基于母聯(lián)電流不平衡度的變電站雙母線熱倒防誤閉鎖技術(shù)研究

曹健　陸劍云　蘇和　楊蕙銪

摘要：“先合后拉”是雙母線結(jié)線熱倒排操作的基本規(guī)則，但先合的隔離刀閘其合閘情況的檢查確認(rèn)始終缺乏可靠有效的鑒別診斷方法，成為防誤操作中的一大隱患。本文通過(guò)建立倒排操作時(shí)各間隔的等值模型，選取極端情況下的運(yùn)行方式。計(jì)算隔離刀閘正常和不完全合閘情況下母線及母聯(lián)電流的變化情況，提出一種基于穩(wěn)態(tài)電流分析判別隔離閘刀合閘是否完全可靠的鑒別診斷及誤差排除方法，可為解決倒排操作時(shí)隔離閘刀合閘是否完全可靠的判別難題提供全新的解決方案，以確保變電站的操作安全和可靠供電，并為真正實(shí)現(xiàn)變電站的程序化、自動(dòng)化、智能化倒閘操作創(chuàng)造條件。

關(guān)鍵詞：先合后拉；雙母線接線；閉鎖技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM645 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）01-0122-05

0 引言

雙母線接線方式因其兼具可靠性和靈活性的突出特點(diǎn)而在各種電壓等級(jí)的變電站中被廣泛采用。在這種接線方式下，線路或元件根據(jù)運(yùn)行需要可在兩條母線之間進(jìn)行靈活切換。這種切換操作在行業(yè)內(nèi)稱之為“倒排”操作。其中在線路或元件不停電的條件下進(jìn)行的倒排操作稱之為“熱倒”，反之在停電條件下進(jìn)行的倒排操作稱之為“冷倒”。受供電可靠性要求制約，前者具有更高的概率。

在“熱倒”操作中，先“合”后“拉”是基本的操作規(guī)則。即先要將切換對(duì)象用于連接于目標(biāo)母線的一把隔離刀閘合上，使兩段母線并列。如圖1中的G1。然后將切換對(duì)象連接原母線的隔離刀閘拉開(kāi)（斷開(kāi)）。如圖一中的G2。由于隔離刀閘是不能切斷負(fù)荷電流的，因此在拉開(kāi)G2時(shí)必須確保G1合閘完全，接觸良好。否則將可能使G2“帶負(fù)荷拉閘”導(dǎo)致嚴(yán)重事故。然而，高壓隔離刀閘機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受制造質(zhì)量、維護(hù)水平、銹蝕卡澀等隨機(jī)因素影響，隔離刀閘合閘時(shí)發(fā)生一相或兩相主觸頭接觸不良甚至不接觸的可能性和概率是客觀存在的。因此，在倒排操作中，檢查、鑒別、判斷隔離刀閘的合閘情況（如圖1中的G1），確認(rèn)其動(dòng)作完好、接觸可靠是極其重要的一環(huán)。它是后續(xù)操作（如圖1中的G2拉閘）的必要條件和重要前提。

目前，由于隔離刀閘沒(méi)有任何測(cè)量裝備，倒排操作中檢查確認(rèn)隔離刀閘的合閘情況尚無(wú)成熟可靠的技術(shù)手段，主要依靠操作人員在現(xiàn)場(chǎng)的目視檢查。但受操作人員的觀察條件（光照、角度、距離）、自身?xiàng)l件（經(jīng)驗(yàn)、技能、視力）及設(shè)備結(jié)構(gòu)（大多GIS中的隔離刀閘只有A相裝有位置指示器，B、C相無(wú)指示）等因素的限制而具有很大的不確定性。因而成為電力行業(yè)防誤操作機(jī)制和體系中的短板，也嚴(yán)重制約了變電站的程序化、自動(dòng)化、智能化和遙控倒閘操作的實(shí)現(xiàn)和推廣。更為嚴(yán)重的是，他是變電站乃至電網(wǎng)安全運(yùn)行的一個(gè)難以解決的隱患。

