特高压交流系统断路器继电保护配置与整定

李莎，倪腊琴，邱玉婷，李济沅，周浩

(1.浙江大学电气工程学院，杭州市310027；2.华东电网有限公司，上海市200120)

特高压交流系统断路器继电保护配置与整定

李莎1，倪腊琴2，邱玉婷1，李济沅1，周浩1

(1.浙江大学电气工程学院，杭州市310027；2.华东电网有限公司，上海市200120)

特高压交流输电技术可以实现能源大范围优化配置，为社会经济协调可持续发展提供强有力的支撑。断路器作为其安全运行的重要保障，一直以来都是研究热点。特高压输电系统所具有的分裂导线参数特性、过电压、电磁环境等复杂电气特征严重影响断路器可靠动作，对其动作特性以及灵敏性提出了更高的要求。在分析国内已投运的特高压交流工程的基础上，对以上因素给断路器保护带来的新特点进行分析，提出了基于PCS-921G装置的断路器保护配置，并针对失灵保护，三相不一致保护，过流保护以及自动重合闸给出了相应的整定方案，并对其加以验证，为后续特高压交流工程断路器继电保护提供宝贵的设计依据。

特高压；断路器；继电保护；配置与整定

0 引 言

以电为中心、全球配置的能源发展格局需要不断提高电网的输送能力、配置能力和经济性，这也决定了电网技术在未来能源发展中的关键性作用。而特高压电网具有输送容量大、距离远、损耗低、占地省等显著优势，未来的全球能源互联网将以其为骨架，实现全球清洁能源的大范围、大规模配置[1-3]。同时，特高压的发展也给电网的安全和稳定运行带来巨大的挑战。

特高压断路器作为特高压最重要和制造难度最大的设备之一，一直以来得到了广泛的关注及深入的研究。受特高压交流系统分裂导线参数特性、过电压以及电磁环境等复杂环境影响，断路器保护需要有更高的独立性以及灵敏度，这对特高压交流工程的安全运行极其重要。现有的特高压断路器相关文献主要集中在断路器的性能研究和测验，而对特高压交流系统中断路器的保护仍缺乏系统性的介绍与更为深入的研究，本文对已建成的1 000 kV晋东南—南阳—荆门、淮南—浙北—上海等特高压交流输电工程的成功经验加以总结，针对断路器保护的特点以及应用展开分析，提出基于PCS-921G装置的断路器保护配置以及整定方案，为后续特高压交流工程的断路器继电保护与控制技术提供有力的支持。

1 特高压断路器保护特点

1.1 断路器结构特点

作为高压开关设备中最复杂也是最重要的一种器件，断路器可以关合、承载、开断运行回路的正常电流以及规定的过载电流(如短路电流)，因此被广泛用于发电厂、变电站以及开关站，承担控制和保护的双重任务。特高压断路器具有一般高压断路器的功能，同时需要尽可能降低开合时操作过电压，从而降低输电线路及变电站设备的绝缘水平和造价成本。通过装设分闸和合闸电阻可以达到上述目的，分闸时，先断开断路器主触头，回路中接入分闸电阻，30 ms后，串联在电阻侧的辅助触头断开，合闸时动作顺序相反。

分合闸电阻及辅助触头的工作参数需要依据系统以及线路的情况进行分析计算，通常合闸电阻选取阻值较小，分闸电阻的阻值较大[4-6]。考虑到需要简化结构，以及限制过电压水平，经常只采用合闸电阻，并且通过避雷器限制分闸的操作过电压。

1.2 断路器保护特点

1.2.1 系统过电压特征对断路器保护的影响

区别于一般超高压系统，特高压继电保护的首要任务是杜绝系统中造成设备和绝缘子损坏的过电压产生。相关资料表明，1 000 kV系统输电线路允许的过电压倍数为1.6～1.8，与500 kV系统的2倍相比，明显较低，即短时间内，特高压输电线路绝缘子允许的过电压裕度较小[7-8]。为了保证过电压不超过限定值，线路所允许的两端断路器切除时间差极短，远小于两端相继动作以解除故障的时间。因而，特高压断路器必须在最短时间内，两端同时动作以解除线路故障。

