線路失靈電壓閉鎖缺陷定量分析及解決方案

吳奎忠，王建勛，吳奎猛，劉大鵬，崔運海

(1. 國網(wǎng)吉林省電力有限公司，吉林 長春130021；2.中廣核新能源有限公司，山東 青島266000)

《繼電保護及安全自動裝置技術規(guī)程》規(guī)定，220～500 kV電力網(wǎng)以及110 kV電力網(wǎng)的個別重要部分中，應裝設斷路器失靈保護[1]。斷路器失靈保護是當線路或變壓器等元件發(fā)生故障，繼電裝置動作發(fā)出跳閘命令，而故障元件斷路器拒動時，利用故障元件的保護跳閘、電流以及電壓閉鎖信息來判斷斷路器是否失靈[2]，從而以較短的時限切除故障設備相鄰斷路器的保護。從相對位置的角度來看，斷路器失靈保護屬于近后備保護，其拒動和誤動均會造成嚴重后果[3]：拒動會造成故障元件嚴重燒損，導致電力系統(tǒng)崩潰瓦解等[4]；而誤動可能造成大量元件誤跳閘，導致大面積停電[5]。失靈保護的可靠動作是保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行的重要措施，因此，相對于其他繼電保護，對失靈保護可靠性的“四性”(選擇性、靈敏性、可靠性和速動性)更高。

1 失靈保護組成和配置

斷路器失靈保護一般由保護動作啟動、失靈判別、復合電壓閉鎖和延時元件共同構成[6]，雙母線失靈保護的一般邏輯框圖如圖1所示。圖中t0、t1、t2分別表示失靈保護重跳失靈斷路器延時、跳母聯(lián)斷路器延時、跳失靈元件所連母線其他斷路器延時。

文獻[7]描述了線路失靈電流判別中存在的問題。在實際整定過程中，考慮到系統(tǒng)運行方式的不確定性，以及輸電網(wǎng)潮流受季節(jié)、天氣及經(jīng)濟發(fā)展的影響變化幅度較大，難以得到準確可靠的最大負荷電流值。若在保障系統(tǒng)檢修方式下一次設備末端故障時相電流元件仍有足夠的靈敏度，則定值很難躲過正常運行的負荷電流，因而受負荷波動經(jīng)常處于動作狀態(tài)，無法作為故障元件斷路器失靈的可靠判據(jù)；因此，一般通過加裝復合電壓閉鎖來防止失靈保護誤動。

為提高失靈保護動作可靠性，防止失靈保護出口繼電器誤動或誤碰出口接點而引起斷路器誤跳[8]，一般非3/2接線的母差失靈保護裝置在母線電壓回路中設有復合電壓元件，由母線電壓互感器相電壓(二次值)Uφ、負序電壓(二次值)U2和自產(chǎn)零序電壓(二次值)3U0元件構成“或門”關系[9]，與失靈跳閘回路構成“與”邏輯。當母線相電壓降低或零、負序電壓升高長時間存在時，表明設備故障繼續(xù)存在且發(fā)生斷路器失靈[10]。復合電壓閉鎖元件的動作判據(jù)為

(1)

式中Uop、U0op、U2op分別為失靈低電壓、零序電壓、負序電壓定值。

2 失靈電壓閉鎖定量分析

2.1 失靈電壓閉鎖計算方式

近年隨著特高壓電網(wǎng)的全面推進，各廠站間電氣距離進一步縮小，能源互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展以及電源接入不斷增多，造成全網(wǎng)短路容量大幅升高[11]。當短路容量較大變電站出線的長線路末端發(fā)生短路故障時，母線電壓波動變小，電壓閉鎖元件靈敏度降低[12]，長時間不能開放，閉鎖失靈保護導致該保護拒動。樞紐或較為重要的變電站最容易出現(xiàn)失靈保護拒動[13]，一旦發(fā)生該情況，將導致嚴重的電網(wǎng)事故[14]。國內(nèi)外一些專家對此進行了探討和研究[15]，總結了失靈保護存在的問題，并結合智能站的網(wǎng)絡方式提出了一些改進方法[16]，但對失靈電壓閉鎖產(chǎn)生的原因和可能出現(xiàn)問題的運行方式未進行定量分析。

