1000 kV特高壓變電站斷路器失靈保護(hù)配置方案

劉 濤，賈穎濤，余開偉，郭 果，裴東良

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，鄭州 450051）

1000 kV特高壓變電站斷路器失靈保護(hù)配置方案

劉 濤，賈穎濤，余開偉，郭 果，裴東良

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，鄭州 450051）

特高壓變電站1 000 kV和500 kV系統(tǒng)采用典型的3/2接線失靈保護(hù)配置方案，分析了1 000 kV系統(tǒng)若干特殊二次設(shè)備啟動(dòng)失靈的回路設(shè)計(jì)方案；特高壓變電站110 kV系統(tǒng)采用普通出口斷路器和專用負(fù)荷開關(guān)配合布置，110 kV系統(tǒng)根據(jù)故障電流大小設(shè)置了二級(jí)失靈保護(hù)，分析了二級(jí)失靈保護(hù)的啟動(dòng)方式和動(dòng)作后果；分析了特高壓串補(bǔ)旁路斷路器配置合閘失靈和分閘失靈保護(hù)判據(jù)的不合理處，提出改進(jìn)意見。鑒于特高壓線路相連斷路器較多，目前相關(guān)失靈保護(hù)出口方案復(fù)雜，提出了一種由線路保護(hù)裝置完成的“線路失靈保護(hù)”新構(gòu)想。

特高壓變電站；3/2接線失靈保護(hù)；二級(jí)失靈保護(hù)；旁路斷路器失靈保護(hù)；線路失靈保護(hù)

0 引言

隨著交流特高壓電網(wǎng)的快速建設(shè)，特高壓斷路器的拒動(dòng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)日益增大，對(duì)其失靈保護(hù)的要求較超高壓電網(wǎng)更為嚴(yán)格[1-2]。特高壓變電站1 000 kV系統(tǒng)和500 kV系統(tǒng)均采用3/2主接線[3-4]，其失靈保護(hù)配置方案是在我國(guó)超高壓電網(wǎng)失靈保護(hù)配置方案上的改進(jìn)與創(chuàng)新；考慮到特高壓變電站低壓側(cè)110 kV系統(tǒng)短路容量較大和無功補(bǔ)償裝置的投切問題，采用GCB（出口斷路器）和專用LBS（負(fù)荷開關(guān)）配合布置方案，由此帶來特殊的失靈保護(hù)配置方案；特高壓線路可能加裝固定串補(bǔ)裝置，其旁路斷路器有獨(dú)立的失靈保護(hù)邏輯，串補(bǔ)裝置的不同布置方式使旁路斷路器與線路斷路器的配合也有其特殊性和創(chuàng)新性。以下結(jié)合1 000 kV特高壓交流試驗(yàn)示范工程南陽站失靈保護(hù)配置情況[5-6]，論述特高壓變電站失靈保護(hù)配置及改進(jìn)方案，供交流特高壓變電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)參考。

1 3/2接線系統(tǒng)失靈保護(hù)

3/2接線系統(tǒng)的失靈保護(hù)按斷路器單套配置，由保護(hù)動(dòng)作信號(hào)啟動(dòng)，由斷路器保護(hù)裝置完成失靈電流判別并出口。與母線相連的斷路器失靈保護(hù)出口經(jīng)母線保護(hù)跳閘，跳開母線上連接的所有斷路器；與主變壓器（以下簡(jiǎn)稱主變）相連的斷路器失靈保護(hù)出口經(jīng)主變保護(hù)跳閘，跳開與主變相連的三側(cè)斷路器；與線路相連的斷路器失靈保護(hù)出口經(jīng)本端線路保護(hù)發(fā)遠(yuǎn)傳至對(duì)端線路保護(hù)經(jīng)就地判別后出口，跳開線路對(duì)端斷路器。

1.1 啟動(dòng)方式

失靈保護(hù)由故障元件保護(hù)動(dòng)作信號(hào)啟動(dòng)，保護(hù)動(dòng)作信號(hào)包括分相信號(hào)和三相信號(hào)。分相啟動(dòng)失靈信號(hào)僅由線路保護(hù)發(fā)出，經(jīng)重動(dòng)繼電器后分相開入失靈保護(hù)裝置[7]。

