母线保护的探究

【摘 要】母线保护是电力系统中的主保护之一，该保护对系统安全、稳定运行至关重要。随着我国电网电压等级的提高，新型传感器的应用以及1EC-61850标准（变电站通信网络与系统）的推行，母线保护技术也必将提高到一个新的水平， 其中，电流差动保护原理，母联电流相位比较原理以及电弧光母线保护原理，以其良好的性能在目前的市场占据主导地位。本文重点介绍了这几类不同原理的母线保护；并对各种母线保护的原理进行比较分析，总结出各自的特点。

【关键词】母线保护；基尔霍夫电流定律；电弧光

母线是电力系统的重要设备， 在整个输配电中起着非常重要的作用。母线故障是电力系统中非常严重的故障， 它直接影响母线上所连接的所有设备的安全可靠运行， 导致大面积事故停电或设备的严重损坏， 对于整个电力系统的危害极大。随着电力系统技术的不断发展， 电网电压等级不断升高，对母线保护的快速性、灵敏性、可靠性、选择性的要求也越来越高。

母线联系元件众多，母线保护尤为重要，本文就母线保护提出探究，对现行被广泛应用的保护进行分析总结，得出各自的特点。

1 母线保护按其原理可分为以下几类

1.1 电流差动原理

差动保护是根据“电路中流入节点电流的总和等于零”原理制成的.差动保护把被保护的电气设备看成是一个接点，那么正常时流进被保护设备的电流和流出的电流相等，差动电流等于零。当设备出现故障时，流进被保护设备的电流和流出的电流不相等，差动电流大于零。当差动电流大于差动保护装置的整定值时，保护动作，将被保护设备的各侧断路器跳开，使故障设备断开电源。

差动保护是利用基尔霍夫电流定理工作的，当变压器正常工作或区外故障时，将其看作理想变压器，则流入变压器的电流和流出电流（折算后的电流）相等，差动继电器不动作。当变压器内部故障时，两侧（或三侧）向故障点提供短路电流，差动保护感受到的二次电流和的正比于故障点电流，差动继电器动作。

差动保护原理简单、使用电气量单纯、保护范围明确、动作不需延时。

1.2 母联电流相位比较原理

母联电流相位比较式母线保护，一般用于110KV及以上电压等级且出线回路数比较多的双母线系统中。为了防止母差保护动作对系统造成较大的影响，实际的保护装置中还装设了复合电压闭锁回路，对起动回路和每个出口跳闸回路都进行了闭锁，以提高安全可靠性。如下图1， 为母联电流相位比较式保护原理图，分别比较两组母线的总故障电流与母联电流互感器中电流的相位，相位接近一致的母线组为故障母线组，相位接近180。的母线组为非故障母线组。此原理用于长期并列运行的双母线时比较有利。

这种原理只比较电流的相应，与其幅值无关，因此基本上不受电流互感器饱和的影响。

图1 母联电流相位比较式保护原理图

1.3 电弧光母线保护原理

与其他母线保护相比，电弧光保护是集非电量和电量信息一体的保护。其典型应用参见图2。当母线段上出现故障时会立即产生电弧光这一非电量信息和母线的有源进线电流量会增大这一电量信息构成了电弧光保护的逻辑判据。通过采集母线段上的弧光或是弧光加母线有源进线上的电流大于整定值而切除母联和进线构电弧光保护的动作机理。

图2 电弧光母线保护原理接线图

2 关于各类母线保护原理的比较

差动保护原理是利用基尔霍夫电流定理工作的，当变压器正常工作或区外故障时，将其看作理想变压器，则流入变压器的电流和流出电流（折算后的电流）相等，差动继电器不动作。当变压器内部故障时，两侧（或三侧）向故障点提供短路电流，差动继电器感受到的二次电流和的正比于故障点电流，差动继电器动作。

正常运行时，通过母线的各支路电流即为连接在母线上的各个间隔电流，当母线发生故障时，通过母线的各支路电流就为连接在母线上的各个间隔电流与故障点的电流。由此我们可以以连接在母线上的各个间隔电流是否满足基尔霍夫电流定律来判定母线是否故障。

对于一个母线系统， 母线上有n 条支路。

Id = I1 + I2 + I3 + ……+ In， 为流入母线的和电流， 即母线保护的差动电流。当系统正常运行或外部发生故障时， 流入母线的电流和为零， 即母线差动保护的差动电流， 母线保护不动作。当母线发生故障时， 等于流入故障点的电流， 如果大于母线保护所设定的动作电流时， 母线保护将会动作。在实际的系统中， 微机保护“差电流”与“和电流”不是从模拟电流回路中直接获得， 而是通过电流采样值的数值计算求得， 即通过采集母线各支路的电流互感器（ 以下简称CT）的电流值， 由母线保护装置计算所得。因此， 电流互感器能否正确提供电流信息， 成为母线保护正确动作的一个关键因素。实际中， 当母线系统外部发生故障时母线差动电流Id≠0， 而为一小的数值， 这就是由于电流互感器误差而产生的差动不平衡电流。差动不平衡电流的大小随着故障电流的增大而增大， 当区外近距离发生故障时， 差动不平衡电流增大， 有可能导致护装置误动。为了避免保护误动，提出具有制动特性的母线差动保护。

