斷路器單電流互感器與雙電流互感器配置對保護裝置及變電運行的影響

陳浩超

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000）

0 引 言

變電站在日常運行中難免會遇到各種各樣的故障、障礙，嚴(yán)重時甚至危及設(shè)備和人身安全[1]。繼電保護裝置能在設(shè)備發(fā)生故障時自動、迅速、有選擇地將故障從電力系統(tǒng)切除，保證其余部分恢復(fù)正常運行，使故障元件免于繼續(xù)受損害[2]。繼電保護裝置需要與電流互感器、電壓互感器等設(shè)備配合才能正常工作。

1 電流互感器

電流互感器也被稱為CT，是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理將一次側(cè)大電流轉(zhuǎn)換成二次側(cè)小電流來供自動裝置、計量測量裝置使用的儀器。電流互感器是由閉合的鐵心和繞組組成。它的一次側(cè)繞組匝數(shù)很少，串在需要測量電流的線路或設(shè)備中，是計量裝置、測量裝置、繼電保護裝置的重要測量比較元件。

220 kV常規(guī)變電站線路開關(guān)只有線路側(cè)才有CT，母聯(lián)開關(guān)也只有一側(cè)有CT（一般為2M或6 M側(cè)），而GIS站線路及母聯(lián)、分段開關(guān)兩側(cè)都有CT。主要是受到GIS上CT體積的限制，因為根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)220 kV線路CT最少6個二次繞組，而GIS每個CT只能做3～4個二次繞組。典型變電站斷路器CT配置，如圖1、圖2所示。

2 繼電保護裝置

圖1 典型220 kV常規(guī)變電站CT配置

圖2 典型220 kV GIS變電站CT配置

當(dāng)電力系統(tǒng)中的電力元件（如發(fā)電機、線路等）或電力系統(tǒng)本身發(fā)生了故障危及電力系統(tǒng)安全運行時，繼電保護裝置是能夠向運行值班人員及時發(fā)出警告信號，或者直接向所控制的斷路器發(fā)出跳閘命令，終止事件發(fā)展的一種自動化措施和設(shè)備[3]。其中，較為常見及重要的是線路的縱聯(lián)保護裝置和母差保護裝置。

2.1 縱聯(lián)保護

線路縱聯(lián)保護是輸電線路的主保護。當(dāng)線路發(fā)生故障時，它是使兩側(cè)開關(guān)同時快速跳閘的一種保護裝置。它以線路兩側(cè)判別量的特定關(guān)系作為判據(jù)，即兩側(cè)均將判別量借助通道傳送到對側(cè)，然后兩側(cè)分別按照對側(cè)與本側(cè)判別量之間的關(guān)系來判別區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障[3]。目前，220 kV線路縱聯(lián)保護多采用光纖差動保護，保護范圍為線路的全長。

2.2 母差保護

母線是變電站的重要系統(tǒng)設(shè)備。它將配電裝置中的各個載流分支回路連接在一起，有匯集、分配和傳送電能的作用。母差保護是母線的主保護。它的安全性、可靠性、靈敏性和快速性，對保證整個區(qū)域電網(wǎng)安全具有決定性意義。應(yīng)用最廣的是按分相電流差動原理構(gòu)成的比率制動式母差保護，保護范圍為母線上各開關(guān)用于母差CT圍成的設(shè)備范圍，包括從CT開始到母線之間的開關(guān)、刀閘引線、支持瓷瓶、母線本身、母線PT和避雷器[4-5]。

3 CT個數(shù)對保護的影響

常規(guī)220 kV變電站和GIS變電站每個斷路器配置的電流互感器個數(shù)與位置不同，接入保護的電流互感器繞組相對斷路器的位置也不相同。典型的220 kV常規(guī)和GIS變電站CT繞組接入保護的配置，如圖3、圖4所示。

