母线保护讲解

 母线的定义及接线方式

母线是发电厂和变电站重要组成部分之一。母线又称汇流排，是汇集电能及分配电能的重要设备。

母线的接线方式种类很多，应根据发电厂或变电站在电力系统中的地位、母线的工作电压、连接元件的数量及其它条件，选择最适宜的接线方式。

（1）单母线接线

（2）单母线分段接线

（3）双母线接线

（4）双母线分段接线

（5）单母线或双母线带旁路接线

（6）3/2接线

母线故障的特点

（1）在大型发电厂和枢纽变电站，母线连接元件众多，主要连接元件除主变及出线单元以外，还有电压互感器、接地闸刀等。

（2）实践表明：在众多的连接元件中，由于绝缘子的老化、污秽引起的闪络接地故障和雷击造成的短路故障次数甚多；母线电压和电流互感器的故障；此外，运维人员的误操作，如带负荷拉隔离开关、带地线合断路器造成的母线故障也有发生。

（3）母线的故障类型主要有单相接地故障和相间短路故障，两相接地短路故障及三相短路故障的几率较少。

高度的安全性和可靠性。母线保护拒动或误动将造成严重的后果。母线保护误动造成大面积的停电；母线保护拒动后果更为严重，可能造成电力设备的损坏及电力系统的瓦解。

选择性强、动作速度快。母线保护不但要能很好的区分区内故障和区外故障，还要确定哪条或哪段母线故障。由于母线安全运行影响到系统的稳定性，尽早发现并切除故障尤为重要。

母线保护及电流互感器的要求

母线保护的要求

高度的安全性和可靠性：母线保护拒动或误动将造成严重的后果。母线保护误动造成大面积的停电；母线保护拒动后果更为严重，可能造成电力设备的损坏及电力系统的瓦解。

选择性强、动作速度快：母线保护不但要能很好的区分区内故障和区外故障，还要确定哪条或哪段母线故障。由于母线安全运行影响到系统的稳定性，尽早发现并切除故障尤为重要。

电流互感器的要求

（1）母线保护应接在专用电流互感器二次回路中，且要求在该回路中不接入其它设备的保护装置或测量表计，电流互感器的测量精度要高，暂态特性和抗饱和能力强。

（2）应尽量靠近线路或变压器一侧，使母线保护与线路保护或变压器保护有重叠保护区。

母线保护的配置原则

（1） 220kV母线保护功能一般包括母线差动保护（母差保护）、母联相关的保护（母联失灵保护、母联死区保护、母联过流保护、母联充电保护等）、断路器失灵保护。

（2）500kV母线往往采用3/2接线方式，相当于单母线接线，其母线保护相对简单，一般仅配置母线差动保护，而断路器失灵保护往往置于断路器保护（包括自动重合闸）中。

对重要的220kV及以上电压等级的母线都应当实现双重化，配置两套母线保护。

与其它保护及自动装置的配合

由于母线保护关联到母线上的所有出线元件，应考虑与其它保护及自动装置的配合。

（1）母线保护动作、失灵保护动作后，对闭锁式保护作用于纵联保护停信（闭锁式高频保护）；对允许式保护作用于纵联保护发信（光纤差动保护）。

（2）闭锁线路重合闸。当母线发生故障，一般是永久性的故障，为防止线路断路器对故障母线进行重合，造成对系统的又一次冲击，母线保护动作后，应闭锁线路重合闸。

（3）启动断路器失灵保护。在母线发生短路故障而某一断路器拒动时，失灵保护能可靠切除故障；或3/2接线方式，故障点在断路器与电流互感器之间时，失灵保护能可靠切除故障。

十八项重大反事故措施（母线保护）

                                                                                             

母线差动保护

模拟型母线差动保护（继电器）

1.低阻抗型：接于差动回路的电流继电器阻抗很小，内部短路时，电流互感器负荷小，误差较小，但需要解决区外故障时的不平衡电流问题、CT饱和问题。

2.中阻抗型：差动回路总电阻约200欧，减少区外故障时进入差动继电器的不平衡电流。（REB-103）

3.高阻抗型：容易引起内部高压，已不采用。

微机型母线差动保护（CPU）

母线差动保护

和电流及差电流定义

和电流: 是指母线上所有连接元件电流绝对值之和

差电流:是指母线上所有连接元件电流和的绝对值

'差电流’与'和电流’计算特点  

1. 需考虑CT变比折算。

2. 需分相计算。

母线区外故障与区内故障

（1）在正常运行以及母线范围以外发生故障时，在母线上所有连接元件中，流入的电流和流出的电流相等。

（2）当母线发生故障时，所有与母线连接的元件都向故障点供给短路电流或流出残留的负荷电流。

母线差动保护

大差与小差的定义  

母线大差是指除母联开关和分段开关以外的母线所有其余支路电流所构成的差动回路。

各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。

大差与小差的区别  

1. 大差比率差动差电流与和电流计算与刀闸无关。

2. 大差比率差动差电流与和电流计算不计母联、分段电流。

差回路构成  

1. 差动回路是由大差动和各段母线小差动所组成的；

2. 大差比率差动元件作为母线故障判别元件；

3. 小差比率差动元件作为故障母线选择元件；

母线差动保护

刀闸位置  

根据系统运行方式的需要，双母线上各连接元件需要经常在两条母线上进行切换。母线运行方式发生变化时，对于大差没有影响，但对于小差会产生很大影响，决定了该支路电流计入哪段母线的小差电流计算。

