關于斷路器失靈保護的改進問題研究

【摘 要】為了提高線路的輸送能力和系統的穩定性，普遍采用快速保護和分相斷路器，由于斷路器存在操作失靈的可能性，當線路發生故障而斷路器又拒動時，將給電網帶來很大威脅，故應裝設獨立的斷路器失靈保護。斷路器失靈保護作為元件的近后備保護，在斷路器失靈時，以盡可能小的停電范圍快速切除故障，對電網的穩定運行起著重要的作用。

【關鍵詞】電網安全；斷路器；失靈保護；短路電流；電能質量；電壓互感器；閉鎖回路

0 引言

斷路器的失靈保護拒動，將使故障點仍無法有效切除，會造成設備的進一步損壞和電網運行穩定性的進一步惡化。但若斷路器失靈保護誤動，即斷路器已正確將故障點隔離，但因失靈保護誤動，仍要跳開相鄰的全部斷路器，這勢必造成電網的停電范圍大大增加，這樣不僅將影響對正常用戶的供電，還將可能造成電源側電能無法輸送，負荷側周波下降，甚至是電網部分分解的情況。

1 對現有斷路器失靈保護的評價

高壓輸電線路具有電壓高、線路長、輸送功率大、波阻抗小，分布電容大、線路充電電容電流大等特點；這些特點將對現有的斷路器失靈保護所用的部分特征量變得靈敏度不高，靈敏度不夠將直接影響到失靈保護的可靠動作，下面將對失靈保護中所采集的特征量進行分析，以期發現不足。

斷路器失靈保護的啟動回路中采集的特征量為“電流判據”和“保護出口”，本人感覺這兩個量在高壓斷路器中仍然使用是可靠且有效的。因為線路故障后，“電流判據”是必要的，故障后，電流必定增大，當到了設定動作值后，保護出口，動作斷路器分閘，切斷故障點。但僅一個“電流判據”可能存在誤動的可能，所以在“電流判據”的基礎上增加“保護出口”的判據是有必定的，這樣可以通過此兩個判據來確定發生了故障，也確定要使斷路器分閘，只有都滿足了，說明斷路器有了要啟動失靈的必要性。

斷路器失靈保護的閉鎖回路中采集的特征量為“電壓突變”、“低電壓”、“負序電壓”和“零序電壓”的復合電壓值，本人感覺這些特征量因為高壓線路的波阻抗小，分布電容大、線路充電電容電流大等特性而使靈敏度降低的情況。而且當線路故障時，故障電流較正常電流增加許多，故障相電壓卻較正常時有明顯下降，這些都為特征性的快速、準確提取增加了難度；電壓互感器做為各電壓量的取出元件，自身元件也存在飽和、突變性較差的實際情況，這也使各特征量的采集增加了難度。另外斷路器在跳閘的過程中，因在斷路器觸頭分開時，存在著較強烈的電弧現象，這使上述這些電壓特征量的靈敏度進一步降低，而且還可能存在因靈敏度不夠使這些特征量不能正常、可靠進行閉鎖的情況。所以為了完善失靈保護中閉鎖回路的功能，在考慮高壓線路特性和斷路器開斷故障電流產生電弧的情況下，應該提出可行的特征量，用來判斷是否要對斷路器的失靈回路進行閉鎖，從而切實提高斷路器失靈保護的可靠性。

斷路器失靈保護中的動作執行回路，主要是對失靈保護的出口動作情況進行分類；高壓斷路器的動作后果應該完全同現有的斷路器一樣，但因考慮到高壓系統的電壓高，產生的故障電流大的特點，在可靠、準確的判斷出斷路器是否真實失靈的前提下，進一步提高斷路器失靈保護動作的速度，使故障點能盡快隔離，這樣不僅可以減小對相關設備（人員）的損壞（傷害）程度，對電網的安全運行也有較大的幫助，能提高系統的可靠性；所以提高斷路器失靈保護動作的速度是研究的方向。

