變電站電流互感器配置產(chǎn)生保護(hù)死區(qū)問(wèn)題分析

張惠山，王昭雷，劉春平

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司檢修分公司，石家莊 050070)

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變電站電流互感器配置產(chǎn)生保護(hù)死區(qū)問(wèn)題分析

張惠山，王昭雷，劉春平

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司檢修分公司，石家莊 050070)

針對(duì)常規(guī)站及智能變電站有關(guān)保護(hù)用TA配置而出現(xiàn)保護(hù)死區(qū)的情況，分析相關(guān)出現(xiàn)保護(hù)死區(qū)的保護(hù)TA配置方案，對(duì)不同的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了評(píng)價(jià)、比較，并給出了相應(yīng)改進(jìn)的解決方案。同時(shí)，基于預(yù)防保護(hù)死區(qū)問(wèn)題，對(duì)相關(guān)TA配置方法從規(guī)劃、設(shè)計(jì)到保護(hù)裝置性能改進(jìn)方面均給出了指導(dǎo)性建議。

電流互感器；3/2接線；保護(hù)死區(qū)；速動(dòng)保護(hù)

當(dāng)前500 kV變電站的3/2接線形式當(dāng)中，有時(shí)采用了單側(cè)斷路器獨(dú)立配置專用外敷TA的接線方式。文獻(xiàn)[1-5]從不同角度論述了針對(duì)特定的廠、站主接線及TA安裝位置，保護(hù)配置不同對(duì)速動(dòng)保護(hù)存在保護(hù)死區(qū)問(wèn)題。同時(shí)，在某些智能變電站設(shè)計(jì)當(dāng)中，將線路保護(hù)與母線保護(hù)的TA二次繞組進(jìn)行了合并[6,7]，以下分析合并的可行性，是否也存在保護(hù)死區(qū)，此外，對(duì)于雙母線接線及3/2接線形式單側(cè)配置獨(dú)立外敷TA的情況。

1 各類保護(hù)用電流互感器的配置原則

首先該文所提到的保護(hù)死區(qū)是針對(duì)各元件的速動(dòng)主保護(hù)(通常即指差動(dòng)保護(hù))而產(chǎn)生的死區(qū)問(wèn)題，如果計(jì)入后備保護(hù)，則不存在死區(qū)問(wèn)題。

通常情況下，在500 kV變電站、220 kV變電站中，對(duì)于線路保護(hù)與母線保護(hù)的TA配置原則是采用交叉配置的原則。同時(shí)規(guī)程規(guī)定：高電壓等級(jí)中，速動(dòng)型保護(hù)采用TPY型的TA，斷路器失靈保護(hù)采用P級(jí)TA[8]。交叉配置原則的一個(gè)主導(dǎo)思想就是保證當(dāng)出現(xiàn)斷路器與電流互感器之間的故障時(shí)，以犧牲選擇性來(lái)滿足一次系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)保護(hù)死區(qū)。但其缺點(diǎn)就是使用TA數(shù)量多，投資成本高，且二次回路接線復(fù)雜，可靠性低

在智能變電站中，電流互感器首先通過(guò)合并單元轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后，通過(guò)過(guò)程層SV網(wǎng)絡(luò)傳送給各類保護(hù)、安自裝置，已經(jīng)不存在電流互感器二次回路的問(wèn)題。當(dāng)前具體設(shè)計(jì)原則還沒(méi)有是否需要按照常規(guī)變電站的電流互感器交叉配置的原則配置有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，主要根據(jù)用戶要求及其他因素綜合考慮。有些沿用傳統(tǒng)的方法繼續(xù)采用交叉設(shè)計(jì)的原則設(shè)計(jì)，有些減少了電流互感器的使用數(shù)量，線路保護(hù)、母線保護(hù)共用同一組電流互感器。