1.2.2 电容电流对断路器保护的影响

特高压线路采用分裂导线，其输送容量大，输电距离长，弧垂较大[9]。长线路的特征使其分布电容产生较大电流，从而使线路两侧电流幅值以及相角发生较大变化，同时也使一些差动原理的保护受到极大干扰[10]。当负荷电流较小时，差动保护的灵敏度及可靠性会受到较大影响，尤其在通过大过渡电阻接地时，保护拒动的现象更常见，对断路器小电流开断性提出更苛刻的要求。

1.2.3 潜供电流对断路器保护的影响

特高压系统大电流接地时，单相接地故障占总故障数量的80%以上[11]。此时，线路接地相两侧的断路器开断，其他健全相及相邻电路会保持原来的相电压与负荷电流，并通过静电耦合和电磁耦合，使故障点仍流过一定电流，即潜供电流。潜供电流的大小取决于系统结构与运行环境等，线路越长、电压等级越高、负荷电流越大，其值也越大。

当发生故障单相跳闸后，潜供电流较大，电弧现象较高压和超高压系统将更强烈，特别是在断路器开断短路电流时，电弧燃烧更稳定，其熄灭-重燃-熄灭的过程将更明显，潜供电弧难以自灭，息弧时间可达0.7 s，甚至更长。而潜供电弧的存在直接影响断路器的分断能力，应采取措施降低二次电弧电流，继电保护在切除故障的同时应能与相应的降低二次电弧电流的措施相结合。例如，采用基于电弧特性的自适应重合闸，关键在于准确识别故障类型并判断二次电弧状态。当特高压线路发生单相故障后，两侧故障相断路器也跳开，然后持续循环判别故障点电弧熄灭与否，以判断重合闸是否开放。若判断结果为电弧熄灭，则立即重合闸；若电弧还未熄灭，则持续判别至到达系统允许运行最长非全相时限，若电弧仍未熄灭，则将非故障相断路器断开[12]。

2 断路器保护配置

特高压系统电压等级高，电气特性复杂，其保护配置的难度也较大。1 000 kV断路器保护应配置独立的断路器保护装置。断路器保护包含重合闸、失灵保护、充电过流保护和三相不一致保护等功能。通过对特高压断路器保护特点的分析，可知，特高压工程，断路器失灵保护与超高压工程的区别不大，线路重合闸功能同样配置在断路器保护中。特高压交流输电工程的重合闸应采用单相一次重合闸。充电过流保护包括通过硬压板投退的两段式相过流保护，具有瞬时和延时跳闸功能。

断路器三相不一致保护采用断路器本体三相不一致保护，断路器保护装置内三相不一致保护停用。保护装置的三相不一致保护，通过零负序电流闭锁，而若在系统刚开始运行，线路电流很小时出现三相不一致运行状态，零负序电流仍较小，不足以启动保护装置内三相不一致保护，因而必须装设本体三相不一致保护以快速切除故障。特高压系统采用基于UAPC平台开发的PCS-921G装置作为断路器保护，其配置如表1所示。

3 断路器保护原理

断路器作为继电保护中非常重要的元件之一，与其他元件相配合，构成交流系统重要的继电保护。从国内外特高压研究现状来看，常见电气主接线方式有双母线双分段接线、双断路器接线及3/2断路器接线，表2为以上方式的综合比较。

表1 断路器保护配置Table 1 Breaker protection configuration

表2 3种1 OOO kV接线方案的综合比较Table 2 Comprehensive comparison of three 1 OOO kV connection schemes