2 基于故障后電流變化量閉鎖的改進方案提出

現在許多保護，主要是電流量方面的保護，采用了電流的突變量為特征量，由此做為保護動作的判據或補充判據，這樣可以避免因單一采用電流量，電流量采集存在問題時，造成保護裝置誤動或拒動情況的發生。由于目前對電流突變量的采集是成熟的技術，為本文在下面提出電流突變量的采用、分析和使用提供了技術方面可行性的保證。

下面將線路在故障發生后，保護、斷路器動作的情況進行分步描述，現以線路單相故障為例：

①正常切除故障

線路發生單相故障→故障相電流增大→主保護（快速保護）通過判斷后動作出口（同時啟動斷路器失靈保護）→斷路器收到保護動作令斷路器操作機構進行分閘動作→斷路器動、靜觸頭拉開后產生電弧→斷路器分閘成功→故障點被切除→失靈保護返回。

②未切除故障

未切除故障的情況有兩種，一種是斷路器因信號、機構等問題未動作（因主保護配置具有雙重化，且配置了相關的后備保護，故不考慮保護裝置未動作的因素）；另一種是保護動作正確，斷路器也動作，但斷路器未能將故障電流分斷，故障點未能被隔離。

1） 斷路器未動作

線路發生單相故障→故障相電流增大→主保護（快速保護）通過判斷后動作出口（同時啟動斷路器失靈保護）→斷路器因未收到保護動作令或斷路器操作機構存在問題，而未動作分閘→故障點未切除→失靈保護第一延時動作，再次跳本斷路器→若故障點仍未切除→失靈保護第二延時動作，跳本斷路器相鄰的全部斷路器。

2） 斷路器動作并未能分斷故障電流

線路發生單相故障→故障相電流增大→主保護（快速保護）通過判斷后動作出口（同時啟動斷路器失靈保護）→斷路器收到保護動作令斷路器操作機構進行分閘動作→斷路器動、靜觸頭拉開后產生電弧→但斷路器未能將故障電流分斷→故障點未切除→失靈保護第一延時動作，再次跳本斷路器→若故障點仍未切除→失靈保護第二延時動作，跳本斷路器相鄰的全部斷路器。

從上面所表述的過程可以看出，故障點是否被有效切除是斷路器失靈保護是否需要動作的關鍵；而故障點是否被有效切除，除了常規能用種類電壓特征量來判別外，還有一個更直接的特征量——電流量。因為當一定時間后，如果故障仍存在，故障電流仍很大，就可以說明斷路器未斷開，需要啟動斷路器失靈保護；而如果電流較故障電流小了許多，則表明斷路器已經斷開，斷路器失靈保護不應再啟動和出口了。

從電路進行分析，斷路器開斷短路電流的前后電流存在非常大的區別：斷路器開斷前，通過斷路器和電流互感器所測得的是故障電流；當斷路器開斷后，回路將沒有任何電流，電流互感器也測不到電流。而如果斷路器未能分斷故障電流，從電路上來看，則電流應該同原先一樣，沒有變化。

基于斷路器是否開斷短路電流，經過斷路器固有的分閘時間后，通過斷路器的電流是有明顯的差別，所以根據上述分析所得出的結果，將經過斷路器固有的分閘時間后的電流量作為斷路器失靈保護閉鎖判據的特征量是可行的。

3 改進方案的難點和仿真驗證的必要性

考慮到各短路故障情況不一樣，所對應的各種短路電流也不一樣，而且各種短路電流的變化量有較大差別。如單相接地故障，故障電流中含有直流等會衰減的分量，則通過一段時間后，短路電流也將衰減。而兩相和三相故障時，除了故障電流中有直流等會衰減的分量外，如果有一相斷路器未斷開，故障的類型就將由兩相或三相故障過渡到單相接地故障，過渡狀態存在較多不確定性；這些必然會使實際電流量的情況完全不能等同于理想的電流值。

4 結束語

總之，隨著高壓電網的逐步建設和投入運行，全國各大電網將通過高壓系統有序的聯網，所以高壓對電網的安全和穩定運行將起到更大的作用，這也將對高壓系統的斷路器提出更高的要求。

【參考文獻】

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[責任編輯：劉帥]