電流互感器位置與死區(qū)故障保護動作行為分析

王利平,程 浪,胡 楊

(1.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610041)

0 引 言

電力系統(tǒng)繼電保護是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的第一道防線，要求能夠有選擇性地快速切除故障。繼電保護裝置的電氣量保護主要是通過電流互感器(current transformer，CT)感知故障，由保護邏輯運算動作出口并驅(qū)動斷路器隔離故障的。繼電保護裝置的保護范圍與電流電壓互感器的安裝位置密切相關(guān)。若電流互感器安裝位置不當(dāng)時，可能導(dǎo)致斷路器與電流互感器之間產(chǎn)生死區(qū)，造成相關(guān)元件主保護無法動作，應(yīng)充分考慮合理的電流互感器配置和二次繞組分配，消除主保護死區(qū)，如存在保護死區(qū)，則應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的需要配置死區(qū)保護或斷路器失靈保護切除故障[1-2]。由于一次接線原因，CT死區(qū)發(fā)生故障必然會擴大事故停電范圍。根據(jù)四川電網(wǎng)的實際情況，對220 kV及以上電壓等級常見的雙母線和3/2接線方式的電流互感器位置和死區(qū)故障的保護動作行為進行了統(tǒng)計分析，得出了關(guān)于保護死區(qū)與CT安裝位置之間的相聯(lián)性的結(jié)論。這里所描述的CT均為保護用CT。

1 CT安裝位置對保護行為的影響

在變電站中，CT通常相鄰斷路器安裝，有的安裝在斷路器兩側(cè)(常見于GIS設(shè)備)，有的安裝在斷路器某一側(cè)(常見于戶外敞開式設(shè)備)，斷路器與CT之間通過導(dǎo)體連接，距離有長有短，有一定的概率發(fā)生故障。

1.1 CT雙側(cè)安裝

當(dāng)CT雙側(cè)安裝時，為防止部分一次設(shè)備失去主保護，繞組應(yīng)交叉接入保護裝置，使得斷路器所在元件的保護范圍交叉重疊。雙母線接線形式的支路和母聯(lián)斷路器CT雙側(cè)安裝分別如圖1、圖2所示，3/2接線形式的CT雙側(cè)安裝如圖3所示。

圖1 雙母線接線的支路CT雙側(cè)安裝

圖2 雙母線接線的母聯(lián)斷路器CT雙側(cè)安裝

圖3 3/2接線的CT雙側(cè)安裝

圖1中的兩組CT之間的區(qū)域?qū)嶋H上是同時處于母線保護和線路(變壓器)保護的主保護范圍之內(nèi)。若F1或F2發(fā)生故障時，母線保護和線路(變壓器)主保護將同時動作，跳開相應(yīng)的斷路器。按照保護的選擇性要求，當(dāng)F2故障時應(yīng)只跳開線路(變壓器)，而不應(yīng)切除母線。母線保護和線路(變壓器)保護同時動作實際上是擴大了事故停電范圍。圖2中的母聯(lián)斷路器兩組CT之間的區(qū)域?qū)嶋H上是同時處于兩段母線的差動保護范圍之內(nèi)。若F1或F2發(fā)生故障時，兩段母線將被同時切除，同樣擴大了事故停電范圍。同理，圖3所示的3/2接線串上斷路器和CT之間發(fā)生故障時仍會擴大事故停電范圍。

1.2 CT單側(cè)安裝

對于雙母線接線的線路(變壓器)支路，CT可以單側(cè)安裝在斷路器的母線側(cè)，也可以安裝在非母線側(cè),如圖4所示。當(dāng)CT安裝在母線側(cè)時，如F1發(fā)生故障，故障點位于線路(變壓器)保護范圍內(nèi)、母線保護范圍外，則線路(變壓器)主保護動作跳開斷路器但故障仍然存在時，需依靠母線保護中的支路失靈保護延時動作，切除該支路所在母線。當(dāng)CT安裝在非母線側(cè)時，如F2發(fā)生故障，故障點位于母線保護范圍內(nèi)、線路(變壓器)保護范圍外時，則母線主保護動作跳開斷路器，同時通過“其他保護動作”開入遠跳對側(cè)斷路器將故障點切除。但同時擴大了事故停電范圍(母線停電)。

