3/2接線互感器優(yōu)化布置的繼電保護(hù)改進(jìn)新方法

胡澤鵬，李 斌，姚 斌，孫集偉，王興國，杜鎮(zhèn)安

（1.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津 300072；2.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；3.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，武漢 430070）

目前我國500 kV變電站內(nèi)的主接線廣泛采用3/2斷路器接線方式，這種主接線方式供電可靠性高、運(yùn)行靈活性強(qiáng)、操作檢修方便[1-4]。當(dāng)該接線方式中斷路器單側(cè)布置電流互感器時(shí)，以斷路器為邊界的保護(hù)范圍與電流互感器構(gòu)成的KCL廣義節(jié)點(diǎn)不能完全重合，即存在無主保護(hù)覆蓋的區(qū)域，稱為保護(hù)死區(qū)。保護(hù)死區(qū)發(fā)生故障時(shí)，主保護(hù)不能瞬時(shí)切除，需要斷路器失靈保護(hù)進(jìn)行切除。按現(xiàn)有規(guī)程，失靈動(dòng)作延時(shí)整定范圍為200～250 ms，故障切除時(shí)間可能會(huì)超過400 ms[5-6]。當(dāng)死區(qū)故障發(fā)生在特高壓直流集中饋入近區(qū)，可能導(dǎo)致多回直流同時(shí)發(fā)生連續(xù)兩次以上換相失敗，巨大的暫態(tài)能量沖擊會(huì)對(duì)送、受端電網(wǎng)造成嚴(yán)重影響，甚至存在垮網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)[7-8]。當(dāng)斷路器雙側(cè)布置電流互感器時(shí)，則可消除部分或全部保護(hù)死區(qū)，但是可能會(huì)導(dǎo)致切除故障時(shí)停電范圍擴(kuò)大的問題。

針對(duì)保護(hù)死區(qū)問題，文獻(xiàn)[8]提出了基于站域信息的保護(hù)配合方案，有效縮短了死區(qū)故障發(fā)生時(shí)的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，安全可靠性高；文獻(xiàn)[9]提出按串集成的失靈及死區(qū)保護(hù)方案，裝置數(shù)量相對(duì)較少，回路相對(duì)簡單；文獻(xiàn)[10]提出了基于鄰域信息的3/2接線按串配置斷路器保護(hù)方案，有效提高死區(qū)保護(hù)動(dòng)作速度并縮小停電范圍。針對(duì)切除故障擴(kuò)大停電范圍的問題；文獻(xiàn)[11]基于站域信息共享，通過引入斷路器的開合狀態(tài)信息以及電流信息，采用分步重合閘策略快速恢復(fù)誤切斷路器，縮小停電范圍擴(kuò)大的時(shí)間。上述方案或沒有縮小切除故障時(shí)停電范圍擴(kuò)大的問題，或是在停電后延時(shí)逐步恢復(fù)供電，沒有解決在多個(gè)主保護(hù)覆蓋范圍下切除故障時(shí)導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大的問題。

本文總結(jié)了目前3/2斷路器接線方式下電流互感器的幾種典型布置方式及其存在的保護(hù)死區(qū)或切除故障時(shí)停電范圍擴(kuò)大的問題，針對(duì)以上問題，提出了增設(shè)斷路器差動(dòng)構(gòu)成串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)的解決方案，通過與現(xiàn)有的保護(hù)相配合，可在增加電流互感器配置數(shù)量減少保護(hù)死區(qū)的同時(shí)，有效縮小故障切除時(shí)的停電范圍。

1 基于電流互感器配置的繼電保護(hù)問題

3/2斷路器接線方式，即3臺(tái)斷路器串聯(lián)而形成一串，其兩端分別接于兩條母線，其中每兩臺(tái)斷路器之間可引出一條連接至負(fù)載或變壓器的線路，每條線路各占一個(gè)半臺(tái)斷路器。根據(jù)繼電保護(hù)的要求與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，3/2接線每串中通?？裳b設(shè)3～6組電流互感器而形成不同的保護(hù)配置方案。當(dāng)電流互感器數(shù)量配置較少時(shí)，存在主保護(hù)覆蓋不到的范圍，即存在保護(hù)死區(qū)；當(dāng)電流互感器配置數(shù)量足夠、消除保護(hù)死區(qū)的同時(shí)，又會(huì)造成部分區(qū)域同時(shí)處于多個(gè)主保護(hù)的保護(hù)范圍內(nèi)，從而造成故障時(shí)切除停電范圍擴(kuò)大的問題。

1.1 保護(hù)死區(qū)