从可靠性角度分析，双断路器接线的母线任一元件发生故障都不会造成线路断电，可靠性最好；3/2断路器接线中，串中断路器具有高故障率以及高检修成本，使该方式的可靠性大为降低[13]。但从经济性角度分析，双断路器接线使用的断路器数量最多，成本较高；相对而言，3/2断路器接线中，使用设备数量较少，成本较低，在特高压交流系统中较为适用[14]。3/2接线方式断路器保护以断路器单元进行配置，每台断路器都配置一面断路器保护屏。

(1)失灵保护。特高压交流系统断路器配有失灵保护，以防止其未能正常动作。边断路器失灵时，其母线上的断路器以及中断路器均跳开，同时通过远跳功能将和边断路器连接的线路对侧断路器跳开[15]；中断路器失灵时，启动远跳功能跳开与其连接的2个边断路器，同时跳开2元件对侧断路器。

(2)自动重合闸保护。特高压交流系统中，对于3/2接线方式，采用断路器保护中配置重合闸模式。重合闸中，先合断路器合闸之后，若故障已消除，延时一段时间后将另一台断路器合上。若是永久性故障，先合断路器合闸失败，线路保护动作，与此同时向2台断路器发出三相跳闸指令，后合断路器不重合。

(3)过流保护。过流保护在电流大于设定数值时可以自动断开，以保护设备不受损坏，是线路或主变应急的一种保护。

(4)三相不一致保护。由于设备质量及操作等原因，分相动作的断路器，工作中可能会有三相断路器其中一相或两相偷跳或偷合，也可能保护发出三相跳闸指令，但因为三相断路器的动作不一致最终导致只有一相或两相跳开，处于非全相异常状态[16]。断路器单相跳开后，若重合闸动作，而断路器由于压力、机械、二次回路等原因未能重合成功，必须在2.5 s内跳开三相，并且不再重合，以防止系统长时间在两相状态下运行，造成变压器后备保护跳闸。

4 断路器保护整定

4.1 断路器失灵保护

特高压断路器失灵保护，一般情况下，线路仅考虑两侧1台断路器单相拒动，主变仅考虑主变高、中、低压侧1台断路器单相拒动(主变低压侧三相联动机构断路器需考虑三相拒动)。

(1)线路断路器失灵保护电流判据。线路断路器失灵保护的电流判据主要包括负序或零序电流以及相电流。失灵保护延时跳开相邻断路器的时间整定按躲过断路器可靠跳闸时间以及保护返回时间之和，再考虑一定裕度整定，取0.2 s。具体为:1)相电流按系统小方式下本线路末端短路，由灵敏度整定，并尽量躲过负荷电流，灵敏系数大于1.3。2)零序电流定值按躲过最大零序不平衡电流，且保护范围末端发生故障有足够灵敏度整定。3)失灵保护的负序电流定值按躲过最大不平衡负序电流，且保护范围末端故障时有足够灵敏度整定。

(2)主变断路器失灵保护电流判据。主变断路器失灵保护电流判据主要包括负序或零序电流。负序起动电流定值一般应保证本变压器的低压侧故障时有足够灵敏度，灵敏系数大于1.3。失灵保护延时跳相邻断路器的时间整定按躲过断路器可靠跳闸时间以及保护返回时间之和，再考虑一定裕度整定，取0.2 s。

4.2 断路器过流保护

对于线路断路器过流保护，通常仅投Ⅰ段，其电流定值应保证保护范围末端故障有足够灵敏度，并可靠躲过线路充电电流，时间为0。对于主变断路器的过流保护，通常投Ⅰ段和Ⅱ段。过流Ⅰ段定值按断路器安装侧主变套管及引线发生故障时有足够灵敏度整定，灵敏系数不低于2，时间取0.01～0.2 s；过流Ⅱ段应确保在本变压器低压侧故障有足够灵敏度整定，灵敏系数大于1.5，时间取0.3～1.5 s。

