第一节 概述

一、母线保护的作用

母线起着汇总和分配电能的作用，为电能供应的枢纽。母线一旦发生故障，母线电压的降低影响全系统的供电质量和系统的稳定运行。若采用母线所连组件的后备保护切除母线故障，动作时间较长，不能保证安全连续供电，甚至可能造成系统稳定性破坏；此外，母线短路故障产生的短路电流很大，保护动作的延时将造成母线设备的严重损坏，检修和停电倒母线造成的损失也很大。为此，对于高压重要母线应装设专门的快速母线保护。

母线保护应突出安全性和快速性。高压重要母线应采用两套主保护，分别装设在相距2m以上的不同保护屏上，以防同时受断路器和隔离开关频繁操作使母线保护过电压和干扰而误动作，并且通过“与”方式出口，以保证可靠性（安全性和可信赖性）。对于特别重要的母线要求采用三套主保护，通过三取取二表决方式出口。

我国国标《继电保护及安全自动装置技术规程》GB14285-1993规定：

（1）在110kV的双母线和220kV及以上的母线上，为保证快速地有选择性地切除任一组（或段）母线上的故障，而另一组（或段）无故障母线仍能继续运行，应装设专用的母线保护。对于一个半断路器接线的每组母线应装设两套母线保护。

（2）110kV以上的单母线，重要发电厂的35kV母线或高压侧为110kV及以上的重要降压变电站的35kV母线，按照系统的要求必须快速切除母线上的故障时，应装设专用的母线保护。

二、母线保护的分类

母线保护按工作原理可分为以下几类

（1）用相邻回路保护实现的母线保护；

（2）电流差动原理母线保护（不完全差动保护和完全差动保护）；

（3）母联电流相位比较原理母线保护等。

1.母线保护按差动回路电阻大小分类

（1）低阻抗型母线差动保护；

（2）中阻抗型母线差动保护；

（3）高阻抗型母线差动保护。

第二节 用相邻回路保护实现的母线保护

对于35kV及以下电压等级的母线，通常不装设专门的母线保护，而是利用供电组件的保护来切除母线故障。

如图9-1所示为发电厂采用单母线接线。母线K点故障可以利用发电机过电流保护使发电机的断路器跳闸来切除。

如图9-2所示为低压侧母线正常运行时运行的降压变电站。母线K点故障可以利用相应变压器过电流保护先跳开低压母线分段断路器，如果故障不能消失保护不复归时再跳开变压器低压侧断路器。

如图9-3所示为双电源网络（或环形网络），当变电站B母线上K点短路时，则可由保护1、4的第Ⅱ段动作切除。

利用供电组件的保护的保护装置切除母线故障时，切除故障的时间一般比较长。另外，当双母线运行或母线为单母线分段运行时，利用远处供电组件保护装置不能保证有选择性地切除故障母线段。

母线的方向保护如图9-4所示。在所有连接于母线的回路上装设一个指向母线外部故障的方向组件KPD(KPD2)，当母线发生故障时，回路上所有的短路功率方向均指向母线，这些方向组件均不动作。反之，在母线外部短路时，至少有一条回路上的短路功率方向指向母线外部，由此即可判别母线的内部故障和外部故障。这种原理构成的母线保护动作速度可以很快，保护装置利用微机实现时，只要将所有方向组件的动作标志送到变电站后台机，如果母线故障，变电站后台机立即通过网络跳开与故障母线相连的所有断路器。为了防止方向组件在负荷功率下误动作，保护装置还应设置躲过任一连接组件中最大负荷电流的起动元件KA。

第三节 低阻抗型母线差动保护

如图9-5所示为单母线低阻抗型母线差动保护的原理接线，选用的电流互感器TA变比、特性完全相同，则其差动回路阻抗很小，通常只有几奥姆。母线内部短路时，电流互感器TA负担小且不会造成二次回路过电压，但母线外部短路时，全部故障电流流过故障支路的电流互感器而使其严重饱和，导致差动回路不平衡电流很大，因此保护的动作电流必须躲过最大不平衡电流，或外部故障采取制动措施。目前，电流互感器饱和前，带有制动特性的低阻抗型母线差动保护半个周波内，甚至3~5ms即可动作，在我国有很成熟的运行经验，应用十分广泛。