在微机母差保护装置中，将隔离开关的辅助接点作为开入量接到保护装置，利用隔离开关的辅助接点来识别母线的运行方式。

关键词：刀闸位置修正（自适应）/刀闸位置告警/母线隔离开关模拟盘

母线差动保护

母联CT极性  

支路CT极性在母线侧，母联CT极性在Ⅰ 母侧或Ⅱ母侧。

母线差动保护

差动启动元件

起动判据 

1.和电流突变量判据:当任一相的和电流突变量大于突变量门槛时，该相起动元件动作,表达式如下:

前者为和电流瞬时值比前一周波的突变量；后者为突变量门槛值。

2.差电流越限判据 :当任一相的差电流大于差电流门槛定值时，该相起动元件动作,表达式如下:

前者为分相大差动电流；后者为差动保护启动电流定值。

3.起动元件返回判据 :当任一相差电流小于差动保护启动电流定值的95%，且各支路的该相相电流均小于1.2倍的额定电流时，该相起动元件返回。 

注意事项  

1. 起动元件分相起动，分相返回。

2. 任一起动判据满足条件,差动起动条件满足,另一起动判据不再判断。 

3. 某些母线保护装置还配置了电压突变量启动判据。

母线差动保护

差动动作元件

  常规比率差动元件  

  复式比率差动元件  

  工频变化量比率差动元件  

（1）差动电流的计算方式相同，制动电流的计算方式有差异。

（2）差动动作元件的动作特性是比率制动特性曲线。其作用是区外故障时动作电流随制动电流的增大而增大使之具有制动特性，能躲过区外短路产生的不平衡电流；区内故障时差动元件有需要具有足够的灵敏度。

复式比率差动判据优点  

与常规的比率差动判据相比，由于在制动量的计算中引入了差电流，使其在母线区外故障时由于Kr值可选的大于1而有很强的制动特性，而在母线区内故障时又无制动作用，因此能更明确的区分区内和区外故障。

复式比率系数Kr

考虑到分段母线的联络开关断开的情况下发生区内故障，非故障母线段有电流流出母线，影响大差比率元件的灵敏度，因此，大差比率差动元件的比率制动系数可以自动调整。联络开关处于合位时（并列运行），大差比率制动系数与小差比率制动系数相同（1.0）；当联络开关处于分位时（分列运行），大差比率差动元件自动转用比率制动系数低值（0.3）。 

两段母线分列运行时，Ⅱ母故障，Ⅰ母上的负荷电流仍然可能流出母线。

大差元件的制动电流不变，差动电流变小，灵敏度降低

CT饱和检测元件

为防止母线差动保护在母线近端发生区外故障时，由于CT严重饱和出现差电流的情况下误动作，一般装置会根据CT饱和产生的机理以及CT饱和后二次电流波形的特点，设置CT饱和检测元件，用来判断差电流的产生是否由区外故障CT饱和引起

母线差动保护

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，构成大差比率差动元件，作为差动保护的区内故障判断元件。

差动保护根据母线上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。

当双母线按单母线方式运行，不需要进行故障母线的选择时可投入“母线互联”压板；当母线在倒闸操作过程中两条母线经刀闸跨接，则装置自动识别为单母线运行。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

复合电压闭锁元件

复合电压闭锁动作表达式

母线相电压；母线3倍零序电压；母线负序电压（相电压）。

1.由于灵敏度不同，差动元件和失灵元件的电压判据独立。

2.三个判据中任何一个满足，该段母线的电压闭锁元件就会动作，称为复合电压元件动作。如果母线电压恢复正常，则闭锁元件返回。 

3.差动电压闭锁定值内部固定。中性点接地系统低电压闭锁定值固定为0.7额定相电压，零序电压闭锁定值3U0固定为6V，负序电压闭锁定值U2（相电压）固定为4V。中性点不接地系统，低电压闭锁定值固定为0.7额定线电压，零序电压闭锁退出，负序电压闭锁定值U2（相电压）固定为4V。

