模块 11 · 核心系统设计（深水区）
主设备保护深化深水区 · 看图纸必会
模块 04 以变压器为样板讲了保护的"三层防护"。这一节把视野拉到整站：线路 (Line) · 母线 (Busbar) · 发电机 (Generator) 怎么保护，以及"断路器万一拒动"靠谁兜底——失灵保护 (Breaker Failure, 50BF)。所有名词按英文为主 + 中文对照，方便你直接对照本地英文图纸。
图：四种单元保护 (Unit protection) 各自守住自己的"保护区 (Zone)"；任何断路器拒动，由 50BF 失灵保护 越级跳闸兜底
1 两种保护思路：Unit vs Non-unit
| 类型 Type | 原理 Principle | 典型例子 Example | 特点 Feature |
|---|---|---|---|
| Unit protection 单元保护 | 只保护一个明确"边界"内的设备，比较边界两侧的电气量 | Differential 87T / 87L / 87B / 87G | 速动、绝对选择、不受运行方式影响；但需要双侧 CT 且 CT 误差要小 |
| Non-unit protection 非单元保护 | 靠定值 + 时间级差区分区内/区外故障 | Overcurrent 50/51、Distance 21、Directional 67 | 简单、便宜、全覆盖；但有延时、可能误切相邻设备（选择性靠配合） |
一句话现代电站一般"单元保护作主保护 (Unit as main) + 非单元作后备 (Non-unit as backup)"。变压器用 87T（模块 04 已讲），本节补齐线路/母线/发电机与失灵。
2 线路保护 (Line protection)
① 距离保护 Distance protection (21)
Distance relay (21) 测量故障点到保护安装处的阻抗 Z = V / I，换算成"距离"。分三段 (Zone 1 / 2 / 3)：
- Zone 1：保护线路全长 ~80–90%，瞬时 (instantaneous) 动作，不延时；
- Zone 2：伸到下一线路一部分，延时 ~0.3–0.5 s；
- Zone 3：作远后备，延时更长，也兼作backup (后备)。
② 方向过流 Directional overcurrent (67)
67 只在故障电流沿指定方向流动时才动作，解决"双侧电源环网"下的选择性。相故障用 67，接地故障用 67N。
③ 线路纵差 Pilot / line differential (87L)
87L 比较线路两端 CT 的电流（幅值+相位），用通信通道 (pilot channel) 交换信息：光纤 (fibre optic) 最常用，也可电力线载波 (PLC) 或微波。区内故障两侧电流"不平衡"即跳闸——绝对选择性、速动，是主保护首选。
英国现场Distribution 线路（如 11 kV）常用 IDMT overcurrent 50/51 + 67 配合；Transmission / 重要联络线用 87L 纵差 或 21 距离 作主保护。
3 母线保护 (Busbar protection · 87B)
母线 (Busbar) 是"汇流排"，一旦故障影响全站。母线保护几乎都用母线差动 (Busbar differential, 87B)：比较所有进出线 CT 的电流和——正常/外部故障时 ΣI≈0，母线内部故障则出现差流，瞬间跳闸断开全部相连断路器。
- High-impedance differential (高阻抗差动)：经典、成熟，需严格匹配 CT 特性；
- Low-impedance differential (低阻抗差动)：现代数字式，靠算法抗 CT 饱和，多用于复杂母线（带母联、旁路）。
难点母线故障时CT 极易饱和 (CT saturation)，会造成差流误判。所以母线差动对 CT 暂态特性、拐点电压要求极高，且常配饱和检测逻辑。
4 发电机保护 (Generator protection · 87G 等)
发电机故障形态多，保护也最多。以下是 UK 电站常见配置（ANSI/IEEE C37.2 编号，英国图纸通用）：
| ANSI | 保护 Function | 中文 | 保护什么 What it guards |
|---|---|---|---|
| 87G | Generator differential | 发电机差动 | 定子相间短路（主保护，速动） |
| 64 | Stator earth-fault | 定子接地 | 95% 用 59N / 27TH（三次谐波欠压）；100% 用 64S 注入式 |
| 40 | Loss of excitation | 失磁 | 励磁丢失→异步运行，阻抗继电器判别 |
| 32 | Reverse / directional power | 逆功率 | 汽机故障→发电机变电动机（motoring），烧轴 |
| 46 | Negative-sequence | 负序（不平衡） | 转子过热，由三相不平衡引起 |
| 49 | Thermal overload | 过热 | 定子/转子过负荷热积累 |
| 24 | Volts / Hertz | 过励磁 | 过压+低频→铁芯饱和发热 |