特高壓變電站三相啟動(dòng)失靈信號(hào)主要由主變電量保護(hù)、母線保護(hù)、線路保護(hù)三跳、高抗電量保護(hù)、串補(bǔ)控保系統(tǒng)等發(fā)出，啟動(dòng)TJR（啟動(dòng)失靈同時(shí)閉鎖重合閘）中間繼電器跳開故障元件斷路器同時(shí)啟動(dòng)該斷路器失靈保護(hù)。

在某些設(shè)計(jì)方案中，為提高可靠性，主變保護(hù)和母差保護(hù)不僅通過TJR中間繼電器啟動(dòng)失靈，同時(shí)再提供一副獨(dú)立的跳閘開出信號(hào)至斷路器保護(hù)的失靈開入端子。但該設(shè)計(jì)理念和回路不規(guī)范，不建議采用。

主變非電量保護(hù)、高壓電抗器非電量保護(hù)不啟動(dòng)失靈保護(hù)，原因是非電量保護(hù)動(dòng)作接點(diǎn)不能隨故障的隔離而及時(shí)復(fù)歸，可能造成失靈保護(hù)的誤動(dòng)。一般來說，非電量保護(hù)動(dòng)作時(shí)還伴隨著電量保護(hù)的動(dòng)作，若故障元件連接的斷路器失靈，則由故障元件的電量保護(hù)啟動(dòng)所連接斷路器的失靈保護(hù)。

特高壓線路空充或空載運(yùn)行時(shí)，較大容量的對(duì)地容性無功可能使線路產(chǎn)生“容升”現(xiàn)象，使線路末端產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)過電壓，因此特高壓線路均裝設(shè)了穩(wěn)態(tài)過電壓控制裝置，線路任一側(cè)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)過電壓后均聯(lián)跳兩側(cè)；穩(wěn)態(tài)過電壓保護(hù)動(dòng)作后，若線路斷路器拒動(dòng)，斷路器失靈電流定值可能不滿足，因此穩(wěn)態(tài)過電壓控制裝置出口后不啟動(dòng)失靈保護(hù)。

特高壓線路可能裝設(shè)有失步解列裝置，系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)應(yīng)在預(yù)設(shè)地點(diǎn)解列，若失步解列裝置動(dòng)作時(shí)啟動(dòng)失靈保護(hù)，可能會(huì)造成停電范圍的擴(kuò)大，不利于電網(wǎng)振蕩的平息。同時(shí)解列裝置出口于系統(tǒng)振蕩時(shí)，斷路器電流可能不滿足失靈電流定值，因此失步解列裝置出口不宜啟動(dòng)失靈保護(hù)。

特高壓線路裝設(shè)有穩(wěn)定控制裝置，穩(wěn)定控制裝置動(dòng)作時(shí)，故障點(diǎn)可能與本線路斷路器電氣距離很遠(yuǎn)，若線路斷路器拒動(dòng)，斷路器失靈電流定值可能不滿足，因此穩(wěn)定控制裝置出口不宜啟動(dòng)失靈保護(hù)。

以上不啟動(dòng)失靈保護(hù)的裝置出口均接入TJQ（不啟動(dòng)失靈同時(shí)閉鎖重合閘）繼電器回路。三相不一致和防跳保護(hù)也不啟動(dòng)失靈保護(hù)，不啟動(dòng)中間繼電器（直接跳閘）[8-9]。

1.2 失靈判別邏輯

3/2接線斷路器失靈判別邏輯由斷路器保護(hù)裝置完成，不經(jīng)電壓閉鎖邏輯。斷路器失靈判別按照故障相失靈、非故障相失靈和發(fā)變?nèi)ъ`考慮，與超高壓電網(wǎng)失靈保護(hù)相同，不再詳述。

1 000 kV斷路器保護(hù)“失靈跳本開關(guān)時(shí)間”和“失靈動(dòng)作時(shí)間”均設(shè)為250 ms。

1.3 失靈保護(hù)出口方式

斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作后，除跳本斷路器和跳相鄰的單一斷路器（例如中斷路器失靈跳邊斷路器、邊斷路器失靈跳中斷路器）為直跳回路（啟動(dòng)TJR繼電器）外，跳其他相鄰斷路器均通過母線保護(hù)出口、主變保護(hù)出口或線路保護(hù)出口實(shí)現(xiàn)。

