斷路器單電流互感器與雙電流互感器配置對(duì)保護(hù)裝置及變電運(yùn)行的影響

陳浩超

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000）

0 引 言

變電站在日常運(yùn)行中難免會(huì)遇到各種各樣的故障、障礙，嚴(yán)重時(shí)甚至危及設(shè)備和人身安全[1]。繼電保護(hù)裝置能在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)、迅速、有選擇地將故障從電力系統(tǒng)切除，保證其余部分恢復(fù)正常運(yùn)行，使故障元件免于繼續(xù)受損害[2]。繼電保護(hù)裝置需要與電流互感器、電壓互感器等設(shè)備配合才能正常工作。

1 電流互感器

電流互感器也被稱為CT，是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理將一次側(cè)大電流轉(zhuǎn)換成二次側(cè)小電流來供自動(dòng)裝置、計(jì)量測(cè)量裝置使用的儀器。電流互感器是由閉合的鐵心和繞組組成。它的一次側(cè)繞組匝數(shù)很少，串在需要測(cè)量電流的線路或設(shè)備中，是計(jì)量裝置、測(cè)量裝置、繼電保護(hù)裝置的重要測(cè)量比較元件。

220 kV常規(guī)變電站線路開關(guān)只有線路側(cè)才有CT，母聯(lián)開關(guān)也只有一側(cè)有CT（一般為2M或6 M側(cè)），而GIS站線路及母聯(lián)、分段開關(guān)兩側(cè)都有CT。主要是受到GIS上CT體積的限制，因?yàn)楦鶕?jù)標(biāo)準(zhǔn)220 kV線路CT最少6個(gè)二次繞組，而GIS每個(gè)CT只能做3～4個(gè)二次繞組。典型變電站斷路器CT配置，如圖1、圖2所示。

2 繼電保護(hù)裝置

圖1 典型220 kV常規(guī)變電站CT配置

圖2 典型220 kV GIS變電站CT配置

當(dāng)電力系統(tǒng)中的電力元件（如發(fā)電機(jī)、線路等）或電力系統(tǒng)本身發(fā)生了故障危及電力系統(tǒng)安全運(yùn)行時(shí)，繼電保護(hù)裝置是能夠向運(yùn)行值班人員及時(shí)發(fā)出警告信號(hào)，或者直接向所控制的斷路器發(fā)出跳閘命令，終止事件發(fā)展的一種自動(dòng)化措施和設(shè)備[3]。其中，較為常見及重要的是線路的縱聯(lián)保護(hù)裝置和母差保護(hù)裝置。

2.1 縱聯(lián)保護(hù)

線路縱聯(lián)保護(hù)是輸電線路的主保護(hù)。當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，它是使兩側(cè)開關(guān)同時(shí)快速跳閘的一種保護(hù)裝置。它以線路兩側(cè)判別量的特定關(guān)系作為判據(jù)，即兩側(cè)均將判別量借助通道傳送到對(duì)側(cè)，然后兩側(cè)分別按照對(duì)側(cè)與本側(cè)判別量之間的關(guān)系來判別區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障[3]。目前，220 kV線路縱聯(lián)保護(hù)多采用光纖差動(dòng)保護(hù)，保護(hù)范圍為線路的全長。

2.2 母差保護(hù)

母線是變電站的重要系統(tǒng)設(shè)備。它將配電裝置中的各個(gè)載流分支回路連接在一起，有匯集、分配和傳送電能的作用。母差保護(hù)是母線的主保護(hù)。它的安全性、可靠性、靈敏性和快速性，對(duì)保證整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)安全具有決定性意義。應(yīng)用最廣的是按分相電流差動(dòng)原理構(gòu)成的比率制動(dòng)式母差保護(hù)，保護(hù)范圍為母線上各開關(guān)用于母差CT圍成的設(shè)備范圍，包括從CT開始到母線之間的開關(guān)、刀閘引線、支持瓷瓶、母線本身、母線PT和避雷器[4-5]。

