母线的其他保护原理

8.1.6　母线的其他保护原理

在上面所介绍的几种母线保护接线中，为了提高保护的灵敏度，减轻电流互感器在母线内部故障时的负担，因而尽可能地降低差动回路的阻抗（一般只有几欧），故称为低阻抗式母线差动保护。但由于差动回路阻抗小，在外部故障时，也容易因各支路电流互感器饱和程度的不同而产生不平衡电流。减小进入继电器的不平衡电流的有效方法是提高差动回路的阻抗，因而出现了所谓高阻抗和中阻抗式的母线差动保护。

在高阻抗式母线差动保护中，差动回路中可串接一只很大的阻抗，其值高达数百甚至上千欧。因而在外部故障时，进入继电器的不平衡电流大大减小。但在内部故障时，通过差动回路的应是全部短路电流，将使差动回路的电压大大升高，在此情况下反应差动回路两端电压的过电压保护动作，将差动回路中串联的阻抗短接，使差动回路变成低阻抗，使继电器动作跳闸。这种保护的动作速度很快，在几毫秒内即可动作。

介于高阻抗式和低阻抗式差动保护之间的有所谓中阻抗式母线差动保护。这种保护的差动回路总电阻约在200Ω，因而也可大大减小外部短路时进入继电器的不平衡电流，与制动回路相配合，可以保证保护动作的选择性。在内部短路时，差动回路的电压不超过允许范围因而不需要装设专门的过电压保护。

下面简要介绍一种中阻抗式母线差动保护的原理。图8.16所示为这种保护的单相接线原理。被保护的母线上连接着多个支路（变压器支路和输电线），图中只画出两条支路。每条支路上装设有主电流互感器（1LH，…，nLH）。每组主互感器经过一组辅助互感器1LH_F，…，nLH_F接于保护回路。辅助互感器的作用有二：一是使各支路一次电流与进入保护电流的总变比相同；二是将电流互感器的二次电流进一步减小以降低保护回路的功率消耗。各辅助互感器二次侧的同极性端子接于多回路全波整流桥的交流端子，整流后的直流电流I_T加于两个R_s／2串联构成的制动回路。在制动回路中点和各辅助互感器另一极性端的连线间接地接入差动回路。差动回路由电阻R_A、附加可调电阻R_d11和差流变流器T_md的初级线圈串联相组成。差流变流器的变比为n_d。母线内部短路时差动回路中的电流经T_md变换后，再经全波整流变成直流，然后加于差动回路电阻R_d3，在此电阻上产生差动回路电压U_d3。当差动回路电压U_d3大于制动回路电压U_s时，将产生一动作电流I_J，使继电器J动作。当U_s＞U_d3时，由于二极管VD₁的阻挡和D₂短接，继电器J不会动作。

图8.16　中阻抗式母线差动保护原理接线

先假设只有两条支路1LH和nLH支路，说明在正常和短路情况下的工作情况。

1）正常运行状态

在此情况下1LH和nLH的一次电流大小相等方向相反。例如在1LH一次电流（长箭头所示）正半波时，其二次电流（短箭头所示）进入1LH_f的正极性端。经过变换后，1LH_f二次电流从正极性端流出进入整流桥。经整流后变成直流电流I_T进入两个制动臂R_s／2，然后变为I_L，通过整流二极管回到nLH正极性端。在负半周时，交流回路电流方向相反，但直流回路的电流I_T和I_L方向不变。由于在正常运行情况下，不平衡电流很小，故几乎没有电流流过差动回路。

2）母线外部短路

设在母线外d₁点短路，1LH和nLH的一次电流仍然大小相等方向相反。电流流通情况与上述相似。但此时因靠近短路点的1LH严重饱和，各二次电流之和已不为零。I_T≠I_L，将有一不平衡电流流入差动回路。经差流变流器T_md变换整流后加于电阻R_d3。如果回路参数选择适当，此时制动电压U_s大于动作电压U_d3，继电器J不会误动作。

3）母线上d₂点短路

设在此情况下主1LH和nLH的一次电流相位完全一致。则经T_md变换后同时进入整流桥，整流后的电流I_T即为总的二次短路电流。此电流将全部从制动回路中点流入差动回路，然后回到各辅助互感器。此时I_d1＝I_T。在下一个半周波，各辅助互感器二次电流之和先进入差动回路，然后进入制动回路中点，从上面的制动回路臂R_s／2流回，此时I_L＝I_d1。由于全部短路电流进入差动回路，经T_md变换整流后产生的动作电压U_d3将大于制动电压U_s，继电器J将动作跳闸。在一般情况下，内部短路时，各支路供给的短路电流不一定同相位，因而两半个制动臂将同时有电流流过，但基本原理与上述相似。

下面推导保护的动作特性，设I_T为流入制动回路正端的总电流；I_L为从制动回路负端流出的总电流；I_Jdz为差动继电器DR的动作电流。I_d1（J）为差动回路的动作电流；R_J为差动继电器DR的电阻；U_D1为二极管VD₁的正向压降；n_d为差动变流器T_md的变比。则在继电器动作临界状态下：

将式（8.6）代入式（8.4）消去U_s得

再与式（8.5）合并得

整理化简后得

可得此保护的动作特性为

此动作特性是一比率制动特性，即差动回路动作电流I_d1（J）随制动回路电流I_T的增大而增大。其中，常数S即制动系数，K为差动回路的最小动作电流。图8.17是按此关系式画出的制动特性。

此种差动保护由于差动回路的阻抗很大，在外部短路时不平衡电流较小；同时因保护回路主要是有效电阻，时间常数很小，因而动作速度很快。

图8.17　保护的制动特性