3/2接線保護(hù)死區(qū)解決方案分析及選擇策略

董毓暉，徐西家，崔 超

(華能山東石島灣核電廠，山東 榮成 264312)

目前，國內(nèi)發(fā)電廠升壓站330 kV及以上電壓等級的主接線通常采用3/2斷路器接線方式，這種主接線方式倒閘操作方便、運(yùn)行調(diào)度靈活、供電可靠性高，但也存在保護(hù)死區(qū)較多(主要是斷路器和TA之間)的缺點(diǎn)，一旦保護(hù)死區(qū)發(fā)生故障，保護(hù)裝置不能瞬時(shí)切除，就可能導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大［1］。因此，本文結(jié)合典型3/2接線保護(hù)配置，對常規(guī)電站專設(shè)死區(qū)保護(hù)及核電站增加保護(hù)TA交叉配置所采取的兩種方案進(jìn)行分析，指出了繼電保護(hù)快速性和選擇性之間的問題，并建議對1000 MW及以上容量大機(jī)組宜采用增加TA交叉配置消除死區(qū)的解決方案。

1 3/2接線產(chǎn)生保護(hù)死區(qū)的原因及常規(guī)處理方法

通常將快速主保護(hù)無法完全覆蓋的一次設(shè)備區(qū)域稱為保護(hù)死區(qū)。3/2接線保護(hù)死區(qū)形成的根本原因是TA配置不足，造成主保護(hù)范圍不能完全交叉［2］，出現(xiàn)保護(hù)死區(qū)。典型3/2接線如圖1所示。

圖1 典型3/2接線圖Fig．1 Typical 3/2 wiring diagram

圖1是一個(gè)典型的3/2斷路器接線，K1、K2、K3斷路器和TA間的連接部分即為保護(hù)死區(qū)，保護(hù)死區(qū)內(nèi)發(fā)生故障，沒有設(shè)置主保護(hù)瞬時(shí)動作切除故障［3］。常規(guī)處理方案是依靠斷路器的失靈保護(hù)來快速切除保護(hù)死區(qū)故障，但是失靈保護(hù)動作于斷路器跳閘后，該斷路器將不再啟動失靈保護(hù)，此時(shí)如果斷路器拒動，會造成更加嚴(yán)重的后果。當(dāng)K1點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，I母母差保護(hù)動作于斷路器CB1跳閘，此時(shí)故障并未完全切除，斷路器CB1啟動失靈保護(hù)，CB2跳閘。若此時(shí)CB2拒動，CB2不啟動失靈，發(fā)變組T區(qū)保護(hù)判斷K1為區(qū)外故障，不能及時(shí)動作于CB3和發(fā)變機(jī)組，延遲了故障切除時(shí)間，將造成故障進(jìn)一步擴(kuò)大。另外，考慮到發(fā)生三相短路故障時(shí)，故障電流較大，失靈保護(hù)動作一般要經(jīng)過200 ms的延時(shí)，對系統(tǒng)或主變沖擊較大，因此僅依靠斷路器失靈保護(hù)實(shí)現(xiàn)切除死區(qū)故障的方案不理想［4］。

2 常規(guī)電站對保護(hù)死區(qū)的解決方案和對比分析

由于在3/2接線中保護(hù)死區(qū)較多，不能排除死區(qū)發(fā)生的故障，同時(shí)僅依靠斷路器失靈保護(hù)切除死區(qū)故障存在很大的局限性，所以有必要為死區(qū)配置專用的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)快速切除死區(qū)故障，達(dá)到保護(hù)配置無“死區(qū)”的目的。

2．1 常規(guī)電站保護(hù)死區(qū)的解決方案

由于斷路器失靈保護(hù)有延時(shí)較長、不能再次啟動失靈的局限性，不適合作為死區(qū)保護(hù)的理想方案，常規(guī)電站一般配置比失靈保護(hù)延時(shí)短、專用的斷路器死區(qū)保護(hù)來切除死區(qū)故障，根據(jù)保護(hù)TA配置的不同位置，形成2種不同配置方案，如圖2、圖3所示。

