變電站電流互感器配置產生保護死區問題分析

張惠山，王昭雷，劉春平

(國網河北省電力公司檢修分公司，石家莊 050070)

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變電站電流互感器配置產生保護死區問題分析

張惠山，王昭雷，劉春平

(國網河北省電力公司檢修分公司，石家莊 050070)

針對常規站及智能變電站有關保護用TA配置而出現保護死區的情況，分析相關出現保護死區的保護TA配置方案，對不同的設計思路進行了評價、比較，并給出了相應改進的解決方案。同時，基于預防保護死區問題，對相關TA配置方法從規劃、設計到保護裝置性能改進方面均給出了指導性建議。

電流互感器；3/2接線；保護死區；速動保護

當前500 kV變電站的3/2接線形式當中，有時采用了單側斷路器獨立配置專用外敷TA的接線方式。文獻[1-5]從不同角度論述了針對特定的廠、站主接線及TA安裝位置，保護配置不同對速動保護存在保護死區問題。同時，在某些智能變電站設計當中，將線路保護與母線保護的TA二次繞組進行了合并[6,7]，以下分析合并的可行性，是否也存在保護死區，此外，對于雙母線接線及3/2接線形式單側配置獨立外敷TA的情況。

1 各類保護用電流互感器的配置原則

首先該文所提到的保護死區是針對各元件的速動主保護(通常即指差動保護)而產生的死區問題，如果計入后備保護，則不存在死區問題。

通常情況下，在500 kV變電站、220 kV變電站中，對于線路保護與母線保護的TA配置原則是采用交叉配置的原則。同時規程規定：高電壓等級中，速動型保護采用TPY型的TA，斷路器失靈保護采用P級TA[8]。交叉配置原則的一個主導思想就是保證當出現斷路器與電流互感器之間的故障時，以犧牲選擇性來滿足一次系統不會出現保護死區。但其缺點就是使用TA數量多，投資成本高，且二次回路接線復雜，可靠性低

在智能變電站中，電流互感器首先通過合并單元轉化為數字量后，通過過程層SV網絡傳送給各類保護、安自裝置，已經不存在電流互感器二次回路的問題。當前具體設計原則還沒有是否需要按照常規變電站的電流互感器交叉配置的原則配置有統一的標準，主要根據用戶要求及其他因素綜合考慮。有些沿用傳統的方法繼續采用交叉設計的原則設計，有些減少了電流互感器的使用數量，線路保護、母線保護共用同一組電流互感器。

如圖1所示，其邊斷路器線路保護、母線保護以及中斷路器的兩條線路保護采用交叉保護配置，雙方保護在斷路器與TA之間部分存在保護范圍的重疊，這是保護交叉配置的特點。對于智能變電站，由于模擬量信息是通過數字網絡傳送至保護裝置，因此母線保護與線路保護都是接收SV過程層網絡的數字信息，不再區分具體采用哪個TA回路，將母線保護的TA回路與線路保護的TA回路合并是否可行，其核心問題就是明確是否存在保護死區。

圖1是母線與支路1的母線保護和線路保護TA合并后的簡圖。當前在智能變電站中將母線保護與線路保護合并的典型設計思路有兩種[8]。一種是將交叉配置的線路保護的電流互感器二次繞組保留，而母線保護使用線路保護的電流互感器二次繞組，即保留如圖2所示的1TA和2TA。

圖1 智能變電站故障分析示意

如圖1所示的K1點發生接地短路故障，此時，母線保護處于故障范圍內動作將5011斷路器及母線上各斷路器跳開，故障被切除，而線路保護處于故障范圍之外，不動作，不存在保護死區。對于K3、K4點發生接地短路故障，系母線保護范圍外，保護不動作，線路保護范圍內，線路保護動作將故障切除，仍不存在保護死區。但對于K2點故障，處于母線保護范圍之外而線路保護范圍之內，但線路保護動作將5011斷路器跳開后，故障并未切除，因此存在保護死區。第二種是母線保護的電流互感器二次繞組保留，線路保護使用母線保護的電流互感器二次繞組，即保留如圖2所示的3TA和4TA。分析如下：如圖2所示的K1或K2點發生接地短路故障，此時，母線保護處于故障范圍內動作將5011斷路器及母線上各斷路器跳開，故障被切除，而線路保護處于故障范圍之外，不動作，不存在保護死區。對于K4點故障，處于母線保護范圍之外，線路保護范圍之內，線路保護動作切除故障，不存在保護死區。但對于K3點發生故障，母線保護范圍內故障，母線保護動作將5011斷路器及母線上其他斷路器跳開，但故障并未切除，此時，由于處于線路保護范圍外，線路保護不會動作，故存在保護死區。

