母线保护

发电厂和变电站重要组成部分

母线是发电厂和变电站重要组成部分之一，当发电厂变电站母线发生故障时，如不及时切除故障，将会损坏众多的电力设备，破坏系统的稳定性，造成变电站全站停电，严重的话会造成全电力系统瓦解。

概念

母线是电力系统的重要设备，在整个输配电系统中起着非常重要的作用。母线连接的设备很多，电气接线复杂。相关设备操作频繁，设备外绝缘击穿、机械损坏、外力异物、人员误操作等均可能造成母线故障。

母线故障是电力系统最严重故障之一。一旦出现问题，连接在该母线上的所有设备必然被切除，势必造成较大面积的停电。枢纽变电站的母线故障若不能及时切除，还有可能引发电力系统稳定破坏的事故。由于母线位于变电站内部，定期的检查与维护降低了母线故障的概率，即便如此，母线故障并不能完全避免，需要配置性能完善的保护，以便在母线故障时，及时切除故障，保证电力系统的安全稳定运行。

对于非重要且对系统影响较小的母线，当母线发生故障时。可以依靠与母线相连设备的后备保护切除。图1所示为简单电力系统，当变电站M母线发生故障时，若分段断路器QF处于合闸位置，当没有装设专用母线保护时，则由QF1、QF2所在处的线路保护Ⅱ段动作（通常情况下QF3、QF4处的线路保护不动作）切除故障。

基本原理

电流差动母线保护的原理

电流差动母线保护原理是母线保护的一种最常用的保护原理，其主要原理依据是基尔霍夫电流定律。对于一个母线系统，母线上有n 条支路。

Id = I1 + I2 + I3 + ……+ In，为流入母线的和电流，即母线保护的差动电流。当系统正常运行或外部发生故障时，流入母线的电流和为零，即母线差动保护的差动电流，母线保护不动作。当母线发生故障时，等于流入故障点的电流，如果大于母线保护所设定的动作电流时，母线保护将会动作。在实际的系统中，微机保护“差电流”与“和电流”不是从模拟电流回路中直接获得，而是通过电流采样值的数值计算求得，即通过采集母线各支路的电流互感器（以下简称CT）的电流值，由母线保护装置计算所得。因此，电流互感器能否正确提供电流信息，成为母线保护正确动作的一个关键因素。实际中，当母线系统外部发生故障时母线差动电流Id≠0，而为一小的数值，这就是由于电流互感器误差而产生的差动不平衡电流。差动不平衡电流的大小随着故障电流的增大而增大，当区外近距离发生故障时，差动不平衡电流增大，有可能导致保护装置误动。为了避免保护误动，提出具有制动特性的母线差动保护。

具有制动特性的母线差动保护

根据制动特性的不同，可以将具有制动特性的母线差动保护分为：比率差动，大电流范围制动，复式比率差动。比率差动继电保护的原理是采用一次的穿越电流作为制动电流，母线保护动作电流随制动电流的变化而变化，从而使其在母线区外故障时能够有一定的制动能力。其动作方程为

Id>Idset

Id ≥ K·Ir

式中Id为差动电流，Idset为差动电流整定门槛，它的整定原则是避免母线外部短路时的最大不衡电流。Ir为制动电流，是指母线所有连接元件电流的绝对值之和。K为比率制动系数，不同制动系数K对应的C的误差承受能力不同。其动作特性曲线如图2所示。当发生在母线发生区外短路故障时，此时虽然因为CT饱和出现不平衡流，但由于故障支路上电流会明显增大，从而使制动电流Ir也增大，能够提供较强的制动能力，从而能够防止此时CT饱和所造成的误动。比率差动母线保护采用一次的穿电流作为制动电流，使保护在区外故障时有较强的制动能力。但是在母线内部故障时，制动电流仍然存在，这就导致在母线内部故障时保护的灵敏度有所下降。例如，当区内发生故障时，差动电流Id满足Id>Idset，但此时某些支路上电流较大，制动电流较大，导致Id < K·Ir，此时保护将会拒动。因此比率差动母线保护在母线区内故障时由于制动电流的存在导致保护灵敏度和可靠性有所降低。大电流范围制动保护是比率差动保护的原理的进一步发展，它在一定程度上提高了母线保护的灵敏性与可靠性。其原理是在比率差动的基础上给制动电流设置一个门槛值Is，并且通过逻辑器件判断制动电流是否达到门槛值来进行操作，从而能够提高比率差动原理在小电流范围的可靠性。

其动作方程为Id > Idset；Id > K·（Ir- Is）

式中：（Ir- Is）——逻辑判断式，当Ir- Is大于零时取（Ir- Is），否则取零。

要求

1．设置

光伏发电系统设有母线时。可不设专用母线保护，发生故障时可由母线有源连接元件的后备保护切除故障。

有特殊要求时，如后备保护时限不能满足要求，也可设置独立的母线保护装置。

2．10kV母线保护

（1）配置原则。若光伏系统侧为线变组接线，经升压变后直接输出，不配置母线保护。

对于设置10kW母线的光伏系统，10kV母线保护配置应与10kV线路保护统筹考虑。当系统侧配置线路过电流或距离保护时，光伏系统侧可不配置母线保护。仅由变电站侧线路保护切除故障；当线路两侧配置线路纵联电流差动保护时．光伏系统侧宦配置一套母线保护；在光伏系统时限允许时。也可仪靠各进线的后备保护切除故障。