3 CT個(gè)數(shù)對(duì)保護(hù)的影響

常規(guī)220 kV變電站和GIS變電站每個(gè)斷路器配置的電流互感器個(gè)數(shù)與位置不同，接入保護(hù)的電流互感器繞組相對(duì)斷路器的位置也不相同。典型的220 kV常規(guī)和GIS變電站CT繞組接入保護(hù)的配置，如圖3、圖4所示。

圖3 典型220 kV常規(guī)變電站CT繞組

圖4 典型220 kV GIS變電站CT繞組

3.1 對(duì)縱聯(lián)保護(hù)的影響

220 kV常規(guī)變電站線路縱聯(lián)保護(hù)存在死區(qū)，死區(qū)為出線斷路器與電流互感器之間的設(shè)備（見圖5①），不能實(shí)現(xiàn)全線故障速動(dòng)。當(dāng)故障點(diǎn)①發(fā)生故障時(shí)，220 kV出線縱聯(lián)保護(hù)感應(yīng)不到故障電流，故不動(dòng)作。而故障點(diǎn)處于220 kV母線差動(dòng)保護(hù)的范圍，故母差保護(hù)動(dòng)作跳開連接在此母線上的所有開關(guān)，但此時(shí)故障仍未隔離，220 kV出線對(duì)側(cè)仍然通過線路與故障點(diǎn)相連。為了減少故障不能立即切除對(duì)系統(tǒng)的沖擊和影響，需要加速對(duì)側(cè)出線開關(guān)跳閘。因此，本側(cè)母差需要與出線的縱聯(lián)保護(hù)配合。該功能是通過母差保護(hù)跳閘停信接點(diǎn)讓本側(cè)高頻停信，讓對(duì)側(cè)線路開關(guān)跳閘來實(shí)現(xiàn)的。如果是光纖保護(hù)，會(huì)通過遠(yuǎn)跳回路讓對(duì)側(cè)保護(hù)發(fā)出跳閘命令。常用的實(shí)現(xiàn)方法為母差跳閘接點(diǎn)借用TJR永跳繼電器跳母線上線路開關(guān)，然后由TJR空接點(diǎn)引至其他保護(hù)停訊接點(diǎn)（如線路高頻閉鎖式保護(hù)）或接到相應(yīng)保護(hù)的遠(yuǎn)跳開入回路（如RCS-931A保護(hù)），實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)開關(guān)快速跳閘的目的，從而確保線路縱聯(lián)保護(hù)死區(qū)故障時(shí)能快速切除故障。原理如圖6所示，當(dāng)故障點(diǎn)②發(fā)生故障時(shí)，母差保護(hù)動(dòng)作跳開連接在此母線上的所有開關(guān)，隔離故障。

圖5 對(duì)典型220 kV常規(guī)變電站保護(hù)的影響

圖6 母差停訊、遠(yuǎn)跳原理

220 kV GIS變電站由于線路斷路器兩側(cè)均裝有CT，保護(hù)交叉配置（見圖3），靠近母線側(cè)CT用于線路保護(hù)，外側(cè)CT用于母差。當(dāng)故障發(fā)生在斷路器兩CT之間時(shí)，無論⑤或⑥處故障（見圖7），母差和線路保護(hù)均同時(shí)動(dòng)作，不存在死區(qū)，能實(shí)現(xiàn)全線故障速動(dòng)。當(dāng)⑤或⑥處故障時(shí)，母差和線路縱聯(lián)保護(hù)均動(dòng)作，跳開連接在此母線上的所有開關(guān)及線路對(duì)側(cè)開關(guān)，故障在最短時(shí)間內(nèi)得到隔離，減少了其對(duì)系統(tǒng)的沖擊。因此，220 kV GIS變電站線路縱聯(lián)保護(hù)可靠性更優(yōu)。