特高壓母線保護(hù)和主變電量保護(hù)失靈聯(lián)跳開入均采用強(qiáng)電光耦。母線保護(hù)失靈啟動(dòng)回路在斷路器保護(hù)屏和母線保護(hù)屏均設(shè)置壓板，便于單斷路器檢修時(shí)與母線保護(hù)的隔離[10]；母線保護(hù)失靈雙開入1和2取“與”邏輯，為提高失靈經(jīng)母線保護(hù)出口的可靠性，設(shè)置靈敏的、不需整定的電流突變量元件并帶50 ms固定延時(shí)后出口；主變電量保護(hù)失靈開入1和2取“與”邏輯后直接聯(lián)跳三側(cè)；母線保護(hù)和主變保護(hù)僅實(shí)現(xiàn)三相跳閘，各連接元件設(shè)獨(dú)立的跳閘出口繼電器，跳閘出口接點(diǎn)應(yīng)滿足起動(dòng)跳閘、起動(dòng)失靈保護(hù)、閉鎖重合閘的要求。

2 主變壓器低壓側(cè)失靈保護(hù)

特高壓變電站低壓側(cè)首次采用110 kV電壓等級(jí)，每組特高壓主變低壓側(cè)設(shè)置2段110 kV母線，每段110 kV母線配置2組210 Mvar低壓并聯(lián)電容器組和1組240 Mvar低壓并聯(lián)電抗器組，無功補(bǔ)償容量較大。每段110 kV母線配置單套母線保護(hù)。

2.1 出口斷路器與專用負(fù)荷開關(guān)配置

GCB可以開斷較大幅值的故障電流，若用于頻繁投切特高壓主變110 kV側(cè)低壓無功設(shè)備是不經(jīng)濟(jì)的。針對(duì)無功設(shè)備頻繁投切的特點(diǎn)，專門研發(fā)出了可以用來頻繁投切特高壓變電站110 kV并聯(lián)電容器組和電抗器組的專用LBS，LBS不能開斷較大幅值的故障電流。以110 kV單母線為例，南陽變電站110 kV GCB和LBS配置方案如圖1所示。

圖1 110 kV斷路器與專用負(fù)荷開關(guān)配置方案

主變進(jìn)線回路設(shè)置主GCB，主GCB具有開斷短路故障電流能力和投切無功設(shè)備回路2 000次的能力。無功回路設(shè)置LBS主要用于投切電容器組和電抗器組，投切電壽命可達(dá)10 000次。無功設(shè)備支路設(shè)置LBS解決了目前無功設(shè)備支路只能投切1 000多次就需要進(jìn)行開關(guān)滅弧室解體大修的問題，提高了無功設(shè)備支路開關(guān)的電壽命，減少了日常維護(hù)和檢修的成本。由此帶來的問題是：無功設(shè)備支路沒有設(shè)置GCB，無功回路發(fā)生嚴(yán)重故障需要由110 kV進(jìn)線主GCB來切斷，這樣整個(gè)110 kV單母線均有停電的風(fēng)險(xiǎn)。因此110 kV設(shè)備繼電保護(hù)跳閘和失靈方案需采用特殊配置[11-12]。

2.2 跳閘及失靈保護(hù)方案

南陽變電站110 kV無功設(shè)備支路專用LBS的切斷故障電流水平為1 600 A，當(dāng)無功設(shè)備支路發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)故障電流大小有2種啟動(dòng)母線失靈保護(hù)方案；失靈斷路器的失靈電流判別由110 kV母線保護(hù)完成，110 kV母線保護(hù)出口不跳無功設(shè)備支路LBS，僅跳與其連接的GCB?？紤]到110 kV站用變保護(hù)和母線差動(dòng)保護(hù)，110 kV母線失靈保護(hù)的配置有以下幾種方式：