在圖2、圖3中，斷路器死區(qū)保護(hù)是斷路器和TA之間區(qū)域的專設(shè)保護(hù)，其啟動邏輯和失靈保護(hù)類似，出口方式也相同，動作后斷開相鄰斷路器。死區(qū)保護(hù)動作時(shí)限比失靈保護(hù)短，動作后會啟動相應(yīng)斷路器的失靈保護(hù)，大大降低了相鄰斷路器拒動后故障擴(kuò)大的風(fēng)險(xiǎn)，由此可以看出，這兩種配置該方案比單純依靠斷路器失靈保護(hù)切除死區(qū)故障更為理想。

圖2 斷路器具有死區(qū)保護(hù)的配置1Fig．2 Protection configuration No．1 on circuit breaker with dead zone

圖3 斷路器具有死區(qū)保護(hù)的配置2Fig．3 Protection configuration No．2 on circuit breaker with dead zone

死區(qū)保護(hù)動作邏輯須滿足如下條件［5］:

1)斷路器三相跳位開入。

2)斷路器三相或兩相跳閘命令開入。

3)任一相有電流超過定值。

在死區(qū)保護(hù)動作后，跳開相關(guān)斷路器，先于失靈保護(hù)來切除死區(qū)故障。

2．2 兩種方案對比分析

對于CB1死區(qū)和 CB3死區(qū)內(nèi)發(fā)生的故障，圖2、圖3兩種配置方案保護(hù)動作情況完全相同，沒有差別。

當(dāng)故障發(fā)生在CB2死區(qū)時(shí)，對于圖2保護(hù)TA配置方案，發(fā)變組T區(qū)區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)動作跳開CB2、CB3，此時(shí)故障并未消除，CB2開關(guān)的死區(qū)保護(hù)動作跳開CB1，同時(shí)啟動遠(yuǎn)跳線路對側(cè)開關(guān)。對于圖3保護(hù)TA配置方案，線路T區(qū)區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)動作跳開 CB1、CB2，CB2開關(guān)的死區(qū)保護(hù)跳開CB3，同時(shí)升壓站聯(lián)跳動作使機(jī)組全停。

比較分析上述動作情況，兩種方案側(cè)重點(diǎn)不同，當(dāng)故障發(fā)生在CB2死區(qū)時(shí)，使用圖2方案，主變中的故障電流經(jīng)發(fā)變組T區(qū)保護(hù)動作后瞬時(shí)切除，對主變沖擊較小，但出線端需經(jīng)死區(qū)保護(hù)短延時(shí)切除，對電廠端較為有利;使用圖3方案，出線端經(jīng)線路T區(qū)保護(hù)瞬時(shí)切除故障，主變中的故障電流經(jīng)死區(qū)保護(hù)短延時(shí)切除，主變承受故障電流的時(shí)間較長，對電網(wǎng)端有利。

上述兩種配置方案的優(yōu)點(diǎn)是不改變原有TA配置數(shù)量，保護(hù)配置簡單，經(jīng)濟(jì)性好。缺點(diǎn)是無論采用種配置方案，電廠端或電網(wǎng)端都不能實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)切除故障。

3 核電站對保護(hù)死區(qū)的解決方案及局限性

3．1 核電站對保護(hù)死區(qū)的解決方案

基于核安全理念的理解和重視，國內(nèi)核電站一般采用增加TA數(shù)量、各保護(hù)TA交叉配置的方案來消除保護(hù)死區(qū)，即在斷路器兩側(cè)均裝設(shè)電流互感器，完成母差保護(hù)、線路T區(qū)保護(hù)和發(fā)變組T區(qū)保護(hù)TA全交叉配置，真正實(shí)現(xiàn)保護(hù)無死區(qū)配置。國內(nèi)某核電站3/2接線采用的保護(hù)配置方案如圖4所示。

對于圖4的配置，當(dāng)斷路器和TA之間的區(qū)域發(fā)生短路故障時(shí)，故障點(diǎn)兩側(cè)的主保護(hù)瞬時(shí)動作，在第一時(shí)間切除故障。例如，在圖3中，當(dāng)K1點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，不僅I母母差保護(hù)會動作，線路T區(qū)保護(hù)也會在第一時(shí)間動作，瞬時(shí)跳開斷路器CB1、CB2，分開線路對側(cè)的斷路器，K1點(diǎn)故障被快速切除。