4.3 断路器重合闸保护

线路重合闸时间的整定应满足相应电网安全稳定要求，并充分考虑断路器本身和潜供电流的影响，由系统专业提供；相邻2个断路器重合闸采取时间上的配合以满足重合闸的先后合闸顺序。在基于PCS-921G的配置中，一般边断路器1.0 s重合；中断路器1.3 s合闸。

4.4 断路器三相不一致保护

特高压断路器三相不一致保护应采用本体三相不一致，3/2接线方式中与线路相关的断路器，动作时间原则上按可靠躲过单相重合闸时间整定，一般情况下统一取断路器三相不一致时间为2.5 s。发变组等不需要和重合闸时间配合的断路器三相不一致保护时间可整定为0.5 s。

5 断路器保护检验

基于PCS-921G装置的断路器保护中，过流元件整定范围为0.1～20IN，定值误差要求<5%，为进一步验证配置的可靠性与准确性，在环境温度25.1℃，相对湿度为50%的条件下，进行断路器保护电流整定值检验，得到的数据如表3所示(IN＝1 A)。

表3 断路器保护电流整定值检验Table 3 Current setting value test of breaker protection

由断路器保护电流整定值检验可以得出，在整定范围内，失灵保护及过流保护均可在电流允许的误差范围内正常动作，因而该配置在整定要求下均可正常运行。断路器保护的动作时间范围为0.01～10 s，在环境温度25.1℃，相对湿度为50%的条件下，根据整定要求，断路器保护动作时间如表4所示。

表4 断路器保护动作时间Table 4 Actuation time of circuit breaker protection

文中所提出的配置方案在整定要求下，其动作时间误差较小，均在其允许范围内，证明该配置方案中失灵保护、过流保护、重合闸保护以及三相不一致保护均可在规定时间范围内动作，断路器工作正常，从而保证系统处于安全稳定的运行状态。

6 结 论

(1)特高压交流系统电压高、线路长、输送功率大、波阻抗小、分布电容大、线路充电电容电流大，影响断路器保护中所用部分特征量的灵敏度以及限定值，对特高压断路器提出更高的要求，在高压、超高压断路器功能基础上有更进一步的提升。

(2)特高压工程对于系统安全稳定运行的可靠性有更高的要求，特高压断路器保护需配置独立的断路器保护装置，以3/2断路器接线为例，失灵保护，三相不一致保护，过流保护以及重合闸等与系统匹配的断路器保护的动作原理以及保护特点也有所不同。文中给出的各保护整定判据结合了已投运特高压工程的成功经验，并对电流整定值以及动作时间进行检验，为其他特高压交流工程断路器保护技术提供一定参考依据。

本文针对特高压断路器保护，提出了具体的配置以及整定方案，虽然现有特高压工程运行情况良好，但其断路器保护仍存在许多改进的空间，在以后的发展中需要更为深入的研究与探讨。

[1]刘振亚.全球能源互联网[M].北京:中国电力出版社，2015: 271-278.

[2]杜至刚，牛林，赵建国.发展特高压交流输电，建设坚强的国家电网[J].电力自动化设备，2007，27(5):1-5.

Du Zhigang，Niu Lin，Zhao Jianguo.Developing UHV AC transmission and constructing strong state power grid[J].Electric Power Automation Equipment，2007，27(5):1-5.

[3]贾宏杰，穆云飞，余晓丹.对我国综合能源系统发展的思考[J].电力建设，2015，36(1):1-10.

Jia Hongjie，Mu Yunfei，Yu Xiaodan.Thought about the integrated energy in China[J].Electric Power Construction，2015，36(1):1-10.

[4]郭媛媛，崔博源，王承玉，等.1 100 kV/63 kA气体绝缘金属封闭开关设备的研制[J].电网技术，2011，35(12):20-25.

GuoYuanyuan，Cui Boyuan，Wang Chengyu，et al.Development and implementation of gas-insulated metal-enclosed switchgear with breaking capability of 63 kA for 1 100 kV AC power transmission project[J].Power System Technology，2011，35(12):20-25.

[5]刘振亚.特高压交直流电网[M].北京:中国电力出版社，2013: 331-339.

