基于220kV變電站仿真系統的斷路器拒動故障研究

輸電線路故障是變電站運行中最常見的故障之一，線路故障跳閘的主要原因大多數是由于線路發生故障。其中，短路故障占了極大的比例。輸電線路的短路故障按照對稱性來區分主要有兩大類：對稱故障和不對稱故障。對稱故障，一般指的就是三相短路故障，發生對稱故障時，電力系統A、B、C三相的運行情況依然是對稱的，但是，由于一般情況下，尤其是在最大運行發生下，三相短路產生的短路電流最大，造成的損失往往也是最為嚴重的。繼電保護開關拒動一般是指在110kV及以上電壓等級的發電廠和變電站中，一旦輸電線路、變壓器和母線發生了短路故障，所投入的繼電保護裝置應能夠在盡量短時間內動作切除故障，但也可能伴隨著故障元件的斷路器的拒動，即所謂的斷路器失靈故障。產生斷路器失靈故障的原因有許多方面，比如：斷路器的操動機構失靈，斷路器跳閘線圈斷線、電氣的控制以及輔助回路出現故障等等。

基于UNIX的變電站仿真系統KEA！介紹

該變電站系統的運行環境采用開放式的實時UNIX操作系統，以MOTIF圖形技術為基礎，使教練員得以實現多功能多窗口全面監視，大大提高了教學的方便性。該軟件還突破性實現了對微機保護的全仿真，微機保護與常規保護相比，可靠性和穩定性都更加優秀，且具有工頻突變量保護和各種記憶、打印等優點。為了使操作更加直觀，該軟件還采用了計算機軟表盤技術，可以隨意對圖形進行放大、縮小、漫游、配色和數據的動態顯示，學生可以直接在軟盤臺上對變電站的各種設備進行操作。至于功能方面，該變電站仿真系統主要分三個功能模塊：正常基本操作模塊（變壓器分接頭、補償設備調壓;“五防”操作;電容器、電抗器停復役;母線、線路、變壓器停復役）、故障及異常事故處理模塊（電容器、電抗器故障;保護拒動、誤動故障;開關拒動、誤動故障;母線、線路變壓器永久故障;母線、線路、變壓器瞬時故障）和保護及自動裝置模塊（自動裝置;常規保護;微機保護）。

220kV變電站簡介

主接線圖見圖1。

一次接線說明

220kV側為雙母雙分段，分別有2臺母聯斷路器和2臺分段斷路器，母線上接有4臺三繞組電壓互感器，進出線一共8回，與35kV側母線經T1、T2、T3這3臺主變聯絡。而35kV側為單母六分段，由3臺分段斷路器連接，每段母線上均接有三繞組電壓互感器，共有24回出線，母線上接有三組起無功補償作用的電容器。T1、T2、T3為3臺兩圈無載調壓變壓器，220kV/35kV。單臺容量為100MVA，主變35kV側接接地變，接地變的中性點接地方式為經小電阻接地。35kV側有2臺站用變，35kV/380V。直流部分有兩段直流母線，一套蓄電池，二套硅整流器，八路直流負荷線。

相關線路繼電保護配置

2207線路配置的保護有WXB-11C，LFP901A，斷路器失靈保護;2208線路配置的保護有JGB-11D，JGX-11D，PLH-11A（相間距離Ⅰ Ⅱ Ⅲ段，接地距離Ⅰ Ⅱ段，零序Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ段），斷路器失靈保護;220kV母線、母聯和母線分段上配置的保護有充電保護、解列保護、斷路器失靈保護;35kV母線配置的保護為單母母差保護，分段處配置的保護有充電保護和自切裝置;35kV電容器配置的保護過流Ⅰ Ⅱ段，零流Ⅰ Ⅱ段，壓差，低電壓，過電壓保護。其中，WXB-11C為高頻保護，LFP901A為高頻閉鎖保護，JGB-11D為高頻閉鎖保護，JGX-11D為高頻分相差動保護，PLH-11A為距離保護。

