電流相位比較式母線保護的運行分析

大唐洛陽熱電有限責任公司 朱 清

本文，筆者針對大唐洛陽熱電有限責任公司110 kV 變電所的母線保護，對比固定連接式母線差動保護，分析了電流相位式母線差動保護的運行特點，以及運行中應注意的幾個問題。

一、母線保護概述

母線是發(fā)電廠變電站及電力系統(tǒng)匯合的樞紐，在電力系統(tǒng)中的地位十分重要。母線一旦發(fā)生故障，其后果可能造成電力系統(tǒng)的瓦解、大面積停電或損壞電氣設備，影響人民的正常生活、工廠的正常生產(chǎn)。

在發(fā)電廠或者變電所的母線上，可能發(fā)生的故障包括單相接地或者多相短路故障。運行經(jīng)驗指出，大多數(shù)母線故障是單相接地故障，而多相短路故障所占比例很小。

考慮到母線故障的后果十分嚴重，裝設專門的母線保護可以迅速地切除母線上發(fā)生的故障，隔離故障點，將故障的范圍減少到最低。

從母線在電力系統(tǒng)中所處的重要地位來說，要求母線保護的能快速、有選擇地將故障切除，即保護裝置在母線發(fā)生故障時必須十分可靠動作和具有足夠的靈敏度；而在其他運行方式下包括各種不正常情況時（例如電壓、電流回路斷線，保護本身發(fā)生故障等）保證保護不誤動，使母線能夠安全可靠運行。

母線保護可以根據(jù)不同原理構(gòu)成。例如，電流保護、電流電壓保護、距離保護、差動保護等。目前，由于按照差動原理構(gòu)成的母線保護能夠保證較好的選擇性和快速性，因此，得到了廣泛的應用。

母線差動保護和其他元件的差動保護一樣，都是按照環(huán)流法原理構(gòu)成的。為此，應在母線的所有連接元件上都裝設有相同變比的電流互感器，并將其二次繞組在靠近母線側(cè)的端子互相連接起來，在母線外側(cè)的端子也互相連接起來，差動繼電器則跨接于連線之間。這樣，當電流互感器一次側(cè)電流的代數(shù)和為零時，其二次側(cè)電流的代數(shù)和也為零。

大唐洛陽熱電廠有限責任公司老廠110 kV變電站的母線是雙母線帶旁路運行，采用的是固定連接雙母線差動保護。該保護在固定連接方式運行下，任何一條母線故障均能正確動作切除該母線上的所有連接元件，而另一組非故障母線及其連接的所有元件仍可以繼續(xù)正常運行；但當母線元件的固定連接方式被破壞后，任何一組母線上發(fā)生故障時都將導致母線保護無選擇地將兩組母線上的所有元件切除，造成切除元件的范圍擴大。為此，為防止母線保護的無選擇動作，一般在運行方式考慮上盡量不破壞元件固定連接方式，但這樣將大大限制了電力系統(tǒng)調(diào)度的靈活性，這是該種母線保護的主要缺點。

在大電力系統(tǒng)中，破壞母線固定連接方式在實際運行中是經(jīng)常出現(xiàn)的，雖然在元件固定連接方式變化時，為了保證選擇元件的選擇性，可以相應地切換該元件的電流二次回路，但這不僅引起運行維護工作的不便，且易于發(fā)生人為的誤操作事故。為此，目前在110 kV～220 kV 系統(tǒng)中廣泛采用了電流相位比較式母線差動保護，可以克服元件固定連接的雙母線差動保護裝置缺乏必要靈活性的缺點，它適用于母線連接元件經(jīng)常變化運行方式的情況，并具有較高的工作可靠性和動作的選擇性。

大唐洛陽熱電有限責任公司新機的變電站母線采用110kV雙母線運行，與洛陽電業(yè)局所屬的陡溝變電站、拖廠變電站、同樂寨變電站和華山路變電站相連，其母線保護采用了電流相位比較式母線差動保護。

