智能變電站斷路器非全相保護(hù)的優(yōu)化

張兆陽

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 廣州供電局，廣東 廣州 510000）

0 引言

220 kV 及以上電壓等級的線路斷路器一般采用分相操作機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)單相或綜合重合閘。實(shí)際運(yùn)行中，斷路器存在某相或兩相在分位的非全相運(yùn)行狀態(tài)，其原因是單相故障跳開故障相后重合不成功或者某相機(jī)構(gòu)故障導(dǎo)致該相跳開等。非全相運(yùn)行時(shí)，該線路及相鄰設(shè)備會產(chǎn)生較大的零序電流或負(fù)序電流，這將可能導(dǎo)致相鄰線路的零序保護(hù)越級動作，也會對發(fā)電機(jī)、變壓器等設(shè)備產(chǎn)生一定的不利影響。為避免電網(wǎng)長期非全相運(yùn)行，對分相斷路器需配置反映斷路器非全相運(yùn)行狀態(tài)的非全相保護(hù)。

斷路器非全相保護(hù)一般有本體非全相保護(hù)和微機(jī)非全相保護(hù)2 種類型，并各有特點(diǎn)[1-3]。

本體非全相保護(hù)是由斷路器輔助接點(diǎn)、繼電器等元件構(gòu)成的純回路保護(hù)，其原理簡單但可靠性不高，存在多次誤動案例[4-8]。由于沒有統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，各斷路器廠家生產(chǎn)的本體非全相保護(hù)回路在功能完整性、動作可靠性等方面均有所差異且或多或少存在回路缺陷。

為提升可靠性，文獻(xiàn)[9-12]在本體非全相保護(hù)的回路改進(jìn)、繼電器選型、運(yùn)維策略等方面進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[13]提出了出口跳閘回路正電端經(jīng)斷路器分位輔助接點(diǎn)把關(guān)的回路改進(jìn)措施，以防止誤觸碰、出口繼電器誤動等導(dǎo)致的誤動作。文獻(xiàn)[14]研究了時(shí)間繼電器的性能，指出其存在計(jì)時(shí)精度不準(zhǔn)、穩(wěn)定性差、動作電壓不滿足要求等問題，并提出通過配置3 個(gè)時(shí)間繼電器實(shí)現(xiàn)“三取二”的動作邏輯來提升可靠性的改進(jìn)方案。文獻(xiàn)[15]針對斷路器輔助接點(diǎn)轉(zhuǎn)換不到位導(dǎo)致拒動問題，提出了采用可記憶斷路器初始位置狀態(tài)的雙位置繼電器來判斷非全相狀態(tài)的改進(jìn)方法。上述文獻(xiàn)所提方法雖解決了部分問題，卻增加了回路的復(fù)雜度，也增加了運(yùn)維難度。

微機(jī)非全相保護(hù)的可靠性相對較高。為保證斷路器位置判據(jù)的可靠性，該保護(hù)附加了電流判據(jù)；因在負(fù)荷較小時(shí)會拒動，所以該保護(hù)也存在一定的局限性。

為提升非全相保護(hù)的可靠性及作用，本文首先研究了本體非全相保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和微機(jī)非全相保護(hù)的局限性問題；進(jìn)而，對智能變電站的非全相保護(hù)進(jìn)行了保護(hù)邏輯和配置方案的優(yōu)化研究。

1 本體非全相保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

本體非全相保護(hù)由斷路器廠家設(shè)計(jì)完成。由于沒有統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在工程驗(yàn)收中，該回路往往是二次驗(yàn)收的重點(diǎn)回路。為此，基于微機(jī)保護(hù)高可靠性的模塊化設(shè)計(jì)思路，本文設(shè)計(jì)了一種標(biāo)準(zhǔn)化的本體非全相保護(hù)。

標(biāo)準(zhǔn)化的本體非全相保護(hù)由邏輯執(zhí)行回路、跳閘出口回路和信號擴(kuò)展回路3 部分構(gòu)成，如圖1所示。

在不增加回路復(fù)雜度的前提下，按照圖1 的回路功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，可使回路更加簡潔清晰。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)化的本體非全相保護(hù)Fig. 1 The standard body three-phase inconsistent protection