針對(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[1]提出了基于母線小差計(jì)算隔刀電流的方法來(lái)判斷隔離刀閘的合閘情況。但該方案的實(shí)現(xiàn)需要修改母差保護(hù)的計(jì)算模型。而母差保護(hù)是電力系統(tǒng)最重要的裝置之一，修改其計(jì)算模型高度敏感且具有很高的門檻。其次是其應(yīng)用會(huì)增加運(yùn)行操作的復(fù)雜性（如在倒排過(guò)程中需要將保護(hù)改信號(hào)等），而這種復(fù)雜性的提高也意味著操作安全性的降低，整體效果是值得商榷的，推廣中也會(huì)遭遇到很大的阻力。

文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了隔離刀閘接觸電阻在線測(cè)量裝置以判斷隔離刀閘的合閘情況。測(cè)量范圍25～2000μΩ，在測(cè)得接觸電阻明顯偏大時(shí)給出預(yù)警。但且不論其技術(shù)方案是否可靠，經(jīng)濟(jì)性是否合理（隔離刀閘面廣量大），就如此大量裝置本身的運(yùn)行維護(hù)無(wú)疑會(huì)大幅增加運(yùn)行單位的負(fù)擔(dān)。推廣的難度是可以想見(jiàn)的。

在影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的各種因素中，人的因素是最不確定和最難控制的因素。因此，變電站倒排操作中檢查確認(rèn)隔離刀閘的合閘情況依靠操作人員在現(xiàn)場(chǎng)的目視檢查的現(xiàn)狀長(zhǎng)期而言是難以接受的。其不僅與電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的發(fā)展目標(biāo)相悖，更因其呈現(xiàn)的不確定性使變電站乃至電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平提升受到嚴(yán)重制約。

本文通過(guò)建立雙母線系統(tǒng)最簡(jiǎn)化等效模型，通過(guò)在線計(jì)算倒排過(guò)程中母聯(lián)斷路器電流和母線傳輸電流的變化與相互關(guān)系，來(lái)判別隔離閘刀合閘是否完全可靠的一種鑒別診斷方法，其結(jié)果作為后續(xù)隔離閘刀操作是否允許的條件判斷。用于變電站實(shí)施倒排操作時(shí)防止發(fā)生帶負(fù)荷拉閘引發(fā)的嚴(yán)重事故。可為解決上述倒排操作時(shí)隔離閘刀合閘是否完全可靠的判別難題提供全新的解決方案，以確保變電站的操作安全和可靠供電。

1 母線熱倒時(shí)合環(huán)刀閘不完全合閘的分析

1.1 等效電路

典型的雙母線接線如圖2所示。

圖中L11、L12至L1N連接于I母，L21、L22至L2N連接于II母.

設(shè)L2N需從II母熱倒至I母。按操作順序應(yīng)先合G1，再拉G2。為防止G2不完全合閘（一相或兩相）導(dǎo)致G2帶負(fù)荷拉閘。需對(duì)G1的合閘情況進(jìn)行判定。

為便于分析分析G1的合閘前的情況，可將圖2所示接線簡(jiǎn)化為圖3所示等效電路：

此時(shí)滿足：

I母線：∑II-IML=0

II母線：∑III+IML=0

I、II母線：∑II+∑III=0

母聯(lián)斷路器：IML=∑II=-∑III

假設(shè)，需將線路L2N從II母線倒向I母線運(yùn)行，按操作順序先合上G1隔離刀閘。此時(shí)，相當(dāng)于在倒排間隔與I母間增加了一個(gè)RG1支路。如圖4所示。

1.2 計(jì)算分析建模

將圖中除倒排間隔外的其它間隔用等效的負(fù)載電阻RM1和RM2替代，便形成圖5所示等效電路。

將上述等效電路經(jīng)適當(dāng)變換后可以形成圖6所示類似電橋電路的計(jì)算分析模型。由于母線上各支路的電流由各自的電源電壓和負(fù)載特性所決定，并不受RG1、RG2、RML等接觸電阻變化影響，因此其外電路可用一個(gè)電流源代替。

1.3 分析與計(jì)算

由電橋電路的分析可知，如果設(shè)圖6模型中RG1=RG2，RM1=RM2。則RML支路中電流為0。相當(dāng)于倒排操作中隔離刀閘G1合閘正常接觸良好，其接觸電阻RG1為正常值，與隔離刀閘G2的接觸電阻RG2相當(dāng)（有一定的離散范圍，但差距不大）。此時(shí)，母聯(lián)斷路器的RML支路中電流為0或較小。一旦隔離刀閘G1合閘異常，接觸不良，相當(dāng)于在RG1上附加了一個(gè)△RG1。此時(shí)就會(huì)在RML支路中產(chǎn)生與之相對(duì)應(yīng)的電流。也就是說(shuō)，在特定條件下，RML支路電流的變化可以間接地反映接觸電阻RG1的變化。從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)分析母聯(lián)斷路器電流變化來(lái)判定隔離刀閘G1的合閘情況。也可運(yùn)用接點(diǎn)電流法求得IG1和IG2。