正常运行或母线外部故障时，选择母线保护的电流互感器具有相同的特性、变比nTA，则理想情况下流入差动继电器KD的电流，实际流入差动继电器KD的电流为较小的不平衡电流，保护不动作。当母线内部故障时，所有与电源连接组件均向母线故障点提供短路电流，则流入差动继电器KD的电流为故障点总电流的二次值，即

此电流能够使母线保护动作，跳开母线各断路器。

母线差动保护的起动电流按以下两个条件整定，取其中较大值。

（1）躲开外部故障时的最大不平衡电流。母线所连各组件电流互感器均按10%误差曲线选择负载，且差动保护采取措施消除非周期分量的影响，则起动电流为

Krel—可靠系数，取1.3；

IK.max—母线外部任一连接组件故障时，流过该组件的的最大短路电流；

nTA—母线差动保护电流互感器变比。

（2）躲开正常运行情况下，任一电流互感器二次断线时的最大负荷电流，即

母线差动保护的灵敏系数按实际运行中可能出现连接组件最少，在母线上故障时的最小短路电流校验，要求。即

这种保护方式适用于单母线或双母线经常只有一组母线运行的情况。

如果母线连接有对端无电源的供电线路，则这些线路不会给故障母线提供短路电流，为了简化接线，可将这些线路不接入保护的差动回路。这种保护方式即不完全差动保护。此时，保护的动作电流应躲开这些线路的最大负荷电流之和。

第四节 高阻抗型母线差动保护

高阻抗型母线差动保护的原理接线如图9-6所示，其差动回路中接入数千欧的高阻抗。外部故障时电流互感器饱和，利用高阻抗差动回路中产生的不平衡电流流入继电器。

保护按电流互感器二次电压的瞬时值工作。如图9-7所示，当母线外部K点故障时，流过故障组件一次电流

使电流互感器3TA严重饱和，则很难传变到二次。同时，由于在外部故障硅双向开

关SBS断开状态下，继电器支路呈现高阻抗，二次回路中差动继电器支路的阻抗R远高于与之并联的3TA电阻加引线电阻Rs和从并联点到电流互感器的电缆电阻RL支路的电阻

（Rs+2RL），故二次电流几乎全部流过Rs和RL支路，因而差动回路中差动继电器支路流过的不平衡电流很小，在差动继电器上产生的最大峰值UP电压不足使图9-6（b）所示继电器动作。在全偏移电流情况下（电流完全偏于时间轴一侧），继电器上出现最大峰值电压

时，保护应可靠不动作。

式中—电流互感器二次工频对称正弦电流有效值。

内部故障时，全部电流互感器的二次电流均通过图9-6（b）所示端子5、6差动回路继电器支路的电阻分压器上。其中R3两端的电压加于C和硅双向开关SBS上。继电器支路电压达到导通电压时，SBS导通，根据所加电压极性的不同，一个周波内，晶闸管VTH20、VTH21交替触发、导通，将分压电阻R3短接，继电器支路呈现很小的阻抗，有效防止继电器支路过电压。此时，差动电流在分压器上产生的电压向脉冲变压器T20一次侧放电，二次侧感应的脉冲经中间电压变换器T1后整流，再经电平检测、放大回路，使出口继电器KOM动作并自保持，直至母线断路器跳闸。

高阻抗母线保护不需要采取防止外部故障产生的不平衡电流引起保护误动作的措施，动作速度很快，但应注意内部故障时差动回路产生的过电压对人身和设备可能造成的危险。目前，高阻抗母线保护在国外得到应用①。