由于敞開式斷路器自身結(jié)構(gòu)中不含有電流互感器，需配合瓷柱式電流互感器使用，所以在早期3/2接線變電站建設(shè)采用該斷路器時(shí)，出于成本等原因考慮往往斷路器只單側(cè)配有電流互感器[12]。這樣斷路器與電流互感器之間的連接線便成為了無主保護(hù)覆蓋的保護(hù)死區(qū)，且兩者之間的連線暴露在空氣中，增大了發(fā)生死區(qū)故障的風(fēng)險(xiǎn)。

典型3TA配置的3/2接線中的一串如圖1（a）所示，圖中TA1與TA4的二次電流之和組成出線L1線路保護(hù)的本側(cè)電流，TA3與TA6的二次電流之和組成出線L2線路保護(hù)的本側(cè)電流，TA2采集本串的電流與其他串上相同作用的TA二次電流共同組成I母線的母差保護(hù)，TA5采集本串的電流與其他串上相同作用的TA二次電流共同組成Ⅱ母線的母差保護(hù)。串上每個(gè)斷路器單側(cè)配置電流互感器，導(dǎo)致以斷路器為邊界的保護(hù)范圍與電流互感器構(gòu)成的KCL廣義節(jié)點(diǎn)不能完全重合，即母線保護(hù)和線路保護(hù)的故障測(cè)量范圍互相交叉，但二者的保護(hù)范圍并不交叉，不交叉區(qū)域即為斷路器與電流互感器之間的連接線A、B、C區(qū)域，在上述區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障沒有主保護(hù)可以瞬時(shí)切除，即為保護(hù)死區(qū)。

圖1 3/2接線典型電流互感器配置情況Fig.1 Typical current transformer configuration under 3/2 connection

以圖1（a）中A區(qū)域發(fā)生故障為例，故障點(diǎn)位于I母線母差保護(hù)范圍內(nèi)，而對(duì)于出線L1的線路保護(hù)屬于區(qū)外故障，故障發(fā)生后I母線母差保護(hù)動(dòng)作，所有邊斷路器跳閘切開I母線，但此時(shí)各出線及Ⅱ母線可繼續(xù)向故障點(diǎn)提供故障電流，故障并未完全切除；經(jīng)過延時(shí)后QF11斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作，跳開QF11、QF21及L1對(duì)側(cè)斷路器，故障得以完全清除，上述整個(gè)故障切除時(shí)間可能會(huì)超過400 ms[8]，在“強(qiáng)直弱交”電網(wǎng)及現(xiàn)有直流控制保護(hù)技術(shù)條件下，不滿足交流故障切除速度要求，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成威脅[13]；上述過程雖然通過后備保護(hù)切除了故障，但是此過程中跳開除QF11外的I母線邊斷路器對(duì)于切除故障是非必需的，同時(shí)擴(kuò)大了停電范圍。

當(dāng)前配置下，將圖1（a）串上劃分為A～G區(qū)域，各區(qū)域故障時(shí)斷路器動(dòng)作情況如表1所示，表中第2列表示故障發(fā)生后主保護(hù)的斷路器動(dòng)作情況，表中第3列表示當(dāng)主保護(hù)無法切除故障時(shí)，斷路器失靈保護(hù)或死區(qū)保護(hù)的斷路器動(dòng)作情況，表中第4列表示由主保護(hù)與近后備保護(hù)（斷路器失靈保護(hù)或死區(qū)保護(hù)）動(dòng)作完成后而斷開的斷路器中，對(duì)于切除當(dāng)前故障非必需斷開的斷路器，即切開后導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大的斷路器。

表1 3/2接線3 TA保護(hù)配置故障時(shí)斷路器動(dòng)作情況Tab.1 Action of circuit breaker in the case of fault in 3 TA protection configuration under 3/2 connection

同理，3/2接線的典型4TA保護(hù)配置如圖1（b）所示，存在保護(hù)死區(qū)B與G區(qū)域；3/2接線的5TA保護(hù)配置如圖1（c）所示，存在保護(hù)死區(qū)E。

