快速、准确、选择性的母线故障保护原理介绍

母线是电厂中最重要的电气设备之一，起着汇集和分配电能的作用。母线上连接的设备多、电气接线复杂、电压等级高、与电网联系紧密，因此，母线故障的性质一般比较严重，对电力系统的安全危害较大。母线故障开始阶段多数表现为单相接地故障，而随着电弧的移动，故障往往发展为两相或三相接地短路。母线上连接元件的后备保护虽然可以切除母线故障，但时间较长，系统电压长时间降低，会破坏系统稳定性。综上所述，装设能够快速、准确、有选择的切除故障的母线保护是十分必要的。

（一）母差保护原理

各种类型的母线保护就其对母线接线方式、电网运行方式、故障类型以及故障点过渡电阻等方面的适应性来说，仍以按电流差动原理构成的母线保护为最佳，母线差动保护是电力系统发电厂及变电站高压母线的主保护。

1.母线差动回路的构成

母线差动回路由母线大差动和各段母线的小差动所组成。

母线大差动：除母联断路器和分段断路器以外的母线所有其余支路构成的大差动回路，大差不受母线运行方式的影响。母线大差用于判别母线区内和区外故障。

各段母线小差动：与该段母线相连的各支路电流构成的差动回路，其中包括与该段母线相关联的母联断路器和分段断路器。小差元件与各支路隔离开关位置有关，软件自动识别，对小差电流实时组合。各段母线小差用于故障母线的选择。

CT极性规定：支路CT极性为母线侧；母联断路器为Ⅱ母侧。

如图7-1所示。

图7-1 母差保护原理简图

Ⅰ母线小差动差动电流：I_d1=I₃＋I₄－I_M

Ⅱ母线小差动差动电流：|I_d2=I₁＋I₂＋I_M|

母线大差动差动电流：|I_d=I₁＋I₂＋I₃＋I₄|

式中 I₁——X_-1支路电流；

I₂——X_-2支路电流；

I₃——X_-3支路电流；

I₄——X_-4支路电流；

I_M——流过母联的电流。

2.母差保护的原理

规定了CT的正极性端在母线侧，电流参考方向定为由线路流向母线为正方向后。正常运行时，在母线所有连接元件中，流入的电流和流出的电流相等。即：∑I=|I₁＋I₂＋I₃＋I₄|=0。

（1）母差保护范围外故障时，如线路3上发生故障，如图7-2所示，此时线路1、2、4短路电流是流向母线，为正值，线路3电流是流出母线，为负值。把母线看成电路上的一个结点，由基尔霍夫电流定律，通过某一结点的所有支路电流代数和等于零，所以差动电流为零，差动保护不动作。

I_d=|I₁＋I₂＋I₃＋I₄|=0

此时 |I₃|=|I₁＋I₂＋I₄|

（2）母差保护范围内故障时，如图7-3所示，各元件实际短路电流都是由线路流向母线，和参考方向一致，都是正值，此时差动电流很大，差动保护动作。

图7-2 母差保护范围外故障图

图7-3 母差保护范围内故障图

此时 I_d=I₁＋I₂＋I₃＋I₄

为了防止由于差动保护或断路器失灵保护的出口回路被误碰或出口继电器损坏等原因导致母线保护动作，增加了复合电压闭锁。

3.母差保护逻辑框图（见图7-4）

双母线的母差保护，根据目前的母差保护原理，在一次系统转换运行方式的过程中，应投入互联功能。因为在倒闸操作时，两条母线的隔离开关跨接在两母线之间，如果这时母线发生故障，母差保护无法正确判断。因此，这时应投入互联方式，即非选择方式，不进行故障母线的选择，一旦发生故障同时切除两段母线上的所有单元。

图7-4 母差保护逻辑框图

（二）母联死区保护、失灵保护

1.母联死区保护

母线并列运行时，当故障发生在母联开关与母联CT之间时，母联断路器侧母线段跳闸出口无法切除该故障，而CT侧母线段的小差元件不会动作，这种情况称之为死区故障。

（1）如图7-5所示，母线并列运行时，当故障点在母联断路器LK与母联CT之间时，大差起动，Ⅰ母线小差动不动作，Ⅱ母线小差动动作跳母联断路器LK、支路3L、4L，但故障仍然存在。由于母差已动作于Ⅱ母，母联断路器LK已跳开，大差不返回，母联CT有电流，判死区故障，经延时闭锁母联CT，母联电流不计入小差，跳Ⅰ母的1L、2L。