在實際工程計算中，部分人員在電壓閉鎖定值計算時仍參考電流量的定值計算方式，按照系統(tǒng)電源檢修方式或相鄰線路并列運行等情況，計算失靈斷路器所在母線的電壓，校核電壓閉鎖定值的靈敏度。這樣極有可能降低了電源強度或縮小了故障點到母線的電氣距離，提高了計算結果的靈敏度，不能準確反映線路斷路器失靈時的靈敏度。

在正常全接線方式下，線路發(fā)生故障時，由于分流的影響，跳閘前流過線路失靈斷路器的電流小于跳閘后的電流；跳閘后失靈斷路器電流增大，靈敏度升高。因此，大部分電流量保護采用線路并列運行的方式進行計算，既減少了繁瑣的設置方式，又不會降低靈敏度和失去選擇性。但是對于電壓量定值則完全相反，全接線方式下發(fā)生線路故障時，由于電網(wǎng)聯(lián)系緊密，電壓波動較大，靈敏度高，當線路對側跳閘后，故障點與主系統(tǒng)電氣聯(lián)系減弱，電壓波動減弱。以甲、乙線并列運行線路為例，線路末端故障時，與系統(tǒng)聯(lián)系較強，電氣距離為ZL/2(ZL為線路正序阻抗)；線路對側跳閘后，電氣距離變?yōu)閆L。因此，應考慮斷路器失靈時電網(wǎng)的實際運行方式，選擇系統(tǒng)大方式下、線路末端故障且對側開關斷開時來計算失靈復合電壓閉鎖元件的電壓量。

圖1 雙母線斷路器失靈保護邏輯框圖Fig.1 Logic block diagram of double busbar breaker failure protection

本文分析斷路器失靈時電網(wǎng)的運行狀態(tài)，不考慮線路兩側開關同時失靈的情況。線路對側跳閘后，故障點與主系統(tǒng)電氣聯(lián)系最弱，電氣距離較故障開始時更大，更符合失靈斷路器所在母線電壓波動降低的實際情況；因此，考慮斷路器失靈時電網(wǎng)的實際運行方式，應選擇系統(tǒng)較大運行方式下、線路末端故障且對側斷路器跳開后，計算失靈斷路器連接母線的電壓量。根據(jù)以上討論，對線路末端發(fā)生不同故障時的線路首端母線電壓進行計算分析。假設一般電力系統(tǒng)等效為如圖2所示的接線方式，其中EM和EN分別為M側和N側母線等效電源。假設線路MN靠近N側母線的K點發(fā)生短路故障，M側母線斷路器失靈，分析M側母線失靈電壓UM與系統(tǒng)阻抗參數(shù)的關系。

圖2 電力系統(tǒng)等效接線示意圖Fig.2 Equivalent wiringof power system

2.2 線路末端三相故障數(shù)量

根據(jù)戴維南等效定理，系統(tǒng)可簡單等效為系統(tǒng)電源經(jīng)失靈斷路器和線路向故障點提供電流的網(wǎng)絡，等效系統(tǒng)如圖3所示。線路末端發(fā)生三相短路時，故障點的相電壓為零，逐漸沿電源方向升高，到電源點時為電源電動勢。通過正、負、零序網(wǎng)絡分析，由于三相短路系統(tǒng)參數(shù)對稱，不存在負序網(wǎng)絡和零序網(wǎng)絡，M側母線的失靈零序或負序電壓不起作用，僅失靈低電壓會降低；因此，只需要分析三相短路時的正序網(wǎng)絡。系統(tǒng)正序網(wǎng)絡和相電壓分布如圖4所示。圖3和4中：ES為M側系統(tǒng)等效電源，ZS1為M側系統(tǒng)正序等值阻抗，ZMK1為M側母線到故障點K的線路正序阻抗，UK為故障點K電壓，UM為M側母線相電壓。

圖3 K點故障系統(tǒng)等效模型Fig.3 Equivalent model of K-point fault system

圖4 三相短路系統(tǒng)正序網(wǎng)絡和相電壓分布Fig.4 Positive sequence network and phase voltage distribution of three-phase short circuit system

失靈斷路器M側母線相電壓

(2)

一般失靈相低電壓閉鎖定值可整定為40～48 V，按最大值48 V且保證靈敏度1.3倍計算，則須UM≤48 V/1.4=36.9 V。系統(tǒng)電源二次值ES=57.7 V，所以ZMK1/(ZS1+ZMK1)=UM/ES≤0.64，可推導出系統(tǒng)側正序等值阻抗與線路正序阻抗的比例關系，即

ZS1/ZMK1≥0.56.