二、電流相位比較式母線差動保護的工作原理

電流相位比較式母線差動保護采用三相式接線，適用于大接地電流系統(tǒng)中作為110～220 kV系統(tǒng)雙母線的保護，為了提高保護裝置的可靠性，吸取了運行經(jīng)驗比較成熟的母線電流差動保護的優(yōu)點，采用了反應母線差動電流的啟動元件、交流電壓閉鎖、交流回路斷線閉鎖等，只有選擇元件采用電流相位比較繼電器，其工作原理是利用比較母聯(lián)開關中流過的電流與差動回路中的總電流的相位作為選擇故障母線的依據(jù)。當?shù)谝唤M母線上發(fā)生故障時，流過母聯(lián)開關中的電流是從第二組母線流向第一組母線；而當?shù)诙M母線發(fā)生故障時，則母聯(lián)開關中的電流是從第一組母線流向第二組母線。這樣母聯(lián)開關中流過的電流的相位變化了180度，而總差動電流則是反映母線故障時的總電流，其相位是不變的。因此，利用這兩個電流的相位進行比較，就可以很方便地選擇出故障母線。按照此原理構(gòu)成的保護裝置，當任意一組母線發(fā)生故障時，不管此時母線上的元件如何連接，只要母聯(lián)開關中有電流流過，選擇元件就能正確地動作。這樣在運行方式的調(diào)度上就有很大的靈活性。該保護要求在正常運行時，母聯(lián)開關必須處于合閘狀態(tài)，而且每組母線上都必須接有電源元件，以保證任一組母線發(fā)生故障時，都有足夠大的故障電流流過母聯(lián)回路，保證保護裝置進行相位比較，否則選擇元件將無法正確動作。

為保證保護裝置的選擇性，在元件連接方式改變時，二次回路也要做出相應的切換。電流相位比較式母線差動保護利用每個元件的隔離刀閘的輔助接點，裝設了電壓切換繼電器，自動將保護的出口回路進行切換，簡化了二次回路的切換動作。

為提高母線差動保護裝置選擇元件工作的可靠性，在保護裝置的接線中，采用了閉鎖措施。為此，電流相位比較繼電器接入保護裝置啟動元件的常閉接點，在正常運行或保護區(qū)外故障時，由于啟動元件不動作，其常閉接點將使電流相位比較繼電器處于閉鎖狀態(tài)，以防止不平衡電流引起的保護誤動作。

三、電流相位比較式母線保護裝置的組成部分

1.啟動元件和選擇元件。電流相位比較式母線差動保護裝置主要由啟動元件和選擇元件兩部分組成。啟動元件用來判斷母線上是否有故障，由差動回路實現(xiàn)，而選擇元件則用來判別故障發(fā)生的母線，由流過母聯(lián)開關的電流相位和差動回路電流相位比較現(xiàn)實的。由于篇幅限制，此處不再詳述。

2.電流互感器的二次回路斷線閉鎖裝置。在差動回路中線上裝設了一個電流繼電器，以監(jiān)視交流電流回路的完好性，當回路中有斷線時發(fā)出交流電流回路斷線信號，并啟動閉鎖繼電器，斷開母線保護的正電源，使保護裝置不能動作。同時為防止閉鎖繼電器接點接觸不好或直流電源熔斷器熔斷造成保護裝置拒絕動作，回路中還裝設了監(jiān)察繼電器，當直流電源失去時，發(fā)出直流電源消失信號。

3.復合電壓閉鎖回路。為防止在正常運行情況下保護裝置的誤動作，母線保護回路中裝設了復合電壓閉鎖回路，由低電壓繼電器、零序電壓繼電器、負序電壓繼電器及中間繼電器組成，同時為了提高母線故障時母聯(lián)開關跳閘的可靠性，接線中母聯(lián)開關的跳閘回路不經(jīng)復合電壓閉鎖。

四、電流相位比較式母線差動保護運行分析

1.正常運行時的分析。大唐洛陽熱電有限責任公司新機110 kV 變電所系統(tǒng)共有8 回出線，與四個變電站相連接，即每個變電站均為雙回線，電源有兩臺機組和一臺啟備變，其接線的原則是無論發(fā)電機還是出線凡是編號為單數(shù)的連接于110 kV 南母線，雙數(shù)的連接于110 kV 的北母線，母聯(lián)開關正常運行時投入。

根據(jù)保護的工作原理，線路元件或電源元件既可以運行在南母，也可運行在北母，只要每條母線上有電源元件，并且母聯(lián)開關在投入狀態(tài)即可，運行方式的選擇十分靈活。電壓回路也是自動切換，操作起來方便，較固定連接母線差動保護二次回路在方式變化時需要手動切換有明顯的改進。當任意一條母線故障時，母線保護動作跳開該母線上連接的所有元件，而連接在另一條母線上的所有元件都不會跳閘，可以繼續(xù)供電。

2.根據(jù)電流相位比較式母線差動保護原理，當采用以下幾種特殊的運行方式時，母保的選擇性需要退出。

（1）單母線運行。在一條母線檢修時，需要將該母線上的所有元件切換至另一條母線上。此時，母線保護選擇性存在已經(jīng)沒有意義，故需要將母線選擇性的直流小刀閘DK推上。在運行母線發(fā)生故障時，母保的總差動電流啟動母線保護裝置切除運行母線上連接的所有元件。