圖3 典型220 kV常規(guī)變電站CT繞組

圖4 典型220 kV GIS變電站CT繞組

3.1 對縱聯(lián)保護的影響

220 kV常規(guī)變電站線路縱聯(lián)保護存在死區(qū)，死區(qū)為出線斷路器與電流互感器之間的設(shè)備（見圖5①），不能實現(xiàn)全線故障速動。當(dāng)故障點①發(fā)生故障時，220 kV出線縱聯(lián)保護感應(yīng)不到故障電流，故不動作。而故障點處于220 kV母線差動保護的范圍，故母差保護動作跳開連接在此母線上的所有開關(guān)，但此時故障仍未隔離，220 kV出線對側(cè)仍然通過線路與故障點相連。為了減少故障不能立即切除對系統(tǒng)的沖擊和影響，需要加速對側(cè)出線開關(guān)跳閘。因此，本側(cè)母差需要與出線的縱聯(lián)保護配合。該功能是通過母差保護跳閘停信接點讓本側(cè)高頻停信，讓對側(cè)線路開關(guān)跳閘來實現(xiàn)的。如果是光纖保護，會通過遠(yuǎn)跳回路讓對側(cè)保護發(fā)出跳閘命令。常用的實現(xiàn)方法為母差跳閘接點借用TJR永跳繼電器跳母線上線路開關(guān)，然后由TJR空接點引至其他保護停訊接點（如線路高頻閉鎖式保護）或接到相應(yīng)保護的遠(yuǎn)跳開入回路（如RCS-931A保護），實現(xiàn)對側(cè)開關(guān)快速跳閘的目的，從而確保線路縱聯(lián)保護死區(qū)故障時能快速切除故障。原理如圖6所示，當(dāng)故障點②發(fā)生故障時，母差保護動作跳開連接在此母線上的所有開關(guān)，隔離故障。

圖5 對典型220 kV常規(guī)變電站保護的影響

圖6 母差停訊、遠(yuǎn)跳原理

220 kV GIS變電站由于線路斷路器兩側(cè)均裝有CT，保護交叉配置（見圖3），靠近母線側(cè)CT用于線路保護，外側(cè)CT用于母差。當(dāng)故障發(fā)生在斷路器兩CT之間時，無論⑤或⑥處故障（見圖7），母差和線路保護均同時動作，不存在死區(qū)，能實現(xiàn)全線故障速動。當(dāng)⑤或⑥處故障時，母差和線路縱聯(lián)保護均動作，跳開連接在此母線上的所有開關(guān)及線路對側(cè)開關(guān)，故障在最短時間內(nèi)得到隔離，減少了其對系統(tǒng)的沖擊。因此，220 kV GIS變電站線路縱聯(lián)保護可靠性更優(yōu)。

3.2 對母差保護的影響

220 kV常規(guī)變電站母線差動保護存在死區(qū)，死區(qū)為母聯(lián)斷路器與電流互感器之間的設(shè)備（見圖5③），不能實現(xiàn)母差保護范圍內(nèi)所有故障速動。當(dāng)故障點③發(fā)生故障時，220 kV母線差動保護會將故障判斷為220 kV 1M設(shè)備故障，出口連接在220 kV 1M上的所有開關(guān)。此時故障未得到有效隔離，若等后備保護動作將故障隔離，將對系統(tǒng)造成很大沖擊。為了迅速將220 kV 2M的設(shè)備切除，需要設(shè)專門的死區(qū)保護。母線并列運行，當(dāng)故障發(fā)生在母聯(lián)（分段）開關(guān)與母聯(lián)（分段）流互之間時，斷路器側(cè)母線段跳閘出口無法切除該故障，流互側(cè)母線段的小差元件不會動作，稱為死區(qū)故障。此時，母差保護已動作于一段母線，大差電流元件不返回，母聯(lián)（分段）開關(guān)已跳開，而母聯(lián)（分段）流互仍有電流，死區(qū)保護應(yīng)經(jīng)母線差動復(fù)合電壓閉鎖后切除相關(guān)母線[6]，原理如圖8所示。因此，220 kV常規(guī)變電站母線差動保護死區(qū)故障時，故障無法立即切除，需要經(jīng)過延時由死區(qū)保護或母聯(lián)失靈保護切除。當(dāng)故障點④（見圖5④）發(fā)生故障時，母差保護動作出口跳開連接于該母線上的所有斷路器，隔離故障。

