解析母线故障及其保护方法

高压母线上发生故障的原因多种多样，其故障可归纳为3种：一是母线上所连设备（包括开关、电流互感器、电压互感器、避雷器）故障；二是母线瓷瓶（包括隔离刀闸、支持瓷瓶）闪络或母线的带电导线直接闪络；三是某些人为的操作和作业引起的故障。

一般来说，如果不装设特殊的母线保护设备，靠相邻元件的保护作后备，最终也可以切除故障，但这将延长故障切除时间，并且往往要扩大停电范围。由于未装设专用的母线保护装置或母线保护装置在停用中，发生母线故障而不能快速切除，以致事故扩大，甚至酿成系统大面积停电。规程规定在220 kV及以上的超高压电网中必须装设母线保护。

最简单的单母线固定连接的差动保护如图9.1所示。图中母线M上有4条引出线，4条引出线上流过的电流分别为I1、I2、I3和I4。各引出线上装有完全相同的电流互感器，这些电流互感器同极性端连在一起，差动继电器中的电流为所有电流互感器副方电流之和，电流互感器副方线圈中的电流分别为i1、i2、i3和i4。

正常运行和外部短路的情况如下，根据基尔霍夫电流定理：

图9.1　差动保护原理图

由于电流互感器具有相同的变比，且同极性相连，假设电流互感器工作在非饱和状态，则有：

式中　——差动电流。

由于差动继电器中无电流流过，保护装置不会动作。

在发生母线内部短路中，由于故障电流的存在，式（9.1）不再满足，即母线各引出线上的电流之和不再为零，而是等于总的短路电流。因此，在差动继电器中流过的是与此短路电流成比例的一个电流，适当地整定差动继电器的动作电流，就可以检出母线内部发生的故障，并动作于相应的开关。(www.xing528.com)

从理论上讲，如果不考虑电流互感器之间的误差，以及构成电流互感器的铁芯的饱和，这样构成的差动继电器是非常理想的。然而，由于电流互感器之间的误差及铁芯的饱和，使母线保护在内部或外部故障时，不能正确检测外部故障在差动继电器中出现的不平衡电流。内部故障时，不是所有与故障电流相应的电流都能从电流互感器的副方线圈流入差动继电器。为了避开不平衡电流，保证保护装置对外部短路的鉴别能力，使保护装置快速、正确地辨别出母线内部故障，从事母线保护的电力系统工程技术人员在下述几个方面进行了研究。

（1）提高保护动作速度和动作灵敏度

对于母线保护，提高保护的动作速度，不仅是被保护元件本身的要求，而且是防止电流互感器饱和对母线保护的影响以及电力系统稳定运行的要求。从电力系统运行稳定性的角度来看，母线故障被切除的时间越短越好。超高压变电站母线保护装置，其动作时间一般都要求在10 ms之内。

早期的电流差动保护装置，虽然其动作速度比较快，但由于其动作电流要躲过母线外部故障的最大不平衡电流，灵敏度往往较低。针对这一缺陷，人们研制出了带制动特性的母线保护以及相位比较式母线保护，从而大大提高了母线保护的灵敏度。

（2）防止电流互感器饱和的影响

在一些严重的母线外部故障情况下，电流互感器可能深度饱和，其副方输出严重畸变，这是母线保护误动的重要原因之一。如何有效地防止电流互感器饱和对母线保护的影响是母线保护的主要研究课题之一。

（3）增强母线保护适应母线运行方式变化的能力

为了提高供电系统运行的可靠性和灵活性，现在高电压输电系统很少采用简单的单母线供电方式。双母线、双母线分段、旁路母线等的使用，一方面提高了电力系统运行的可靠性，但同时又给母线差动保护提出了新的问题，这方面问题较多地涉及差动保护的构成原理以及对不平衡电流产生原因的分析；另一方面的问题则是要解决母线保护适应不同母线运行方式的能力。这个问题从原理上讲比前一个问题简单些，但要较多涉及母线保护方案的实现。