圖4 雙母線接線的支路CT單側(cè)安裝

對于雙母線接線的母聯(lián)CT，可單側(cè)安裝在母聯(lián)斷路器的靠Ⅰ母側(cè)或靠Ⅱ母側(cè),如圖5所示。當(dāng)CT安裝在靠Ⅰ母側(cè)時，如F1發(fā)生故障，該故障點位于Ⅱ母線的差動保護范圍內(nèi)，母線保護的Ⅱ母小差動作跳開母聯(lián)(分段)斷路器和Ⅱ母上的運行支路，但故障點仍然存在于Ⅰ母上，需依靠母線保護中的母聯(lián)失靈保護延時動作跳開Ⅰ母上的運行支路，才能切除故障。同理，可分析當(dāng)CT安裝在靠Ⅱ母側(cè)時，在F2發(fā)生故障的情形。

圖5 雙母線接線的母聯(lián)斷路器CT單側(cè)安裝

對于3/2接線的邊斷路器，CT可以單側(cè)安裝在斷路器的母線側(cè)，也可以安裝在非母線側(cè)(靠中斷路器側(cè)),如圖6所示。存在的問題和雙母線接線的線路(變壓器)支路是相同的。

圖6 3/2接線的邊斷路器CT單側(cè)安裝

對于3/2接線的中斷路器，CT單側(cè)安裝時(如圖7所示)，當(dāng)F3發(fā)生故障，故障點在線路(變壓器)支路2的保護范圍內(nèi)，線路(變壓器)支路2主保護動作，跳開中斷路器和邊斷路器2，但故障點仍然存在，需依靠斷路器死區(qū)保護延時動作跳開邊斷路器1和線路(變壓器)支路1對側(cè)斷路器以隔離故障，同時擴大了停電范圍(線路(變壓器)支路1、支路2均停電)。同理，可分析當(dāng)F4發(fā)生故障時的情形。

圖7 3/2接線的中斷路器CT單側(cè)安裝

1.3 小 結(jié)

由于斷路器和CT之間總存在電氣距離，存在發(fā)生故障的概率，當(dāng)CT布置在斷路器兩側(cè)時，斷路器兩側(cè)元件主保護的保護范圍在CT和斷路器之間交叉重疊，在該區(qū)域發(fā)生故障時，兩側(cè)元件的主保護同時快速動作，直接將故障點隔離；當(dāng)CT布置在斷路器一側(cè)時，保護范圍覆蓋該故障點的主保護動作后并不能切除故障，需要依靠斷路器失靈保護、死區(qū)保護動作或其他保護動作遠跳對側(cè)的方式，切除相鄰元件后才能隔離故障點。

可見，無論CT安裝在哪個位置，為了可靠切除故障，保護會將非故障元件切除，擴大停電范圍。

2 相關(guān)保護的動作行為分析

在220 kV及以上電壓等級的變電站內(nèi)，受CT安裝位置影響的保護主要有差動保護、斷路器失靈保護、斷路器死區(qū)保護等，其中差動保護主要包括母線差動保護、主變壓器差動保護及線路差動保護。

2.1 常見差動保護邏輯

常見的母線差動保護動作原理為若母線保護各間隔電流滿足啟動條件：

(1)

式中：ΔIrm為制動電流的突變量；ΔIdsetm為制動電流突變量門檻值；Idm為母線差動電流；Idsetm為差動電流啟動整定值。即當(dāng)任一相的合電流突變量大于突變量門坎或當(dāng)任一相的差電流大于差電流門坎定值時，保護啟動。同時滿足動作條件后，母線保護動作，其動作方程為

(2)

式中：n為支路數(shù)量；Ij為母線第j支路電流，j=1，2，…，n；Krm為比率制動系數(shù)。

此外，220 kV母線差動保護動作需經(jīng)復(fù)合電壓元件動作才能出口跳閘，其方程為

(3)

式中：Ua、Ub、Uc分別為母線三相電壓；U0、U2分別為母線零序電壓和負(fù)序電壓；Uset、U0set、U2set分別為母線相電壓、零序電壓、負(fù)序電壓、復(fù)合電壓閉鎖整定值。3個判據(jù)中的任何一個被滿足，該段母線的復(fù)合電壓元件動作。

常見的線路差動保護動作判據(jù)為

(4)

式中：φ為相別，即A、B、C三相；ICDφ為φ相線路差動電流，即為線路兩側(cè)電流矢量和的幅值；IRφ為φ相線路制動電流，即為兩側(cè)電流矢量差的幅值；IH為動作門檻值。當(dāng)電容電流補償投入時，IH為1.5倍差動電流定值和1.5倍實測電容電流兩者間的最大值；當(dāng)電容電流補償不投入時，IH為1.5倍差動電流定值和4倍實測電容電流兩者間的最大值。