如圖1所示，其邊斷路器線路保護(hù)、母線保護(hù)以及中斷路器的兩條線路保護(hù)采用交叉保護(hù)配置，雙方保護(hù)在斷路器與TA之間部分存在保護(hù)范圍的重疊，這是保護(hù)交叉配置的特點(diǎn)。對(duì)于智能變電站，由于模擬量信息是通過(guò)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)傳送至保護(hù)裝置，因此母線保護(hù)與線路保護(hù)都是接收SV過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字信息，不再區(qū)分具體采用哪個(gè)TA回路，將母線保護(hù)的TA回路與線路保護(hù)的TA回路合并是否可行，其核心問(wèn)題就是明確是否存在保護(hù)死區(qū)。

圖1是母線與支路1的母線保護(hù)和線路保護(hù)TA合并后的簡(jiǎn)圖。當(dāng)前在智能變電站中將母線保護(hù)與線路保護(hù)合并的典型設(shè)計(jì)思路有兩種[8]。一種是將交叉配置的線路保護(hù)的電流互感器二次繞組保留，而母線保護(hù)使用線路保護(hù)的電流互感器二次繞組，即保留如圖2所示的1TA和2TA。

圖1 智能變電站故障分析示意

如圖1所示的K1點(diǎn)發(fā)生接地短路故障，此時(shí)，母線保護(hù)處于故障范圍內(nèi)動(dòng)作將5011斷路器及母線上各斷路器跳開(kāi)，故障被切除，而線路保護(hù)處于故障范圍之外，不動(dòng)作，不存在保護(hù)死區(qū)。對(duì)于K3、K4點(diǎn)發(fā)生接地短路故障，系母線保護(hù)范圍外，保護(hù)不動(dòng)作，線路保護(hù)范圍內(nèi)，線路保護(hù)動(dòng)作將故障切除，仍不存在保護(hù)死區(qū)。但對(duì)于K2點(diǎn)故障，處于母線保護(hù)范圍之外而線路保護(hù)范圍之內(nèi)，但線路保護(hù)動(dòng)作將5011斷路器跳開(kāi)后，故障并未切除，因此存在保護(hù)死區(qū)。第二種是母線保護(hù)的電流互感器二次繞組保留，線路保護(hù)使用母線保護(hù)的電流互感器二次繞組，即保留如圖2所示的3TA和4TA。分析如下：如圖2所示的K1或K2點(diǎn)發(fā)生接地短路故障，此時(shí)，母線保護(hù)處于故障范圍內(nèi)動(dòng)作將5011斷路器及母線上各斷路器跳開(kāi)，故障被切除，而線路保護(hù)處于故障范圍之外，不動(dòng)作，不存在保護(hù)死區(qū)。對(duì)于K4點(diǎn)故障，處于母線保護(hù)范圍之外，線路保護(hù)范圍之內(nèi)，線路保護(hù)動(dòng)作切除故障，不存在保護(hù)死區(qū)。但對(duì)于K3點(diǎn)發(fā)生故障，母線保護(hù)范圍內(nèi)故障，母線保護(hù)動(dòng)作將5011斷路器及母線上其他斷路器跳開(kāi)，但故障并未切除，此時(shí)，由于處于線路保護(hù)范圍外，線路保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，故存在保護(hù)死區(qū)。

前面分析的智能變電站母線保護(hù)與線路保護(hù)TA合并使用的設(shè)計(jì)思想接近于斷路器單側(cè)配置獨(dú)立外敷TA的配置方式。現(xiàn)分析500 kV變電站3/2接線形式，其電流互感器在斷路器單側(cè)配置，但線路保護(hù)、母線保護(hù)所用TA二次繞組依然采用交叉配置的配置方式，如圖3所示。