①参见GE公司SDB11B母线差动保护装置说明书。

第五节 中阻抗型母线差动保护

中阻抗型母线差动保护如图9-8所示，母线连接有n条支路，每条支路装设一组主电流互感器，经过一组辅助电流互感器接于保护回路，使各支路主电流互感器和辅助电流互感器的总变比相同，另外，二次电流经辅助电流互感器进一步减小以降低保护回路的功率损耗。差动回路电阻约200ω左右，与制动回路相配合，可以大大减小外部故障时差动回路产生的不平衡电流，提高保护的灵敏性。同时，内部故障时，差动回路的电压不会超过允许值。

1.正常运行状态下

正常运行时正半轴的一次、二次电流分布如图9-8所示，，由nTA极性端流出进入整流桥，经整流变成直流电流IT进入两个串联电阻构成的制动臂，变成IL，通过整流二极管回到1TA的同极性端，形成环流。根据克希霍夫电流定律，差动回路电流，因此动作电压Ud3为零，二极管V2在制动电压Us的作用下导通，继电器K被短接，保护不会动作。正常运行时负半轴的一次、二次电流与正半周相反，但IT、IL不变，因而保护也不会动作。

2.母线外部K1点短路

当母线外部K1点短路时，一次、二次电流分布与正常运行状态相同。若故障组件的nTA严重饱和，则，将有不平衡电流流入差动回路，经差流变流器TMd变换整流后，在电阻R3上产生动作电压Ud3。调整参数使Ud33.母线内部K2点短路

当母线内部K2点短路时，各辅助电流互感器的二次电流流入差动回路，不同半周将有或，且制动回路电阻由减小为，因此Ud3>Us，二极管V2截止，V1导通，继电器K动作，跳开母线断路器1QF~n QF。

中阻抗型母线差动保护的制动特性分析和整定计算方法参见：PMH-150（RADSS/S）型母线差动保护装置说明书。上海继电器厂。

中阻抗型母线差动保护差动回路阻抗较大，有效减小了外部故障时的不平衡电流，且差动回路不会引起太大的过电压，但保护的整定计算较为复杂。目前在我国应用广泛。

第六节 双母线保护

发电厂和重要变电站的高压母线，一般采用双母线同时运行、母线联络断路器经常投入的运行方式，每条母线连接一半的供电和受电组件。母线故障时，为了提高供电的可靠性，要求母线保护具有选择故障母线的能力，只切除故障母线，保证无故障母线继续运行。

一、双母线同时运行、组件固定连接的电流差动保护

如图9-9所示，双母线同时运行、组件固定连接的电流差动保护由三组差动保护组成。第一组差动保护由电流互感器1、3、5TA和差动继电器1KD组成，称为小差动，用来选择第Ⅰ组母线上的故障；第二组差动保护由电流互感器3、4、6TA和差动继电器2KD组成（小差动），用来选择第Ⅱ组母线上的故障；第三组由电流互感器1、2、3、4、5、6TA和差动继电器3 KD组成完全电流差动保护（大差动），用来跳开母联断路器和作为母线内部故障时整个保护装置的起动组件。

1、母线正常运行时，每条母线的供电和受电组件的负荷基本平衡，母线联络断路器电流为零或很小，差动继电器1、2、3KD中很小的不平衡电流小于继电器的动作电流，因此，母线保护不会动作。

2、外部任一点K短路时，一次、二次电流分布如图9-10（a）所示。可见，差动继电器1、2、3KD中只有不平衡电流，保护可靠不动作。

3、当任一组母线K点短路时，一次、二次电流分布如图9-10（b）所示。可见，差动

继电器1、3KD流入全部故障电流，能够动作；而差动继电器2KD中只流过不平衡电流，可靠不动作。由图9-9（b）可知，3KD动作后起动中间继电器3KM，使母联断路器5QF跳闸并发出信号，同时给1、2KD提供操作电源。1KD动作后起动中间继电器1KM，使1、2QF跳闸切除故障Ⅰ母线并发出母线Ⅰ故障信号。无故障母线Ⅱ继续运行。母线Ⅱ故障时的分析方法与前述相同。

