母线保护的基本原则

母线故障是发电厂和变电所中最严重的故障之一，它使连接在故障母线上的所有元件在修复故障母线期间或转换到另一组无故障的母线上运行以前被迫停电。与其他主设备保护相比，对母线保护的要求更为苛刻。

第一要有高度的安全性和可靠性：母线保护的拒绝动作及误动作将造成严重的后果。母线保护的误动作将造成大面积停电；母线保护的拒绝动作更为严重，可能造成电力设备的损坏及系统的瓦解。

第二要选择性强、动作速度快：母线保护不但要能很好地区分内部故障和外部故障，还要确定哪条或哪段母线故障。由于母线故障影响到系统的稳定性，尽早发现并切除母线故障尤为重要。

什么是母线

1.母线的短路故障

母线上可能发生的故障有单相接地或者相间短路故障。运行经验表明，单相接地故障占母线故障的绝大多数，而相间短路故障则较少。发生母线故障的原因很多，其中主要有：空气污染损坏绝缘，从而导致母线绝缘子、断路器、隔离开关套管闪络；装于母线上的电压互感器和装于线路上的断路器之间的电流互感器发生故障；倒闸操作时引起母线隔离开关和断路器的支持绝缘子损坏；运行人员误操作，如带负荷拉闸与带地线合闸等。由于母线故障的后果特别严重，所以重要母线应装设专门的母线保护，有选择性地迅速切除母线故障。按照差动原理构成的母线保护，能够保证较好的选择性和速动性，因此得到了广泛的应用。

对母线保护的基本要求如下：

（1）保护装置在动作原理和接线上必须十分可靠，母线故障时应有足够的灵敏度，外部故障及保护装置本身故障时保护不误动作。

（2）保护装置应能快速地、有选择性地切除故障母线。

（3）大接地电流系统的母线保护应采用三相式接线，以便反映相间短路故障和接地短路故障；小接地电流系统的母线保护应采用两相式接线，只要求反映相间短路故障。

2.母线保护的方式

母线保护的方式

母线故障时，如果保护动作迟缓，则会导致电力系统的稳定性遭到破坏，因此必须选择合适的保护方式。母线保护的方式有两种：一种是利用供电元件的保护兼作母线故障的保护，另一种是采用专用母线保护。

1）利用其他供电元件的保护装置切除母线故障

低压电网中发电厂或变电所母线大多采用单母线接线方式，与系统的电气距离较远，母线故障不至于对系统稳定性和供电可靠性有严重影响，所以可以不装设专门的母线保护，可以通过供电元件的保护装置切除母线故障，主要包括以下3 种情况：

（1）图5−3−1所示为发电厂采用的单母线接线方式，此时母线上的故障可以利用发电机的过电流保护使发电机的断路器跳闸而切除故障。

图5−3−1　利用发电机的过电流保护切除母线故障

利用发电机的过电流保护 切除母线故障（动画）

（2）如图5−3−2所示，降压变电所的低压母线正常时分列运行，低压母线上的故障可以由相应变压器的过电流保护使变压器的断路器跳闸而被切除。

图5−3−2　利用变压器的过电流保护切除低压母线故障

利用变压器的过电流保护 切除低压母线故障 （动画）(www.xing528.com)

（3）如图5−3−3所示，在双侧电源网络中，当变电所F 母线上k 点短路时，可以由保护1 和4 的Ⅱ段动作切除故障。

图5−3−3　利用电源侧的保护切除双侧电源网络的 母线故障

利用电源侧的保护切除双侧 电源网络的母线故障 （动画）

利用供电元件的保护来切除母线故障，不需另外装设保护，简单、经济，但故障切除的时间一般较长。由于供电元件快速动作的保护，如差动保护，不能反映母线故障，所以利用供电元件的保护切除母线故障时，切除故障的时间一般较长。此外，当双母线同时运行或母线为分段单母线时，上述保护不能保证有选择性地切除母线故障。因此，必须装设专用母线保护。

2）专用母线保护

根据《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB/T 14285—2006）的规定，在下列情况下应装设专用母线保护：

