电流比相式母线保护

8.1.3　电流比相式母线保护

电流比相式母线保护的基本原理是根据母线在内部故障和外部故障时各连接元件电流相位的变化来实现的，为简要说明保护工作的基本特点，假设母线上只有两个连接元件，如图8.5所示。当母线正常运行及外部故障时（如d₁点），按规定的电流正方向来看和大小相等相位相差180°。而当母线内部故障时（如d₂点）都流向母线，在理想情况下两者相位相同。

图8.5　网络接线示意图

图8.6　电流比相母线保护的方框结构图

电流比相式母线保护的方框结构原理图如图8.6所示。图中的切换装置是在用于双母线时切换保护二次回路之用（见后）。被比较电压形成回路的原理接线如图8.7所示。

在各电流互感器二次输出的电流…分别接入中间变流器ZLH₁、ZLH₂、…的一次线圈，其二次输出电压分为两组，经半波整流后分别接在小母线1、2、3上；f_x1、f_x2为非线性电阻，当电流互感器二次电流I₂很大时，用以防止ZLH₁、ZLH₂的二次侧产生危险的高电压。小母线的输出接到由晶体管或集成电路组成的相位比较、延时、脉冲展宽回路，其工作情况如下：

图8.7　相位比较回路的原理接线图

1）母线不带电的情况

母线不带电时，小母线上无电压、相位比较、延时、展宽回路无输出。

2）母线处于正常运行或外部故障情况

母线处于正常运行或外部故障时，按规定的正方向电流相位相差为180°，中间变流器一次侧及二次侧经检波后的波形如图8.8所示，由于接于小母线1的D₉、D₁₂及接于小母线2的D₁₀、D₁₁检波后波形相加的结果，在小母线1、2上都呈现出连续的负电位，在此情况下比相回路无输出，不启动延时回路，整个回路无输出，不跳闸。

图8.8　母线正常运行及外部故障时，ZLH一次侧和二次侧的波形图

3）母线内部故障情况

母线内部故障时各连接元件的电流都流向母线，各中间变流器的一次电流基本上同相位，小母线1、2的波形如图8.9所示。由于相位相同，两者叠加后，在小母线1和小母线2上呈现出相间的断续负电位。在负电位的间断期间，比相回路输出一脉冲，启动延时回路。如果此脉冲延续时间大于3.3ms（即60°），则延时回路启动脉冲展宽回路，后者输出一连续脉冲使开关跳闸。

图8.9　母线内部故障时，ZLH一次侧和二次侧的波形图

4）延时60°回路的作用和保护的闭锁角

在基本原理的分析中，认为内部故障时电流的相位差为0°，外部故障时为180°，这只是一个理想的情况。实际上当外部故障时，由于电流互感器以及中间变流器ZLH误差等因素的影响，各电流之间的相位差可能是180°±φ，φ值最大可达60°左右（参见相差高频保护的分析），这就有可能导致保护装置的不正确动作。这是因为当两个电流存在有相位差φ时，如图8.10所示，在小母线上的电位波形就将出现间断的情况，其间断的角度与φ相等。当小母线上出现间断的电压时，延时回路就要启动，为了防止在这种情况下发生误动作，就需要选择延时回路的时间≥φ角所对应的时间，即从时间上躲开外部故障时可能出现的电流相位误差。一般采用φ＝60°，即3.3ms。

当电流之间的相位差大于等于180°±φ时，保护装置是不会动作的，因此φ角又称为保护的闭锁角。

当保护的闭锁角确定以后，则内部故障时，必须当电流之间的相位差＜180°±φ时，保护装置才能够动作。实际上这是容易满足的。

图8.10　当两个电流有相位差φ时的波形图

采用电流比相式母线保护的特点是：

（1）保护装置的工作原理是基于相位的比较，而与幅值无关。因此，无需考虑不平衡电流的问题，这就提高了保护的灵敏性；

（2）当母线连接元件的电流互感器型号不同或变比不一致时，仍然可以使用，这就放宽了母线保护的使用条件。