[6]冯庆东，韩先第.1 000 kV气体绝缘金属封闭开关设备[J].电力设备，2005，6(4):23-25.

Feng Qingdong，Han Xiandi.1 000 kV gas insulation switchgear [J].Electric Equipment，2005，6(4):23-25.

[7]钱家骊，袁大陆，徐国政.对1 000 kV电网操作过电压及相位控制高压断路器的讨论[J].电网技术，2005，29(10):1-4.

Qian Jiali，Yuan Dalu，Xu Guozheng.Discussion on switching overvoltage in 1 000 kV power networks and phase controlled circuit breaker[J].Power System Technology，2005，29(10):1-4.

[8]董新洲，苏斌，薄志谦，等.特高压输电线路继电保护特殊问题的研究[J].电力系统自动化，2004，28(24):19-22.

Dong Xinzhou，Su Bin，Bo Zhiqian，et al.Study of special problems on protective relaying of UHV transmission line[J]. Automation of Electric Power Systems，2004，28(24):19-22.

[9]邬雄.1 000 kV级交流输电线路电磁环境的研究[J].电力设备，2005，12(6):24-27.

Wu Xiong.Study on electromagnetic environment for 1 000 kV AC power transmission line[J].Electrical Equipment，2005，12(6): 24-27.

[10]李扬，李永丽.750 kV及特高压输电线路的暂态电流研究[J].电力系统及其自动化学报，2006，18(3):18-23.

Li Yang，Li Yongli.Research on transient current of 750 kV and UHV transmission line[J].Proceedings of the CSU-EPSA，2006，18(3):18-23.

[11]周浩.特高压交直流输电技术[M].杭州:浙江大学出版社，2014:91-104.

[12]索南加乐，梁振锋，宋国兵.自适应熄弧时刻的单相重合闸的研究[J].电力系统保护与控制，2012，40(5):37-41.

Suonan Jiale，Liang Zhenfeng，Song Guobing.Study of singlephase reclosure with adaptive secondary arc extinction[J].Power System Protection and Control，2012，40(5):37-41.

[13]赵丽华，郭相国，高进强.1 000 kV电气主接线设计[J].电力建设，2010，31(4):13-16.

Zhao Lihua，Guo Xiangguo，Gao Jinqiang.1 000 kV main electrical connection design[J].Electric Power Construction，2010，31(4):13-16.

[14]徐国丰，黄民翔，韩辉，等.基于RAMSES的特高压电网可靠性充裕度评估[J].电力自动化设备，2012，32(6):99-102.

Xu Guofeng，Huang Minxiang，Han Hui，etal.Reliability adequacy evaluation based on RAMSES for UHV power grid[J]. Electric Power Automation Equipment，2012，32(6):99-102.

[15]张广顺，赵巍巍.断路器失灵保护的技术探讨[J].电力设备，2007，8(2):73-75.

Zhang Guangshun，Zhao Weiwei.Technical discussion of out of order protection for circuit breaker[J].Electrical Equipment，2007，8(2):73-75.

[16]秦川.高压断路器非全相保护浅析[J].四川电力技术，2011，34 (4):79-82.

Qin Chuan.Analysis on open-phase protection for high-voltage circuit breaker[J].Sichuan Electric Power Technology，2011，34 (4):79-82.

[17]GB/T 29323—2012 1 000 kV断路器保护装置技术要求[S].北京:中国标准出版社，2012.

(编辑：张小飞)

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，硕士研究生，主要研究方向为特高压电网继电保护；

倪腊琴(1973)，女，高级工程师，从事电力系统继电保护工作；

邱玉婷(1992)，女，硕士研究生，主要研究方向为特高压电网继电保护；

李济沅(1992)，男，硕士研究生，主要研究方特高压电网继电保护；

周浩(1963)，男，教授，博士生导师，主要从事特高压交直流输电技术研究工作。

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2011CB 209405)。

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