1.2 故障切除導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大

在3/2接線典型3TA保護(hù)配置基礎(chǔ)上增加3組電流互感器，或3/2接線斷路器采用罐式斷路器時(shí)，3/2接線為典型6TA保護(hù)配置，如圖1（d）所示。在該配置下不存在保護(hù)死區(qū)，但存在多個(gè)主保護(hù)交叉覆蓋的區(qū)域，即圖中母線保護(hù)與線路保護(hù)的重合區(qū)域B、C、H、J，兩出線的線路保護(hù)重合區(qū)域E、F，上述區(qū)域發(fā)生故障時(shí)，存在故障切除停電范圍擴(kuò)大的問題。如圖中區(qū)域E與F發(fā)生故障時(shí)，QF11、QF21、QF31及出線L1及L2對(duì)側(cè)跳閘；但是當(dāng)區(qū)域E故障時(shí)，QF31及L2對(duì)側(cè)斷路器不需要斷開，當(dāng)區(qū)域F故障時(shí)，QF11及L1對(duì)側(cè)斷路器不需要斷開。當(dāng)前配置下串上各區(qū)域故障時(shí)斷路器動(dòng)作情況見表2。

表2 3/2接線6TA保護(hù)配置故障時(shí)斷路器動(dòng)作情況Tab.2 Action of circuit breaker in the case of fault in 6TA protection configuration under 3/2 connection

同理，由于多個(gè)主保護(hù)交叉覆蓋，切除故障時(shí)停電范圍擴(kuò)大的區(qū)域，圖1（b）所示3/2接線的典型4TA保護(hù)配置中為區(qū)域D、E，圖1（c）所示3/2接線的典型5TA保護(hù)配置中為區(qū)域B、C、G、H。

2 互感器優(yōu)化配置

2.1 互感器配置方案分析

綜合上文內(nèi)容，對(duì)3/2接線電流互感器配置數(shù)量與死區(qū)及故障切除范圍擴(kuò)大的問題總結(jié)如表3所示，由此可以看出，隨著串上電流互感器配置數(shù)量的增加，保護(hù)死區(qū)數(shù)量在減少，但同時(shí)故障切除時(shí)導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大的區(qū)域也在增加，沒有兼顧繼電保護(hù)的速動(dòng)性與選擇性。

表3 TA配置數(shù)量對(duì)繼電保護(hù)的影響Tab.3 Influences of TA configuration quantity on relay protection

國家電網(wǎng)公司18項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施要求當(dāng)采用3/2、4/3、角形接線等多斷路器接線形式時(shí)，應(yīng)在斷路器兩側(cè)均配置電流互感器。因此，對(duì)于新建的變電站，在有條件的前提下可采用罐式斷路器；對(duì)于已建成的采用敞開式斷路器的變電站，若加裝柱式電流互感器受制于場(chǎng)地限制，也可考慮通過加裝全光纖電流互感器等方法進(jìn)行改造。以上方法可以有效消除保護(hù)死區(qū)，但會(huì)增加切除故障時(shí)導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大的區(qū)域。

2.2 串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)方案設(shè)計(jì)

增加TA配置后3/2接線保護(hù)方案同時(shí)也增加了切除故障時(shí)停電范圍擴(kuò)大的可能性。針對(duì)此種情況，本文提出了增加串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)裝置解決切除故障時(shí)停電范圍擴(kuò)大的新方法，該方法利用單串內(nèi)斷路器兩側(cè)電流信息與線路保護(hù)相配合，站內(nèi)斷路器兩側(cè)電流信息與母線保護(hù)相配合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)串內(nèi)故障的準(zhǔn)確定位，從而避免了故障時(shí)切除范圍擴(kuò)大的問題。

以3/2接線典型串6TA保護(hù)配置為例，增加串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)裝置后的站內(nèi)保護(hù)配置如圖2所示。構(gòu)建串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)裝置，將單串內(nèi)每個(gè)斷路器兩側(cè)的電流信息輸入其中并組成差動(dòng)保護(hù)。串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)裝置判斷結(jié)果以開入量形式送至該串相關(guān)的線路保護(hù)、變壓器保護(hù)和母線保護(hù)。上述開入內(nèi)容為線路保護(hù)、變壓器保護(hù)及母線保護(hù)閉鎖與否的邏輯信號(hào)。新增的斷路器差動(dòng)保護(hù)采用半波傅里葉算法，在10 ms數(shù)據(jù)窗得出差動(dòng)計(jì)算結(jié)果，即可保證在母線保護(hù)和線路保護(hù)一周波數(shù)據(jù)窗時(shí)就提前得到斷路器小差保護(hù)的狀態(tài)[14-16]。為了減小計(jì)算誤差，在計(jì)算斷路器兩側(cè)差流時(shí)，可先用斷路器兩側(cè)電流采樣點(diǎn)直接計(jì)算差動(dòng)電流采樣點(diǎn)，再利用傅里葉半波算法得到差動(dòng)電流幅值。

