单母控制字。重复上述区内故障，保护动作切除两母线上所有的连接元件。 3）比率制动特性

短接元件1及元件2的I母刀闸位置接点。

??I?，制动电流为向元件1TA和元件2TA加入方向相反、大小可调的一相电流，则差动电流为I12BSMC10100SW2母联KTP两母线均有电压母联IU>0.04In母联IV>0.04In母联IW>0.04In1&10300&&≥1≥1SW1XBCDBS闭锁母差母联IU>Ichg母联IV>Ichg母联IW>Ichg≥1&跳母联Ichg:母联充电保护定值CDBS:母联充电保护闭锁母差保护控制字投入SW : 母联充电保护保护投退控制字XB : 母联充电保护投入压板图9-10 母联充电保护的逻辑框图 ??I?。分别检验差动电流起动定值I和比率制动特性。 K?I12Hcd 4）电压闭锁元件

在满足比率差动元件动作的条件下，分别检验保护的电压闭锁元件中相电压、负序和零序电压定值，误差应在±5％以内。

2. 母联充电保护

投入母联充电保护压板及投母联充电保护控制字，见图9-10所示。

短接母联KTP开入（KTP＝1），向母联TA通入大于母联充电保护定值的电流，同时将母联KTP变为0，母联充电保护动作跳母联。

3. 母联过流保护

投入母联过流保护压板及投母联过流保护控制字。

向母联TA通入大于母联过流保护定值的电流，母联过流保护经整定延时动作跳母联。 4. 母联失灵保护 如图9-11所示，按上述试验步骤模拟母线区内故障，保护向母联发跳令后，向母联TA继续通入大于母联失灵电流定值的电流，并保证两母差电压闭锁条件均开放，经母联失灵保护整定延时母联失灵保护动作切除两母线上所有的连接元件。

5. 母联死区保护，如图9-12 1）母联开关处于合位时的死区故障

用母联跳闸接点模拟母联跳位开入接点，按上述试验步骤模拟母线区内故障，保护发母线跳令后，继续通入故障电流，经50ms母联死区保护动作将另一条母线切除。

2）母联开关处于跳位时的死区故障

短接母联KTP开入（KTP＝1），按上述试验步骤模拟母线区内故障，保护应只跳死区侧母线。（注意：故障前两母线电压必须均满足电压闭锁条件,另外故障时间不要超过300ms。）

6. 断路器失灵保护

投入断路器失灵保护压板及投失灵保护控制字。

图9-11 母联失灵保护逻辑框图 母差跳一母（或母差跳二母）充电动作母联IU>Imsl母联IV>Imsl母联IW>Imsl一母复合电压闭锁二母复合电压闭锁&>=1??&>=1Tmsl切除两段母线

1）方式一

退出投失灵方式二控制字，见图9-13所示，并保证失灵保护电压闭锁条件开放，分别短接I母、II

母联KTP两母线均有电压1&≥10300母联IU>0.04In母联IV>0.04In母联IW>0.04In母差跳一母一母比例差动元件大差比例差动元件二母比例差动元件母差跳二母&母联电流退出小差&&&50ms跳二母&图9-12 母联死区保护逻辑框图 &50ms跳一母母失灵开入，断路器失灵保护经跳母联时限跳开母联，经失灵时限切除相应母线的各个连接元件。 2）方式二

投入投失灵方式二控制字，并保证失灵保护电压闭锁条件开放，见图9-14所示。

对于分相跳闸接点的起动方式：短接任一分相跳闸接点，并在对应元件的对应相别TA中通入大于失灵相电流定值的电流（若整定了经零序电流闭锁，则还应保证对应元件中通入的零序电流大于相应的零序电流整定值），失灵保护动作。 而对于三相跳闸接点的起动方式：短接任一三相跳闸接点，并在对应元件的任一相

失灵起动装置I母失灵开入I母刀闸位置接点+TA中通入大于失灵相电流定值的电流（若整定了经零序/负序电流闭锁，则还应保证对应元件中通入的零序/负序电

保护动作接点过流动作RCS—915AII母失灵开入II母刀闸位置接点图9-13 断路器失灵保护失灵方式一接点连接示意图 流大于相应的零序/负序电流整定值），失灵保护动作。

失灵保护起动后经跟跳延时再次动作于该线路断路器，经跳母联延时动作于母联，经失灵延时切除该元件所在母线的各个连接元件。 3）失灵电流元件

对于失灵方式二，在满足电压闭锁元件动作的条件下，分别检验失灵保护的相电流、负序和零序电流定值，误差应在±5％以内。

4）电压闭锁元件

在满足失灵电流元件动作的条件下，分别检验保护的电压闭锁元件中相电压、负序和零序电压定值，误差应在±5％以内。

7. 交流电压断线报警

1）模拟单相断线，母线三相电压矢量和大于0.3Un，即断线相残压<38V时，延时1.25秒报该母线TV断线。

２）模拟三相断线，|Uu|＝|Uv|＝|Uw| < 18V，并在母联TA通入大于0.04IN电流。延时1.25秒报该母线TV断线。

8. 交流电流断线报警

1跳U0&0IU>Isl跳VIV>Isl跳WIW>IslI0>I0sl00&00>=100000&0000&000&0+投零序电流闭锁00SWXB0TgtTml跟跳本线路跳母联切除一母各单元2I2>I2slTSIU>IslIV>IslIW>Isl一母失灵电压闭锁投负序电流闭锁+Tsl0&00&00>=100TgtTml跟跳本线路跳母联切除二母各单元0000&0Tsl一母失灵起动运行方式判别二母失灵起动二母失灵电压闭锁SW : 断路器失灵保护保护投退控制字XB : 断路器失灵保护保护投入压板00&00 图9-14 断路器失灵保护失灵方式二逻辑框图 １）在电压回路施加三相平衡电压，向任一支路通入单相电流>0.06In，延时10秒发TA断线报警信号。

２）在电压回路施加三相平衡电压，在任一支路通入三相平衡电流>IDX，延时10秒发TA断线报警信号。

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