圖2 3/2接線單側(cè)外敷TA故障分析示意

圖2為3/2接線斷路器單側(cè)配置外敷獨(dú)立TA的典型設(shè)計(jì)方案。如圖3所示，對(duì)于邊斷路器的電流互感器各TA二次繞組母線保護(hù)與支路1線路保護(hù)采用交叉配置原則，TA二次繞組1TA、2TA之間是其共同的保護(hù)范圍；同理對(duì)于中斷路器的電流互感器，其二次繞組對(duì)于支路1與支路2也采用交叉配置原則，TA二次繞組3TA與2TA之間是其共同的保護(hù)范圍。共同保護(hù)范圍之內(nèi)故障，交叉配置的各保護(hù)均動(dòng)作，不存在保護(hù)死區(qū)問(wèn)題。然而對(duì)于圖中K3點(diǎn)故障，故障屬于母線保護(hù)范圍之內(nèi)，母線保護(hù)動(dòng)作將該母線所有斷路器跳開(kāi)，但由于故障點(diǎn)在線路保護(hù)范圍之外，線路保護(hù)不動(dòng)作，故障并未切除，因此該類電流互感器配置方式依然存在保護(hù)死區(qū)的問(wèn)題。同理再分析3/2主接線形式中斷路器TA配置的問(wèn)題。圖中K4點(diǎn)發(fā)生短路接地情況。K4的故障點(diǎn)位于支路1線路保護(hù)范圍內(nèi)而支路2線路保護(hù)范圍2，因此故障后支路1線路保護(hù)動(dòng)作將5011、5012斷路器跳開(kāi)，但此時(shí)故障仍未消除，而故障點(diǎn)位于支路2保護(hù)范圍外，支路2線路保護(hù)不動(dòng)作，因此存在保護(hù)死區(qū)。

進(jìn)一步將該類問(wèn)題引深至雙母線接線形式的系統(tǒng)中，當(dāng)在斷路器一側(cè)配置獨(dú)立外敷TA的情況時(shí)，線路保護(hù)與母線保護(hù)TA依然采用交叉配置原則，當(dāng)斷路器與TA之間(類似前圖K3點(diǎn))發(fā)生故障時(shí)，還會(huì)存在保護(hù)死區(qū)。

現(xiàn)在的線路保護(hù)都配置了光纖遠(yuǎn)跳功能。出現(xiàn)上述死區(qū)故障時(shí)可以通過(guò)啟動(dòng)線路的光纖遠(yuǎn)跳回路將對(duì)側(cè)開(kāi)關(guān)跳開(kāi)，同時(shí)對(duì)于3/2接線形式的變電站，可通過(guò)斷路器失靈保護(hù)將相鄰斷路器跳開(kāi)而切除故障，死區(qū)故障在一定程度上可以得到解決。然而，對(duì)于3/2接線形式的變電站，啟動(dòng)光纖遠(yuǎn)跳功能的設(shè)計(jì)思路是通過(guò)斷路器失靈保護(hù)來(lái)啟動(dòng)的，如圖3所示的K3點(diǎn)故障恰好位于斷路器失靈保護(hù)所用電流TA二次繞組與線路和母差保護(hù)所用TA二次繞組之間，且斷路器失靈保護(hù)所用TA又恰巧位于斷路器側(cè)，則故障時(shí)，斷路器失靈保護(hù)因感受不到對(duì)側(cè)所輸送的故障電流(此時(shí)，本側(cè)斷路器已被母差保護(hù)跳開(kāi)，本側(cè)不再提供故障電流)，因此斷路器失靈保護(hù)因失靈啟動(dòng)電流消失而將啟動(dòng)光纖遠(yuǎn)跳功能閉鎖。故在該類極端稀有的故障情況下仍存在保護(hù)死區(qū)。當(dāng)然，對(duì)于220 kV母線單獨(dú)配置外敷TA回路因?yàn)槟覆畋Ｗo(hù)動(dòng)作后直接啟動(dòng)光纖遠(yuǎn)跳，因此不存在上述死區(qū)問(wèn)題。