3.2 對(duì)母差保護(hù)的影響

220 kV常規(guī)變電站母線差動(dòng)保護(hù)存在死區(qū)，死區(qū)為母聯(lián)斷路器與電流互感器之間的設(shè)備（見圖5③），不能實(shí)現(xiàn)母差保護(hù)范圍內(nèi)所有故障速動(dòng)。當(dāng)故障點(diǎn)③發(fā)生故障時(shí)，220 kV母線差動(dòng)保護(hù)會(huì)將故障判斷為220 kV 1M設(shè)備故障，出口連接在220 kV 1M上的所有開關(guān)。此時(shí)故障未得到有效隔離，若等后備保護(hù)動(dòng)作將故障隔離，將對(duì)系統(tǒng)造成很大沖擊。為了迅速將220 kV 2M的設(shè)備切除，需要設(shè)專門的死區(qū)保護(hù)。母線并列運(yùn)行，當(dāng)故障發(fā)生在母聯(lián)（分段）開關(guān)與母聯(lián)（分段）流互之間時(shí)，斷路器側(cè)母線段跳閘出口無法切除該故障，流互側(cè)母線段的小差元件不會(huì)動(dòng)作，稱為死區(qū)故障。此時(shí)，母差保護(hù)已動(dòng)作于一段母線，大差電流元件不返回，母聯(lián)（分段）開關(guān)已跳開，而母聯(lián)（分段）流互仍有電流，死區(qū)保護(hù)應(yīng)經(jīng)母線差動(dòng)復(fù)合電壓閉鎖后切除相關(guān)母線[6]，原理如圖8所示。因此，220 kV常規(guī)變電站母線差動(dòng)保護(hù)死區(qū)故障時(shí)，故障無法立即切除，需要經(jīng)過延時(shí)由死區(qū)保護(hù)或母聯(lián)失靈保護(hù)切除。當(dāng)故障點(diǎn)④（見圖5④）發(fā)生故障時(shí)，母差保護(hù)動(dòng)作出口跳開連接于該母線上的所有斷路器，隔離故障。

圖7 對(duì)典型220 kV GIS變電站保護(hù)的影響

圖8 母差死區(qū)保護(hù)原理

220 kV GIS變電站220 kV母差保護(hù)采用雙重化配置，母線差動(dòng)保護(hù)一、母線差動(dòng)保護(hù)二分別接人母聯(lián)斷路器兩側(cè)的CT，保護(hù)交叉配置，因此不存在死區(qū)。當(dāng)故障發(fā)生在母聯(lián)斷路器的兩CT之間時(shí)，母線差動(dòng)保護(hù)一、母線差動(dòng)保護(hù)二均同時(shí)動(dòng)作。當(dāng)⑦處故障時(shí)，220 kV母線差動(dòng)保護(hù)一、母線差動(dòng)保護(hù)二的大差啟動(dòng)，母線差動(dòng)保護(hù)一的220 kV 2M小差與母線差動(dòng)保護(hù)二的220 kV 1M小差同時(shí)動(dòng)作，斷開連接在兩段上的所有斷路器。當(dāng)⑧處故障時(shí)，220 kV母線差動(dòng)保護(hù)一、母線差動(dòng)保護(hù)二的大差啟動(dòng)，母線差動(dòng)保護(hù)一的220 kV 1M小差與母線差動(dòng)保護(hù)二的220 kV 2M小差同時(shí)動(dòng)作，斷開連接在兩段上的所有斷路器。220 kV GIS變電站母線差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)的故障能在最短時(shí)間內(nèi)得到隔離，因此220 kV GIS變電站母線差動(dòng)保護(hù)可靠性更優(yōu)。

4 對(duì)變電運(yùn)行的指導(dǎo)

由于CT個(gè)數(shù)不同對(duì)保護(hù)帶來的影響、不同類型變電站故障發(fā)生時(shí)的具體保護(hù)動(dòng)作情況不完全相同，因此熟知不同類型變電站不同位置故障時(shí)保護(hù)的具體動(dòng)作情況對(duì)快速隔離故障、迅速恢復(fù)電網(wǎng)有積極的影響。