即：對(duì)于節(jié)點(diǎn)I

IG1-IM1-IML=0 IG1=IM1+IML

即：對(duì)于節(jié)點(diǎn)II

IG2-IM2+IML=0 IG2=IML-IM2

在實(shí)際工程中，RM1與RM2并不相等，也無(wú)法直接測(cè)量。應(yīng)用電橋原理測(cè)量RG1存在一定困難。而應(yīng)用節(jié)點(diǎn)電流法更易于實(shí)現(xiàn)。

其中，母聯(lián)電流IML可直接通過(guò)測(cè)量獲得，IM1可通過(guò)計(jì)算除倒排間隔外的I母線所有間隔電流代數(shù)和獲得；IM2可通過(guò)計(jì)算除倒排間隔外的II母線所有間隔電流代數(shù)和獲得。

即：IM1=∑II（倒排間隔除外）

IM2=∑III（倒排間隔除外）

2 合環(huán)刀閘不完全合閘的判據(jù)的選擇

由以上分析可見(jiàn)，在隔離刀閘G1合閘情況下，倒排間隔的負(fù)荷電流被隔離刀閘G1和G2所分流。由于在不同運(yùn)行方式下負(fù)荷電流變化很大，單純計(jì)算IG1或IG2的大小對(duì)于判別G1合閘情況并無(wú)實(shí)際意義。考慮到一旦G1發(fā)生不完全合閘，其故障相接觸電阻將>>G2對(duì)應(yīng)相的接觸電阻，相對(duì)應(yīng)的IG2將>>IG1。因此，選取IG1與IG2的比值作為判別G1合閘接觸電阻RG1的判據(jù)可有效消除負(fù)荷電流變化的影響。

考慮倒發(fā)生不完全合閘通常只會(huì)一相或兩相（三相同時(shí)發(fā)生且基本一致的情況概率太低可以不予考慮）。因此必然會(huì)反映倒IG1三相不平衡或三相IG2與IG1的比值的不平衡上面來(lái)。如果將這種不平衡電流的增量或三相IG2與IG1的比值的的不平衡增量作為RG1變化的輔助判據(jù)?？赏蟠筇岣吲袆eG1不完全合閘的準(zhǔn)確率和可靠性。

3 倒排操作的仿真模型及參數(shù)選取

參照前文所述分析與計(jì)算模型，建立基于三相理想交流電流源，三相恒定PQ負(fù)荷、倒排間隔隔離刀閘等值電阻，母聯(lián)支路等值電阻的模型。如圖7所示。通過(guò)仿真操作觀察和分析隔離閘刀G正常和不完全合閘時(shí)的電流變化情況，以驗(yàn)證上述分析的合理性。

其中，除倒排間隔外的其它間隔負(fù)荷電流由各自的電源電壓和負(fù)載特性所決定，并不受倒排操作影響，因此兩條母線上的所有線路或元件可各用一個(gè)三相恒定PQ負(fù)荷模型等值，其值等于母線穿越功率。由于隔離刀閘不完全合閘主要反映在刀閘接觸電阻變化，因此倒排間隔的兩把刀閘可用兩組（每組3個(gè)）純電阻替代。對(duì)應(yīng)刀閘的接觸電阻。母聯(lián)斷路器及兩側(cè)刀閘的接觸電阻也用一個(gè)純電阻等效。

為充分獲得仿真數(shù)據(jù)，可分別將此三個(gè)端口設(shè)為電源或負(fù)載。如表1所示。

隔離刀閘接觸電阻一般為100μΩ左右。仿真中按50～150μΩ離散范圍取值。如表2所示。

從仿真結(jié)果中可以看出，隔離刀閘發(fā)生不完全合閘時(shí)，故障相電流在接觸電阻1～100Ω范圍內(nèi)均接近為0，而另一把刀閘對(duì)應(yīng)相幾乎流過(guò)了全部電流。IG2/IG1相差懸殊。表明將這一特征作為判別隔離刀閘發(fā)生不完全合閘的判據(jù)是可行的。