（1）若無功設(shè)備支路故障電流小于1 600 A，無功設(shè)備保護(hù)只跳開本支路的LBS，并由其提供“小電流解除電壓閉鎖”和“小電流啟動(dòng)失靈”至母線保護(hù)；若故障無功設(shè)備支路的LBS失靈，由母線小電流失靈保護(hù)經(jīng)失靈電流判別后出口。

（2）若無功設(shè)備支路故障電流大于1 600 A，無功設(shè)備保護(hù)閉鎖跳本支路的LBS同時(shí)由其直接跳開母線連接主變的主GCB，并提供“大電流解除電壓閉鎖”和“大電流啟動(dòng)失靈”至母線保護(hù)；若連接主變的主GCB失靈，由母線大電流失靈保護(hù)判別并經(jīng)母線保護(hù)出口。

（3）站用變保護(hù)動(dòng)作后直接跳開其支路GCB，同時(shí)輸出“小電流跳閘解除電壓閉鎖”和“小電流啟動(dòng)失靈”至母線保護(hù)；若站用變支路GCB失靈，由母線小電流失靈保護(hù)經(jīng)失靈電流判別后出口[11-12]。

（4）母線差動(dòng)保護(hù)和失靈保護(hù)是同一臺(tái)裝置的功能，裝置無母線差動(dòng)失靈開入硬接點(diǎn)，失靈接點(diǎn)由軟邏輯實(shí)現(xiàn)，且不可投退。母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后啟動(dòng)大電流失靈邏輯，同時(shí)解除大電流失靈電壓閉鎖；若連接主變的主GCB失靈，由母線大電流失靈保護(hù)判別并經(jīng)母線保護(hù)出口。

110 kV母線保護(hù)小電流失靈保護(hù)動(dòng)作后，跳開該母線連接主變的主GCB（連接站用變的母線同時(shí)跳開站用變支路GCB），失靈保護(hù)配置不考慮此時(shí)主GCB再次失靈的情況；大電流失靈保護(hù)動(dòng)作后，再次跳該母線連接主變的主GCB（連接站用變的母線同時(shí)跳開站用變支路GCB），同時(shí)啟動(dòng)主變失靈保護(hù)跳開主變?nèi)齻?cè)斷路器。

小電流失靈和大電流失靈啟動(dòng)回路原理如圖2所示。

1 000 kV長(zhǎng)南Ⅰ線穩(wěn)態(tài)過電壓控制裝置動(dòng)作后聯(lián)跳110 kV低壓并聯(lián)電容器組，不啟動(dòng)相應(yīng)電容器組LBS失靈保護(hù)。

3 特高壓串補(bǔ)旁路斷路器失靈保護(hù)

特高壓交流試驗(yàn)示范工程2條1 000 kV線路均裝設(shè)有固定串補(bǔ)裝置，當(dāng)線路故障或串補(bǔ)裝置故障時(shí)，旁路斷路器合閘將串補(bǔ)裝置退出運(yùn)行。伴隨線路重合閘操作，串補(bǔ)旁路斷路器還進(jìn)行自動(dòng)重投操作。旁路斷路器失靈保護(hù)僅由串補(bǔ)其它保護(hù)元件啟動(dòng)，由于失靈保護(hù)和其他保護(hù)功能均集成于同一套保護(hù)裝置，失靈保護(hù)的啟動(dòng)均由軟件實(shí)現(xiàn)。串補(bǔ)旁路斷路器失靈有合閘失靈和分閘失靈2種情況[13-14]。

3.1 合閘失靈保護(hù)

當(dāng)串補(bǔ)保護(hù)裝置動(dòng)作發(fā)出合旁路斷路器命令后，旁路斷路器由于各種原因拒動(dòng)時(shí)，合閘失靈保護(hù)動(dòng)作。目前，不少500 kV串補(bǔ)工程旁路斷路器合閘失靈判據(jù)為“保護(hù)動(dòng)作”和“斷路器位置”取邏輯“與”后出口。特高壓交流試驗(yàn)示范工程中，串補(bǔ)旁路斷路器合閘失靈判據(jù)改進(jìn)為“保護(hù)動(dòng)作”“斷路器位置”“并聯(lián)支路有流”三者取邏輯“與”后延時(shí)0.2 s出口。一般認(rèn)為，在失靈判別邏輯中電流判據(jù)的可靠性高于斷路器位置判據(jù)，“斷路器位置”判據(jù)的使用可能造成失靈保護(hù)的拒動(dòng)，因此建議將該判據(jù)改進(jìn)為“保護(hù)動(dòng)作”和“并聯(lián)支路有流”取邏輯“與”后出口。