常見主變壓器差動保護則主要采用比率差動動作方程，其方程為

(5)

差動保護的邏輯動作原理，使得其差動保護范圍被嚴(yán)格限制在其所接各CT繞組安裝位置之內(nèi)，即會導(dǎo)致差動保護范圍交叉重疊和保護死區(qū)的情況發(fā)生。

2.2 斷路器失靈保護的動作行為分析

部分CT單側(cè)安裝產(chǎn)生的保護死區(qū)發(fā)生故障時，主保護動作跳開了相應(yīng)的斷路器，但CT仍然能感受到故障電流，這和斷路器失靈時的現(xiàn)象是相似的，因此可以依靠斷路器失靈保護來最終切除故障。斷路器失靈保護是斷路器拒動時斷開與故障元件相連的所有其它連接電源的斷路器的近后備保護，是母線保護裝置和斷路器保護裝置的重要功能。斷路器失靈保護一般是指故障電氣設(shè)備的繼電保護動作發(fā)出跳閘命令而斷路器拒動時，利用故障設(shè)備的保護動作信息與拒動斷路器的電流信息構(gòu)成對斷路器失靈的判別，能夠以較短的時限切除其他有關(guān)的斷路器，使停電范圍限制在最小。

雙母線接線的斷路器失靈保護功能是在母線保護裝置中實現(xiàn)的。當(dāng)保護裝置收到故障線路(主變壓器)支路的啟動失靈開入后，同時經(jīng)失靈電流定值判斷、母線電壓閉鎖開放等條件，延時動作跳開故障支路所在母線的全部支路斷路器、母聯(lián)(分段)斷路器等，實現(xiàn)故障點的隔離。此外，雙母線接線的母線保護裝置還能實現(xiàn)聯(lián)跳主變壓器三側(cè)的功能，即當(dāng)母線保護動作跳主變壓器支路而主變壓器支路斷路器拒動時，延時通過“主變壓器失靈聯(lián)跳”開入跳開主變壓器三側(cè)。線路支路采用相電流、零序電流(或負(fù)序電流)“與門”邏輯；變壓器支路采用相電流、零序電流、負(fù)序電流“或門”邏輯[3]。

3/2接線的斷路器失靈保護則是在斷路器保護裝置中實現(xiàn)的。3/2接線的斷路器失靈保護無電壓閉鎖，對于線路保護分相跳閘開入和變壓器、發(fā)變組、線路高壓電抗器三相跳閘開入，應(yīng)采取措施防止由于開入量異常而導(dǎo)致的失靈保護無法啟動。任一相跳閘開入后，需經(jīng)電流突變量或零序電流啟動并展寬后啟動失靈；三相跳閘開入后，不經(jīng)電流突變量或零序電流啟動失靈[4]。此外該接線方式下，其三跳啟動失靈還可經(jīng)低功率因素輔助判據(jù)開放，低功率因素元件動作條件為

|cosθ|

(6)

式中：θ為一相電壓與電流的相角差測量值；θZD為裝置低功率因素角整定值。當(dāng)裝置整定為θZD時，低功率元件的動作范圍為

(7)

當(dāng)任一相電壓低于0.3倍額定相電壓時，低功率因素元件退出。

2.3 死區(qū)保護的動作行為分析

在斷路器和CT的死區(qū)發(fā)生故障，若僅依靠斷路器失靈保護來最終隔離故障點，動作時間較長，可能會造成系統(tǒng)失穩(wěn)，因此應(yīng)采取其他措施盡可能快速切除故障。目前主要通過斷路器死區(qū)保護來實現(xiàn)改目的。

母聯(lián)斷路器的死區(qū)保護是母線保護裝置中的功能之一。當(dāng)雙母線接線母聯(lián)斷路器和CT之間發(fā)生故障時，母聯(lián)死區(qū)保護可以比母聯(lián)失靈保護更快地切除故障。在雙母線并列運行發(fā)生母聯(lián)死區(qū)故障時，母線保護發(fā)出跳閘命令后，母聯(lián)斷路器跳開而母聯(lián)CT仍有電流，且大差比率差動元件不返回，則判斷母聯(lián)CT發(fā)生死區(qū)故障，經(jīng)150 ms延時后母聯(lián)CT電流不計入小差計算[5]，通過合位死區(qū)故障動作，相繼跳開兩條母線。在雙母線分列運行時(母聯(lián)跳位繼電位“TWJ”開入為“1”且母聯(lián)分列運行壓板投入)，若母聯(lián)CT無流，則經(jīng)過400 ms短延時后，母聯(lián)電流將不計入小差計算[5]。該方式下死區(qū)故障可實現(xiàn)快速有選擇性的跳閘。若當(dāng)雙母線接線的母聯(lián)斷路器通過合閘操作對未帶電母線進行充電時，檢測到母聯(lián)跳閘位置信號為“1”，且母聯(lián)手合接點信號由“0”變“1”，則啟動充電至死區(qū)保護閉鎖母差保護。在大差差動電流起動開始的 300 ms 內(nèi)，閉鎖母差保護直接出口跳母聯(lián)斷路器[6]。

