特高壓交流系統斷路器繼電保護配置與整定

李莎，倪臘琴，邱玉婷，李濟沅，周浩

(1.浙江大學電氣工程學院，杭州市310027；2.華東電網有限公司，上海市200120)

特高壓交流系統斷路器繼電保護配置與整定

李莎1，倪臘琴2，邱玉婷1，李濟沅1，周浩1

(1.浙江大學電氣工程學院，杭州市310027；2.華東電網有限公司，上海市200120)

特高壓交流輸電技術可以實現能源大范圍優化配置，為社會經濟協調可持續發展提供強有力的支撐。斷路器作為其安全運行的重要保障，一直以來都是研究熱點。特高壓輸電系統所具有的分裂導線參數特性、過電壓、電磁環境等復雜電氣特征嚴重影響斷路器可靠動作，對其動作特性以及靈敏性提出了更高的要求。在分析國內已投運的特高壓交流工程的基礎上，對以上因素給斷路器保護帶來的新特點進行分析，提出了基于PCS-921G裝置的斷路器保護配置，并針對失靈保護，三相不一致保護，過流保護以及自動重合閘給出了相應的整定方案，并對其加以驗證，為后續特高壓交流工程斷路器繼電保護提供寶貴的設計依據。

特高壓；斷路器；繼電保護；配置與整定

0 引 言

以電為中心、全球配置的能源發展格局需要不斷提高電網的輸送能力、配置能力和經濟性，這也決定了電網技術在未來能源發展中的關鍵性作用。而特高壓電網具有輸送容量大、距離遠、損耗低、占地省等顯著優勢，未來的全球能源互聯網將以其為骨架，實現全球清潔能源的大范圍、大規模配置[1-3]。同時，特高壓的發展也給電網的安全和穩定運行帶來巨大的挑戰。

特高壓斷路器作為特高壓最重要和制造難度最大的設備之一，一直以來得到了廣泛的關注及深入的研究。受特高壓交流系統分裂導線參數特性、過電壓以及電磁環境等復雜環境影響，斷路器保護需要有更高的獨立性以及靈敏度，這對特高壓交流工程的安全運行極其重要。現有的特高壓斷路器相關文獻主要集中在斷路器的性能研究和測驗，而對特高壓交流系統中斷路器的保護仍缺乏系統性的介紹與更為深入的研究，本文對已建成的1 000 kV晉東南—南陽—荊門、淮南—浙北—上海等特高壓交流輸電工程的成功經驗加以總結，針對斷路器保護的特點以及應用展開分析，提出基于PCS-921G裝置的斷路器保護配置以及整定方案，為后續特高壓交流工程的斷路器繼電保護與控制技術提供有力的支持。

1 特高壓斷路器保護特點

1.1 斷路器結構特點

作為高壓開關設備中最復雜也是最重要的一種器件，斷路器可以關合、承載、開斷運行回路的正常電流以及規定的過載電流(如短路電流)，因此被廣泛用于發電廠、變電站以及開關站，承擔控制和保護的雙重任務。特高壓斷路器具有一般高壓斷路器的功能，同時需要盡可能降低開合時操作過電壓，從而降低輸電線路及變電站設備的絕緣水平和造價成本。通過裝設分閘和合閘電阻可以達到上述目的，分閘時，先斷開斷路器主觸頭，回路中接入分閘電阻，30 ms后，串聯在電阻側的輔助觸頭斷開，合閘時動作順序相反。

分合閘電阻及輔助觸頭的工作參數需要依據系統以及線路的情況進行分析計算，通常合閘電阻選取阻值較小，分閘電阻的阻值較大[4-6]。考慮到需要簡化結構，以及限制過電壓水平，經常只采用合閘電阻，并且通過避雷器限制分閘的操作過電壓。

1.2 斷路器保護特點

1.2.1 系統過電壓特征對斷路器保護的影響

區別于一般超高壓系統，特高壓繼電保護的首要任務是杜絕系統中造成設備和絕緣子損壞的過電壓產生。相關資料表明，1 000 kV系統輸電線路允許的過電壓倍數為1.6～1.8，與500 kV系統的2倍相比，明顯較低，即短時間內，特高壓輸電線路絕緣子允許的過電壓裕度較小[7-8]。為了保證過電壓不超過限定值，線路所允許的兩端斷路器切除時間差極短，遠小于兩端相繼動作以解除故障的時間。因而，特高壓斷路器必須在最短時間內，兩端同時動作以解除線路故障。

