电流相位比较式母线保护的运行分析

大唐洛阳热电有限责任公司 朱 清

本文，笔者针对大唐洛阳热电有限责任公司110 kV 变电所的母线保护，对比固定连接式母线差动保护，分析了电流相位式母线差动保护的运行特点，以及运行中应注意的几个问题。

一、母线保护概述

母线是发电厂变电站及电力系统汇合的枢纽，在电力系统中的地位十分重要。母线一旦发生故障，其后果可能造成电力系统的瓦解、大面积停电或损坏电气设备，影响人民的正常生活、工厂的正常生产。

在发电厂或者变电所的母线上，可能发生的故障包括单相接地或者多相短路故障。运行经验指出，大多数母线故障是单相接地故障，而多相短路故障所占比例很小。

考虑到母线故障的后果十分严重，装设专门的母线保护可以迅速地切除母线上发生的故障，隔离故障点，将故障的范围减少到最低。

从母线在电力系统中所处的重要地位来说，要求母线保护的能快速、有选择地将故障切除，即保护装置在母线发生故障时必须十分可靠动作和具有足够的灵敏度；而在其他运行方式下包括各种不正常情况时（例如电压、电流回路断线，保护本身发生故障等）保证保护不误动，使母线能够安全可靠运行。

母线保护可以根据不同原理构成。例如，电流保护、电流电压保护、距离保护、差动保护等。目前，由于按照差动原理构成的母线保护能够保证较好的选择性和快速性，因此，得到了广泛的应用。

母线差动保护和其他元件的差动保护一样，都是按照环流法原理构成的。为此，应在母线的所有连接元件上都装设有相同变比的电流互感器，并将其二次绕组在靠近母线侧的端子互相连接起来，在母线外侧的端子也互相连接起来，差动继电器则跨接于连线之间。这样，当电流互感器一次侧电流的代数和为零时，其二次侧电流的代数和也为零。

大唐洛阳热电厂有限责任公司老厂110 kV变电站的母线是双母线带旁路运行，采用的是固定连接双母线差动保护。该保护在固定连接方式运行下，任何一条母线故障均能正确动作切除该母线上的所有连接元件，而另一组非故障母线及其连接的所有元件仍可以继续正常运行；但当母线元件的固定连接方式被破坏后，任何一组母线上发生故障时都将导致母线保护无选择地将两组母线上的所有元件切除，造成切除元件的范围扩大。为此，为防止母线保护的无选择动作，一般在运行方式考虑上尽量不破坏元件固定连接方式，但这样将大大限制了电力系统调度的灵活性，这是该种母线保护的主要缺点。

在大电力系统中，破坏母线固定连接方式在实际运行中是经常出现的，虽然在元件固定连接方式变化时，为了保证选择元件的选择性，可以相应地切换该元件的电流二次回路，但这不仅引起运行维护工作的不便，且易于发生人为的误操作事故。为此，目前在110 kV～220 kV 系统中广泛采用了电流相位比较式母线差动保护，可以克服元件固定连接的双母线差动保护装置缺乏必要灵活性的缺点，它适用于母线连接元件经常变化运行方式的情况，并具有较高的工作可靠性和动作的选择性。

大唐洛阳热电有限责任公司新机的变电站母线采用110kV双母线运行，与洛阳电业局所属的陡沟变电站、拖厂变电站、同乐寨变电站和华山路变电站相连，其母线保护采用了电流相位比较式母线差动保护。