3/2接線的斷路器保護裝置中也具有死區(qū)保護功能。保護裝置的死區(qū)保護功能僅在斷路器三相跳閘后，三相位置信號均為“1”時才啟動。當(dāng)斷路器保護收到三相跳閘失靈啟動信號和三相跳閘位置，并且最大相電流大于失靈保護相電流定值，則判斷為死區(qū)故障。死區(qū)保護出口回路與失靈保護一致，但動作延時較失靈保護更短，即經(jīng)較短延時切除其他有關(guān)斷路器以隔離故障[7]。對于分相操作斷路器，若死區(qū)內(nèi)發(fā)生單相接地故障且線路保護單相跳閘時，可以通過斷路器失靈保護動作來隔離故障；也可以因保護跳閘后故障電流持續(xù)，導(dǎo)致單相跳閘失敗引起線路保護三相跳閘。通過死區(qū)保護動作來隔離故障，具體哪一個保護動作隔離故障與“死區(qū)保護時間”和“失靈保護時間”定值有關(guān)。

3 四川電網(wǎng)保護CT安裝位置現(xiàn)狀

截至2020年4月，國網(wǎng)四川電力共運行有220 kV變電站241座，500 kV變電站52座，共計3575個斷路器。CT安裝位置統(tǒng)計情況詳見表1。由表1可以看出：1)按斷路器結(jié)構(gòu)來分，AIS結(jié)構(gòu)的斷路器有1860個，保護用CT全部單側(cè)安裝；GIS結(jié)構(gòu)的斷路器中有846個斷路器的保護用CT雙側(cè)安裝，869個的保護用CT單側(cè)安裝。2)按電壓等級來分，500 kV電壓等級的3/2接線有349個斷路器保護用CT雙側(cè)安裝，286個斷路器保護用CT單側(cè)安裝；220 kV電壓等級雙母線(雙母雙分、雙母單分)和橋接線等主接線有497個斷路器保護用CT雙側(cè)安裝，2443個斷路器保護用CT單側(cè)安裝。

表1 不同開關(guān)結(jié)構(gòu)的CT安裝位置情況

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，國網(wǎng)四川電力CT單側(cè)安裝的情況仍占絕大多數(shù)。對于500 kV變電站，該情況下將導(dǎo)致故障不能快速切除，尤其是在四川個別500 kV站點，如果出現(xiàn)死區(qū)故障，將可能導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。但隨著近年來智能變電站和GIS站的不斷投運，加之已對該類情況逐漸重視，CT雙側(cè)布置情況日漸增多，500 kV系統(tǒng)CT單側(cè)布置的隱患得到改善。

4 結(jié) 論

上面對電流互感器在不同安裝位置時的保護動作行為進行了分析，得出以下結(jié)論：

1)CT在斷路器雙側(cè)安裝布置時，主保護能快速切除故障。

2)雙母線接線支路CT單側(cè)安裝在斷路器母線側(cè)時，存在保護死區(qū)，需要靠斷路器失靈保護延時動作隔離故障；CT單側(cè)安裝在斷路器非母線側(cè)時，通過其他保護動作遠跳對側(cè)的方式能快速切除故障。

3)雙母線接線母聯(lián)CT安裝在母聯(lián)斷路器單側(cè)時，存在保護死區(qū)，在分列運行時，母聯(lián)分位死區(qū)保護能快速切除故障，其他情況需要靠母聯(lián)死區(qū)保護延時動作隔離故障。

4)CT和斷路器之間的死區(qū)發(fā)生故障時，除母聯(lián)分位死區(qū)外，保護裝置為隔離故障均會擴大停電范圍，與CT安裝位置無關(guān)。

因此，為保障系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)按照國家電網(wǎng)有限公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施(修訂版)的要求在斷路器兩側(cè)布置CT。