新改扩设备启动临时保护配置策略研究

李乃永，邹本法，许乃媛，刘沁，李宽，于卫卫，张瀚，吴金玉

(1. 国网山东省电力公司，山东 济南250001；2. 国网威海供电公司，山东 威海264200；3.国网山东蓬莱供电公司，山东 蓬莱265600；4.山东电力科学研究院，山东 济南 250100；5. 国网潍坊供电公司，山东 潍坊261021)



新改扩设备启动临时保护配置策略研究

李乃永1，邹本法2，许乃媛1，刘沁3，李宽4，于卫卫2，张瀚2，吴金玉5

(1. 国网山东省电力公司，山东 济南250001；2. 国网威海供电公司，山东 威海264200；3.国网山东蓬莱供电公司，山东 蓬莱265600；4.山东电力科学研究院，山东 济南 250100；5. 国网潍坊供电公司，山东 潍坊261021)

摘要：为保证新改扩设备在投产过程中能可靠切除系统发生的故障，提出一整套新改扩设备投运临时保护配置策略。临时保护主要包括充电保护、过流保护和充电过流保护3种类型，主要用于新设备启动送电、旧设备检修或改造后送电等工况，确保改造后在设备的主保护不能有效动作时，通过其他辅助保护来保证系统在发生故障时将停电风险降到最低。针对变电站5种典型的设备检修或更换工况，分别研究相应的临时保护配置策略，最后通过220 kV变电站GIS设备更换作为典型案例验证了临时保护配置策略的有效性。

关键词：临时保护；设备检修；新设备送电；继电保护

电力系统的安全稳定运行密切关系着国计民生的发展[1]，而继电保护又是保障电力系统安全稳定运行的根本[2]。通过继电保护的投入，可有效避免系统受到扰动或发生故障时，造成严重停电事故。然而，在新扩改设备投运时，发生故障的概率较大，若此时新设备的保护系统未能正确配置，对在运行电网带来巨大风险。GB/T 14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》明确定义辅助保护是为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护。本文所述的临时保护是为防止新设备送电时和送电过程中设备发生故障，而新断路器或新保护不能及时切除故障导致停电范围扩大而临时配置的辅助保护，临时保护主要包括充电保护[3]、过流保护[4]和充电过流保护三类。

临时保护主要用于新设备启动送电[5-6]、旧设备检修或改造后送电等工况。本文主要分析变电站输电线路电流互感器(current transformer，CT)二次回路发生变化、母联CT更换、母线保护更换和变压器改造时的临时保护配置策略。临时保护配置的基本原则是确保在改造后设备的主保护不能有效动作时，通过其他辅助保护来保证系统在发生故障时将停电风险降到最低。最后通过某220 kV变电站SF6封闭式组合电气(gas insulated switchgear,GIS)设备更换作为实际案例验证本策略的安全可靠。

1临时保护原理

1.1充电保护

充电保护是在断路器由“分”转“合”或无电流变有电流时，即被保护设备接通短时投入的一种临时保护。充电保护动作的前提是软、硬压板及控制字都投入，充电保护经0.4 s或0.5 s后自动退出，此保护可用作被保护设备的快速保护段，其保护逻辑结构如图1所示。

图1　充电保护逻辑结构

1.2过流保护

过流保护在软、硬压板及控制字都投入情况下一直运行，亦可作为被保护设备的快速保护段，通过与过流保护定值比较来判断保护是否动作，其保护逻辑结构如图2所示。

图2　过流保护逻辑结构

1.3充电过流保护

充电过流保护在软、硬压板及控制字都投入情况下一直运行，一般由两段相过流保护和一段零序过流保护组成，亦可作为被保护设备的快速保护段，其保护逻辑结构如图3所示。

图3　充电过流保护逻辑结构

2临时保护配置策略

2.1线路断路器配置充电、过流保护

2.1.1线路CT二次回路变动

线路CT二次回路变动时的主接线如图4所示。

QS—隔离开关；W1、W2—分别为母线1和母线2;K1、K2—故障点。图4　线路CT二次回路变动时的主接线

图4中，输电线路L2的CT二次回路发生变动(如新间隔、新保护、新CT等)，线路保护、母差保护、断路器保护均未测方向，线路L2送电时，变电站A方式调整情况：变电站A需空出一条母线，防止未测方向前线路、母差保护不正确动作。临时保护投入原则：变电站A母差保护中母联断路器QF200投入充电保护、过流保护，线路中QF212本身充电，过流保护作为故障快速保护。