（1）邏輯執(zhí)行回路。該回路是核心回路，包含由斷路器分相輔助接點(diǎn)（各相常閉DL 和常開DL）構(gòu)成的非全相啟動判據(jù)、延時(shí)繼電器KT、出口繼電器KC 和功能壓板LP1。根據(jù)微機(jī)保護(hù)的設(shè)計(jì)理念，出口繼電器KC 的正電源需經(jīng)非全相啟動判據(jù)開放，以防止延時(shí)繼電器KT 的接點(diǎn)誤導(dǎo)通造成出口繼電器KC 誤動作。設(shè)計(jì)功能壓板LP1 的目的是便于投退保護(hù)功能。

（2）跳閘出口回路。該回路包含跳閘出口總壓板LP2、出口繼電器KC 的分相跳閘接點(diǎn)。跳閘出口回路正電源經(jīng)斷路器分位輔助接點(diǎn)（或非全相啟動判據(jù)）開放。與微機(jī)保護(hù)相比，本體非全相保護(hù)的運(yùn)行工況較差且回路均由敞開式的元器件構(gòu)成，人為誤碰出口繼電器KC 或其跳閘接點(diǎn)因絕緣下降而誤導(dǎo)通等情況都會造成誤動作；因此，本體非全相保護(hù)應(yīng)保證斷路器至少有一相在分位或非全相運(yùn)行時(shí)才能跳閘，以提升可靠性。

（3）信號擴(kuò)展回路。該回路由不保持繼電器KX1、保持繼電器KX2 和手動復(fù)歸按鈕FG 構(gòu)成。該回路用于滿足不同層級的信號需求及參與同其他回路的配合，如本體非全相保護(hù)啟動防跳、閉鎖重合閘或發(fā)變組啟動失靈等回路配合。由于重要性不高，信號擴(kuò)展回路設(shè)計(jì)相對簡潔。

本文提出的標(biāo)準(zhǔn)化本體非全相保護(hù)雖然在一定程度上提升了可靠性，但仍存在斷路器輔助接點(diǎn)和延時(shí)繼電器質(zhì)量等因素可能導(dǎo)致的回路可靠性問題，不滿足微機(jī)保護(hù)“除出口繼電器損壞外，任一元器件損壞均不應(yīng)引起保護(hù)誤動作”的標(biāo)準(zhǔn)。

若某相分位輔助接點(diǎn)粘連或絕緣不良而誤導(dǎo)通造成誤動作，應(yīng)對方法可為：跳閘出口回路經(jīng)獨(dú)立于非全相啟動判據(jù)的分位輔助接點(diǎn)開放。若延時(shí)繼電器計(jì)時(shí)不穩(wěn)定進(jìn)而導(dǎo)致保護(hù)動作變慢或變快，則應(yīng)對方法可為：采用文獻(xiàn)[14]提出的“三取二”動作邏輯。

通過增加回路復(fù)雜度的辦法來降低誤動概率，也會增加拒動概率及運(yùn)維難度；因此，回路可靠性的提升需要綜合權(quán)衡誤動和拒動兩方面。

2 微機(jī)非全相保護(hù)的局限性分析

目前，微機(jī)非全相保護(hù)由保護(hù)廠家設(shè)計(jì)，集成于線路主保護(hù)或由獨(dú)立的斷路器保護(hù)實(shí)現(xiàn)?；驹砣鐖D2 所示。

圖2 微機(jī)非全相保護(hù)的基本原理Fig. 2 The fundamental of microcomputer three-phase inconsistent protection

（1）斷路器位置判據(jù)

該判據(jù)采用的是斷路器操作箱的跳位監(jiān)視繼電器（TWJ）的接點(diǎn)，而非斷路器的輔助接點(diǎn)。

由于操作箱與保護(hù)裝置共室或共屏，所以取用方便；若用斷路器輔助接點(diǎn)，需增加保護(hù)裝置到斷路器機(jī)構(gòu)箱的二次電纜，這樣不僅增加了回路復(fù)雜度而且長電纜存在電磁干擾。

跳位監(jiān)視繼電器（TWJ）的作用是監(jiān)視斷路器分位時(shí)合閘回路的完好性，并不直接反映斷路器實(shí)際位置。例如，斷路器某相跳開時(shí)，由于該相合閘回路斷線等原因會使得TWJ 無法置1，從而造成非全相保護(hù)拒動。再如，斷路器某相在合位，但由于該相合閘回路誤導(dǎo)通等原因使得TWJ置1，從而可能造成非全相保護(hù)誤動，或者由于開入插件異常造成保護(hù)誤判斷路器非全相運(yùn)行。

