浅谈母线充电保护和母差保护的关系

浅谈母线充电保护和母差保护的关系

摘要：对于双母线的主接线方式，母线的差动保护和母线充电保护都是重要的保护方式，一直以来，电力系统共识认为对母线充电时应闭锁差动保护以防止误动。本文分析了投入及退出差动保护情况下，母线充电过程中发生故障的动作情况，得出的结论是母线充电过程中无需退出差动保护，且差动保护可以取代充电保护作为充电过程中的故障识别环节。

无论对于发电厂或变电站，母线都是连接所有进出线的枢纽环节，因此母线的安全性尤为重要，且母线的故障也是最电力系统严重的电气故障之一。母线保护装置是正确迅速切除母线故障的重要手段,它的拒动或误动将给电力系统带来严重危害。

单母线一般不采用专门的母线保护，而利用供电元件的保护装置就可以把母线故障切除。当双母线同时运行或母线为分段单母线时，线路保护不能保证与选择性的切除母线故障，需要配置专用的母线保护。母线保护自身相对简单，但是由于电流互感器饱和，以及母线差动保护与断路器失灵保护、线路保护、死区保护、充电保护存在逻辑上的启动和闭锁等联系，增加了母线保护的复杂性。其中差动保护与充电保护的关系一直被很多研究和技术人员所关注。

一、充电保护

母线充电保护是并联母线投入运行时的辅助保护。

当任一组母线检修后再投入之前，如利用母联断路器由一段母线对另一段母线加电压， 即进行充电试验时，若被充电母线上有短路，此时需由充电保护将母联断路器跳开。

母线充电保护以电流作为判据，接线简单。在一些地方，充电保护可以作为专用母线单独带新建线路充电的临时保护。一般情况下，充电保护功能是退出的，且当母线充电完成之后，也立即退出工作。

1.母线充电保护

当任一组母线检修后在投入之前，如果利用母联断路器由一组母线对另一组母线进行充电时，被充电母线上有短路，此时需由“充电保护”将母联断路器跳开。充电保护作为一个辅助保护，使用时倒闸操作规程也是极其细致严格的。一直以来，电力系统内一致认为充电时要闭锁差动。

2.原因如下

2.1为防止由于母联电流互感器极性不对被误认为本母线故障造成的误动。

2.2源于原来母联比相保护规程。既然充电保护启动后要闭锁差动保护一段时间(正常系统母线差动压板是不能退出的)，必然对充电保护启动要有特殊的判别条件。一般做法是:判跳位，判电流和运行方式。充电保护一启动就开始闭锁差动保护一段时间(大概300ms)，如果充电充在故障母线上，差动保护不会动作，充电保护动作跳开母联开关。从原理上比较充电保护和采样值差动保护，反应电流有效值的充电保护要达到一定的精度，必须保证半个周波的数据窗，也就是必须保证Td ≥10ms;差动保护是直接利用采样值实现的，其动作判据按每一个采样值分别判断，可以在原理上完全消除突变干扰电流的影响，有更快的动作速度和

更高的可靠性，最快可以在四分之一周波内判断出是否有故障。因为充电保护电流定值是按保证灵敏度，考虑在最小运行方式下整定，在系统最大运行方式运行时充电操作，如果充电保护经延时(>10ms)才动作，可能会不满足系统的要求;而此时使用差动保护去判别可以更快 (>5ms)动作出口。

从原理上的研究可知，高中压母线保护的充电保护，很难同时满足可靠性和快速性;而如果取消充电保护，将充电操作所要求的可靠性和快速性分别放在差动保护和过流保护中，是具有可操作性的，比如WMZ-41B 型微机母线保护装置的充电保护分为充电I段和充电II段，双母线正常运行时，充电保护(充电I段)不投入，而充电II段可以作为母联过流保护。从而简化了保护装置设计，减轻现场运行维护。

二、差动保护

为防止出现故障时切换备用母线造成全部负荷停电，目前双母线大多采用同时运行方式。针对这种运行方式，常见的保护方式包括元件固定连接的电流差动保护，和母联相位差动保护。前者依赖于固定的连接方式，一旦将部分支路由一条母线切换至另一条，故障时，差动保护将无法识别故障母线，不能有选择性的切除故障。因此，双母线较多采用母联相位差动保护。

母联相差保护原理可由图1说明，图中1、2端子反映的是所有进线和出线的总差电流，故障时则为总故障电流，3、4端子之间反映母联开关流过的电流。作为差动保护，总差电流用于识别故障，同时，利用比较母联中电流与总差电流的相位作为故障母线的选择元件。这是因为，当母线I上故障时，流过母联QF5的电流是由母线II流向母线I，而当母线II故障时，流过QF5的电流是由母线I流向母线II，目联电流的相位变化了1800，而总差电流是反应母线故障的总电