（2）雙母線運行、但母聯(lián)開關是斷開的。由于此時母聯(lián)開關斷開，無法進行對母聯(lián)開關中的電流與總差動回路中的電流的比較，因此母線保護的選擇性也不存在，所以應將DK刀閘推上，任一條母線故障，都將跳開兩條母線上所有的連接元件。這種方式從原理上講是可以存在的，但從運行方式上考慮很少采用。因為此時雙母線分開運行，一旦系統(tǒng)發(fā)生問題，易造成雙母線不同期，母聯(lián)開關無法達到同期合閘條件，無法合閘；而且此時由于母線保護的選擇性不存在，一旦一條母線發(fā)生故障，保護動作時將非故障母線也從系統(tǒng)中切除，損失太大。因此，除非母聯(lián)開關需要停電檢修，一般情況是不采用這種運行方式的。

（3）用母聯(lián)開關向另一條母線充電時。該方式的采用是在一條母線運行，另一條母線將要恢復時。用母聯(lián)開關向備用母線充電，只用投入母聯(lián)開關的本身速斷保護，即使充電到故障母線，母聯(lián)開關速斷保護動作跳開，不影響工作母線及與其連接的元件。在備用母線充電過程中，若將選擇元件投入工作，當此時運行母線發(fā)生故障，而被充電母線未接有電源元件，不能經(jīng)母聯(lián)回路向故障點提供電流，使選擇元件無法工作。為此，在用母聯(lián)開關向備用母線充電時，應將母線保護DK 開關投入，以防在運行母線發(fā)生故障時母線保護拒動。

（4）雙母線運行，但有電源的元件集中在一條母線上。有電源的母線經(jīng)過母聯(lián)開關向另外一條母線提供電流，當無電源母線發(fā)生故障時，母線保護能夠有選擇地切除無電源母線上的元件；但在有電源的母線發(fā)生故障時，將沒有電流流過母聯(lián)開關，無法實現(xiàn)選擇性，母線保護將無法動作，因此，這種方式下，需要退出保護的選擇性，一旦任一母線故障，將切除兩條母線上的所有連接元件。

（5）進行母線倒閘操作中。進行母線倒閘操作時，為防止母聯(lián)開關突然誤跳而造成帶負荷推、拉刀閘，此時應將母聯(lián)開關操作回路的保險取下，不讓母聯(lián)開關斷開。此時任一母線故障，由于母聯(lián)開關的操作保險取下，母聯(lián)開關無法跳開，因此需要將母線保護DK刀閘推上，退出母保選擇性。

（6）利用母聯(lián)開關串帶某一元件開關時。此時的運行情況是將一條母線上的元件倒至另一條母線，只留下需要串帶的元件。在這種情況下，電源均集中在一條母線上，母聯(lián)開關中的電流方向是單向的，母線保護無法選擇，也應將母線保護DK 刀閘推上，退出選擇性。

3.電流相位比較式母線差動保護運行中應注意的幾個問題。

（1）母線電壓互感器停電。此時將電壓互感器二次切換開關合上，兩組母線電壓互感器二次側(cè)連在一起，母線保護可以正常投入，不需要倒母線，選擇性不用退出，僅將直流二次回路做相應切換即可。

（2）在進行倒閘操作，元件連接方式改變后，應及時檢查電壓自動切換回路是否切換正常，以免保護不能夠正確動作。

（3）正常運行時要注意檢查母差電流回路的差電流是否增大，若超過40 mA，應將母線保護及時退出。

（4）在母聯(lián)開關串帶某一元件運行時，母聯(lián)開關在差動回路中的極性要做相應改變，即由南向北或由北向南，否則母線差電流增大，母保不能正確動作。

（5）母聯(lián)開關串帶某一元件時，應及時將母聯(lián)開關的保護定值改為所帶元件的定值，退出所串帶元件的本身保護，同時母線保護選擇性退出。

（6）在母線保護交流回路斷線信號發(fā)出時，應及時退出母差保護。在母線保護差動回路的一相中接有一電流繼電器，以監(jiān)視交流電流回路的完好性，當回路中有斷線時發(fā)出交流電流回路斷線信號，并閉鎖母線差動保護。

綜上，通過對電流相位比較式母線差動保護的運行分析，它比固定連接式母線差動保護具有操作靈活、簡便的優(yōu)點，只要母聯(lián)開關在投入，而且兩條母線上均有電源元件，其運行方式可以有多種選擇，而且不用手動切換二次回路，大大提高了電力系統(tǒng)運行方式的靈活性，適合廣泛應用。