二、电流相位比较式母线差动保护的工作原理

电流相位比较式母线差动保护采用三相式接线，适用于大接地电流系统中作为110～220 kV系统双母线的保护，为了提高保护装置的可靠性，吸取了运行经验比较成熟的母线电流差动保护的优点，采用了反应母线差动电流的启动元件、交流电压闭锁、交流回路断线闭锁等，只有选择元件采用电流相位比较继电器，其工作原理是利用比较母联开关中流过的电流与差动回路中的总电流的相位作为选择故障母线的依据。当第一组母线上发生故障时，流过母联开关中的电流是从第二组母线流向第一组母线；而当第二组母线发生故障时，则母联开关中的电流是从第一组母线流向第二组母线。这样母联开关中流过的电流的相位变化了180度，而总差动电流则是反映母线故障时的总电流，其相位是不变的。因此，利用这两个电流的相位进行比较，就可以很方便地选择出故障母线。按照此原理构成的保护装置，当任意一组母线发生故障时，不管此时母线上的元件如何连接，只要母联开关中有电流流过，选择元件就能正确地动作。这样在运行方式的调度上就有很大的灵活性。该保护要求在正常运行时，母联开关必须处于合闸状态，而且每组母线上都必须接有电源元件，以保证任一组母线发生故障时，都有足够大的故障电流流过母联回路，保证保护装置进行相位比较，否则选择元件将无法正确动作。

为保证保护装置的选择性，在元件连接方式改变时，二次回路也要做出相应的切换。电流相位比较式母线差动保护利用每个元件的隔离刀闸的辅助接点，装设了电压切换继电器，自动将保护的出口回路进行切换，简化了二次回路的切换动作。

为提高母线差动保护装置选择元件工作的可靠性，在保护装置的接线中，采用了闭锁措施。为此，电流相位比较继电器接入保护装置启动元件的常闭接点，在正常运行或保护区外故障时，由于启动元件不动作，其常闭接点将使电流相位比较继电器处于闭锁状态，以防止不平衡电流引起的保护误动作。

三、电流相位比较式母线保护装置的组成部分

1.启动元件和选择元件。电流相位比较式母线差动保护装置主要由启动元件和选择元件两部分组成。启动元件用来判断母线上是否有故障，由差动回路实现，而选择元件则用来判别故障发生的母线，由流过母联开关的电流相位和差动回路电流相位比较现实的。由于篇幅限制，此处不再详述。

2.电流互感器的二次回路断线闭锁装置。在差动回路中线上装设了一个电流继电器，以监视交流电流回路的完好性，当回路中有断线时发出交流电流回路断线信号，并启动闭锁继电器，断开母线保护的正电源，使保护装置不能动作。同时为防止闭锁继电器接点接触不好或直流电源熔断器熔断造成保护装置拒绝动作，回路中还装设了监察继电器，当直流电源失去时，发出直流电源消失信号。

3.复合电压闭锁回路。为防止在正常运行情况下保护装置的误动作，母线保护回路中装设了复合电压闭锁回路，由低电压继电器、零序电压继电器、负序电压继电器及中间继电器组成，同时为了提高母线故障时母联开关跳闸的可靠性，接线中母联开关的跳闸回路不经复合电压闭锁。

四、电流相位比较式母线差动保护运行分析

1.正常运行时的分析。大唐洛阳热电有限责任公司新机110 kV 变电所系统共有8 回出线，与四个变电站相连接，即每个变电站均为双回线，电源有两台机组和一台启备变，其接线的原则是无论发电机还是出线凡是编号为单数的连接于110 kV 南母线，双数的连接于110 kV 的北母线，母联开关正常运行时投入。

根据保护的工作原理，线路元件或电源元件既可以运行在南母，也可运行在北母，只要每条母线上有电源元件，并且母联开关在投入状态即可，运行方式的选择十分灵活。电压回路也是自动切换，操作起来方便，较固定连接母线差动保护二次回路在方式变化时需要手动切换有明显的改进。当任意一条母线故障时，母线保护动作跳开该母线上连接的所有元件，而连接在另一条母线上的所有元件都不会跳闸，可以继续供电。

2.根据电流相位比较式母线差动保护原理，当采用以下几种特殊的运行方式时，母保的选择性需要退出。

（1）单母线运行。在一条母线检修时，需要将该母线上的所有元件切换至另一条母线上。此时，母线保护选择性存在已经没有意义，故需要将母线选择性的直流小刀闸DK推上。在运行母线发生故障时，母保的总差动电流启动母线保护装置切除运行母线上连接的所有元件。

