母线保护电流相位比较式解析

电流相位比较式母线保护是近年来采用的各种新原理的母线保护的一种。它的工作原理是根据母线外部故障或内部故障时连接在该母线上各元件电流相位的变化来实现的，如图9.3所示。假设母线上只有两个元件，当线路正常运行或外部（K1点）故障时，如图9.3（a）所示，电流IⅠ流入母线，电流IⅡ由母线流出，两者大小相等、相位相反。当母线上K点故障时，电流IⅠ和IⅡ都流向母线，在理想情况下两者相位相同，如图9.3（b）所示。显然，利用比相元件比较各元件电流的相位，便可判断内部或外部故障，从而确定保护的动作情况。

图9.3　外部与内部短路时的电流分布

电流相位比较式母线保护的单相原理方框图，如图9.4所示。每条母线上都装设一套保护，为了对母线上各连接元件的电流进行比相，从每项一连接元件的TA引出三相电流（图中只表示出一相）经中间变流器和切换装置分别送入各相的小母线，每相的小母线分别接至本相的相位比较回路，相位比较回路用以比较所有连接元件二次电流的相位。当电流的相位基本相同时，比相回路有输出。当电流的相位相反时，比相回路无输出。由于接于母线元件的参数不同，电流互感器特性不一致，以及中间变流器存在变换角误差等因素的影响，各引出线的二次电流可能出现相位误差，使得母线故障时，二次电流出现短时的不同相位；母线外部故障时，二次电流出现短时的同相位。为防止上述情况下保护误动作，还应装设延时回路，从时间上躲开外部故障时出现短时同相位的情况。为了使出口继电器动作可靠，必须将相位比较回路的断续输出信号展宽成脉冲信号，因此，装设了脉冲展宽回路，最后经出口回路到断路器跳闸。

图9.4　电流比相式母线保护的单相原理方框图

电流相位比较式母线保护的相位比较回路原理接线图如图9.5所示。它由中间变流器TA1、TA2、整流二极管VD9～VD12及非线性电阻fx1、fx2组成电压形成回路。TA1、TA2副边输出电压经整流管半波整流后接于小母线1、2上，它们的公共抽头则接在小母线3上。当电流很大时，用非线性电阻fx1、fx2以防止TA1、TA2的二次侧产生危险的高电压。小母线的输出接到由三极管VT1～VT3所组成的晶体管相位比较回路，其工作情况如下：

图9.5　相位比较回路的原理接线图

（1）小母线不带电的情况

小母线不带电时，正电源通过R3和R8给三极管VT1和VT3的基极供电而使之导通。当VT1导通时，三极管VT2的基极电位由于R5、R6分压的结果，使VT2的基极电位较发射电位为低，VT2截止。但由于VT3导通，C1被VT3短接，使输出电压稍大于1.3 V。

（2）母线处于正常运行或外部故障情况

母线处于正常运行或外部故障时，电流与的相位差为180°，这两个电流分别流入中间变流器（图9.5）。设在某一瞬间为正半周时，使VD10导通，则小母线2由于VD10导通而被钳位为负电位。同时，使VD12导通而把小母线1电位也钳到负电位。同理，在为负半周，为正半周时，由于VD9、VD11导通，同样把小母线1、2电位钳为负电位。所以，在小母线1、2上呈现出连续的负电位而加于VT1和VT3的基极上。因此，VT1、VT3截止。中间变流器一次侧及二次侧经检波后的波形，如图9.6所示。由于VT1截止后，VT2的基极电位由于R4、R5、R6分压的结果，变为较发射极电位为正而导通。因此，电容器C1又被VT2所短接，输出电压仍稍大于1.3 V。

（3）母线内部短路故障(www.xing528.com)

当母线内部发生故障时，连接有电源的元件，都向母线供给电流。在理想的情况下，流入TA1、TA2的一次电流的相位是相同的，即同相。因而小母线1、2的电位轮流为负。波形图如图9.7所示，第一个半波时，由于小母线1出现负电位，VT3截止。小母线2没有负电位而VT1保持导通状态，因而VT2截止。由于VT2、VT3都截止，故电容器C1通过R7充电，延时回路启动，输出电位由1.3 V开始随着C1充电而逐渐提高，经约60°（3.3 ms）延时后，即启动脉冲展宽回路。

图9.6　母线正常运行及外部故障时，TA一次侧和二次侧的波形图

在第二个半波后，由于小母线2出现负电位，VT1截止，VT2导通.小母线1没有负电位，VT3导通。C1被短接而输出电压大于1.3 V。第三个半波时工作情况与第一个半波时相同，延时回路又能动作。

图9.7　母线内部故障时，TA一次侧和二次侧的波形图

（4）延时回路的作用

在理想情况下，外部故障时电流相位差为180°，内部故障时为0°。当母线保护范围外部发生故障时，由于一些因素的影响，反映到小母线1和2上的电位就将出现间断现象。这就和母线保护范围内部发生故障时的情况相似。为防止在这种情况下母线保护误动作，特设置了由C1、R7等组成的延时回路，使比相电路的输出信号经一定延时后，才送到下一级脉冲展宽电路，通常，这一延时为3.3 ms。相当于φ=60°。实际上，各连接元件电流的相位差远小于60°。因此，小母线1和2的电位间断角要大于60°才能输出信号。这就保证了外部故障时，保护可靠不误动，而在母线上故障时，保护能可靠动作。

由以上分析可得出如下的结论：

①电流比相母线保护只与电流的相位有关，而与电流的幅值无关。因此，既不用考虑采用同型号和同变化的电流互感器，也不需要考虑不平衡电流的影响等问题，这就提高了保护的灵敏度，增加了使用的灵活性。

②每条母线都装设这种保护，从而克服了一般母线差动保护不适应母线运行方式改变的缺点。