1.2.2 電容電流對斷路器保護的影響

特高壓線路采用分裂導線，其輸送容量大，輸電距離長，弧垂較大[9]。長線路的特征使其分布電容產生較大電流，從而使線路兩側電流幅值以及相角發生較大變化，同時也使一些差動原理的保護受到極大干擾[10]。當負荷電流較小時，差動保護的靈敏度及可靠性會受到較大影響，尤其在通過大過渡電阻接地時，保護拒動的現象更常見，對斷路器小電流開斷性提出更苛刻的要求。

1.2.3 潛供電流對斷路器保護的影響

特高壓系統大電流接地時，單相接地故障占總故障數量的80%以上[11]。此時，線路接地相兩側的斷路器開斷，其他健全相及相鄰電路會保持原來的相電壓與負荷電流，并通過靜電耦合和電磁耦合，使故障點仍流過一定電流，即潛供電流。潛供電流的大小取決于系統結構與運行環境等，線路越長、電壓等級越高、負荷電流越大，其值也越大。

當發生故障單相跳閘后，潛供電流較大，電弧現象較高壓和超高壓系統將更強烈，特別是在斷路器開斷短路電流時，電弧燃燒更穩定，其熄滅-重燃-熄滅的過程將更明顯，潛供電弧難以自滅，息弧時間可達0.7 s，甚至更長。而潛供電弧的存在直接影響斷路器的分斷能力，應采取措施降低二次電弧電流，繼電保護在切除故障的同時應能與相應的降低二次電弧電流的措施相結合。例如，采用基于電弧特性的自適應重合閘，關鍵在于準確識別故障類型并判斷二次電弧狀態。當特高壓線路發生單相故障后，兩側故障相斷路器也跳開，然后持續循環判別故障點電弧熄滅與否，以判斷重合閘是否開放。若判斷結果為電弧熄滅，則立即重合閘；若電弧還未熄滅，則持續判別至到達系統允許運行最長非全相時限，若電弧仍未熄滅，則將非故障相斷路器斷開[12]。

2 斷路器保護配置

特高壓系統電壓等級高，電氣特性復雜，其保護配置的難度也較大。1 000 kV斷路器保護應配置獨立的斷路器保護裝置。斷路器保護包含重合閘、失靈保護、充電過流保護和三相不一致保護等功能。通過對特高壓斷路器保護特點的分析，可知，特高壓工程，斷路器失靈保護與超高壓工程的區別不大，線路重合閘功能同樣配置在斷路器保護中。特高壓交流輸電工程的重合閘應采用單相一次重合閘。充電過流保護包括通過硬壓板投退的兩段式相過流保護，具有瞬時和延時跳閘功能。

斷路器三相不一致保護采用斷路器本體三相不一致保護，斷路器保護裝置內三相不一致保護停用。保護裝置的三相不一致保護，通過零負序電流閉鎖，而若在系統剛開始運行，線路電流很小時出現三相不一致運行狀態，零負序電流仍較小，不足以啟動保護裝置內三相不一致保護，因而必須裝設本體三相不一致保護以快速切除故障。特高壓系統采用基于UAPC平臺開發的PCS-921G裝置作為斷路器保護，其配置如表1所示。

3 斷路器保護原理

斷路器作為繼電保護中非常重要的元件之一，與其他元件相配合，構成交流系統重要的繼電保護。從國內外特高壓研究現狀來看，常見電氣主接線方式有雙母線雙分段接線、雙斷路器接線及3/2斷路器接線，表2為以上方式的綜合比較。

表1 斷路器保護配置Table 1 Breaker protection configuration

表2 3種1 OOO kV接線方案的綜合比較Table 2 Comprehensive comparison of three 1 OOO kV connection schemes

從可靠性角度分析，雙斷路器接線的母線任一元件發生故障都不會造成線路斷電，可靠性最好；3/2斷路器接線中，串中斷路器具有高故障率以及高檢修成本，使該方式的可靠性大為降低[13]。但從經濟性角度分析，雙斷路器接線使用的斷路器數量最多，成本較高；相對而言，3/2斷路器接線中，使用設備數量較少，成本較低，在特高壓交流系統中較為適用[14]。3/2接線方式斷路器保護以斷路器單元進行配置，每臺斷路器都配置一面斷路器保護屏。