（1）110 kV 及以上的双母线和分段单母线，为了保证有选择性地切除任一母线故障时；

（2）110 kV 的单母线、重要发电厂或110 kV 以上重要变电所的35～66 kV 母线，按电力系统稳定和保证母线电压等要求，需要快速切除母线故障时；

（3）35～66 kV 电力系统中主要变电所的双母线或分段单母线，当母联或分段断路器上装设解列装置和其他自动装置后，仍不满足电力系统安全运行的要求时；

（4）对于发电厂和主要变电所的1～10 kV 分段母线或并列运行的双母线，必须快速而有选择性地切除一段或一组母线上的故障时，或者线路断路器不允许切除线路电抗器前的短路故障时。

3.母线保护注意事项

由于母线在电力系统中的地位极为重要，母线故障将对电力系统的稳定造成严重威胁，必须以极快的速度予以切除。而且，母线的连接元件很多，实现母线保护需将所有接于母线各回路的保护二次回路、跳闸回路聚集在一起，结构复杂，极易因为一个元器件或回路的故障，尤其是人为的误碰误操作造成母线保护误动作，使大量电源和线路被切除，造成巨大损失。由于上述原因，对母线保护的要求应该突出安全性和快速性。同时在设计母线保护时应该注意以下问题：

（1）由于母线保护所连接的支路多，外部故障时，故障电流大，而且超高压母线接近电源，直流分量衰减的时间常数大，故电流互感器可能出现深度饱和的现象。母线保护必须采取措施，防止电流互感器饱和导致误动作。

（2）母线的运行方式变化较多，倒闸操作频繁，尤其是双母线接线，随着运行方式的变化，母线上各连接元件经常在两条母线上切换。母线保护必须能适应运行方式的变化。

4.母线保护的分类

（1）按母线保护的原理，其可分为电流差动母线保护和电流比相式母线保护。

构成电流差动母线保护的基本原则是：在正常运行以及出现母线范围以外的故障时，母线上的所有连接元件，其流入的电流和流出的电流相等，差动回路的电流为零，即∑I =0；当母线内部发生故障时，所有与电源连接的元件都向故障点供给短路电流，而供电给负荷的连接元件中电流很小或等于零，差动回路的电流为短路点的总电流Ik，即∑I =I k 。

构成电流比相式母线保护的基本原则是：在正常运行及出现母线外部故障时，至少有一个母线连接元件中的电流相位和其余元件中的电流相位是相反的，具体说来，就是电流流入的元件和电流流出的元件中电流的相位相反；当母线故障时，除电流等于零的元件，其他元件中的电流是基本上是同相位的。

（2）按差动母线保护中差动回路的电阻大小，其可以分为低阻抗型、中阻抗型和高阻抗型差动母线保护。

常规的差动母线保护是低阻抗型的，即差动回路的阻抗很小，只有几欧姆。其优点是在内部故障时，当全部故障电流流经阻抗很低的差动回路时，差动回路上的电压不会很大，不会因为增大电流互感器的负担而使电流互感器饱和并产生很大的不平衡电流，同时不会造成保护回路过电压。但在外部故障时，全部故障电流流过故障支路的电流互感器而使其饱和，此时将产生很大的不平衡电流。为了使保护不误动作，保护定值应按躲过此不平衡电流整定，或采取制动措施。

高阻抗型差动母线保护是在差动回路中串入一个高阻抗，其值可在数百欧姆以上，因此在外部故障使电流互感器饱和时，差动回路的不平衡电流减小，不需要制动。但在内部故障时，差动回路可产生危险的过电压，必须用过电压保护回路减小此过电压，这既能使保护装置正确动作，又不会因过电压而损坏。

中阻抗型差动母线保护实际上是上述两种差动母线保护的折中方案。在差动回路接入一定的阻抗（约200 Ω），采用特殊的制动回路，既能减小不平衡电流的影响，又不产生危险的过电压，不需要专门的过电压保护回路。

（3）按母线的接线方式，其可以分为单母线分段、双母线、双母线带旁路母线（专用旁路母线或母联兼旁路母线）、双母线单分段、双母线双分段、3/2 接线母线等母线保护。桥式接线和四边形接线的母线不采用专门的母线保护。

目前数字式差动母线保护采用电流差动保护原理，通过专门的TA 饱和识别和闭锁辅助措施，能有效地防止TA 饱和引起的误动作，适用于单母线、双母线、3/2 接线母线等各种母线接线，因此在我国电力系统中得到了广泛的应用。