（2）如图7-6所示，母线分列运行时，因为母联CT已闭锁，此时母联电流不计入小差，所以保护可直接跳故障母线，避免了故障切除范围的扩大。

图7-5 死区故障保护原理图1（双母并列运行）

图7-6 死区故障保护原理图2（双母分列运行）

上述两个保护有共同之处，即故障点在母线上，跳母联断路器经延时后，大差元件不返回且母联CT仍有电流，跳两段母线。

2.母联失灵保护

当保护向母联断路器发跳闸指令后，经整定延时母联电流仍然大于母联失灵电流定值时，母联失灵保护经两母线电压闭锁后切除两母线上所有连接元件。只有母差保护和母联充电保护才起动母联失灵保护。

如图7-7所示，当Ⅰ母故障时，母线大差起动，Ⅰ母线小差动动作跳支路开关1L、2L，但母联断路器LK应跳而未跳开，母联失灵过电流，经延时闭锁母联CT，Ⅱ母线小差动有电流，母差保护动作跳支路开关3L、4L。母联失灵保护、死区故障保护实现逻辑框图见图7-8。

（三）母联充电保护

双母接线主接线的其中一条母线停电检修后，可以通过母联断路器对检修母线充电以恢复双母运行。此时投入母联充电保护，当检修母线有故障时，可跳开母联断路器，切除故障。

母联充电保护的起动需同时满足三个条件：

1）母联充电保护压板投入；

2）其中一条母线已失压，且母联断路器已断开；

3）母联电流从无到有。(www.xing528.com)

母联充电保护逻辑框图如图7-9所示。

图7-7 母差失灵保护原理图

图7-8 母联失灵保护、死区故障保护实现逻辑框图

图7-9 母联充电保护逻辑框图

母联充电保护投入后，当母联任意一相电流大于充电电流定值，经整定延时跳开母联断路器，不经复合电压闭锁。充电保护投入期间是否闭锁差动保护可设置保护控制字的相关项进行选择。

（四）母联过电流保护

母联过电流保护可以作为母线解列保护，也可以作为线路（变压器）的临时应急保护。

母联过电流保护压板投入后，当母联任一相电流大于母联过电流定值，或母联零序电流大于母联零序过电流定值时，经可整延时跳开母联断路器，不经复合电压闭锁。

母联过流保护逻辑框图如图7-10所示。

图7-10 母联过电流保护逻辑框图

（五）电流回路断线闭锁

母差CT断线差电流大于CT断线定值，延时9s发CT断线告警信号，同时闭锁母差保护。电流回路正常后，0.9s自动恢复正常运行。CT断线逻辑框图见图7-11。

母联电流回路断线，并不会影响保护对区内、区外故障的判别，只是会失去对故障母线的选择性。因此，母联断路器电流回路断线不需要闭锁差动保护，只需转入母线互联（单母方式）即可。母联电流回路正常后，需手动复归恢复正常运行。由于母联断路器的电流不计入大差，母联电流回路断线时上一判据并不会满足。而此时与该母联断路器相连的两段母线小差电流都会越限，且大小相等、方向相反。

图7-11 CT断线逻辑框图

母联断路器CT断线逻辑框图如图7-12所示。

图7-12 母联断路器CT断线逻辑框图

（六）电压回路断线告警

任何一段非空母线差动电压闭锁元件动作后延时9s发PT断线告警信号。除了该段母线的复合电压元件将一直动作外，对保护没有其他影响。

（七）断路器失灵保护

断路器失灵保护是指当故障线路或元件的继电保护装置动作发出跳闸脉冲后，断路器拒动作时，能够以较短的时限切除同一变电站内其他相关断路器，以使停电限制在最小范围的一种近后备保护。