（2）附加電流門檻判據(jù)

一是相無流判據(jù)：某相TWJ 置1 且滿足該相電流小于無流定值才認(rèn)為該相處于分位。廠家一般固化該值為0.06IN；IN為1 A 或5 A。

二是零序或負(fù)序電流閉鎖判據(jù)：斷路器出現(xiàn)非全相運(yùn)行且零序或負(fù)序電流大于閉鎖定值時(shí)才能動作。整定值為一次值240 A，與零序或負(fù)序保護(hù)相配合。

設(shè)置電流判據(jù)主要是為了防止線路重負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，TWJ 異常造成保護(hù)誤判斷路器非全相運(yùn)行而產(chǎn)生誤動作。因此，微機(jī)非全相保護(hù)雖然不易誤動，但也要考慮電網(wǎng)負(fù)荷情況——在負(fù)荷較輕時(shí)易拒動，從而造成電網(wǎng)長期處于非全相運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)斷路器處于兩相運(yùn)行時(shí)，斷口處的零序、負(fù)序電流與正常負(fù)荷電流之間的關(guān)系如式（1）所示。

式中：I0為零序電流；I2為負(fù)序電流；IL為正常負(fù)荷電流；Z11為斷口兩側(cè)系統(tǒng)的等值正序阻抗之和；Z00為斷口兩側(cè)系統(tǒng)的等值零序阻抗之和。

可以看出，序電流大小不僅與負(fù)荷電流IL直接相關(guān)，還受兩側(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行方式（決定K值大?。┯绊?，如電源強(qiáng)弱、零序網(wǎng)絡(luò)分布等。特別是，如果一側(cè)為不接地系統(tǒng)，則零序電流基本沒有；因此，K值的變化范圍較大。

在負(fù)荷電流IL一定時(shí)，K值與序電流3I0、3I2和負(fù)荷電流IL比值的關(guān)系曲線如圖3 所示。

圖3 序電流與負(fù)荷電流的比值與K 值的關(guān)系曲線Fig. 3 The relation curve of the ratio of sequence-load current and K

某220 kV線路一年的負(fù)荷電流分布概率曲線如圖4 所示。經(jīng)計(jì)算，該線路兩相運(yùn)行時(shí)，K=2.3。按零序定值為240 A 計(jì)算，在該線路正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷電流達(dá)到448 A 以上時(shí)，微機(jī)非全相保護(hù)才能動作，其概率僅為2.1%；這使得該線路的微機(jī)非全相保護(hù)難以發(fā)揮作用。

圖4 某220 kV 線路的負(fù)荷電流分布概率曲線Fig. 4 The distribution probability curve of load current of a 220 kV line

此外，按保護(hù)無流定值0.06IN計(jì)算（220 kV線路的電流互感器變比一般為2400/1 或2400/5），無流定值的一次值為144 A；但該線路負(fù)荷電流滿足無流定值的概率為54.1%；因此，對該線路來說，保護(hù)的無流定值過大，無流判據(jù)難以發(fā)揮作用。

因此，由于微機(jī)非全相保護(hù)位置判據(jù)沒有采用可靠性相對較高的斷路器輔助接點(diǎn)而僅是附加電流判據(jù)，結(jié)果限制了其作用的發(fā)揮；但相比本體非全相保護(hù)存在的回路誤動隱患、元器件性能、運(yùn)行工況差、本體回路復(fù)雜等問題，微機(jī)非全相保護(hù)仍有其明顯優(yōu)勢。

3 智能站非全相保護(hù)的配置優(yōu)化

智能變電站二次信息傳輸方式示意圖如圖5所示。智能站采用過程層GOOSE（generic object oriented substation event，面向通用對象的變電站事件）技術(shù)，將二次信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并以光纖為載體傳輸；過程層設(shè)備（智能終端）就近安裝在一次設(shè)備旁，與間隔層設(shè)備（保護(hù)、測控、錄波等）組成過程層網(wǎng)絡(luò)；智能終端就地采集一次設(shè)備的二次信息，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，發(fā)送到過程層網(wǎng)絡(luò)，供各間隔層設(shè)備按需取用，以實(shí)現(xiàn)信息共享。這種設(shè)計(jì)不僅簡化了二次電纜回路，還縮短了一次設(shè)備與間隔層設(shè)備的電氣距離，大大降低了二次回路的電磁干擾水平。