旁路斷路器合閘失靈保護(hù)動(dòng)作后分別啟動(dòng)線路邊、中斷路器操作箱的TJR繼電器，跳開線路邊、中斷路器，同時(shí)通過線路保護(hù)發(fā)遠(yuǎn)傳跳線路對(duì)側(cè)邊、中斷路器。對(duì)于南荊Ⅰ線兩段串補(bǔ)集中布置，單段串補(bǔ)旁路斷路器合閘失靈可以聯(lián)跳另一段，但考慮到這樣造成另一段串補(bǔ)旁路斷路器誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)性較大，因此旁路斷路器合閘失靈聯(lián)跳另一段串補(bǔ)功能暫不投入[15]。

3.2 分閘失靈保護(hù)

目前，特高壓交流試驗(yàn)示范工程串補(bǔ)旁路斷路器分閘失靈判據(jù)為“保護(hù)動(dòng)作”和“斷路器位置”取邏輯“與”后延時(shí)0.2 s出口。與3.1節(jié)旁路斷路器合閘失靈判據(jù)一樣，建議將分閘失靈判據(jù)改進(jìn)為“保護(hù)動(dòng)作”和“斷路器有流”取邏輯“與”出口。與合閘失靈保護(hù)不同，分閘失靈保護(hù)動(dòng)作后僅合串補(bǔ)三相旁路斷路器，不跳線路斷路器。結(jié)合對(duì)目前該功能的利弊分析，旁路開關(guān)分閘失靈保護(hù)暫不投入。

4 超（特）高壓“線路失靈保護(hù)”設(shè)想

母線和變壓器元件所連接斷路器較多，因此3/2接線的母線保護(hù)和變壓器保護(hù)分別配置了“母線失靈保護(hù)”和“變壓器失靈保護(hù)”，其所連接的斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作后均可以啟動(dòng)其出口跳開所連接的所有斷路器。超（特）高壓線路一般采用3/2主接線，與線路相連的斷路器共4組；線路裝設(shè)串補(bǔ)裝置后，與線路相連的斷路器可達(dá)6組，若考慮到超（特）高壓線路還可能安裝可控并聯(lián)高抗的話，與線路相連的斷路器最多可達(dá)8組[7]。如果把線路看做一個(gè)元件，相比于母線和變壓器，該元件相連的斷路器已經(jīng)足夠多。借鑒“母線失靈保護(hù)”和“變壓器失靈保護(hù)”理念，連接斷路器較多的元件保護(hù)出口可以“借用”給所連接斷路器失靈保護(hù)出口使用，與線路元件相連的斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作也可以啟動(dòng)線路保護(hù)出口跳與線路相連的所有斷路器，線路保護(hù)中完成此邏輯的功能即為“線路失靈保護(hù)”。“線路失靈保護(hù)”出口與目前線路保護(hù)跳閘出口完全一致，跳開線路相連的所有斷路器。對(duì)于某些超（特）高壓串補(bǔ)線路工程，串補(bǔ)裝置集中布置在線路中間位置，存在問題及解決方案相同。

“線路失靈保護(hù)”理念應(yīng)用于當(dāng)前集成過電壓及遠(yuǎn)跳保護(hù)和線路保護(hù)功能為一體的線路保護(hù)裝置優(yōu)越性更為明顯。圖3所示為串補(bǔ)裝置分散布置于線路兩端的超（特）高壓線路系統(tǒng)。

圖3中CB1—CB4為3/2接線輸電線路兩端的邊、中斷路器，C1和C2分別為線路兩端裝設(shè)的串補(bǔ)裝置，BCB1和BCB2分別為串補(bǔ)裝置C1和C2的旁路斷路器。

