母差保护体系知识介绍

母差保护体系知识介绍

与其他主设备保护相比，母线保护的要求更为苛刻。当变电站母线发生故障时，如不及时切除故障，将会损坏众多电力设备，破坏系统的稳定性，甚至导致电力系统瓦解。如果母线保护拒动，也会造成大面积的停电。因此，设置动作可靠、性能良好的母线保护，使之能迅速有选择地切除故障是非常必要的。

常见的母线故障有：绝缘子对地闪络、雷击、运行人员误操作、母线电压和电流互感器故障等。

在大型发电厂及变电站的母线保护装置中，通常配置有母线差动保护、母联充电保护、母联失灵保护、母联死区保护、母联过流保护、母联非全相保护、其他断路器失灵保护等。其中，最为主要的是母差保护。本期我们一起了解一下母线差动保护的相关内容。 1、母差保护的原理

和线路差动保护相同，母线差动保护的基本原理也是基于基尔霍夫定律：在母线正常运行及外部故障时，各线路流入母线的电流和流出母线的电流相等，各线路的电流向量和等于零；当母线上发生故障时，各线路电流均流向故障点，其向量和（差动电流）不再等于零，满足一定条件后，出口跳开相应开关。

母线差动保护，由ABC三相分相差动元件构成。每相差动元件由小差差动元件及大差差动元件构成。大差元件用于判断是否为母线故障，小差元件用于选择出故障具体在哪一条母线。 为了提高保护的可靠性，在保护中还设置有起动元件、复合电压闭锁元件、CT回路断线闭锁元件等。

2、差动保护的动作方程

首先规定CT的正极性端在母线侧，一次电流参考方向由线路流向母线为正方向。 差动电流：指所有母线上连接元件的电流和的绝对值； 制动电流：指所有母线上链接元件的电流的绝对值之和。

以如图的双母接线方式的大差为例。差动电流和制动电流为：

差动继电器的动作特性一般如下图所示。蓝色区域为非动作区，红色区域为动作区。这种动作特性称作比率制动特性。动作逻辑的数学表达式也在图中给出。此动作方程适用于南瑞继保RCS—915及许继电气WMH—800A母线保护装置。

除此之外，还有一种复式比率制动特性，动作特性如下图所示。此动作方程适用于深圳南瑞BP—2B母线保护装置。

复式比率制动能够更明确的区分区内和区外故障。因为它引入了复合的制动电流Ir-Id，一方面在外部故障时，Ir随着短路电流的增大而增大，Ir＞＞Id，能有效地防止差动保护误动。另一方面在内部故障时，Id－Ir≈0保护无制动量，使差动保护能不带制动量灵敏动作。这样既有区外故障时保护的高可靠性又有区内故障时保护的灵敏性。 3、大差和小差

接入大差元件的电流为I母、II母所有支路（母联除外）的电流，目的是为了判断故障是否为母线区内故障；接入小差元件的电流为接入该段母线的所有支路的电流，目的是为了判断故障具体发生在哪一条母线上。

以的双母接线图为例，规定母联CT正极性段在I母侧。大差小差的差动电流和制动电流如下：

当I母发生故障时，可以看出对于大差元件Id=Ir，因此大差元件动作，确定母线发生区内故障；其次，II母小差元件Id=0，I母小差元件Id=Ir，因此判断故障发生在I母。大差、小差元件同时动作，母差保护差动继电器才动作 4、比率制动系数的高值和低值

（1）母联开关的分合对大差元件的影响

当母联开关合上，母线并列运行时，大差元件和小差元件的动作情况同上文的分析。 当母联开关断开，母线分列运行时，如图：

对于I母而言，大差小差元件的差动电流和制动电流分别为：

可以看出，I母小差Id=Ir不变，而大差Id

为了保证母线分列运行时，母差保护的动作灵敏性，可以采取以下措施： a.解除大差元件

当母联开关退出运行时，通过辅助接点解除大差元件，只要小差元件就可以出发差动继电器动作。但这样的缺点是降低了母差保护的可靠性。 b.设置高值低值

大差元件的比率制动系数设置一个高值和一个低值。当母线并列运行时，大差元件的比率制动系数使用高值；当母线分列运行时，自动降低大差元件的比率制动系数，采用低值，避免大差元件拒动。目前通常采用的也是这种措施，高值一般设为0.5~0.6，低值设为0.3。 5、复压闭锁元件