4、母线的固定连接方式改变，如1QF需要检修，将线路L1由母线Ⅰ切换到母线Ⅱ时，由于差动保护的二次回路不能随着切换，破坏了保护的构成原理，通过分析可知，保护将无选择地切除两组母线。这种原理构成的母线差动保护了电力系统运行调度的灵活性。

二、双母线同时运行的母联相位差动保护*

保护装置的原理接线如图9-11所示，主要由总差动电流回路、相位比较回路和相应的继电器组成。保护装置根据总差动电流的大小判别母线内部、外部故障并作为母线内部故障时保护装置的起动组件，通过比较母联电流相位与总差动电流相位来选择故障母线。按此原理构成的母线保护不受母线连接组件运行方式变化的影响。

如图9-11（a）所示，电流继电器KA作为保护内部故障的起动组件接于总差动回路。故障母线选择组件采用磁合成原理构成的电流相位比较式继电器。电流相位比较式继电器是由中间变流器TAM、整流滤波回路VU1、C1、和VU2、C2以及极化继电器1KP、2KP组成，可以双向动作，按幅值比较方式比较总差动电流和母联电流的相位。将比较相位的两个电流和转化为比较幅值的两个量和。在中间变流器TAM右边柱上，磁通为，在二次绕组W2中输出电压；在左边柱上，磁通为，W3中输出电压。整流、滤波后即可得到幅值比较的两个电压U2和U3。

如图9-11（b）所示，相位比较组件的执行组件为极化继电器1KP、2KP，电流从极性端流入，继电器动作；反之，继电器制动。U2接1KP的工作绕组和2KP的制动绕组，而U3接2KP的工作绕组和的制动绕组。当第Ⅰ组母线故障时，和同相位，，1KP中工作电流大于制动电流，2KP中制动电流大于工作电流，1KP动作，2KP不动作；反之，第Ⅱ组母线故障时，和相位相反，，2KP动作，1KP不动作。

正常运行及母线外部故障时，差动回路只有不平衡电流，起动组件KA不动作，通过电阻R3及KA的常闭接点给1KP和2KP的两组制动绕组附加制动电流，闭锁相位比较回路，保护可靠不动作。

母线内部故障时，差动回路电流为故障点电流，大于继电器KA的动作电流，继电器KA动作后，其常开接点起动中间继电器5KM，跳开母联断路器5QF，并接通中间继电器1～4KM的正电源，同时，其常闭接点解除对1KP和2KP的闭锁。

如图9-11（c）所示，当母线Ⅰ故障时，选择组件1KP动作，其接点经电压闭锁继电器KV1的常闭接点起动中间继电器1KM和2KM，使断路器1QF及2QF跳闸。当母线Ⅱ故障时，其接点经电压闭锁继电器KV2的常闭接点起动中间继电器3KM和4KM，将断路器3QF及4QF跳闸。为了反应各种故障，KV1、KV2分别接在两组母线电压互感器的二次线电压上。实际中，常采用复合电压闭锁。

当母联断路器因故退出运行时，由于IM=0，选择组件将无法工作，此时，可投入人工刀开关QK，解除1KP和2KP的作用。将电压或复合电压闭锁继电器适当整定后，即可选择故障母线。

如图9-11（b）所示，由于系统运行方式的需要，各连接组件断路器跳闸回路中均装设切换连接片XS，根据连接片位置的不同，可由任一组母线保护跳闸中间继电器断开某组件的断路器。

三、断路器失灵保护简介

电力系统运行中发生故障时，有时会出现继电保护动作发出跳闸命令，而断路器失灵不能跳闸，导致设备烧毁、扩大事故范围，甚至破坏系统运行稳定性的情况。为了防止这种情况的发生，应采用断路器失灵保护。断路器失灵保护是继电保护动作、断路器拒动时，能够以较短时限切除同一发电厂或变电站内其它有关断路器，将故障部分隔离，并使停电范围最小的一种近后备保护。为此，DL400-1991《继电保护和安全自动装置技术规程》规定：在220~500kV电力网中以及110kV电力网的个别重要部分，可按下列规定装设断路器失灵保护：