按照目前失靈保護(hù)配置方案，若CB1斷路器失靈，則由CB1斷路器失靈保護(hù)執(zhí)行如下操作：再次跳開CB1斷路器；跳開CB2斷路器；合上BCB1旁路斷路器；通過線路保護(hù)發(fā)遠(yuǎn)傳，由對(duì)站線路保護(hù)跳開CB3，CB4斷路器，同時(shí)合上BCB2旁路斷路器。以上方案比較繁瑣，引入“線路失靈保護(hù)”理念后，若CB1斷路器失靈，則僅由CB1斷路器失靈保護(hù)啟動(dòng)“線路失靈保護(hù)”即可，通過線路保護(hù)出口跳開線路所連所有斷路器，失靈保護(hù)方案大為簡(jiǎn)化。

引入“線路失靈保護(hù)”理念后，串補(bǔ)旁路斷路器失靈方案的改進(jìn)與上述CB1斷路器失靈方案對(duì)比類似，改進(jìn)效果也很明顯，不再贅述。對(duì)于串補(bǔ)裝置集中布置于線路中間位置的串補(bǔ)線路工程，分析方法及改進(jìn)效果類似，亦不贅述。引入“線路失靈保護(hù)”功能的線路保護(hù)裝置應(yīng)用于裝設(shè)串聯(lián)補(bǔ)償裝置和并聯(lián)高抗的超、特高壓線路優(yōu)越性尤為明顯，值得推廣。

5 結(jié)語

分析了1 000 kV特高壓變電站1 000 kV，500 kV，110 kV和特高壓串系統(tǒng)失靈保護(hù)的配置方案。對(duì)于我國(guó)后續(xù)的交流特高壓工程，特高壓交流試驗(yàn)示范工程的1 000 kV和500 kV失靈保護(hù)配置方案為典型配置，配置方案和原則基本如此。南陽變電站110 kV系統(tǒng)失靈保護(hù)配置方案的特殊之處源于110 kV專用LBS的使用，后續(xù)交流特高壓工程110 kV系統(tǒng)專用LBS配置可能有所差異，因此110 kV系統(tǒng)失靈保護(hù)配置方案也可能有所差異。特高壓串補(bǔ)控制保護(hù)系統(tǒng)及其旁路斷路器失靈保護(hù)方案的設(shè)計(jì)原理和規(guī)范性均有待進(jìn)一步改進(jìn)，目前的方案尚存一定爭(zhēng)議，后續(xù)特高壓串補(bǔ)工程失靈保護(hù)及其與線路保護(hù)的接口方案均有改進(jìn)的空間[13-15]，所提方案及改進(jìn)意見有參考價(jià)值。另外，“線路失靈保護(hù)”方案是一種全新的保護(hù)邏輯，優(yōu)越性明顯，繼電保護(hù)廠家有必要據(jù)此推出一種全新的線路保護(hù)裝置。

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2017-09-18

劉 濤（1984），男，工程師，從事超（特）高壓變電站繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)和檢修工作。

（本文編輯：方明霞）

Configuration Plan of Breaker Trip Failure Protection in 1 000 kV UHV Power Substation

LIU Tao， JIA Yingtao， YU Kaiwei， GUO Guo， PEI Dongliang
（Maintenance Company of Henan Electric Power Corporation， Zhengzhou 450051， China）

The typical configuration plan of trip failure protection for 3/2 connection is adopted in 1 000 kV and 500 kV systems in UHV substations.The paper analyzes circuit design plan for special secondary equipment startup failure in 1 000 kV system.The 110 kV system in UHV substation is equipped with ordinary outlet breaker and special load switch； besides， it is equipped with secondary failure protection according to current amplitude.The paper analyzes startup mode and action consequence of the secondary failure protection;moreover,it analyzes the unreasonable criteria for switch-on and switch-off failure protection of UHV series compensation bypass breaker and proposes improvements.In view of the multiple breakers connected to UHV lines and the existing complex failure protection plans，the paper introduces a new idea of"line trip failure protection"accomplished by line protection device.

UHV power substation； 3/2 connection failure protection； secondary failure protection； bypass breaker trip failure protection；line trip failure protection

10.19585/j.zjdl.201710004

1007-1881（2017）10-0017-05

TM774

B