4.母联充电保护和母联过流保护不经复合电压闭锁；母线差动保护、断路器失灵保护、母联失灵保护、母联死区保护经复合电压闭锁。

提高母线差动保护动作可靠性措施

         1、CT断线告警

        为提高CT断线灵敏度，增加CT断线告警逻辑，当大差电流大于CT断线告警定值，延时9秒（5秒）发CT断线告警信号，但不闭锁差动保护。电流回路正常后，0.9秒自动恢复正常运行。

         2、CT断线闭锁

        大差电流大于CT断线闭锁定值，延时9秒（5秒）发CT断线告警信号，同时闭锁差动保护。电流回路正常后，0.9秒自动恢复正常运行。（RCS-915装置不能自动恢复正常运行，需复归按钮后，母差保护才能恢复运行）

        CT断线相闭锁差动保护，非断线相不闭锁。防止母线发生其它相故障时母差保护拒动。

        3、母联CT断线

        当与联络开关相连的两段母线小差电流越限，且大差小于0.04In时（大差电流小，小差电流大），报母联CT断线，同时发“母线互联”信号，发生区内故障时，差动保护按照互联逻辑动作出口，不再根据小差电流进行故障母线的选择，直接跳两段母线。

        单纯的母联CT断线不闭锁差动保护。小差变大差。

         4、PT断线告警

        任何一段非空母线电压闭锁元件动作（开放），延时9秒发PT断线告警信号。该段母线的复合电压闭锁元件将一直开放，对其它保护没有影响。电压回路正常后，0.1秒（10秒）自动恢复正常运行。

        PT断线不闭锁母线差动保护，电压判据、电流判据都是分母线进行的。

        问题：母线某支路CT断线，保护无法采集到电流，母差保护会不会动作？

        答：正常运行时，某支路CT断线时断线相上差动元件的差动电流是断线相上的负荷电流，差动电流不为零，但由于一般差动元件比率制动特性曲线中的起动电流是按照躲过各连接元件中最大负荷电流整定的，再加上有复合电压闭锁，所以母线差动保护不会误动。

        但是在CT断线期间，如果再发生区外故障，断线相上的差动电流是区外故障时流过保护的短路电流，母线差动保护可能误动（尤其近区故障时，电压闭锁元件会开放）。

        在微机型母差保护中，一般采用差电流越限来判断CT断线（二次回路）。

母线运行方式分析

        1、并列运行

        （1）母联开关合状态。

        （2）无互联及分列压板投入。

        （3）大差比率差动元件采用比率制动系数高值。

        2、分列运行

        （1）分列压板投入或母联开关分状态。

        （2）大差比率差动元件自动转用比率制动系数低值。

        （3）封母联CT，母联电流不计入小差。

        3、“母线互联”方式

        保护装置在母线互联方式下，小差比率差动元件自动退出，不进行故障母线的选择，一旦发生故障同时切除两段母线。

        （1）刀闸位置双跨接

        （2）投入互联压板

        （3）母联CT断线

        倒闸操作：

        （1）可预先投互联压板；

        （2）可预先设定保护控制字中的“强制母联互联”软压板；

        （3）依靠刀闸辅助接点自适应倒闸操作。

断路器失灵保护

        1、断路器失灵

        定义：当输电线路、变压器、母线或其它主设备发生故障，保护装置动作并发出了跳闸命令，但故障设备的断路器拒绝动作跳闸，称之为断路器失灵。

        原因分析：跳闸线圈断线、操动机构故障、油压或气压降低闭锁、控制回路断线或电源消失等。

        影响分析：损坏主设备或引起大火；扩大停电范围；可能使电力系统瓦解。

        2、断路器失灵保护概念

        当系统发生故障，故障元件的保护动作而其断路器失灵拒绝跳闸时，通过故障元件的保护作用于本变电站内相邻断路器跳闸，有条件的还可以利用通道，使远端有关断路器同时跳闸的保护称为断路器失灵保护。