（2）技术要求。母线保护接线应能满足最终一次接线的要求。

母线保护不应受电流互感器暂态饱和的影响而发生不正确动作，并应允许使用不同变比的电流互感器。

母线保护不应因母线故障时流出母线的短路电流影响而拒动。

3．系统侧变电站

需要校验系统侧变电站的母线保护是否满足接入方案的要求。若能满足接人的要求，予以说明即可。若不能满足光伏系统接人方案的要求，则系统侧变电站需要配置母线保护。

4．380V母线保护

380V/220V不配置母线保护。

5．其他要求

需核实变电站侧备自投方案、相关线路的重合闸方案，要求根据防孤岛检测方案，提出调整方案；光伏系统线路接人变电站后，备自投动作时间须躲过光伏系统防孤岛检测动作时间；10kV公共电网线路投入自动重合闸时，应校核重合闸时间。

应用现状

1．电流相位比较式母线保护

电流相位比较式母线保护的原理是利用总差动电流判别是否为母线上发生故障。在判别为母线故障的情况下，以差动电流为参考量，用母联电流相位判别故障母线。这种保护可以省略交流切换回路，简化二次接线，适应一次系统的倒闸操作，它不受母线上元件连接方式的影响。但存在以下问题：

1）根据电力系统潮流分配、减小系统短路容量等运行方式的需要，要求将两组母线分列运行时，母线保护将失去选择故障母线组的能力；

2）当两条母线同时故障或相继故障时，只能切除先发生故障的母线，不能切除后发生故障的母线。因为母联开关跳闸后，母联电流消失，母差保护选择元件不能动作，致使后发生故障的母线不能切除；

3）当故障发生在母联断路器和母联电流互感器之间时，无故障母线将被切除；

4）当母线故障母差保护动作，若母联开关失灵，母差保护将无法切除故障。

20世纪七八十年代曾在我国出现的LXB型母差保护就是基于这种原理的典型产品。从电网的要求看，这种保护无论在性能还是运行维修方面都难以适应，将逐步被淘汰。

2．中阻抗型母线保护

中阻抗型母线电流差动保护充分掌握并利用了电流互感器饱和的暂态特性，较好地解决了区外故障电流互感器饱和不误动，区内故障正确快速动作。该种保护对电流互感器无特殊要求，电流互感器变比可以不一致。其最突出的优点是原理先进而电路和结构都十分简单，它们在220kV及以下电网中广泛采用，取得了较成功的运行业绩。

中阻抗型母线保护方案是基于以下2个基本假设：

1）对于外部故障，完全饱和的连接元件的电流互感器二次回路可以只用其全部直流回路电阻表示；

2）对于内部故障，空载的连接元件的电流互感器二次回路可以用一个较大的励磁阻抗表示。

它的原理是把高阻抗特性和比率制动特性结合起来的一种保护。由于电流互感器饱和时的特性即励磁阻抗变得非常小，励磁电流随之变得非常大，电流互感器二次回路分得的电流也就很小。在母线外部故障时，差动回路的差动电流变大，因此在差动回路中巧妙地串人一个阻值较大的电阻Red，当外部发生故障致使故障支路电流互感器完全饱和时，故障支路的二次阻抗可近似为其全部直流回路电阻与导线电阻之和，远小于差动回路中的电阻值，从而使流过所有非故障元件的二次电流之和（等于故障电流）被强制通过故障元件电流互感器的二次绕组构成的通路，使流过差动回路上的电流大大减小，加在继电器上的电压是数值不大的不平衡电压。当母线内部发生故障时，流过差动回路的电流（总故障电流的二次电流）很大，加在差动继电器上的电压升高，使继电器动作。这种方法有效地解决了外部故障时因电流互感器饱和带来的保护误动问题，保证母线保护可靠、正确、快速动作，且装置原理及实现等方面优于微机母线保护。此外，由于国内外微机装置刚刚出现，运行经验缺乏，因此今后几年内中阻抗母线保护装置仍将发挥重要作用。

但中阻抗母差保护存在双母线位置切换不可靠及非微机型保护无自检和通信功能等问题，近年来，已开始逐步被微机型母差保护所取代。

3．高阻抗型母线保护

高阻抗母差保护的原理与中阻抗母差保护相近。为防止区外故障母差保护误动作，中阻抗母差保护在差电流回路接人了中阻抗，为确保区外故障母差保护的可靠性，还必须校验从母差保护向电流互感器方向看整个二次回路的电阻是否满足要求。这在二次回路电缆较长、比率制动系数较大的情况下是困难的。高阻抗母差保护在这方面性能要好得多。高阻抗母差保护也称电压型母差保护，差动回路电阻一般为几千欧姆。与中阻抗母差保护类似，高阻抗母差保护对于区内故障也采用电流互感器饱和前快速动作的方式，区内故障动作速度快。高阻抗母差保护灵敏度高，二次回路接线简单，调试方便，主要技术问题是过电压问题。这在一定程度上限制了它在国内电网的应用。

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