断路器失灵起动接入母线保护盘有两种方式：

（1）第一种接入方式：接入的量包括其他保护跳闸接点闭合和该断路器依然有电流两个信息，然后由母线保护装置经复合电压闭锁发跳闸命令。

（2）第二种接入方式：接入的量只是其他保护跳闸接点闭合的信息，判断该断路器是否有电流、是否有负序或零序电流、该连接元件接在哪条母线以及复合电压闭锁和计延时工作都由母线保护装置完成。

常用的为第一种接入方式。

1.外部起动母联失灵保护

若有外部母联保护装置动作于母联断路器失灵，由该母联保护的失灵起动装置提供一个失灵起动接点给本装置。本装置检测到外部母联失灵起动接点闭合后，起动母联断路器失灵出口逻辑，当母联电流大于母联失灵定值（同母联失灵保护中的定值），经失灵复合电压闭锁，按可整定的‘母联失灵延时’跳开Ⅰ母线或Ⅱ母线连接的所有断路器。

母联外部失灵起动逻辑框图如图7-13所示。

图7-13 母联外部失灵起动逻辑框图

2.断路器失灵保护

断路器失灵保护可以与母线保护共用跳闸出口，采用自带电流检测元件方式。

当母线所连的某断路器失灵时，由该线路或元件的失灵起动装置提供一个失灵起动接点给本装置。本装置检测到某一失灵起动接点闭合，且该元件电流三相任一相过电流（可整定是否也经零序电流或负序电流过电流），起动该断路器所连的母线段失灵出口逻辑，经失灵复合电压闭锁，按可整定的‘失灵出口延时1’跳开联络开关，‘失灵出口延时2’跳开该母线连接的所有断路器。

对于变压器或发变组间隔，设置“解除失灵保护电压闭锁”的开入接点。如某支路失灵整定为不经电压闭锁，当该支路起动失灵保护开关接点和“解除失灵保护电压闭锁”的开入接点同时动作后，自动实现解除该支路所在母线的失灵保护电压闭锁。

若没有失灵起动装置，本装置本身可以实现检测断路器失灵的过电流元件。将元件保护的保护跳闸接点引入装置。分相跳闸接点则分相检测电流，三相跳闸接点则检测三相电流。对于220kV系统，母差装置引入线路保护的三跳接点和单跳接点以及变压器保护的三跳接点。

失灵过电流逻辑框图如图7-14所示。

3.失灵电压闭锁元件

失灵的电压闭锁元件，与差动的电压闭锁类似，也是以低电压（线电压）、负序电压和3倍零序电压构成的复合电压元件。只是使用的定值与差动保护不同，需要满足线路末端故障时的灵敏度。同样失灵出口动作，需要相应母线段的失灵复合电压元件动作。

图7-14 失灵过电流逻辑框图

（八）母线分列运行的说明

对于分段母线（双母线或单母分段），当母线断路器断开，母线分列运行时，需要考虑以下两种情况。

如图7-15所示，母线分列运行时，Ⅱ母故障，Ⅰ母上的负载电流仍然可能流出母线。特别是在Ⅰ、Ⅱ母线分别接大、小电源或者母线上有近距离双回线时，电流流出母线的现象特别严重。此时，大差灵敏度下降。因此，装置的大差比率元件采用2个定值，母线并列运行时，用比率系数高值；母线分列运行时，用比率系数低值。装置根据母线运行状态自动切换定值。

图7-15 母线分列运行Ⅱ母故障

如图7-16所示，母线分列运行时，死区故障，故障点位于母联的开关和CT之间。装置直接封母联CT，此时差动保护只出口跳Ⅱ母直接封母联CT，此时差动保护只出口跳Ⅱ母。

装置通过自动和手动两种方式判别母线是并列运行还是分列运行。自动方式是将母联（分断）断路器的常开和常闭辅助接点引入装置的端子，若开关的常开和常闭接点不对应，装置默认为开关合，同时发开入异常告警信号；手动方式是运行人员在母联（分段）断路器断开后，投“母线分列压板”，在合母联（分段）断路器前，退出该压板。以上两种方式中，手动方式优先级最高。即若投“母线分列压板”，装置认为母线分列运行；若退“母线分列压板”，装置根据自动方式判别母线运行状态。