(1)失靈保護。特高壓交流系統斷路器配有失靈保護，以防止其未能正常動作。邊斷路器失靈時，其母線上的斷路器以及中斷路器均跳開，同時通過遠跳功能將和邊斷路器連接的線路對側斷路器跳開[15]；中斷路器失靈時，啟動遠跳功能跳開與其連接的2個邊斷路器，同時跳開2元件對側斷路器。

(2)自動重合閘保護。特高壓交流系統中，對于3/2接線方式，采用斷路器保護中配置重合閘模式。重合閘中，先合斷路器合閘之后，若故障已消除，延時一段時間后將另一臺斷路器合上。若是永久性故障，先合斷路器合閘失敗，線路保護動作，與此同時向2臺斷路器發出三相跳閘指令，后合斷路器不重合。

(3)過流保護。過流保護在電流大于設定數值時可以自動斷開，以保護設備不受損壞，是線路或主變應急的一種保護。

(4)三相不一致保護。由于設備質量及操作等原因，分相動作的斷路器，工作中可能會有三相斷路器其中一相或兩相偷跳或偷合，也可能保護發出三相跳閘指令，但因為三相斷路器的動作不一致最終導致只有一相或兩相跳開，處于非全相異常狀態[16]。斷路器單相跳開后，若重合閘動作，而斷路器由于壓力、機械、二次回路等原因未能重合成功，必須在2.5 s內跳開三相，并且不再重合，以防止系統長時間在兩相狀態下運行，造成變壓器后備保護跳閘。

4 斷路器保護整定

4.1 斷路器失靈保護

特高壓斷路器失靈保護，一般情況下，線路僅考慮兩側1臺斷路器單相拒動，主變僅考慮主變高、中、低壓側1臺斷路器單相拒動(主變低壓側三相聯動機構斷路器需考慮三相拒動)。

(1)線路斷路器失靈保護電流判據。線路斷路器失靈保護的電流判據主要包括負序或零序電流以及相電流。失靈保護延時跳開相鄰斷路器的時間整定按躲過斷路器可靠跳閘時間以及保護返回時間之和，再考慮一定裕度整定，取0.2 s。具體為:1)相電流按系統小方式下本線路末端短路，由靈敏度整定，并盡量躲過負荷電流，靈敏系數大于1.3。2)零序電流定值按躲過最大零序不平衡電流，且保護范圍末端發生故障有足夠靈敏度整定。3)失靈保護的負序電流定值按躲過最大不平衡負序電流，且保護范圍末端故障時有足夠靈敏度整定。

(2)主變斷路器失靈保護電流判據。主變斷路器失靈保護電流判據主要包括負序或零序電流。負序起動電流定值一般應保證本變壓器的低壓側故障時有足夠靈敏度，靈敏系數大于1.3。失靈保護延時跳相鄰斷路器的時間整定按躲過斷路器可靠跳閘時間以及保護返回時間之和，再考慮一定裕度整定，取0.2 s。

4.2 斷路器過流保護

對于線路斷路器過流保護，通常僅投Ⅰ段，其電流定值應保證保護范圍末端故障有足夠靈敏度，并可靠躲過線路充電電流，時間為0。對于主變斷路器的過流保護，通常投Ⅰ段和Ⅱ段。過流Ⅰ段定值按斷路器安裝側主變套管及引線發生故障時有足夠靈敏度整定，靈敏系數不低于2，時間取0.01～0.2 s；過流Ⅱ段應確保在本變壓器低壓側故障有足夠靈敏度整定，靈敏系數大于1.5，時間取0.3～1.5 s。

4.3 斷路器重合閘保護

線路重合閘時間的整定應滿足相應電網安全穩定要求，并充分考慮斷路器本身和潛供電流的影響，由系統專業提供；相鄰2個斷路器重合閘采取時間上的配合以滿足重合閘的先后合閘順序。在基于PCS-921G的配置中，一般邊斷路器1.0 s重合；中斷路器1.3 s合閘。