2 保護(hù)死區(qū)的TA保護(hù)配置方案分析

保護(hù)出現(xiàn)死區(qū)，主要是指針對(duì)系統(tǒng)各元件主保護(hù)的快速動(dòng)作存在死區(qū)。速動(dòng)保護(hù)存在保護(hù)死區(qū)，有悖于現(xiàn)代高電壓、大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。對(duì)于3/2接線的智能變電站線路保護(hù)與母差保護(hù)TA合并的情況，或常規(guī)站單側(cè)單配外敷TA的情況，需要各類保護(hù)用TA二次繞組之間的安放位置及保護(hù)配置都具備良好的配合，才能確保完全無(wú)保護(hù)死區(qū)。同理，如果通過(guò)系統(tǒng)的穩(wěn)定計(jì)算，死區(qū)故障出現(xiàn)后，需要后備保護(hù)切除故障之情況下對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行影響無(wú)礙，那么就不存在電網(wǎng)運(yùn)行問(wèn)題。對(duì)于智能變電站中，母線保護(hù)和線路保護(hù)所用TA二次繞組可以合并，這樣的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約成本，并且設(shè)備減少后，維護(hù)費(fèi)用低，可靠性提高。同樣，在常規(guī)站中斷路器單側(cè)配置外敷TA的方案在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件下也是可行的。

從系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的角度出發(fā)，越快切除故障，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行無(wú)疑是越有利的。針對(duì)保護(hù)死區(qū)問(wèn)題，文獻(xiàn)[1-2]也提出了通過(guò)斷路器失靈保護(hù)啟動(dòng)遠(yuǎn)跳等功能或者增加死區(qū)保護(hù)來(lái)快速切除故障，這是一個(gè)可行的方案。斷路器失靈保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限最短在150 ms以上，且前面分析了依然不能完全剔除保護(hù)死區(qū)的存在，而死區(qū)保護(hù)一般動(dòng)作時(shí)間為50 ms左右，是比斷路器失靈保護(hù)更優(yōu)的方案。因此，從系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)及運(yùn)行等多方面出發(fā)，在超高壓、特高壓變電站采用3/2接線形式，斷路器單側(cè)獨(dú)立配置外敷TA的情況下，應(yīng)考慮強(qiáng)化斷路器配置的死區(qū)保護(hù)功能。此外，對(duì)于3/2形式接線的變電站，需要充分考慮差動(dòng)所用的TPY型TA二次繞組及斷路器失靈保護(hù)所用的5P級(jí)TA二次繞組的保護(hù)排列位置，最大限度的保證死區(qū)故障時(shí)斷路器失靈保護(hù)啟動(dòng)遠(yuǎn)跳的性能。這一點(diǎn)，對(duì)于500 kV及以上電壓等級(jí)的樞紐變尤為重要，是當(dāng)前變電站二次系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮的方面，同時(shí)也是保護(hù)裝置性能提高改進(jìn)的一個(gè)方向。

3 改進(jìn)措施

針對(duì)前面提到的智能變電站母線保護(hù)與線路保護(hù)典型配置方案的問(wèn)題，提出了一種新的設(shè)計(jì)思路：如圖1所示， 線路保護(hù)與母線保護(hù)各保留一個(gè)電流互感器二次繞組。即1TA、2TA 保留一個(gè)，3TA與4TA選擇一個(gè)。該類配置方式對(duì)于圖中所指的幾點(diǎn)的典型故障，沒(méi)有保護(hù)死區(qū)。然而其缺點(diǎn)卻是違背了保護(hù)雙重化的設(shè)計(jì)思想。因?yàn)閷?duì)于圖中K2、K3點(diǎn)的故障，均是雙重化中的一套保護(hù)動(dòng)作而另一套保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，因此對(duì)于某些特定的保護(hù)范圍，事實(shí)上保護(hù)是按單重化配置的。對(duì)于避免保護(hù)死區(qū)的最可行方案就是提高死區(qū)保護(hù)的性能。當(dāng)前死區(qū)保護(hù)功能均集成于斷路器保護(hù)當(dāng)中，因此死區(qū)保護(hù)的動(dòng)作電流是斷路器保護(hù)的失靈電流，是受斷路器保護(hù)的TA配置限制的。而針對(duì)保護(hù)死區(qū)問(wèn)題，更可行的方案是將死區(qū)保護(hù)集成于線路保護(hù)當(dāng)中。同時(shí)，增加母差保護(hù)或者另一支路的線路保護(hù)啟動(dòng)本支路死區(qū)保護(hù)的啟動(dòng)回路。利用線路保護(hù)故障判別元件的啟動(dòng)功能，同時(shí)配以其它保護(hù)動(dòng)作不返回的判據(jù)條件及斷路器位置條件判據(jù)，即可構(gòu)成集成于線路保護(hù)當(dāng)中的死區(qū)保護(hù)，其動(dòng)作邏輯示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 線路保護(hù)中的死區(qū)保護(hù)動(dòng)作邏輯示意