但仿真結(jié)果也可以看出，隔離刀閘接觸電阻正常離散值也會(huì)對(duì)兩把刀閘的電流分配造成很大影響。正常情況下，斷路器、隔離刀閘合閘時(shí)其接觸電阻約為100μΩ，極端情況下阻值離散范圍可達(dá)50～300μΩ。但由于刀閘不完全合閘時(shí)，故障相的接觸電阻可達(dá)100Ω的數(shù)量級(jí)。因此上述誤差在犧牲一定靈敏度的前提下是可以躲過(guò)的。

4 誤差與干擾因素的排除

在實(shí)際工程中，通過(guò)計(jì)算倒排間隔兩把隔離刀閘電流的比值增量來(lái)判斷的變化，均需要排除各種誤差因素的干擾。特別是積累誤差造成的不確定性。這些誤差因素包括：

（1）隔離刀閘和斷路器制造上的分散性引起的接觸電阻誤差；正常情況下，斷路器、隔離刀閘合閘時(shí)其接觸電阻約為100μΩ，極端情況下阻值離散范圍可達(dá)50～300μΩ。G1刀閘合閘時(shí)如合閘情況良好，考慮倒極端情況，RG1取300μΩ，RML取150μΩ或RG1取50μΩ，RML取900μΩ.則的誤差范圍可達(dá)2～1/18。其造成的誤差最大可達(dá)36倍。但由于刀閘不完全合閘時(shí)，故障相的接觸電阻可達(dá)100Ω的數(shù)量級(jí)。因此上述誤差在犧牲一定靈敏度的前提下是可以躲過(guò)的。

（2）隔離刀閘和斷路器運(yùn)行過(guò)程中的機(jī)械、電氣特性變化（觸頭燒蝕、氧化、金屬蠕變引起的接觸壓力變化）引起的接觸電阻誤差；在目前的電氣設(shè)備維護(hù)要求和正常維護(hù)條件下，本款所述誤差應(yīng)該可以為1）中所述誤差范圍所包含，可以不作專門考慮。

（3）運(yùn)行方式變化引起電流及電流分配變化導(dǎo)致的誤差。受母聯(lián)及各支路電流測(cè)量精度的限制，在最小方式（各支路負(fù)荷電流均很小或空載）下將會(huì)給電流計(jì)算判別的造成死區(qū)。應(yīng)通過(guò)計(jì)算和綜合各種要素，盡可能限縮死區(qū)的范圍。

（4）電流互感器誤差特性引起的電流測(cè)量值誤差；用電流作為判據(jù)時(shí)，電流互感器誤差特性引起的電流測(cè)量值誤差是不可忽略的因素。特別是∑II或∑III會(huì)產(chǎn)生積累誤差，如母聯(lián)斷路器電流數(shù)據(jù)采自計(jì)量互感器時(shí)會(huì)在穿越性大負(fù)荷情況下誤差會(huì)明顯增加等。降低上述誤差影響可選用或并有以下方法：1）借鑒母差保護(hù)整定的方法，將計(jì)算結(jié)果用一個(gè)1.3～1.5的系數(shù)進(jìn)行修正；2）使，通過(guò)誤差均衡的方法來(lái)降低誤差；3）通過(guò)在平時(shí)（非故障情況下）測(cè)量∑II、∑III及的相對(duì)誤差，并按一定的算法動(dòng)態(tài)生成一個(gè)修正值。在啟動(dòng)計(jì)算時(shí)進(jìn)行修正。

（5）電力系統(tǒng)負(fù)荷的三相不平衡引起的相間不平衡電流（零序電流）誤差；國(guó)標(biāo)規(guī)定，配電三相負(fù)荷不平衡率不大于15%，通常輸電系統(tǒng)要小于此值，因此在計(jì)算時(shí)按15%進(jìn)行修正是可以消除其誤差干擾的。

（6）母線較長(zhǎng)情況下不同布置方式造成的三相阻抗不平衡引起的誤差；這種情況很隨機(jī)，且難以測(cè)量。但這種情況引起的電流測(cè)量誤差幅度不會(huì)很大，（1）和（6）的誤差修正方法應(yīng)該可以涵蓋。