圖5 智能站二次信息傳輸方式示意圖Fig. 5 The sketch map of secondary information transmission mode of smart substation

從圖5 可以看出，微機(jī)線路保護(hù)或斷路器保護(hù)從過程層網(wǎng)絡(luò)獲取斷路器輔助接點(diǎn)位置信息，用于保護(hù)邏輯處理。因此，智能站微機(jī)非全相保護(hù)的位置判據(jù)采用斷路器輔助接點(diǎn)構(gòu)成非全相判據(jù)，不再參考斷路器操作箱的TWJ 接點(diǎn)位置，故需要對智能站微機(jī)非全相保護(hù)加以優(yōu)化。

為提升保護(hù)的可靠性及作用，本文提出的適用于智能站的微機(jī)非全相保護(hù)由獨(dú)立計(jì)算的2 部分邏輯構(gòu)成。

（1）保護(hù)邏輯1

以斷路器分位及合位輔助接點(diǎn)雙確認(rèn)，再附加該相無流判據(jù)來確認(rèn)該相為分位。如圖6 所示，當(dāng)至少有一相為分位且三相不全為分位時(shí)，判為非全相運(yùn)行；經(jīng)延時(shí)后，非全相保護(hù)動作跳閘。

圖6 智能站微機(jī)非全相保護(hù)的動作邏輯1 Fig. 6 The logic 1 of microcomputer three-phase inconsistent protection for smart substation

該邏輯主要考慮防誤動：一是需要斷路器的分位開入為1、合位開入為0，且該相滿足無流判據(jù)，才確認(rèn)該相為分位；二是進(jìn)一步降低保護(hù)的無流判據(jù)門檻，即在滿足保護(hù)裝置最小精確工作電流的條件下，將無流判據(jù)門檻固定為0.04IN。

（2）保護(hù)邏輯2

由于“保護(hù)邏輯1”的位置判據(jù)較嚴(yán)格，所以在斷路器輔助接點(diǎn)異常情況下將導(dǎo)致保護(hù)拒動。

對此，一方面220 kV 及以上微機(jī)保護(hù)已按雙重化配置，可以降低保護(hù)拒動概率；另一方面，參照常規(guī)微機(jī)非全相保護(hù)邏輯，增加“保護(hù)邏輯2”，如圖7 所示。

圖7 智能站微機(jī)非全相保護(hù)的動作邏輯2 Fig. 7 The logic 2 of microcomputer three-phase inconsistent protection for smart substation

該邏輯的位置判據(jù)采用斷路器分位或合位輔助接點(diǎn)單確認(rèn)方式，并增設(shè)零序或負(fù)序電流判據(jù)，以防止重負(fù)荷工況下保護(hù)拒動。

相比常規(guī)微機(jī)非全相保護(hù)，優(yōu)化后的智能站微機(jī)非全相保護(hù)采用了斷路器輔助接點(diǎn)位置判據(jù)，序電流判據(jù)不再必須。通過“保護(hù)邏輯1”和保護(hù)雙重化配置，可降低輕載時(shí)拒動概率；通過“保護(hù)邏輯2”可降低重負(fù)荷工況且斷路器輔助接點(diǎn)又異常時(shí)的拒動概率，同時(shí)不易誤動。

相比本體非全相保護(hù)，本文方案優(yōu)勢更加明顯：不易誤動且不易拒動，可靠性高，可以取代本體非全相保護(hù)，對斷路器非全相運(yùn)行狀態(tài)起到有效保護(hù)。

4 結(jié)論

在分析斷路器本體非全相保護(hù)及微機(jī)非全相保護(hù)的配置現(xiàn)狀及存在問題的基礎(chǔ)上，本文給出了一種標(biāo)準(zhǔn)化的本體非全相保護(hù)方法。

對智能站微機(jī)非全相保護(hù)的邏輯和配置優(yōu)化進(jìn)行了討論，提出了適用于智能站的微機(jī)非全相保護(hù)邏輯和配置方案。該方案可以取代本體非全相保護(hù)，提升了非全相保護(hù)的可靠性及作用，具有較好的工程實(shí)踐價(jià)值。

受條件局限，本文提出的適用于智能站的微機(jī)非全相保護(hù)是一種技術(shù)方案，還需要后續(xù)相關(guān)工作推動方案的工程驗(yàn)證。