原3/2接線典型串6TA保護(hù)配置經(jīng)過本方案改進(jìn)后，發(fā)生故障后會(huì)導(dǎo)致保護(hù)切除停電范圍擴(kuò)大的區(qū)域都處于新增的斷路器小差保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)上述區(qū)域發(fā)生故障時(shí)，斷路器小差保護(hù)優(yōu)先動(dòng)作，同時(shí)向線路保護(hù)與母差保護(hù)發(fā)送閉鎖信號(hào)。當(dāng)該斷路器斷開后，結(jié)合其兩側(cè)的電流信息判斷故障具體位置，對(duì)故障進(jìn)行定位后，再向相應(yīng)保護(hù)發(fā)送閉鎖解除信號(hào)，相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作完成后，串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)判斷故障切除成功，向之前閉鎖的保護(hù)發(fā)送閉鎖解除信號(hào)。

新增的串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)對(duì)故障位置判別方式如下：以圖2中斷路器QF11小差保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障為例，檢測(cè)到故障發(fā)生后，QF11斷路器小差保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)發(fā)信閉鎖I母線保護(hù)與L1出線保護(hù)，QF11斷路器跳開后，依據(jù)斷路器兩側(cè)電流信息進(jìn)行故障區(qū)域的判斷：當(dāng)跳開QF11后，若滿足式（1），即斷路器斷開，且TA1流過故障電流，則可判斷為B區(qū)域的故障，此時(shí)串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)向母線保護(hù)發(fā)信解除閉鎖，母差保護(hù)動(dòng)作；若不滿足式（1）但滿足式（2），即斷路器斷開，且TA2流過故障電流，則可判定為C區(qū)域故障，此時(shí)串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)向線路保護(hù)發(fā)信解除閉鎖，線路保護(hù)動(dòng)作。若兩式都不滿足，則判別為斷路器失靈。

圖2 增加串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)功能的變電站保護(hù)配置Fig.2 Substation protection configuration with string circuit breaker protection function added

式中，Iset為躲過最大負(fù)荷電流與不平衡電流并考慮裕度的整定值。根據(jù)文獻(xiàn)[17-21]的研究與相關(guān)數(shù)據(jù)，由于斷路器拖尾電流的影響，斷路器斷開后一側(cè)電流互感器電流值最嚴(yán)重情況為斷開前故障電流的0.2倍，故在本方法判定斷路器是否斷開時(shí)，判定值取為斷路器一側(cè)電流值為另一側(cè)的3倍，即可不受拖尾電流的影響，避免了通過延時(shí)來判斷斷路器的開合狀態(tài)，加快了故障區(qū)域的判斷時(shí)間，同時(shí)也保有了一定的裕度。

本方案也適用于第1節(jié)所述3/2接線典型串4TA保護(hù)配置與5TA保護(hù)配置中的多個(gè)主保護(hù)覆蓋的區(qū)域。以圖1（b）所示4TA保護(hù)配置為例，在中斷路器增加串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)裝置后，可有效解決圖中所示每串D、E區(qū)域發(fā)生故障切除時(shí)停電范圍擴(kuò)大的問題；以圖1（c）中5TA保護(hù)配置為例，在邊斷路器兩側(cè)分別增加斷路器小差構(gòu)成串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)裝置，可有效解決圖中所示B、C、G及H區(qū)域發(fā)生故障切除時(shí)停電范圍擴(kuò)大的問題。

本方案也適用于出線帶有刀閘時(shí)的3/2接線保護(hù)配置方式。當(dāng)出線帶有刀閘時(shí)，考慮到線路停用時(shí)，連接線將失去保護(hù)，此時(shí)裝設(shè)有專門的T區(qū)保護(hù)。采用本方案對(duì)該種情況下的保護(hù)配置進(jìn)行靈活改進(jìn)，可有效解決保護(hù)死區(qū)及停電范圍擴(kuò)大等問題。

3 互感器優(yōu)化配置的保護(hù)動(dòng)作邏輯

原3/2接線保護(hù)配置經(jīng)過上述方案改進(jìn)后，原有保護(hù)如母線保護(hù)與線路保護(hù)在原有保護(hù)動(dòng)作邏輯的基礎(chǔ)上增加了串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)裝置的閉鎖開放信號(hào)，如改進(jìn)后的母差保護(hù)動(dòng)作邏輯見圖3。當(dāng)串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)裝置保護(hù)范圍內(nèi)沒有檢測(cè)到故障時(shí)，串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)裝置閉鎖信號(hào)保持開放，此時(shí)不影響其他位置發(fā)生故障時(shí)原有保護(hù)的動(dòng)作；當(dāng)故障發(fā)生在串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)裝置保護(hù)范圍內(nèi)時(shí)，串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)裝置發(fā)出閉鎖信號(hào)。