（7）故障穿越情況下，電流互感器飽和造成的測(cè)量誤差；G1刀閘合閘后啟動(dòng)判別程序時(shí)正好有區(qū)外故障電流穿越，這種情況雖然概率很低，但因其會(huì)產(chǎn)生極大的誤差，在難度不大代價(jià)不高的情況下也是需要考慮的。由于故障電流穿越通常時(shí)間很短，可通過(guò)間隔一定時(shí)間重復(fù)測(cè)量計(jì)算的方法加以排除。

5 實(shí)施方案概要

本項(xiàng)目所述方案可通過(guò)與現(xiàn)有測(cè)控裝置數(shù)據(jù)通信獲取相應(yīng)設(shè)備的負(fù)荷電流、狀態(tài)位置、變位信息等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，作為實(shí)施本方案的輸入信息源。依據(jù)本文所設(shè)定的模型和算法對(duì)這些數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行處理運(yùn)算。當(dāng)運(yùn)算結(jié)果判定相應(yīng)隔離刀閘合閘異常時(shí)向現(xiàn)有測(cè)控系統(tǒng)或防誤操作裝置輸出閉鎖信號(hào)或告警信息。

實(shí)施本方案的載體可以是一個(gè)軟件插件或軟件模塊，嵌入已有測(cè)控裝置、監(jiān)控系統(tǒng)或防誤操作裝置/系統(tǒng)中。也可設(shè)計(jì)成獨(dú)立物理裝置通過(guò)數(shù)據(jù)通信與現(xiàn)有裝置/系統(tǒng)并列運(yùn)行。甚至可以通過(guò)61850協(xié)議融入已有變電站自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)揮效能。原理框圖，如圖9所示。

本項(xiàng)目方案由數(shù)據(jù)預(yù)處理（根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行方式信息和變位信息確定倒排操作對(duì)象并過(guò)濾出所需運(yùn)算數(shù)據(jù)）、處理運(yùn)算、等效模型和輸出四部分組成。輸出部分可以分為軟輸出（通信接口）和硬輸出（繼電器接點(diǎn)）兩種方式。以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的不同需要。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于母聯(lián)電流不平衡度的變電站雙母線熱倒防誤閉鎖技術(shù)研究具有較好的適應(yīng)性與通用性。由于雙母線接線方式是變電站的一種經(jīng)典設(shè)計(jì)方案，其設(shè)計(jì)早已標(biāo)準(zhǔn)化。應(yīng)用早普遍化。因此本文所述方法可廣泛應(yīng)用于各種電壓等級(jí)、形態(tài)的變電站、發(fā)電廠。

其次是簡(jiǎn)單易行。由于本發(fā)明方法的應(yīng)用不需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改動(dòng)，不會(huì)增加運(yùn)行人員的作業(yè)負(fù)擔(dān)，不會(huì)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備造成不利影響。只需要建立數(shù)據(jù)通信或簡(jiǎn)單硬件聯(lián)系（繼電器接點(diǎn)輸出）即可實(shí)現(xiàn)。

第三經(jīng)濟(jì)高效。由于本發(fā)明主要是一個(gè)軟件。對(duì)硬件載體和平臺(tái)的依賴極小。可以軟件插件、功能模塊或獨(dú)立部件等多種形態(tài)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。投入少，效果顯著。能有效解決電力系統(tǒng)的一個(gè)防誤操作短板。投入產(chǎn)出比明顯。

Abstract："First Closing and then Drawing" is the basic rule of double busbar junction thermal inversion operation， but the inspection and confirmation of the closing condition of the first closing isolation switch is always lack of reliable and effective differential diagnosis method， which has become a major hidden trouble in the misoperation prevention. In this paper， the equivalent model of each interval in reverse operation is established to select the operation mode in extreme cases. Calculation under normal operation and incomplete closing breaker to isolate the bus bar and the mother of the change of the current situation， put forward a kind of based on steady state current analysis the differential diagnosis of identifying whether the isolation knife switch completely reliable and the error elimination method， can in order to solve the inversion operation when the isolation knife switch is fully reliable discriminant problem provides new solutions， to ensure the operation of the transformer substation safe and reliable power supply， and to realize the procedural safeguard of substation， automation， intelligent brake operation to create the conditions.

Key words：close before pull；double bus connection；locking technology