圖3當(dāng)中，線路保護(hù)整組啟動(dòng)元件啟動(dòng)后，未整組復(fù)歸前，收到母差保護(hù)(或另一支路線路保護(hù))動(dòng)作的開(kāi)入信號(hào)后，經(jīng)斷路器TWJ動(dòng)作判別后，經(jīng)過(guò)整定延時(shí)t，即可出口。延時(shí)t可按死區(qū)保護(hù)定值整定。這種改進(jìn)方案將增加二次回路連接，使二次回路復(fù)雜，尤其線路保護(hù)將單獨(dú)接入每個(gè)斷路器位置開(kāi)入信息。常規(guī)站3/2接線方式中，線路保護(hù)的分相位置開(kāi)入信息是2個(gè)斷路器串聯(lián)接入的，因此該方案將增加斷路器位置的開(kāi)入量。智能變電站中，各斷路器位置虛端子信息單獨(dú)接入，不存在此問(wèn)題。這種集成于線路保護(hù)的“死區(qū)保護(hù)”僅依賴于線路保護(hù)的TPY型TA二次繞組，其靈敏度及暫態(tài)特性優(yōu)于斷路器保護(hù)裝置中依賴于P級(jí)TA二次繞組的死區(qū)保護(hù)。該方案可以良好解決保護(hù)死區(qū)問(wèn)題，且簡(jiǎn)化了因避免保護(hù)死區(qū)而產(chǎn)生的斷路器各保護(hù)TA二次繞組配置方面的復(fù)雜程度，使TA配置方案簡(jiǎn)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

以上針對(duì)當(dāng)前在常規(guī)站、智能變電站中保護(hù)TA二次繞組配置的若干方案，系統(tǒng)全面地分析了各種保護(hù)TA二次繞組不同配置方案、不同系統(tǒng)主接線方式情況下存在的主保護(hù)動(dòng)作死區(qū)問(wèn)題，并簡(jiǎn)單分析了不同配置方式的優(yōu)缺點(diǎn)。指出了當(dāng)前國(guó)內(nèi)各保護(hù)裝置在面對(duì)死區(qū)故障方面所存在的不足。提出了智能變電站母線保護(hù)與線路保護(hù)電流互感器二次繞組合并的第三種設(shè)計(jì)思路及集成于線路保護(hù)當(dāng)中的“死區(qū)保護(hù)”的保護(hù)原理，并分析了該類新型的“死區(qū)保護(hù)”解決保護(hù)死區(qū)問(wèn)題的作用。同時(shí)，從快速切除死區(qū)故障，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的角度出發(fā)，針對(duì)當(dāng)前變電站TA保護(hù)配置方案、系統(tǒng)主接線結(jié)構(gòu)等，對(duì)變電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)方面提出了一定的建議，并結(jié)合系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)要求，給當(dāng)前各保護(hù)裝置提供了一個(gè)性能改進(jìn)的方向。

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本文責(zé)任編輯：丁 力

Problem Description of Protection Dead Zone Caused by TA Allocation in Substation

Zhang Huishan,Wang Zhaolei,Liu Chunping

(Hebei Electric Power Maintenance Company, Shijiazhuang 050070,China)

Pointed to the problem of protection dead zone caused by TA allocation in normal and smart substation,based on related references, this paper analyzes the different protection allocation ways which may produce the problem of protection dead zone.Evaluating and comparing with the various design thinking,based on preventing this problem occurring,a related improving method is presented.AT same time,in order to provent protection's dead zone,some good advices based on planning and design to improving the properties of protection equipment is given to the TA allocation method .

current transformer;3/2 conneTAion;protection dead zone;quick action protection

2016-10-19

張惠山(1976-)，男，高級(jí)工程師，主要從事繼電保護(hù)設(shè)備調(diào)試工作。

TM76

B

1001-9898(2017)03-0034-03