如我们开头所说，母差保护极其重要，母差保护误动后，会误跳大量线路，造成灾难性的后果。所以为了防止保护出口继电器由于振动或人员误碰等原因误动作，通常采用复压闭锁元件。复压闭锁元件开放条件为：

复合电压闭锁元件的接点串接于差动继电器的出口回路中。现在微机型母线保护通常采用软件闭锁方式。差动继电器动作后，只有复压闭锁元件也动作，母差保护才能出口去跳相应开关。逻辑框图如图：

一般在母线保护中，母线差动保护、断路器失灵保护、母联死区保护、母联失灵保护都要经过复合电压闭锁。但母联充电保护和母联过流保护不经复合电压闭锁。 6、CT断线闭锁

为了防止母差保护误动，母线保护中应设置有CT断线闭锁元件。当母差用CT断线时，立即将母差保护闭锁。对CT断线闭锁元件的要求如下：

（1）延时发出报警信号。对于母差保护，母线连接支路众多，制动电流为所有支路电流绝对值之和。所以某一支路的一相CT二次回路断线，一般不会导致保护误动作。因此应经一定延时发出报警信号，并将母差保护闭锁。

（2）分相设置闭锁元件。一相CT断线就去闭锁该相差动保护，以减少母线上又发生故障时差动保护误动的几率。

（3）母联/分段断路器CT断线，不应闭锁母差保护。但此时应切换到单母线方式，发生区内故障时不再进行母线选择。 7、运行方式识别

双母线上各连接元件在系统运行中需要经常在两条母线上切换，因此正确识别母线运行方式直接影响到母线保护动作的正确性。

保护装置引入隔离开关辅助触点判别母线运行方式，同时对隔离开关辅助触点进行自检，作为小差电流计算及出口跳闸的依据。当某支路有电流而无隔离开关位置信号时，发出报警信号。

有的装置设有母线模拟盘。当隔离开关位置发生异常时保护发出报警信号，通知运行人员检修。在运行人员检修期间，可以通过模拟盘用强制开关指定相应的隔离开关位置状态，保证母差保护在此期间的正常运行。

前面介绍了最重要的母线差动保护。除此之外，母线保护通常还配置有母联充电保护、母联失灵保护、母联死区保护、母联过流保护、母联非全相保护、其他断路器失灵保护等。 1、母联过流保护

母联过流保护是线路投运时，代替线路保护的临时保护。

当流过母联断路器三相电流中的任一相或零序电流大于整定值时，经整定延时跳开母联断路器。母联过流保护不经复压元件闭锁。保护动作的逻辑框图如下：

2、母联充电保护

母联充电保护也是临时性保护，只有在母线安装投运前或母线检修后再投入前，利用母联断路器对母线充电时短时投入。当投运母线有故障时，跳开母联断路器，切除故障。

充电保护投入后，母联断路器任一相电流大于充电电流整定值，经整定延时跳开母联断路器。充电保护也不经复压元件闭锁。逻辑框图如下：

充电保护投入期间，为了防止母联失灵误动，避免被充电母线故障时扩大停电范围，可根据控制字决定是否闭锁母差保护。 3、母联非全相保护

运行中，当断路器的一相断开时，将出现断路器非全相运行。非全相运行时，会产生负序电流，危及到发电机及电动机的安全。因此切除非全相运行的断路器非常重要。

断路器非全相保护依据的是非全相运行的特点：断路器三相位置不一致及产生负序、零序电流。因此由断路器TWJ和HWJ接点起动，并采用零序、负序电流作为动作的辅助判据。当三相HWJ或TWJ不同，且零序或负序电流大于整定值，经延时跳断路器。逻辑框图如下：

4、母联死区保护

在各种母差保护中，存在一个共同的问题，就是死区问题。

如图，在母联合位时，当故障发生在母联断路器与母联CT之间时，故障电流由II母流向I母，I母小差有差流，判断为I母故障，母差保护动作跳开I母及母联。此时故障仍然存在，II母小差无差流，从而形成了母差保护的死区，无法切除故障。

为了快速切除死区内的故障，母线保护中设置了死区保护。逻辑框图如下。可以看出，当I母（或II母）母差动作后，母联断路器被跳开，但故障未切除，母联CT仍有电流，死区保护动作，经延时跳II母（或I母）上连接的各断路器。

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