前面分析的智能變電站母線保護與線路保護TA合并使用的設計思想接近于斷路器單側配置獨立外敷TA的配置方式。現分析500 kV變電站3/2接線形式，其電流互感器在斷路器單側配置，但線路保護、母線保護所用TA二次繞組依然采用交叉配置的配置方式，如圖3所示。

圖2 3/2接線單側外敷TA故障分析示意

圖2為3/2接線斷路器單側配置外敷獨立TA的典型設計方案。如圖3所示，對于邊斷路器的電流互感器各TA二次繞組母線保護與支路1線路保護采用交叉配置原則，TA二次繞組1TA、2TA之間是其共同的保護范圍；同理對于中斷路器的電流互感器，其二次繞組對于支路1與支路2也采用交叉配置原則，TA二次繞組3TA與2TA之間是其共同的保護范圍。共同保護范圍之內故障，交叉配置的各保護均動作，不存在保護死區問題。然而對于圖中K3點故障，故障屬于母線保護范圍之內，母線保護動作將該母線所有斷路器跳開，但由于故障點在線路保護范圍之外，線路保護不動作，故障并未切除，因此該類電流互感器配置方式依然存在保護死區的問題。同理再分析3/2主接線形式中斷路器TA配置的問題。圖中K4點發生短路接地情況。K4的故障點位于支路1線路保護范圍內而支路2線路保護范圍2，因此故障后支路1線路保護動作將5011、5012斷路器跳開，但此時故障仍未消除，而故障點位于支路2保護范圍外，支路2線路保護不動作，因此存在保護死區。

進一步將該類問題引深至雙母線接線形式的系統中，當在斷路器一側配置獨立外敷TA的情況時，線路保護與母線保護TA依然采用交叉配置原則，當斷路器與TA之間(類似前圖K3點)發生故障時，還會存在保護死區。

現在的線路保護都配置了光纖遠跳功能。出現上述死區故障時可以通過啟動線路的光纖遠跳回路將對側開關跳開，同時對于3/2接線形式的變電站，可通過斷路器失靈保護將相鄰斷路器跳開而切除故障，死區故障在一定程度上可以得到解決。然而，對于3/2接線形式的變電站，啟動光纖遠跳功能的設計思路是通過斷路器失靈保護來啟動的，如圖3所示的K3點故障恰好位于斷路器失靈保護所用電流TA二次繞組與線路和母差保護所用TA二次繞組之間，且斷路器失靈保護所用TA又恰巧位于斷路器側，則故障時，斷路器失靈保護因感受不到對側所輸送的故障電流(此時，本側斷路器已被母差保護跳開，本側不再提供故障電流)，因此斷路器失靈保護因失靈啟動電流消失而將啟動光纖遠跳功能閉鎖。故在該類極端稀有的故障情況下仍存在保護死區。當然，對于220 kV母線單獨配置外敷TA回路因為母差保護動作后直接啟動光纖遠跳，因此不存在上述死區問題。

2 保護死區的TA保護配置方案分析

保護出現死區，主要是指針對系統各元件主保護的快速動作存在死區。速動保護存在保護死區，有悖于現代高電壓、大電網的安全穩定運行要求。對于3/2接線的智能變電站線路保護與母差保護TA合并的情況，或常規站單側單配外敷TA的情況，需要各類保護用TA二次繞組之間的安放位置及保護配置都具備良好的配合，才能確保完全無保護死區。同理，如果通過系統的穩定計算，死區故障出現后，需要后備保護切除故障之情況下對系統的安全穩定運行影響無礙，那么就不存在電網運行問題。對于智能變電站中，母線保護和線路保護所用TA二次繞組可以合并，這樣的優點是節約成本，并且設備減少后，維護費用低，可靠性提高。同樣，在常規站中斷路器單側配置外敷TA的方案在滿足系統穩定運行的條件下也是可行的。

從系統穩定運行的角度出發，越快切除故障，對系統穩定運行無疑是越有利的。針對保護死區問題，文獻[1-2]也提出了通過斷路器失靈保護啟動遠跳等功能或者增加死區保護來快速切除故障，這是一個可行的方案。斷路器失靈保護的動作時限最短在150 ms以上，且前面分析了依然不能完全剔除保護死區的存在，而死區保護一般動作時間為50 ms左右，是比斷路器失靈保護更優的方案。因此，從系統規劃、設計及運行等多方面出發，在超高壓、特高壓變電站采用3/2接線形式，斷路器單側獨立配置外敷TA的情況下，應考慮強化斷路器配置的死區保護功能。此外，對于3/2形式接線的變電站，需要充分考慮差動所用的TPY型TA二次繞組及斷路器失靈保護所用的5P級TA二次繞組的保護排列位置，最大限度的保證死區故障時斷路器失靈保護啟動遠跳的性能。這一點，對于500 kV及以上電壓等級的樞紐變尤為重要，是當前變電站二次系統規劃設計中應該考慮的方面，同時也是保護裝置性能提高改進的一個方向。