2.1.2线路CT二次回路未变动

若图4中输电线路L2的CT二次回路未发生变动，且线路保护、母差保护、断路器保护均已测过方向并正常运行，则线路L2送电时，变电站A不需要空出母线，其主接线如图5所示。

图5　线路CT二次回路未变动时的主接线

临时保护投入原则：投入变电站A线路QF212本身充电、过流保护作为故障快速保护。

2.2线路开关未配置辅助保护

如图4所示的220 kV变电站主接线QF212无充电过流临时保护，线路L2送电时，变电站A需空出一条母线。临时保护投入原则：变电站A空出母线，投入变电站A母联QF200充电、过流保护作为快速保护。

2.3运行变电站母联CT更换

运行变电站更换220 kV母联CT，仅220 kV母联QF200 CT二次回路变动，220 kV母联QF200保护、母线保护需测方向，其他220 kV间隔CT各绕组极性均已测量正确。临时保护投入原则：因QF200停电，变电站220 kV单母线运行，工作结束后送电，变电站空出一段母线，首先选取一条外来电源线路L1，投入线路L1充电过流保护对停电母线进行冲击，充电良好后恢复线路L1断路器充电过流保护，再通过QF200与运行母线合环进行QF200 CT极性测量。

2.4运行变电站母线保护更换

运行变电站更换220 kV母线保护，其所有间隔均需测方向，本身纵联保护不需测量。临时保护投入原则：因更换母线保护，变电站220 kV母线全停，工作结束后送电，首先选取一条外来电源线路L1，投入线路L1及母联QF200充电过流保护对停电母线整体进行冲击。

母线充电良好后，选取另一电源线路L2送电，投入电源线路L2充电过流保护，通过母联QF200与线路L1合环进行CT极性测量，确认后，恢复线路L1、L2充电过流保护并倒至同一段母线，经母联QF200空出另一段母线，未测量线路或变压器逐一送电至空母线，投入电源支路临时保护(非电源负荷支路可不投临时保护)，通过母联QF200合环进行母线保护测量。测量正确后，恢复已测量设备临时保护并倒至同一段母线，依次类推完成全部间隔母线保护测量。所有间隔测量正确后，恢复母联QF200充电过流保护。

2.5变电站新建或改造变压器

新建或改造变压器，无论是新CT(任一侧)还是新保护，由于更换变压器保护尚未测方向，且主变压器未配置辅助保护，因此主变压器送电时应空母线。

变电站B主变压器T2送电时，变电站方式调整情况：变电站B高、中压侧空出母线(母线W1)如图6所示。

图6　变压器改造或新建时的主接线

2.5.1情况1

母联充电过流保护在最小运行方式下，主变压器中、低压侧故障灵敏度足够,具体如下：

a) 空充主变压器或利用电容器测方向时，变压器/各侧母线发生故障(K1—K4)。临时保护投入原则：变电站B空出母线，投入变电站B母联QF200充电过流保护或变电站B母差保护中母联断路器充电、过流保护作为快速保护。

b) 主变压器并列运行测方向时，高压侧母联CT、中压侧母联CT、变压器低压侧CT之间发生故障。临时保护投入原则：变电站B空出高、中压侧母线，投入变电站B母联QF200、QF100充电过流保护或变电站B母差保护中母联断路器充电、过流保护作为快速保护。将主变压器中、低压侧复压闭锁过流保护跳三侧保护段退出复压闭锁并改临时定值，高、中、低压CT应提前做好通流试验。

应特别注意的是，为防止主变压器并列运行测方向时，由于主变压器本身故障引起中低压侧母联或分段跳闸损失负荷，当主变压器联跳中、低压侧母联或分段时间为0.3 s时，上述临时改变压器中、低压侧后备过流跳三侧时间不应改为0.3 s，应改为0.15 s(时间取0.15 s ，一是考虑跳主变压器各侧时间与中、低压侧母联或分段0.3 s跳闸时间配合，保证主变压器故障仅跳开主变压器各侧，防止事故范围扩大；二是考虑与中、低压侧出线速断配合，避免不必要的越级跳闸)。

图7　220 kV变电站一次主接线

变压器低压侧CT与低压侧各出线CT之间发生故障。临时保护投入原则：变电站B母联QF200、QF100充电过流保护或变电站B母差保护中母联断路器充电、过流保护作为快速保护；主变压器低压侧复压闭锁过流保护跳主变压器三侧；变电站B已运行变压器低压侧复压闭锁过流保护跳开分段。