(3)

由此可得，當ZS1與ZMK1的比值小于0.56時，靈敏度小于1.3。

2.3 線路末端兩相相間故障數(shù)量

線路末端發(fā)生兩相相間短路時，同樣進行正、負、零序網(wǎng)絡分析。由于系統(tǒng)不存在接地點，所以不存在零序網(wǎng)絡，失靈斷路器M側母線無零序電壓；而非故障相的相電壓降低非常小，難以保證失靈低電壓閉鎖靈敏度，此時負序電壓變化較大，可直接分析兩相短路時的負序電壓。負序網(wǎng)絡的等效接線如圖5(a)所示，故障點電壓分解產(chǎn)生的負序電源向負序分量網(wǎng)絡提供電流，其中負序電壓分量以故障點處最高，逐漸向系統(tǒng)的實際電源中性點降落，到中性點處為零。系統(tǒng)等效負序分量網(wǎng)絡和負序電壓分布如圖5(b)所示，圖中NG為發(fā)電機中性點，UM2為M側母線負序電壓，ES2為系統(tǒng)負序等效電源，根據(jù)電力系統(tǒng)三相對稱原理可知，負序阻抗與正序阻抗相等，因此M側系統(tǒng)負序等值阻抗等于ZS1，M側母線到故障點K的線路負序阻抗等于ZMK1。

圖5 兩相短路系統(tǒng)等效負序分量網(wǎng)絡和負序電壓分布Fig.5 Equivalent negative sequence component network and negative sequence voltage distribution of two-phase short circuit system

失靈斷路器M側母線負序電壓

(4)

根據(jù)序網(wǎng)分析故障點ES2=UK0/2=28.85 V，其中UK0=57.7 V，為故障時刻前系統(tǒng)正常運行相電壓。一般失靈負序電壓閉鎖定值可整定為4～6 V，按最小值4 V且不小于1.3倍靈敏度計算，須UM2≥5.2 V，則ZS1/(ZS1+ZMK1)≥UM2/ES2=0.18，可推導出系統(tǒng)側正序等值阻抗與線路正序阻抗的比例關系為

ZS1/ZMK1≤0.22 .

(5)

由此可得，ZS1與ZMK1的比值小于0.22時，靈敏度小于1.3。

2.4 線路末端接地故障數(shù)量

線路末端發(fā)生單相或兩相接地故障時，系統(tǒng)既存在正、負序網(wǎng)絡，也存在零序網(wǎng)，失靈斷路器側母線相電壓、零序和負序電壓均會發(fā)生變化。但是相電壓和負序電壓變化較小且受其他因素影響較大，難以作為電壓閉鎖的有效判據(jù)，而零序電壓一般變化最大，因此工程應用中多選用零序電壓作為閉鎖條件。系統(tǒng)等效零序分量網(wǎng)絡如圖6(a)所示，故障點電壓分解產(chǎn)生的零序電源向零序分量網(wǎng)絡提供電流，其中零序電壓分量以故障點處最高，逐漸向變壓器接地中性點處降落，到變壓器接地中性點處為零。零序電壓分布如圖6(b)所示，圖中NB為變壓器中性點，ES0為系統(tǒng)零序等效電源，UM0為M側母線零序電壓，ZS0為M側系統(tǒng)零序等值阻抗，ZMK0為M側母線到故障點K的線路零序阻抗。

圖6 接地故障系統(tǒng)等效零序分量網(wǎng)絡和零序電壓分布Fig.6 Equivalent zero sequence component network and zero sequence voltage distribution of ground fault system