本實驗涉及到的具體繼電保護說明

距離保護

距離保護元件的輸入電氣量是測量電壓Um和測量電流Im，其比值即為測量阻抗Zm，通過采取恰當的接線方式，可以在短路時，使測量阻抗Zm正比于短路點到保護安裝處的距離L。距離保護根據保護接線方式的不同可以分為兩種：一種是相間距離保護，一種是接地距離保護，其具體的接線方式如表1所示。

高頻閉鎖保護

高頻閉鎖保護指裝設于線路兩側，兩側保護均會對故障位置進行判斷，如果故障發生在保護范圍內，則不發出閉鎖信號，保護動作，使斷路器跳閘，如果故障發生在保護范圍外時，方向元件檢測到功率方向為反方向，則發出閉鎖信號，使保護不誤動。我國常用的高頻閉鎖保護一般采用短時發信的工作方式，系統正常運行時，保護不發出閉鎖信號，只有系統發生故障且達到保護啟動的條件之后才發信。

高頻閉鎖保護如果按高頻通道的工作方式劃分，也可分為三種：短時發信方式、長期方向方式以及移頻方式;如果按啟動方式劃分，可以分為三種：電流啟動、遠方啟動和方向元件啟動，邏輯圖如圖2所示，以下具體說明其原理。

（1）電流啟動原理解釋：KA1較KA2靈敏，用于啟動發信，當發生故障時，若流過保護的故障電流大于Iset1，則保護KA1將啟動發信，若大于Iset2，且功率方向元件P+檢測到功率方向為正，則經t2時間的延遲，若此時沒有收到閉鎖信號，則停止發信并且發出跳閘信號，使斷路器跳閘;如果收到了閉鎖信號，則無法發出跳閘信號，斷路器不會跳閘，但停止發信;如果功率方向元件檢測到功率方向為反方向，則既不停信，也不發出跳閘信號。

T1時間元件的作用是在KA1元件返回后，可以繼續延長時限為t1的發信時間，目的是為了防止外部故障切除后，兩側保護正反方向元件返回時間不一致，使得符合斷路器跳閘條件的遠故障側的保護誤跳。

T2時間元件的作用是當滿足斷路器跳閘條件時，延遲t2時間發出跳閘信號和停信，目的是為了防止在發生外部故障時，線路兩側的方向元件靈敏度不一致或者是信號傳輸時延，近故障側的保護還未發出閉鎖信號或閉鎖信號尚在傳輸時，符合跳閘條件的遠故障側保護已經發出跳閘信號，使得斷路器誤跳。

（2）遠方啟動原理解釋：與電流啟動相比，遠方啟動只使用了一個啟動元件KA，但啟動發信和停信以及發出跳閘信號的過程與電流啟動是類似的，只不過是增加了一種啟動發信的方式，即收到閉鎖信號后，經T3元件也可啟動發信。故稱為遠方啟動。

（3）方向元件啟動原理解釋：發生故障時，保護方向元件啟動，當檢測到功率方向為反方向時，啟動發信，當檢測到功率方向為正方向時，經t2時間延遲，若沒收到閉鎖信號，則發出跳閘信號，否則不發出跳閘信號。

斷路器失靈保護

所謂斷路器失靈保護，指的是在保護的保護范圍內發生故障時，保護本應該及時動作發出跳閘信號，使短路器跳閘，可是由于某些原因，使得斷路器拒動，此時，能夠在較短的時間內動作并將與故障線路相關聯的各個斷路器跳開，將故障部分隔離的保護。斷路器失靈保護一般由啟動單元、時間單元和出口閉鎖單元等組成。如果出現線路保護動作后，仍然持續檢測到電流的存在，則證明斷路器失靈，故障尚未切除，斷路器失靈保護就會動作。同時，為防止出口回路誤碰或者是出口繼電器故障等原因引起斷路器誤跳，一般要在出口回路采用復合電壓元件閉鎖。