（1）线路保护采用远后备方式，且断路器确有可能拒动时；对220kV~500kV分相操作的断路器，可只考虑断路器单相拒动的情况。

（2）线路采用远后备方式，且断路器确有可能拒动，如果其它线路或变压器的后备保护切除故障，将扩大停电范围（例如采用多角形接线、双母线或分段单母线时），并引起严重后果时。

（3）如断路器和电流互感器之间距离较长，在其间发生故障不能由该回路主保护切除，而由其它线路或变压器的后备保护切除故障又将扩大停电范围并引起严重后果时。

断路器失灵保护的构成原理接线如图9-12所示。所有连接于Ⅰ段的组件保护装置，当其出口中间继电器1KM、2KM动作于跳开本身断路器的同时，起动断路器失灵保护中的公用时间继电器KT，其动作延时大于故障组件断路器的跳闸时间和保护装置的返回时间之和。因此，断路器失灵保护并不影响原有保护装置对故障的正常切除。例如，出线K点发生故障，保护装置出口中间继电器1KM动作后1QF拒动时，起动断路器失灵保护的时间继电器KT，经过一定的延时，起动中间继电器3KM，使母线上所有有电源的断路器2QF、3QF跳闸，切除K点故障，起到1QF失灵拒动时的后备作用。

如果断路器失灵保护误动作，将引起严重后果。因此，断路器失灵保护必须同时具备以下两个条件时，才能投入工作：

（1）故障组件的保护装置出口继电器动作后不返回，如图9-12中，1KM、2KM的常开接点一直处于闭合状态。

（2）在被保护范围内仍然存在着故障。当母线连接组件较多时，通常采用检查电压的方法来判断故障是否切除，以此来确定断路器失灵保护的工作状态，其构成原理如图9-13所示。对于保护动作于多个断路器或采用单相重合闸时，还可以采用检查每相断路器故障电流的方式来判定断路器是否拒动。由于断路器失灵保护是在出线保护动作后才开始计时，因而其动作时限应与其它保护的动作时限相配合，通常取0.3~0.5s。

第七节 一个半断路器接线的母线保护

一、双母线接线方式的特点

双母线具有投资设备少，一次回路操作比较灵活，继电保护和自动装置接线简单、可靠等优点。但也存在一些不足。例如，在母联断路器兼做旁路断路器，或旁路断路器兼做母联断路器的情况下，双母线将以单母线方式运行，若此时母线发生短路，将使双母线全部停电。此外，高压断路器检修通常需要半个月以上，这样，双母线在一年中将有很长时间以单母线方式运行，相对降低了供电的可靠性。

在采用双母线的变电站中，母联断路器通常处于合闸状态，即按分段单母线运行。当一组母线故障，将有约一半的连接组件停电，若同时伴随母联断路器失灵或故障发生在母联断路器和电流互感器之间的保护死区，则会造成变电站全部停电。

目前，对于500kV变电站和220kV枢纽变电站，要求在母线发生短路时不影响变电站的连续供电；在母线短路伴随断路器失灵时，要求停电范围最小。因此，对于220kV及以上的重要变电站，如串数为3串以上时，推荐采用如图9-14所示的一个半断路器母线接线方式。

二、一个半断路器母线接线方式的特点

1.一个半断路器母线接线方式的优点

（1）在任一断路器检修时不影响所连接元件的连续供电，不需要进行倒闸操作，可以减少一次回路误操作的机会。

（2）当进行母线检修或清扫时，不需要进行复杂操作。

（3）当一组母线发生短路时，母线保护动作后只跳开与该母线相连的所有断路器，不会使任何连接元件停电。

（4）任一组母线或任一连接元件发生短路并伴随断路器失灵（拒动）时，失灵保护动作后需要跳开断路器的数量少，不会引起全厂或全站停电。下面分三种情况说明：

1）如图9-15（a）所示线路L1的K点发生短路，保护应跳开1QF、2QF，若1QF失灵，失灵保护动作后，跳开Ⅰ母线上的所有断路器4、7QF，因此除线路L1外，其它连接元件都不停电。