| 78 | Out-of-step | 失步 | 与系统失去同步（功角越限） |
| 59 / 27 | Over / Under voltage | 过/欠压 | 甩负荷过压、系统欠压 |
| 81U / 81O | Under / Over frequency | 低频/高频 | 频率越限（81R = ROCOF 频变率） |
并网相关英国嵌入式发电 (Embedded / distributed generation) 的发电机，保护设计必须同时满足 G99 接口保护 与上面这些机端保护——模块 01 的 G99 整定表正是它的"并网门槛"。
5 失灵保护 Breaker Failure (50BF / CBF)
如果故障已被识别、保护发了跳闸令，但断路器没跳开 (breaker fails to open)，故障会继续烧设备、拖垮母线。这时靠 Breaker Failure protection (50BF，亦称 CBF / Circuit Breaker Fail) 兜底：
- 保护发跳闸令的同时，启动 50BF 定时器 (start timer)；
- 若在设定时间（通常 ~100–300 ms）内该断路器电流仍未消失，判定"失灵"；
- 立即越级跳闸 (breaker failure trip)：跳开相邻断路器（如母线侧、对侧线路），把故障隔离在更大范围。
类比50BF 像"消防队发现某扇门打不开，立刻改从隔壁破墙救人"——主保护是灭火器，50BF 是当灭火器失灵时的全楼疏散。
设计要点50BF 需要独立的电流判据 (current evidence) 确认断路器仍通流，且跳闸对象要预先整定好（不能现场临时想）。它是整站安全的"最后一道闸"。
6 ANSI/IEEE C37.2 设备号速查（看图纸必备）
英国工程图纸在继电器/端子旁大量使用 ANSI/IEEE C37.2 device function numbers。下列是最常用的一批，记住它们你就能"读图"：
| No. | Function | 中文 | No. | Function | 中文 |
|---|---|---|---|---|---|
| 50 | Instantaneous OC | 速断过流 | 51 | Time OC (IDMT) | 定时/反时限过流 |
| 67 | Directional OC | 方向过流 | 87 | Differential | 差动（T/L/B/G 区分对象） |
| 21 | Distance | 距离 | 50BF | Breaker failure | 断路器失灵 |
| 27 | Undervoltage | 欠压 | 59 | Overvoltage | 过压 |
| 81 | Frequency | 频率(81U低/81O高) | 32 | Reverse power | 逆功率 |
| 40 | Loss of excitation | 失磁 | 46 | Neg-sequence | 负序不平衡 |
| 49 | Thermal | 过热 | 24 | V/Hz | 过励磁 |
| 78 | Out-of-step | 失步 | 64 | Earth fault | 接地（64R/64S） |
| 25 | Synchro check | 同期检查 | 79 | Auto-reclose | 自动重合闸 |
| 86 | Lockout | 闭锁/总跳闸 | 52 | Breaker | 断路器 |
后缀规则 Suffix数字表功能，后缀表对象：
T=Transformer、L=Line、B=Busbar、G=Generator、N=Neutral/earth、P=Phase、G=Ground。所以 87T ≠ 87G，看图纸务必分辨。✍️ 主动回忆 · 自测
🧠 主动回忆 1
母线保护为什么几乎都用差动 87B，而不是过流？
A 差动更便宜
B 母线故障影响全站，需要绝对选择性 + 速动，不让故障扩大
C 过流不能测母线
D CT 在母线上更准
解析：母线是汇流核心，故障必须瞬时、绝对选择性地隔离（只跳故障母线相关断路器），差动比较所有进出线电流和，区内故障即差流，满足速动+选择性；过流有延时会扩大事故。难点是 CT 饱和，需专门处理。
🧠 主动回忆 2
Breaker Failure 50BF 在什么条件下动作？
A 检测到任何故障电流
B 保护已发跳闸令、但定时器内断路器电流未消失（判定拒动）
C 母线失压时
D 频率异常时
解析：50BF 是"兜底中的兜底"：保护发令跳某断路器后启动定时器（~100–300ms），若电流仍流过该断路器，说明它拒动，于是越级跳相邻断路器隔离故障。
🧠 主动回忆 3
图纸上 87G 和 87T 的区别是？
A 完全没有区别
B 后缀 G=Generator 发电机、T=Transformer 变压器，保护对象不同
C 87G 是接地、87T 是相间
D 87T 比 87G 更灵敏
解析：ANSI 编号中数字 87 = Differential，后缀标明对象：G=Generator、T=Transformer、L=Line、B=Busbar。后缀不同，保护对象、CT 配置、定值都不同，看图纸务必区分。
电气二次设计学堂 · 模块 11 · 依据 IEC 60255 / IEEE C37.2 / IEC 61850 等编制 · 仅供学习参考