4.1 220 kV常規(guī)變電站

當(dāng)220 kV常規(guī)變電站出線斷路器電流互感器出線側(cè)以外發(fā)生故障時(shí)，只有220 kV線路縱聯(lián)保護(hù)動(dòng)作出口。當(dāng)故障發(fā)生在220 kV線路縱聯(lián)保護(hù)死區(qū)時(shí)，母差保護(hù)動(dòng)作跳開連接在此母線上的所有開關(guān)，母差跳閘接點(diǎn)借用TJR永跳繼電器跳線路對(duì)側(cè)開關(guān)。此時(shí)，故障跳閘其實(shí)是超范圍的。當(dāng)看到母差動(dòng)作出口及線路遠(yuǎn)跳同時(shí)動(dòng)作時(shí)，應(yīng)著重檢查線路保護(hù)的死區(qū)。發(fā)現(xiàn)死區(qū)有故障時(shí)，要及時(shí)拉開線路斷路器兩側(cè)刀閘，恢復(fù)母線上其他設(shè)備的運(yùn)行。

當(dāng)220 kV常規(guī)變電站母線上除死區(qū)外的區(qū)域發(fā)生故障時(shí)，只有故障母線的小差動(dòng)作，故障正確隔離。當(dāng)220 kV常規(guī)變電站母線上死區(qū)發(fā)生故障時(shí)，非故障母線小差動(dòng)作，故障點(diǎn)由死區(qū)保護(hù)最后動(dòng)作出口隔離。當(dāng)看到母差保護(hù)動(dòng)作出口及死區(qū)保護(hù)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，應(yīng)迅速判斷故障點(diǎn)在母差保護(hù)死區(qū)，母差動(dòng)作的母線為非故障設(shè)備，加快檢查送電。

4.2 220 kV GIS變電站

當(dāng)220 kV GIS變電站出線斷路器電流互感器出線側(cè)以外發(fā)生故障時(shí)，只有220 kV線路縱聯(lián)保護(hù)動(dòng)作出口。當(dāng)故障發(fā)生在220 kV線路斷路器與電流互感器之間時(shí)，縱聯(lián)保護(hù)與母差保護(hù)同時(shí)動(dòng)作。當(dāng)看到母差動(dòng)作出口及線路縱聯(lián)保護(hù)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，應(yīng)及時(shí)拉開故障線路斷路器兩側(cè)刀閘，恢復(fù)母線上其他設(shè)備的運(yùn)行。

當(dāng)220 kV GIS變電站母線上除母聯(lián)斷路器CT之間的區(qū)域發(fā)生故障時(shí)，只有故障母線的小差動(dòng)作，故障正確隔離。當(dāng)母聯(lián)斷路器CT之間發(fā)生故障時(shí)，兩端母線的小差同時(shí)動(dòng)作。由于GIS兩母線同時(shí)發(fā)生故障的幾率極低，當(dāng)看到母差保護(hù)動(dòng)作出口和死區(qū)保護(hù)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，應(yīng)迅速判斷出故障點(diǎn)在母聯(lián)斷路器CT之間，母差動(dòng)作的母線為非故障設(shè)備，加快檢查送電。

5 結(jié) 論

隨著節(jié)電網(wǎng)的不斷發(fā)展，變電站的數(shù)量越來越多，其中有常規(guī)變電站和GIS變電站。不同變電站的斷路器CT個(gè)數(shù)不同，繼電保護(hù)的配置、配合也不同。運(yùn)行人員應(yīng)熟知它們的區(qū)別，區(qū)分不同類型變電站特定地點(diǎn)的保護(hù)動(dòng)作情況，迅速做出正確處理，提高供電可靠性，盡量減少負(fù)荷損失。