2）同理，如图9-15（b）所示，线路L1的K点发生短路并伴随2QF失灵，失灵保护动作后，跳开3QF，因此除同一串的线路L1和变压器T1两个连接元件外，其它连接元件均不停电。

3）如图9-15（c）所示，Ⅰ母线上的K点发生短路，保护应跳开1QF、4QF、7QF，若1QF失灵，失灵保护动作后，跳开断路器2QF，因此除与故障Ⅰ母线相连且断路器失灵的连接元件外，其它连接元件均不停电。

注：白色方框表示断路器处于闭合状态，黑色方框表示断开状态，方框打叉表示拒动状态。

（5）在一个半母线接线方式中，各隔离开关只作为检修断路器时隔离用，不需要象双母线接线方式中那样进行倒闸操作，因此减少了隔离开关误操作的机会。

（6）由于不需要装设旁路开关，变电站一次回路的布置清晰，配电装置占地面积小，消耗材料少。

（7）由于不采用旁路断路器代替线路断路器的工作方式，因而不需要对线路保护进行切换或重新整定，简化了继电保护的接线和运行。

2.一个半断路器母线接线方式存在的问题

（1）如果进出线数目为n，采用双母线接线时，需用的断路器数为n+2，而一个半断路器母线接线方式下，需用1.5n个断路器，变电站造价大大增加。

（2）当任一连接元件短路时，需要同时跳开两个断路器，导致断路器失灵的几率增加一倍。断路器跳闸次数的增加，增加了断路器检修的工作量。对于一串中的中间断路器，由于跳闸次数最多，检修的工作量也最大。

（3）如图9-16所示，当一串中的一个断路器1QF检修时，一回线路L3发生短路，将使该串中的两回线路L1和L3同时停电。

（4）如图9-16所示，当一个断路器1QF检修时，断路器3QF和相应的电流互感器必须流过线路L1和L3的负载电流之和。因此，一串中的断路器和电流互感器的额定电流大约应按连接元件额定电流的2倍选择。

（5）线路或变压器的保护需接在两组电流互感器二次的和电流中，因此一方面需要增加电流互感器的数量，同时由于电流互感器的比值误差和励磁回路的汲出作用，在外部发生穿越性故障时，将产生不平衡电流，而在一个断路器断开的情况下线路故障时，将使继电保护的灵敏度降低。

（6）在双母线方式下线路断路器检修时，可用旁路断路器和它的继电保护来代替线路断路器和继电保护。因而线路继电保护可在线路断路器检修时同时进行检修校验。而在一个半断路器母线接线方式下，当一个断路器停用或检修，相应的线路保护不能却不能同时检修和校验。因此线路保护必须采取双重化措施。

（7）如图9-17所示，线路L1靠近A侧发生短路并伴随断路器2QF失灵时，失灵保护动作跳开断路器3QF。但线路L2的B侧保护在线路L1末端短路时灵敏度常常不够。因而在线路L2上应装设高频远方跳闸装置，利用2QF的的失灵保护起动远方跳闸装置，使之跳开B侧的5QF。在每回线路上除了需要主保护双重化所需的高频通道外，还应增加远方跳闸装置所需的一个高频通道，给高频通道的安排带来一些困难。远方跳闸装置若采用光纤或微波通道，这一问题可以得到较好的解决。

（8）继电保护和重合闸装置与两个断路器均有联系，二次回路之间的交叉较多，调试和运行均较复杂，相应地影响了一次回路的可靠性。

尽管如此，其优点更为突出，因此国内、外的500kV变电站中，基本均采用一个半断路器母线方式。部分重要的220kV变电站也采用这种母线结构。下载本文