3 改進措施

針對前面提到的智能變電站母線保護與線路保護典型配置方案的問題，提出了一種新的設計思路：如圖1所示， 線路保護與母線保護各保留一個電流互感器二次繞組。即1TA、2TA 保留一個，3TA與4TA選擇一個。該類配置方式對于圖中所指的幾點的典型故障，沒有保護死區。然而其缺點卻是違背了保護雙重化的設計思想。因為對于圖中K2、K3點的故障，均是雙重化中的一套保護動作而另一套保護不會動作，因此對于某些特定的保護范圍，事實上保護是按單重化配置的。對于避免保護死區的最可行方案就是提高死區保護的性能。當前死區保護功能均集成于斷路器保護當中，因此死區保護的動作電流是斷路器保護的失靈電流，是受斷路器保護的TA配置限制的。而針對保護死區問題，更可行的方案是將死區保護集成于線路保護當中。同時，增加母差保護或者另一支路的線路保護啟動本支路死區保護的啟動回路。利用線路保護故障判別元件的啟動功能，同時配以其它保護動作不返回的判據條件及斷路器位置條件判據，即可構成集成于線路保護當中的死區保護，其動作邏輯示意圖見圖3。

圖3 線路保護中的死區保護動作邏輯示意

圖3當中，線路保護整組啟動元件啟動后，未整組復歸前，收到母差保護(或另一支路線路保護)動作的開入信號后，經斷路器TWJ動作判別后，經過整定延時t，即可出口。延時t可按死區保護定值整定。這種改進方案將增加二次回路連接，使二次回路復雜，尤其線路保護將單獨接入每個斷路器位置開入信息。常規站3/2接線方式中，線路保護的分相位置開入信息是2個斷路器串聯接入的，因此該方案將增加斷路器位置的開入量。智能變電站中，各斷路器位置虛端子信息單獨接入，不存在此問題。這種集成于線路保護的“死區保護”僅依賴于線路保護的TPY型TA二次繞組，其靈敏度及暫態特性優于斷路器保護裝置中依賴于P級TA二次繞組的死區保護。該方案可以良好解決保護死區問題，且簡化了因避免保護死區而產生的斷路器各保護TA二次繞組配置方面的復雜程度，使TA配置方案簡化。

4 結束語

以上針對當前在常規站、智能變電站中保護TA二次繞組配置的若干方案，系統全面地分析了各種保護TA二次繞組不同配置方案、不同系統主接線方式情況下存在的主保護動作死區問題，并簡單分析了不同配置方式的優缺點。指出了當前國內各保護裝置在面對死區故障方面所存在的不足。提出了智能變電站母線保護與線路保護電流互感器二次繞組合并的第三種設計思路及集成于線路保護當中的“死區保護”的保護原理，并分析了該類新型的“死區保護”解決保護死區問題的作用。同時，從快速切除死區故障，保障系統穩定運行的角度出發，針對當前變電站TA保護配置方案、系統主接線結構等，對變電站的規劃設計方面提出了一定的建議，并結合系統的規劃設計要求，給當前各保護裝置提供了一個性能改進的方向。

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[7] 鄭玉平.智能變電站二次設備與技術[M].北京：中國電力出版社，2011.

[8] 劉振亞.國家電網公司輸變電工程通用設計110(66)～750 kV智能變電站部分[M].北京：中國電力出版社，2011.

本文責任編輯：丁 力

Problem Description of Protection Dead Zone Caused by TA Allocation in Substation

Zhang Huishan,Wang Zhaolei,Liu Chunping

(Hebei Electric Power Maintenance Company, Shijiazhuang 050070,China)

Pointed to the problem of protection dead zone caused by TA allocation in normal and smart substation,based on related references, this paper analyzes the different protection allocation ways which may produce the problem of protection dead zone.Evaluating and comparing with the various design thinking,based on preventing this problem occurring,a related improving method is presented.AT same time,in order to provent protection's dead zone,some good advices based on planning and design to improving the properties of protection equipment is given to the TA allocation method .

current transformer;3/2 conneTAion;protection dead zone;quick action protection

2016-10-19

張惠山(1976-)，男，高級工程師，主要從事繼電保護設備調試工作。

TM76

B

1001-9898(2017)03-0034-03