失靈斷路器M側母線零序電壓

(6)

根據(jù)零序網(wǎng)分析單相故障，若Z∑0=Z∑1，則ES0=UK0×Z∑1/(2Z∑1+Z∑0)=UK0/3=19.23 V，其中Z∑0、Z∑1分別為等值到系統(tǒng)故障點的全網(wǎng)零序、正序等值阻抗。一般失靈零序電壓閉鎖定值可整定為6～8 V，按最小值6 V且不小于1.3倍靈敏度計算，3UM0≥7.8 V，則ZS0/(ZS0+ZMK0)=3UM0/ES0≥0.135，可得ZS0/ZMK0≤0.16。對于大部分500 kV變電站來說，Z∑0≤0.65Z∑1，經(jīng)計算可推導出系統(tǒng)側零序等值阻抗與線路零序阻抗的比例關系為

ZS0/ZMK0≤0.225 .

(7)

由此可得，ZS0與ZMK0的比值小于0.23時，靈敏度小于1.3。

根據(jù)序網(wǎng)分析兩相接地故障時，若Z∑0=Z∑1，則ES0=UK0×Z∑0/(2Z∑0+Z∑0)=UK0/3，情況與單相接地相同。對于大部分500 kV變電站Z∑0≤0.65Z∑1的情況，經(jīng)計算可推導出系統(tǒng)側零序等值阻抗與線路零序阻抗的比例關系為

ZS0/ZMK0≤0.19 .

(8)

由此可得，ZS0與ZMK0的比值小于0.19時，靈敏度小于1.3。

由上述分析可知，故障線路失靈斷路器側系統(tǒng)等值阻抗值越小(即ZS1、ZS0越小)，線路阻抗ZMK1、ZMK0越大時，失靈電壓靈敏度越?。惶貏e是失靈低電壓靈敏度對兩者比值的要求最嚴苛(大于0.56)，極易導致低電壓閉鎖靈敏度不足。因此對于短路容量較大的樞紐廠站，或變電站具有出線較長的線路時，作為各間隔共用的失靈電壓閉鎖元件難以避免發(fā)生靈敏度不足的情況，這說明復合電壓閉鎖原理具有天然的缺陷，難以適應短路容量不斷增大的電網(wǎng)發(fā)展。

3 現(xiàn)有解決方案

針對以上問題，國內(nèi)專家開展了大量研究[17-18]，提出了一些新的閉鎖原理和措施[19]，主要有以下幾方面：

a)線路失靈解除電壓閉鎖[20]。在母線失靈保護中，增加線路失靈解除電壓閉鎖選配功能。常規(guī)變電站增加線路失靈解除電壓閉鎖開入配置，當站內(nèi)出現(xiàn)失靈電壓靈敏度不足的線路時，將此線路保護動作接點接入失靈保護裝置解除電壓閉鎖；智能變電站增加線路失靈解除電壓閉鎖控制字，當站內(nèi)出現(xiàn)失靈電壓靈敏度不足的線路時，直接取消所有電壓閉鎖功能[21]。該方法的實質(zhì)是在故障時取消電壓閉鎖，雖然能保證失靈保護開放，但嚴重降低了失靈保護可靠性，增加了誤動風險，反而失去了電壓閉鎖的意義。并且隨著系統(tǒng)的發(fā)展，失靈電壓靈敏度不斷變化，常規(guī)變電站二次回路愈加復雜，此類方案難以緊隨系統(tǒng)結構的變化，也將留下運行隱患。

b)文獻[22]提出利用故障后失靈支路的電流與母線所有連接支路電流和的比例關系，來閉鎖失靈保護，防止誤動。該方法主要根據(jù)基爾霍夫電流定律，將母線作為1個節(jié)點，利用失靈支路三相電流突變，零、負序電流大小及其占總電流的比例關系，作為故障時斷路器失靈保護閉鎖判據(jù)。但該方法僅依賴電流量這一單一電氣量，可靠性較低。

c)文獻[23]提出基于站域信息共享的線路斷路器失靈保護方案，在站控層計算保護判據(jù)，生成保護出口動作信號來代替線路保護硬出口信號；采用冗余電流信息檢測有流或無流，判斷斷路器是否斷開；并使用檢測線路電壓信號來補充復壓閉鎖判據(jù)。此方案需要站控層參與間隔層保護計算，可靠性容易受影響，并且對原有保護的結構改動過大，影響裝置的實用性。