4.4 斷路器三相不一致保護

特高壓斷路器三相不一致保護應采用本體三相不一致，3/2接線方式中與線路相關的斷路器，動作時間原則上按可靠躲過單相重合閘時間整定，一般情況下統一取斷路器三相不一致時間為2.5 s。發變組等不需要和重合閘時間配合的斷路器三相不一致保護時間可整定為0.5 s。

5 斷路器保護檢驗

基于PCS-921G裝置的斷路器保護中，過流元件整定范圍為0.1～20IN，定值誤差要求<5%，為進一步驗證配置的可靠性與準確性，在環境溫度25.1℃，相對濕度為50%的條件下，進行斷路器保護電流整定值檢驗，得到的數據如表3所示(IN＝1 A)。

表3 斷路器保護電流整定值檢驗Table 3 Current setting value test of breaker protection

由斷路器保護電流整定值檢驗可以得出，在整定范圍內，失靈保護及過流保護均可在電流允許的誤差范圍內正常動作，因而該配置在整定要求下均可正常運行。斷路器保護的動作時間范圍為0.01～10 s，在環境溫度25.1℃，相對濕度為50%的條件下，根據整定要求，斷路器保護動作時間如表4所示。

表4 斷路器保護動作時間Table 4 Actuation time of circuit breaker protection

文中所提出的配置方案在整定要求下，其動作時間誤差較小，均在其允許范圍內，證明該配置方案中失靈保護、過流保護、重合閘保護以及三相不一致保護均可在規定時間范圍內動作，斷路器工作正常，從而保證系統處于安全穩定的運行狀態。

6 結 論

(1)特高壓交流系統電壓高、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，影響斷路器保護中所用部分特征量的靈敏度以及限定值，對特高壓斷路器提出更高的要求，在高壓、超高壓斷路器功能基礎上有更進一步的提升。

(2)特高壓工程對于系統安全穩定運行的可靠性有更高的要求，特高壓斷路器保護需配置獨立的斷路器保護裝置，以3/2斷路器接線為例，失靈保護，三相不一致保護，過流保護以及重合閘等與系統匹配的斷路器保護的動作原理以及保護特點也有所不同。文中給出的各保護整定判據結合了已投運特高壓工程的成功經驗，并對電流整定值以及動作時間進行檢驗，為其他特高壓交流工程斷路器保護技術提供一定參考依據。

本文針對特高壓斷路器保護，提出了具體的配置以及整定方案，雖然現有特高壓工程運行情況良好，但其斷路器保護仍存在許多改進的空間，在以后的發展中需要更為深入的研究與探討。

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(編輯：張小飛)

Relay Protection Configuration and Setting of Circuit Breaker in UHV AC System

LI Sha1，NI Laqin2，QIU Yuting1，LI Jiyuan1，ZHOU Hao1
(1.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2.East China Grid Limited Company，Shanghai 200120，China)

UHVAC transmission can achieve the optimal allocation of energy and resources in a wide range，which can provide strong support for the coordinated and sustainable development of social economy.As an important guarantee for its safe operation，circuit breaker has been widely and deeply studied all the time.The complex electrical characteristics of UHV transmission system such as bundled conductor parameters，over voltage and electromagnetic environment greatly have great impact on the reliable action of circuit breaker，and put forward higher requirements on its motion characteristics and sensitivity.Based on the analysis of domestic UHV projects put into operation，the new characteristics of circuit breaker protection caused by the above factors were studied.The configuration based on PCS-921G device of the circuit breaker protection and the corresponding settings concerning failure protection，three-phase inconsistent protection，over-current protection，and automatic reclosing lock were presented and verified，which could provide valuable design basis for the subsequent circuit breaker relay protection in UHVAC projects.

UHV；circuit breaker；relay protection；configuration and setting

TM 561

A

1000-7229(2015)11-0103-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.11.016

2015-06-28

2015-09-01

李莎(1992)，女，碩士研究生，主要研究方向為特高壓電網繼電保護；

倪臘琴(1973)，女，高級工程師，從事電力系統繼電保護工作；

邱玉婷(1992)，女，碩士研究生，主要研究方向為特高壓電網繼電保護；

李濟沅(1992)，男，碩士研究生，主要研究方特高壓電網繼電保護；

周浩(1963)，男，教授，博士生導師，主要從事特高壓交直流輸電技術研究工作。

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2011CB 209405)。

Project Supported by National Basic Research Program of China(973 Program)(2011CB 209405).