母联电流相位比较原理，以母线上接入两条线路为例，当其正常运行或母线外部短路时流入母线与流出母线的电流，它们大小相等、相位相差180°。当母线上发生短路时，短路电流均流向母线短路点，如果提供短路电流电源的电动势同相位，且两支路的短路阻抗角相同时，两个电流就同相位，其相位角差为0°。分别比较两组母线的总故障电流与母联电流互感器中电流的相位，相位接近一致的是母线组，就是说该组母线上电流只有流进或流出，母线上电流净流出不可能，所以为只有流进的电流，流入该组母线上的和电流不为零，不满足基尔霍夫电流定律，可判定为故障母线组。相位接近180。的母线组，即该组母线上除母联外的和电流相位与母联上电流相位相反，该母线上的和电流通过一正一负可为零，可满足基尔霍夫电流定律，判定为非故障母线组。

因此，可由比相元件来判断母线上是否发生故障。这种母线保护只反应电流间的相位，因此具有较高的灵敏度。

由上所述，电流差动原理、母联电流相位比较原理、电流相位比较原理的基本原理都为基尔霍夫电流定律。而电弧光母线保护原理是基于母线发生故障时母线段上产生弧光为主要判据来判别母线是否故障。故可以把母线保护大致分为基于基尔霍夫电流定律母线保护和电弧光母线保护。现就两者在应用中各自的特性进行分析。

图3 母线系统各支路连接

3 典型母线保护在实际应用中的特性

由上面的分析可知，母线保护大致分为基于基尔霍夫电流定律母线保护和电弧光母线保护。现本文对两者在应用中各自的特性进行分析。基于基尔霍夫电流定律母线保护的典型应用为母线差动保护，代表产品为BP-2C，基于电弧光母线保护的代表产品为VAMP 221。

母线差动保护在基尔霍夫电流定律的基础上增加了和电流突变量判据、复式比率差动判据、电压闭锁判据、CT饱和检测元件。各判据含意见表1，电流差动保护判据逻辑见图4所示（以双母线为例） 。

实际应用中，基本原理为基尔霍夫电流定律的母线差动保护被广泛应用于110kV及以上电压等级母线保护中，而电弧光母线保护被广泛应用于35kV及10kV母线保护中。两种保护原理都能起到母线保护的作用，而主要应用范围却各不相同，在工程及运行中两种保护究竟有哪些特点，两种保护能否互换？本文就以母线差动保护的典型产品BP-2C和电弧光保护的典型产品VAMP 221进行比较分析，从表3 可以看出各自的特点。

从母线差动保护和电弧光母线保护各自在工程及运行点的比较可以得出如果两保护装置互换，会遇到以下问题：

（一）若用电弧光母线保护替换母线差动保护存在的问题：

（1）从安装位置来看，110kV及以上电压等级的母线安装在高压开关场，其母线一般为露天安装，若要采集故障时产生的电弧光，采光探头要安装在母线附近，这样，雷电和开关厂其他设备故障时产生的弧光会引起弧光保护装置产生误判；

（2）没有断路器失灵保护功能，对于220kV及以上电压等级母线保护在线路间隔断路器失灵时不能启动母线保护，不满足其可靠性要求；

（3）母线差动保护能适应母线的多种运行方式，如单母运行、双母运行等，而电弧光母线保护只针对所保护的单段母线，运用机动性差。

（二）若用母线差动保护替换电弧光母线保护存在的问题：

（1）现行运行中的大部分35kV和10kV线路所用CT保护绕组不

够，没有专门用作差动保护的保护绕组，所以母线差动保护不能在35kV和10kV母线中大量普及，而电弧光母线保护就不受此限制，可以大量普及应用；

（2）母线差动保护接线复杂，给安装和维护增加难度，而电弧光母线保护安装及维护相对简单。

由上所述，母线差动保护和电弧光母线保护各有特点和各自的主要应用范围，一般情况下两种保护装置不能互换。

4 结束语

母线保护原理众多，在众多的原理中可归纳为基于基尔霍夫电流定律的母线保护原理和电弧光母线保护原理，两种保护各有其特点和应用特性。由于电弧光母线保护动作出口比母线差动保护快，对于需要快速出口的110kV及以上电压等级的母线保护中，只要母线的安装与其他间隔隔离开以满足其它设备的弧光不会影响到电弧光母线保护对母线弧光的采集，可装设电弧光母线保护作为主二保护。由于母线差动保护能适应母线的多种运行方式，且带充电保护等功能，对于一些35kV和10kV母线，若各间隔使用的CT有可供差动保护用的保护绕组，可采取母线差动保护方案，来满足其运行灵活性的要求。随着科学技术的发展，母线保护会朝着更加安全、可靠、智能的方向发展。

参考文献：

[1]张保会，尹项根.电力系统继电保护、中国电力出版社，2005.5.

[2]王彦东，仇志成.母线保护原理的现状与发展、宁夏电力，2007（1）.

作者简介：

何光树（1987.12-），云南电网公司大理供电局，助理工程师。