綜上所述，對防止失靈保護誤動或拒動，有效提高其可靠性，目前尚缺乏有效和徹底的解決措施[24]；因此，探索一種可靠的斷路器失靈保護判據(jù)，解決電壓或電流單一電氣量靈敏度不足的問題，提高失靈保護動作的可靠性，從源頭上解決目前失靈保護誤動或拒動的風險，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

4 基于阻抗量的新型失靈閉鎖方案

4.1 原理分析

線路發(fā)生故障、斷路器失靈時，母線電壓量變化的大小與系統(tǒng)阻抗和故障點到母線的阻抗比值密切相關，比值過小導致靈敏度不足；另一方面，失靈電壓閉鎖的目的是通過電壓量判斷線路是否發(fā)生故障，可以考慮利用其他更加準確、靈敏、可靠的電氣量來判斷故障支路是否發(fā)生故障。系統(tǒng)發(fā)生故障時，故障元件所連接的母差失靈保護可以自動感受到故障電流升高和母線電壓下降，母線保護可以極為方便地分析出故障支路的測量阻抗變化；因此，利用支路測量阻抗的大小可以準確判斷某一支路是否發(fā)生故障，進而判定斷路器是否失靈。

保護裝置由集成電路發(fā)展到現(xiàn)在微機型保護，阻抗原理的距離保護已經(jīng)十分成熟可靠[25]，廣泛應用于各電壓等級的線路保護中[26-30]。在母差失靈保護裝置中增加阻抗繼電器模塊，外部保護動作開入后，阻抗繼電器測量開入支路的阻抗向量端點變化，當小于線路設定值時，可準確判定線路發(fā)生故障并處于失靈狀態(tài)。由此可以有效提高失靈保護的可靠性，防止誤動、拒動發(fā)生。

4.2 方案設計

失靈保護一般有一定的動作延時，完全可以滿足阻抗繼電器計算時間的要求。

a)失靈啟動和間隔定位。母差失靈保護裝置檢測到外部保護裝置失靈啟動接點開入后，定位該間隔為失靈啟動支路，并啟動該支路的失靈電流閉鎖判據(jù)；采用相電流Iφ、零序電流3I0(或負序電流I2)“與門”邏輯，所有支路可共用失靈零序電流定值和失靈負序電流定值；線路失靈相電流判別采用裝置內(nèi)部有流門檻值，各變壓器支路共用失靈相電流定值。保護動作后，根據(jù)回路中有無電流，初步判別故障是否消除。若保護開入返回，則程序返回重新判斷。

b)阻抗量閉鎖判據(jù)。失靈間隔定位確認后，由失靈支路隔離開關狀態(tài)確定所在母線電壓，通過失靈支路電流和所在母線電壓計算故障支路感受阻抗，當感受阻抗小于失靈阻抗判別定值時，可判定該支路處于故障失靈狀態(tài)；然后以較短時限跳母聯(lián)開關，以較長時限切除失靈斷路器所在母線上的其他連接元件?；谧杩沽块]鎖的斷路器失靈邏輯框圖如圖7所示。

圖7 基于阻抗量的斷路器失靈邏輯框圖Fig.7 Block diagram ofiImpedance-based short circuit breaker failure logic

阻抗量閉鎖判據(jù)可以設置2種判別方式：一種是各支路共用失靈阻抗來判別定值；另一種是各支路分別設置失靈阻抗來判別定值，此時線路零序電流補償系數(shù)K宜按各線路給定定值，不宜共用。保護安裝處電壓

UK=UKφ+(Iφ+K3I0)Z1.