圖7 對典型220 kV GIS變電站保護的影響

圖8 母差死區(qū)保護原理

220 kV GIS變電站220 kV母差保護采用雙重化配置，母線差動保護一、母線差動保護二分別接人母聯(lián)斷路器兩側(cè)的CT，保護交叉配置，因此不存在死區(qū)。當(dāng)故障發(fā)生在母聯(lián)斷路器的兩CT之間時，母線差動保護一、母線差動保護二均同時動作。當(dāng)⑦處故障時，220 kV母線差動保護一、母線差動保護二的大差啟動，母線差動保護一的220 kV 2M小差與母線差動保護二的220 kV 1M小差同時動作，斷開連接在兩段上的所有斷路器。當(dāng)⑧處故障時，220 kV母線差動保護一、母線差動保護二的大差啟動，母線差動保護一的220 kV 1M小差與母線差動保護二的220 kV 2M小差同時動作，斷開連接在兩段上的所有斷路器。220 kV GIS變電站母線差動保護范圍內(nèi)的故障能在最短時間內(nèi)得到隔離，因此220 kV GIS變電站母線差動保護可靠性更優(yōu)。

4 對變電運行的指導(dǎo)

由于CT個數(shù)不同對保護帶來的影響、不同類型變電站故障發(fā)生時的具體保護動作情況不完全相同，因此熟知不同類型變電站不同位置故障時保護的具體動作情況對快速隔離故障、迅速恢復(fù)電網(wǎng)有積極的影響。

4.1 220 kV常規(guī)變電站

當(dāng)220 kV常規(guī)變電站出線斷路器電流互感器出線側(cè)以外發(fā)生故障時，只有220 kV線路縱聯(lián)保護動作出口。當(dāng)故障發(fā)生在220 kV線路縱聯(lián)保護死區(qū)時，母差保護動作跳開連接在此母線上的所有開關(guān)，母差跳閘接點借用TJR永跳繼電器跳線路對側(cè)開關(guān)。此時，故障跳閘其實是超范圍的。當(dāng)看到母差動作出口及線路遠(yuǎn)跳同時動作時，應(yīng)著重檢查線路保護的死區(qū)。發(fā)現(xiàn)死區(qū)有故障時，要及時拉開線路斷路器兩側(cè)刀閘，恢復(fù)母線上其他設(shè)備的運行。

當(dāng)220 kV常規(guī)變電站母線上除死區(qū)外的區(qū)域發(fā)生故障時，只有故障母線的小差動作，故障正確隔離。當(dāng)220 kV常規(guī)變電站母線上死區(qū)發(fā)生故障時，非故障母線小差動作，故障點由死區(qū)保護最后動作出口隔離。當(dāng)看到母差保護動作出口及死區(qū)保護同時動作時，應(yīng)迅速判斷故障點在母差保護死區(qū)，母差動作的母線為非故障設(shè)備，加快檢查送電。

4.2 220 kV GIS變電站

當(dāng)220 kV GIS變電站出線斷路器電流互感器出線側(cè)以外發(fā)生故障時，只有220 kV線路縱聯(lián)保護動作出口。當(dāng)故障發(fā)生在220 kV線路斷路器與電流互感器之間時，縱聯(lián)保護與母差保護同時動作。當(dāng)看到母差動作出口及線路縱聯(lián)保護同時動作時，應(yīng)及時拉開故障線路斷路器兩側(cè)刀閘，恢復(fù)母線上其他設(shè)備的運行。

當(dāng)220 kV GIS變電站母線上除母聯(lián)斷路器CT之間的區(qū)域發(fā)生故障時，只有故障母線的小差動作，故障正確隔離。當(dāng)母聯(lián)斷路器CT之間發(fā)生故障時，兩端母線的小差同時動作。由于GIS兩母線同時發(fā)生故障的幾率極低，當(dāng)看到母差保護動作出口和死區(qū)保護同時動作時，應(yīng)迅速判斷出故障點在母聯(lián)斷路器CT之間，母差動作的母線為非故障設(shè)備，加快檢查送電。

5 結(jié) 論

隨著節(jié)電網(wǎng)的不斷發(fā)展，變電站的數(shù)量越來越多，其中有常規(guī)變電站和GIS變電站。不同變電站的斷路器CT個數(shù)不同，繼電保護的配置、配合也不同。運行人員應(yīng)熟知它們的區(qū)別，區(qū)分不同類型變電站特定地點的保護動作情況，迅速做出正確處理，提高供電可靠性，盡量減少負(fù)荷損失。