2208線路三相短路及保護開關拒動實驗步驟及結果記錄

實驗步驟

啟動軟件，進入變電站運行操作及管理界面，復位運行工況，并將運行工況設置為31號;點擊“運行”按鈕，使變電站運行，觀察此工況下變電站正常運行的一次運行圖;復位運行工況，并將運行工況設置為31號;進入一次運行圖，點擊繼電保護屏，進入220kV母聯、分段CZX-12A屏，將各保護跳閘壓板均合上，使各個跳閘保護都投入使用，具體如表2所示;回到變電站運行操作及管理界面，點擊“運行”按鈕，使變電站運行，觀察此時變電站正常運行的一次運行圖;回到變電站運行操作及管理界面，點擊快存工況，將此工況存為40號工況，并將變電站運行工況復位為40號;插入2208線開關拒動（即近母線處斷路器拒動）故障，故障開始時間為0，無觸發條件;再插入2208線三相永久短路故障，開始時間為2s，無觸發條件;點擊“運行”按鈕，觀察變電站一次運行圖，然后查看光字牌動作和報警記錄表、繼電保護屏，記錄各個保護動作情況，如表3。

表2 各保護跳閘壓板

220kV側一號母聯 第一組跳閘壓板、第二組跳閘壓板、瞬時出口壓板、第一組非自動壓板、第二組非自動壓板

220kV側一號分段 第一組跳閘壓板、第二組跳閘壓板、第一組非自動壓板、第二組非自動壓板、瞬時出口壓板

220kV側二號母聯 瞬時出口壓板、第一組非自動壓板、第二組非自動壓板、第一組跳閘壓板、第二組跳閘壓板

220kV側二號分段 第一組跳閘壓板、第二組跳閘壓板、瞬時出口壓板、第一組非自動壓板、第二組非自動壓板

表3 保護動作情況

2202線路 LFP-901A發信、WXB-11C發信

2203線路 LFP-901A發信、WXB-11C發信

2204線路 JGX-11D發信、JGB-11D發信

2205線路 CSL-101A發信、LFP-902A發信

2206線路 FOX-40動作信號

2207線路 LFP-901A發信、WXB-11C發信、第一組出口跳閘、第二組出口跳閘

2208線路 JGX-11D發信、JGX-11D動作、出口跳閘、JGB-11D發信

35kV母線 35kV一＼六母線失壓、母線低電壓動作、自切動作、35kV二＼三母線失壓、35kV四＼五母線失壓、母線低電壓動作自切動作、3號電容器低壓保護動作

220kV母線 付一母、付二母、正一母、正二母復合電壓動作、付二母差動作、付二母失靈動作、220kV2號母聯第一組出口跳閘、220kV2號分段第一組、第二組出口跳閘

繼電保護動作的分析

由以上實驗可知，跳閘的有2208線遠母線側斷路器，2207線近故障側斷路器，2號母聯、付母分段斷路器，220kV側T3主變斷路器，三號電容電抗器斷路器。而且，35kV一＼六母線和四＼五母線保護自切動作。而且可以在表4上找到各自對應的保護動作情況。由此分析，2208線發生三相短路故障后，本應由2208線兩端斷路器跳閘切除故障，可是由于近母線的斷路器拒動，所以與2208線路直接相連的附二母線失靈保護啟動，跳開與附二母線相關聯的各個斷路器：2207線近母線處斷路器、母聯和分段斷路器、220kV側T3變壓器斷路器，由此可以將故障部分隔離，但也因此使得35kV側母線五和六失壓，故35kV一/六母線失壓保護和四/五母線失壓保護啟動，跳開五/六分段斷路器和3號電容斷路器，并合上一/六和四/五分段斷路器，使35kV五、六母線恢復供電。

總之，如果發生斷路器拒動，則必須有可靠的后備保護可以及時切除故障部分，母線上的斷路器失靈保護足以滿足這個要求。但是，我們在考慮及時切除故障的同時，也要考慮到各個保護之間的時間和保護范圍的配合情況，既要滿足及時切除故障部分的要求，也要防止出現斷路器誤跳導致大面積停電的情況。（作者李惜玉系廣東工業大學自動化學院高級實驗師;鄭植榕系廣東工業大學自動化學院本科生。基金項目：本文系2013年廣東省廣東工業大學省級大學生創新基金資助項目（項目編號：1184513164），2014年廣東省廣東工業大學大學生創新基金資助項目，廣東省高等教育教學改革項目（粵財教[2012]361號），2012廣東工業大學校級重點項目（項目編號：2012Z010），廣東省電氣工程及其自動化特色專業基金資助項目（項目編號：402102299）的研究成果）