（2）双母线运行、但母联开关是断开的。由于此时母联开关断开，无法进行对母联开关中的电流与总差动回路中的电流的比较，因此母线保护的选择性也不存在，所以应将DK刀闸推上，任一条母线故障，都将跳开两条母线上所有的连接元件。这种方式从原理上讲是可以存在的，但从运行方式上考虑很少采用。因为此时双母线分开运行，一旦系统发生问题，易造成双母线不同期，母联开关无法达到同期合闸条件，无法合闸；而且此时由于母线保护的选择性不存在，一旦一条母线发生故障，保护动作时将非故障母线也从系统中切除，损失太大。因此，除非母联开关需要停电检修，一般情况是不采用这种运行方式的。

（3）用母联开关向另一条母线充电时。该方式的采用是在一条母线运行，另一条母线将要恢复时。用母联开关向备用母线充电，只用投入母联开关的本身速断保护，即使充电到故障母线，母联开关速断保护动作跳开，不影响工作母线及与其连接的元件。在备用母线充电过程中，若将选择元件投入工作，当此时运行母线发生故障，而被充电母线未接有电源元件，不能经母联回路向故障点提供电流，使选择元件无法工作。为此，在用母联开关向备用母线充电时，应将母线保护DK 开关投入，以防在运行母线发生故障时母线保护拒动。

（4）双母线运行，但有电源的元件集中在一条母线上。有电源的母线经过母联开关向另外一条母线提供电流，当无电源母线发生故障时，母线保护能够有选择地切除无电源母线上的元件；但在有电源的母线发生故障时，将没有电流流过母联开关，无法实现选择性，母线保护将无法动作，因此，这种方式下，需要退出保护的选择性，一旦任一母线故障，将切除两条母线上的所有连接元件。

（5）进行母线倒闸操作中。进行母线倒闸操作时，为防止母联开关突然误跳而造成带负荷推、拉刀闸，此时应将母联开关操作回路的保险取下，不让母联开关断开。此时任一母线故障，由于母联开关的操作保险取下，母联开关无法跳开，因此需要将母线保护DK刀闸推上，退出母保选择性。

（6）利用母联开关串带某一元件开关时。此时的运行情况是将一条母线上的元件倒至另一条母线，只留下需要串带的元件。在这种情况下，电源均集中在一条母线上，母联开关中的电流方向是单向的，母线保护无法选择，也应将母线保护DK 刀闸推上，退出选择性。

3.电流相位比较式母线差动保护运行中应注意的几个问题。

（1）母线电压互感器停电。此时将电压互感器二次切换开关合上，两组母线电压互感器二次侧连在一起，母线保护可以正常投入，不需要倒母线，选择性不用退出，仅将直流二次回路做相应切换即可。

（2）在进行倒闸操作，元件连接方式改变后，应及时检查电压自动切换回路是否切换正常，以免保护不能够正确动作。

（3）正常运行时要注意检查母差电流回路的差电流是否增大，若超过40 mA，应将母线保护及时退出。

（4）在母联开关串带某一元件运行时，母联开关在差动回路中的极性要做相应改变，即由南向北或由北向南，否则母线差电流增大，母保不能正确动作。

（5）母联开关串带某一元件时，应及时将母联开关的保护定值改为所带元件的定值，退出所串带元件的本身保护，同时母线保护选择性退出。

（6）在母线保护交流回路断线信号发出时，应及时退出母差保护。在母线保护差动回路的一相中接有一电流继电器，以监视交流电流回路的完好性，当回路中有断线时发出交流电流回路断线信号，并闭锁母线差动保护。

综上，通过对电流相位比较式母线差动保护的运行分析，它比固定连接式母线差动保护具有操作灵活、简便的优点，只要母联开关在投入，而且两条母线上均有电源元件，其运行方式可以有多种选择，而且不用手动切换二次回路，大大提高了电力系统运行方式的灵活性，适合广泛应用。