除了增加TA數(shù)量實(shí)現(xiàn)保護(hù)全交叉配置消除死區(qū)外，核電站還采用常規(guī)電站的做法增加了斷路器“死區(qū)”保護(hù)，作為后備冗余。

3．2 解決方案的局限性

圖4 無死區(qū)的保護(hù)配置Fig．4 Protection configuration without dead zone

上述列舉的方案優(yōu)點(diǎn)很明顯，真正消除了保護(hù)死區(qū)，實(shí)現(xiàn)全范圍內(nèi)瞬時(shí)切除各類故障。但該方案也存在一定局限性，在圖4中，當(dāng)故障發(fā)生在CB1至CB1上側(cè)TA區(qū)域時(shí)，Ⅰ母母差和線路T區(qū)同時(shí)動作，切除CB1、CB2及線路對側(cè)開關(guān)。而按圖2配置，同一地點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，只有Ⅰ母母差動作將CB1切除，即可保證安全性，圖4配置方案擴(kuò)大了動作范圍。同理，當(dāng)故障發(fā)生在CB2至CB2下側(cè)TA區(qū)域、CB3至CB3低側(cè)TA中間區(qū)域時(shí)，也會使動作范圍擴(kuò)大。可見，核電站通過增加TA消除死區(qū)的方案在極小范圍內(nèi)發(fā)生故障，會擴(kuò)大停電范圍。

4 結(jié)論

常規(guī)電站和核電站對于保護(hù)死區(qū)的不同處理方案，各有優(yōu)缺點(diǎn)，側(cè)重點(diǎn)略有不同。

1)常規(guī)電站處理方案，一次主設(shè)備須承受短時(shí)短路電流沖擊，TA數(shù)量少，配置簡單，經(jīng)濟(jì)性好，不會導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大;核電站處理方案徹底消除保護(hù)死區(qū)，一次主設(shè)備不承受短路電流沖擊，TA數(shù)量多，配置復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性差，會導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大。

2)在電站建設(shè)之前，要充分考慮不同的保護(hù)配置所產(chǎn)生的后果及接受能力，如對線路停電或機(jī)組停機(jī)的可承受能力，主變和母線設(shè)備可承受的故障電流的沖擊能力等，綜合考慮，選取更適合電站的保護(hù)配置方式。

3)對于1000 MW及以上容量機(jī)組建議采用增加TA交叉配置消除保護(hù)死區(qū)的方案，降低電廠主設(shè)備經(jīng)受短時(shí)故障電流沖擊的概率，確保電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］賀家軍，宋從矩．電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理［M］．北京:水利電力出版社，1994．HE Jiajun，SONG Congju．Theory of power system relay protection［M］．Beijing:China Water Power Press，1994．

［2］ 劉偉平．母線保護(hù)死區(qū)問題的探討［J］．繼電器，2004，32(15):59-61．LIU Weiping．Discussion on the dead zone in busbar protection［J］．Relay，2004，32(15):59-61．

［3］劉宏義，李字芹．關(guān)于3/2斷路器主接線繼電保護(hù)的配置與使用［J］．黑龍江電力，2000，22(4):39-40，49．LIU Hongyi，LI Ziqin．Disposition of primary wiring relay protection for 3/2 circuit-breakers ［J］．Heilongjiang Electric Power，2000，22(4):39-40，49．

［4］張保會，尹項(xiàng)根．電力系統(tǒng)繼電保護(hù)［M］．北京:中國電力出版社，2005．ZHANG Baohui， YIN Xianggen． Power system relay protection［M］．Beijing:China Electric Power Press，2005．

［5］趙志宏，王昕，馬景春，等．新一代線路微機(jī)保護(hù)與3/2斷路器接線操作屏的配合［J］．黑龍江電力，2000，22(4):47-49．ZHAO Zhihong，WANG Xin，MA Jingchun，et al．The coordination of new line microcomputer protection and 3/2 circuit-breaker wiring operation screen ［J］．Heilongjiang Electric Power，2000，22(4):47-49．