流，其相位是不变的。因此，利用这两个电流的相位比较，就可以选择出故障母线。

基于这种原理，当母线上故障时，不管母线上元件如何连接，只要有电流流过母联，则选择元件就能够正确动作，因此，对母线上的元件就无需提出固定连接的要求。

三、差动保护对充电保护的影响

1.退出母差保护

以母线I给不带电的母线II充电为例，断路器QF3、QF4断开，安装于母联断路器处的充电保护被投入。若母线I发生故障如图中d1点，故障电流不流经母联断路器，因此充电保护将无法识别母线故障，只能依靠母线I上的线路的后备保护切除故障，相对动作时间较长，不能满足速动性要求。只有当被充电母线II发生故障时，充电保护才能检测到故障，瞬时动作于跳开母联断路器。

2.投入母差保护

仍以母线I给不带电的母线II充电为例，断路器QF3、QF4断开，安装于母联断路器处的充电保护被投入，且母差保护投入。

若此时发生上述母线I故障，母联开关上的充电保护不能识别，但此时母差保护将检测到电流差，动作于跳闸，起到后备作用。

现在分析真正决定是否需要闭锁差动保护的误动问题。若母线I给母线II充电过程中，母线II发生故障，如图2中d2点，充电保护测到流过母联的电流动作，同时母差测到差动电流，且电流由母线I流向母线II，同时发出切断母联开关命令。

若充电过程中，母线II的出线断路，如图2中d3所示，母联开关处的充电保护检测到过流，切断母联断路器。而对于母差保护来说，线路保护属外部故障，总差只测到不平衡电流，不会动作。

经过上述分析可见，投入母差保护不会在母线充电过程中造成任何误动。给母线充电或通过母线给线路充电过程中，将母差保护投入不仅满足规程关于“继电保护装置应按规定投入运行，不允许一次设备无保护运行”的要求, 而且对于在母线保护范围内的故障会瞬时可靠切除，在区外故障及CT 极性接反时保护都不会误动作，能够满足继电保护选择性和快速性的要求。

3.工程应用分析

原来集成式母线保护主保护是相位比较差动保护, 采用相位比较继电器, 这种继电器结构原理接线复杂; 此时在某一段母线合闸充电时, 为了更可靠切除被

充电母线上的故障, 在母线断路器或母线分段断路器上装设相电流或零序电流保护作母线充电保护, 这种简单电流保护相对差动保护接线简单, 并且在定值上相对差动原理可保证较高的灵敏度。现代微机式母线保护主保护采用采样值分相差动原理, 大差判别故障, 小差选择故障母线; 直接从母线各单元各相取相电流, 母联单元也象母线上其他普通单元一样取相电流给保护装置就可以了, 接线简单清晰。在设计和检修过程中几乎不会出现如原来比相原理那种接线错误, 在极性确定情况下不会出现极性接反的情况。微机母线保护中的充电保护定值一般等于差动门槛值, 因为在充电过程中, 运行母线段上电流是平衡电流, 被充电母线段故障产生的故障电流都将流过母联断路器, 运行母线段反应的差流就是被充母线故障电流。在带新建间隔单元(变压器或线路) 对母线充电情况下, 可使用过流保护, 过流保护属于延时动作保护。充电时, 过流延时整定躲过线路的充电电容电流或变压器的励磁涌流, 如果发生母线区内故障则母线差动瞬时动作跳开母联; 如果发生区外故障(线路或变压器存在故障), 过流保护动作跳开母联。由此可见, 对于充电保护操作闭锁差动规程, 现在的母线微机保护和实际的极性检测操作都可以避免此类风险。

四、结论

从原理上得知，高中压母线保护的充电保护，很难在可靠性和快速性得到统一。而如果取消充电保护，将充电操作所要求的可靠性和快速性分开分别放在差动保护和过流保护中，是具有可操作性的，从而简化保护，简化保护装置设计，减轻现场运行维护。

参考文献：

[1]贺家李,宋从矩.电力系统继电保护原理[M].北京:水利电力出版社.2005.

[2]王春生,等.母线保护[M].北京:中国电力出版社.2006.

[3]杨可桢，程光蕴.母线保护的差异比较[M].北京：高等教育出版社.2004.

[4]齐乐华,母线保护装置[M].西安：西安电子科技大学出社.2003.

[5]杨奇逊, 黄少锋. 微型机继电保护基础[M ]. 北京: 中国电力出版社, 2005.

[6]袁荣湘, 陈德树. 采样值电流差动保护原理的研究[ J]. 电力自动化设备, 2000.

[7]朱声石. 高压电网继电保护原理与技术[M ]. 北京: 中国电力出版社, 2005.