        断路器失灵保护是近后备保护中防止断路器拒动的一项有效措施。

        3、断路器失灵保护原理

        判断断路器失灵的两个主要条件：

        （1）失灵开入接点（有保护跳闸命令，保护动作未返回）

        （2）电流检测元件（故障电流依然存在，任意一相的相电流或零序电流或负序电流）

        注意点：

        （1）手动拉开断路器不能启动断路器失灵保护；

        （2）上述条件只满足一个断路器失灵保护不动作。

        4、断路器失灵保护逻辑框图

        5、失灵启动元件

        （1）失灵开入接点（保护跳闸命令）

        线路支路设置分相和三相跳闸启动失灵开入回路；变压器支路设置三相跳闸启动失灵开入回路

        注意：保护装置检测到“断路器失灵开入”长期误开入，发“运行异常”告警信号（闭锁保护功能）

        （2）电流检测元件（故障电流依然存在）

        线路支路采用相电流、零序电流（或负序电流）“与门”逻辑；变压器支路采用相电流、零序电流、负序电流“或门”逻辑。

        所有支路共用“失灵零序电流定值”和“失灵负序电流定值”。

        6、延时元件

        断路器失灵保护的延时用于确认在这段时间里断路器一直有电流。

        最短动作延时应大于故障设备断路器的跳闸时间（含熄弧时间）与保护继电器的返回时间之和，以确认断路器中还有电流确实是由于断路器失灵引起的。

        短延时跳母联断路器（0.2s）；长延时跳对应母线连接元件（0.4s）。

        7、母线运行方式识别元件

        用于确定失灵断路器接在哪条母线上，从而决定失灵保护去切除哪条母线。

        利用隔离开关辅助触点来判断所连接母线。

        8、复合电压闭锁元件

        断路器失灵保护同母线差动保护类似，也需要经过复合电压闭锁。

        失灵解复压闭锁元件

        为解决变压器或发变组断路器失灵保护电压灵敏度不足问题，对于变压器或发变组支路，设置“主变失灵解复压闭锁”开入。当该支路“主变失灵解复压闭锁”条件满足时，解除该支路失灵保护电压闭锁，保证失灵保护可靠动作。

        注意点：保护装置检测到“失灵解闭锁”长期误开入，发“运行异常”告警信号（不闭锁保护功能）

         9、提高断路器失灵保护可靠性

        保护动作后将跳开母线上各连接元件，影响面大，要求其十分可靠。

        （1）失灵启动元件中不能使用非电量保护的出口接点，因为非电量保护动作后不能快速自动返回，容易造成保护误动。

        （2）相电流判别元件的动作时间和返回时间要快，均不应大于20ms；

        （3）双母线接线方式下，失灵保护复合电压闭锁元件应设置两套，分别来自不同段母线的PT；为了确保失灵保护可靠切除故障，复合电压闭锁元件有1秒的延时返回时间。
        10、线路故障，线路开关拒动

        L1线路发生故障，线路保护动作跳L1断路器，断路器拒动，L1断路器失灵保护动作，第一时限跳母联ML，第二时限跳Ⅰ母上所有支路开关L3， Ⅱ 母正常运行。

        11、主变故障，主变开关拒动

        主变发生故障，主变保护动作跳三侧断路器，中压侧L1断路器拒动，L1断路器失灵保护动作，第一时限跳母联ML，第二时限跳Ⅰ母上所有支路开关L3， Ⅱ 母正常运行。

        12、母线故障，主变开关拒动

        Ⅰ母线发生故障，Ⅰ母母差保护动作跳L1、L3及母联断路器，主变中压侧L1断路器拒动，L1断路器失灵保护动作，联跳主变三侧断路器。

        13、母线故障，线路开关拒动

        Ⅰ母线发生故障，Ⅰ母母差保护动作跳L1、L3及母联断路器，线路本侧L1断路器拒动？

        Ⅰ母母差保护动作同时会发远跳命令，通过对侧线路保护动作跳开对侧断路器L4。

        不会启动L1断路器失灵保护（无意义）。

母联失灵保护

        母线并列运行，当保护向母联开关发出跳闸命令后，母联开关由于某种原因拒动，母联CT有电流，判为母联开关失灵。母联失灵过流元件持续动作，经整定的母联失灵延时，则母联失灵保护经母线差动复合电压闭锁后切除相关母线各支路。（母联跳闸时间+保护返回时间+裕度时间）

        注意点：

        （1）只有母联开关作为联络开关时，才启动母联失灵保护；

        （2）母联失灵保护固定投入（不需要硬压板、软压板、控制字整定）

母联死区保护

         当故障发生在母联开关与母联CT之间时，母联开关已经跳开而母联CT仍有故障电流，处于CT侧母线小差的死区（不满足动作条件），为提高保护动作速度，设置了母联死区保护。

        母联死区保护经母线差动复合电压闭锁后切除相关母线。

        1、母联合位死区

        母联并列运行（联络开关合位）时，发生母联死区故障，母线差动保护动作切除一段母线及母联开关，装置检测母联开关处于分位后经150ms延时确认分裂状态，母联CT电流不再计入小差电流，由差动保护切除母联死区故障。

        2、母联分位死区

        母线分列运行时母联开关与母联CT之间发生故障，由于母联开关分闸位置已经确认，母联CT电流不计入小差电流，故障母线差动保护满足动作条件，直接切除故障母线，避免了故障切除范围的扩大。

        注意点：分列运行状态下，如果联络开关有电流（大于0.04In）持续超过2秒，装置解除该联络开关的分列运行状态，母联CT电流重新计入小差电流回路。

        母联死区保护延时（150ms）一般比母联失灵保护时间（200ms）短。

来源：继保小知识