圖3 改進(jìn)后母差保護(hù)動(dòng)作邏輯Fig.3 Improved operation logic of bus differential protection

通過本方案改進(jìn)后站內(nèi)整體保護(hù)配合邏輯如圖4所示，以圖2中QF11斷路器小差保護(hù)區(qū)域發(fā)生故障為例，原有保護(hù)配置下切除范圍為Ⅰ母線與出線L1；通過本方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，上述區(qū)域發(fā)生故障后，串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)檢測(cè)到邊斷路器小差保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，閉鎖Ⅰ母線保護(hù)與L1線路保護(hù)，同時(shí)斷開斷路器QF11，按本方案進(jìn)行故障區(qū)域判定，當(dāng)判定為B區(qū)域發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)切除范圍僅為Ⅰ母線。根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]等相關(guān)文獻(xiàn)研究數(shù)據(jù)，串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)動(dòng)作時(shí)間按20 ms考慮，斷路器開斷時(shí)間按60 ms考慮，各保護(hù)收信按5 ms考慮，母線保護(hù)與線路保護(hù)達(dá)到原有動(dòng)作條件按30 ms考慮，串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)進(jìn)行故障位置判別按30 ms考慮，則保護(hù)動(dòng)作時(shí)序圖如圖5所示；判定為C區(qū)域發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)切除范圍僅為出線L1，對(duì)側(cè)保護(hù)收信按10 ms考慮，其余條件不變，則保護(hù)動(dòng)作時(shí)序圖如圖6所示。由上述時(shí)序圖可見，經(jīng)本方案改進(jìn)后，可在200 ms內(nèi)切除相應(yīng)故障。其余串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)動(dòng)作情況類似。表2中所列出的切除故障非必需斷路器，在保護(hù)配置經(jīng)過本方案改進(jìn)后都將不再切開。

圖4 引入斷路器小差后保護(hù)動(dòng)作邏輯Fig.4 Protection action logic after the introduction of small differencial protection of circuit breaker

圖5 邊開關(guān)母線側(cè)故障保護(hù)動(dòng)作時(shí)序1Fig.5 Action sequence 1 of side switch bus-side fault protection

圖6 邊開關(guān)母線側(cè)故障保護(hù)動(dòng)作時(shí)序2Fig.6 Action sequence 2 of side switch bus-side fault protection

本方案在解決切除故障時(shí)停電范圍擴(kuò)大問題的同時(shí)，可利用故障時(shí)各保護(hù)的動(dòng)作情況，對(duì)串內(nèi)具體故障位置進(jìn)行準(zhǔn)確判定，從而方便事故分析與故障設(shè)備檢修。以3/2接線典型串6TA配置為例，故障位置判定情況見表4。

表4 增加串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)后各區(qū)域故障保護(hù)動(dòng)作情況Tab.4 Protection action in the case of zone fault after adding string circuit breaker protection

4 結(jié)論與展望

（1）本文針對(duì)3/2接線方式下幾種典型的電流互感器配置方案，結(jié)合母線保護(hù)、線路保護(hù)的動(dòng)作邏輯分析了保護(hù)死區(qū)問題以及切除故障帶來的停電范圍擴(kuò)大問題。針對(duì)因增加互感器配置來消除保護(hù)死區(qū)而帶來的故障切除范圍擴(kuò)大的問題，本文提出了增加串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)裝置與原有的母線保護(hù)、線路保護(hù)相配合，從而達(dá)到減少誤切斷路器數(shù)量的保護(hù)配置新方案。

（2）本方案可有效解決3/2接線下多個(gè)主保護(hù)覆蓋的區(qū)域發(fā)生故障時(shí)停電范圍擴(kuò)大的問題，增強(qiáng)了保護(hù)的選擇性，同時(shí)還可對(duì)串內(nèi)故障進(jìn)行位置判定。變電站通過本方案進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，不影響其他已有保護(hù)的保護(hù)范圍及保護(hù)性能。

（3）本方案的實(shí)現(xiàn)基于已有的電流信息，不需增加新的一次設(shè)備；僅通過開關(guān)量信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)串?dāng)嗦菲鞅Ｗo(hù)與原有母線保護(hù)、線路保護(hù)的邏輯配合；無需傳送模擬量等復(fù)雜電氣量信息，避免了增加站域信息決策單元，并提高了繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性和選擇性。本文所提方案在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施改造方便且成本較低，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。