(8)

式中：UKφ為故障點電壓；Z1為線路正序阻抗；K為零序電流補償系數(shù)，考慮各支路共用阻抗判別定值，宜取各線路間隔K值的最大值作為共用定值。失靈阻抗判別定值宜保證最長線路(線路阻抗最大)末端故障有靈敏度。

5 實例分析

為驗證本文所提基于阻抗量原理的失靈保護，搭建220 kV系統(tǒng)模型進行對比分析，系統(tǒng)接線如圖8所示。其中，線路L1的正序、零序阻抗值分別為Z1,L1=(11.62+j41.6) Ω、Z0,L1=(32+j111) Ω；線路L2和L3正序、零序阻抗值分別為(1.36+j8.23) Ω、(5.23+j19.7) Ω；發(fā)電機G1的等值阻抗為22.2 Ω；系統(tǒng)S1的正序等值阻抗為3.04 Ω，零序等值阻抗為2.93 Ω；系統(tǒng)S2的正序等值阻抗為9.65 Ω，零序等值阻抗為10.6 Ω。在線路L1末端設置故障f1，分別仿真單相接地、兩相接地、兩相短路和三相短路故障，設0.4 s線路末端故障，電流升高，0.5 s線路差動動作未跳開220 kV母線I側斷路器。

圖8 仿真分析系統(tǒng)接線Fig.8 Simulation analysis system wiring

設220 kV母線I配置母差失靈保護，采用電壓閉鎖邏輯，假設失靈保護低電壓閉鎖定值為48 V、零序電壓閉鎖定值為6 V、負序電壓閉鎖定值為4 V。通過短路計算分析可得此時220 kV母線I電壓和失靈電壓閉鎖保護動作行為，見表1，表中電壓值均為二次值。顯然，此時失靈電壓閉鎖未達到定值而閉鎖失靈保護，不能滿足失靈保護電壓閉鎖判據(jù)的開放條件，失靈電壓閉鎖元件將拒動，無法切除故障。

設220 kV母線I配置母差失靈保護，采用本文所提的阻抗量閉鎖邏輯，設阻抗閉鎖定值為56 Ω。通過DDRTS仿真計算分析得線路L1末端設置三相短路時的電壓、電流如圖9所示，以及單相接地、兩相接地、兩相短路時的母線電壓和線路故障電流。仿真計算得此時220 kV母線I失靈阻抗閉鎖保護的感受阻抗和失靈電壓閉鎖保護動作行為見表2。顯然，此時失靈阻抗閉鎖保護可靠開放，0.75 s失靈保護動作切除故障，避免了事故擴大。

表1 線路L1末端故障母線電壓和失靈電壓閉鎖保護動作行為Tab.1 Fault bus voltage and failure voltage blocking protection action behavior of at the end of L1

6 結束語

目前特高壓電網(wǎng)不斷發(fā)展，電網(wǎng)短路容量逐年升高，而母線失靈仍采用電壓閉鎖方案，使得樞紐廠站極易發(fā)生失靈電壓閉鎖靈敏度不足、失靈保護拒動等問題。本文首先明確了斷路器失靈狀態(tài)下母線電壓量準確計算應選取的電網(wǎng)運行方式。其次，定量分析引起電壓閉鎖靈敏度不足的原因，描述了系統(tǒng)電源等值阻抗與線路阻抗的比例關系對不同電壓閉鎖方式靈敏度的影響，由此說明復合電壓閉鎖具有天然缺陷，難以適應容量不斷增強的電網(wǎng)的需求。由此提出了基于阻抗量原理的斷路器失靈保護方案。該方案充分利用了失靈阻抗判別元件相對于電流判別元件準確性高，并且受電網(wǎng)運行方式影響小的優(yōu)點，通過測量阻抗可以準確反映失靈元件的故障狀態(tài)。最后，結合實例對比證明了該方案能夠徹底解決失靈保護因電壓閉鎖靈敏度不足引起拒動的問題，消除對電網(wǎng)安全的重大威脅。

表2 線路L1末端故障感受阻抗和失靈阻抗閉鎖保護行為Tab.2 Fault feeling impedance and failure impedance blocking protection behavior at the end of line L1

圖9 線路末端三相短路時220 kV母線I電壓和線路L1電流Fig.9 Voltage of 220 kV bus I and current of line L1 in case of three-phase short circuit at the end of the line