2.5.2情况2

母联充电过流保护在最小运行方式下，主变低压侧故障灵敏度不足，具体分析如下：

a) 空充主变压器或利用电容器测方向时，变压器/各侧母线发生故障(K1—K4)。临时保护投入原则：变电站B空出母线，投入变电站B母联200充电过流保护或变电站B母差保护中母联断路器充电、过流保护作为快速保护。将主变压器中、低压侧的复压闭锁过流保护跳三侧保护段退出复压闭锁，并改临时定值，高、中、低压CT应提前做好通流试验。

b) 主变压器并列运行测方向时，高压侧母联CT、中压侧母联CT、变压器低压侧CT之间发生故障。临时保护投入原则：变电站B空出高、中压侧母线，投入变电站B母联QF200、QF100充电过流保护或变电站B母差保护中母联断路器充电、过流保护作为快速保护。将主变压器中、低压侧复压闭锁过流保护跳三侧保护段退出复压闭锁并改临时定值，高、中、低压CT应提前做好通流试验。

变压器低压侧CT与低压侧各出线CT之间发生故障。临时保护投入原则：变电站B母联QF200、QF100充电过流保护或变电站B母差保护中母联断路器充电、过流保护作为快速保护；主变压器低压侧复压闭锁过流保护跳主变压器三侧；变电站B已运行变压器低压侧复压闭锁过流保护跳开分段。

3典型案例

某220 kV变电站A GIS设备全部更换启动时采用临时保护配置策略，相关电气一次接线如图7所示。

图7中，变电站A的220 kV GIS设备更换，220 kV母差更换，220 kV线路保护、母差保护及变压器保护均无法确定CT极性正确，需带负荷测方向。为保障设备更换后的安全稳定运行，按照临时保护配置策略进行送电，主要送电步骤如下：

步骤1，(变电站A)投入220 kV母联QF200充电、过流保护。220 kV W1、W2并列，(对侧变电站B)线路L1挂220 kV W1。

步骤2，(变电站B)投入线路L1的QF219充电、过流保护。用线路L1的QF219自220V T1母线对线路L1、变电站A W1、W2整体冲击送电。

步骤3，(变电站A)220 kV W1、W2电压互感器(voltage transformer, VT)同电源核相，正确；空出220 kV W2冷备用，(对侧变电站B)线路L2挂220 kV W2。

步骤4,(变电站B)投入线路L2的QF220充电、过流保护。用线路L2的QF220自220 kV 主变压器T2母线对线路L2、变电站A的220 kV W2冲击送电。

步骤5，(变电站A)220 kV W1、W2 VT异电源核相，正确；用母联QF200同期合环；检查QF220母联保护装置采样正常，空220 kV W2冷备用，(对侧变电站C)线路L3挂W2。

步骤6，(变电站C)空出220 kV W2由母联QF200充电备用；投入220 kV母联QF200充电、过流保护。用线路L3的QF211自220 kV W2对线路L3、变电站A的220 kV W2冲击送电。

步骤7，(变电站A)220 kV W1、W2 VT异电源核相，正确；用母联QF200同期合环；测量线路L1、线路L2、线路L3保护、220 kV母差保护方向，正确；投入线路L1、线路L2、线路L3单相重合闸；空出220 kV W2冷备用，(对侧变电站D)线路L4挂W2。

步骤8，(变电站B)按定值单要求恢复线路L1、线路L2断路器本身充电过流保护；投入线路L1、线路L2单相重合闸；220 kV母线恢复正常联结方式。(变电站C)按定值单要求恢复220 kV母联QF200充电过流保护；投入线路L3单相重合闸；220 kV母线恢复正常联结方式。

步骤9，(变电站D)投入线路L4的QF215本身充电、过流保护。用线路L4的QF215自220 kV W2对线路L4、变电站A的220 kV W2冲击送电。

步骤10，(变电站A)220 kV W1、W2 VT异电源核相，正确；用母联QF200同期合环；测量线路L4保护、220 kV母差保护方向，正确；投入线路L4单相重合闸。

步骤11，(变电站D)按定值单要求恢复线路L4的QF215本身充电过流保护；投入线路L4单相重合闸。(变电站A)空出220 kV W2由母联QF200充电备用；将220 kV母联QF200充电、过流保护改为临时定值。用主变压器T1 QF201自220 kV W2对T1冲击送电； T1带负荷；220 kV母差保护、T1保护测方向，正确；按定值单要求恢复220 kV母联QF200充电过流保护；恢复220 kV母线正常联结方式。

步骤12，启动送电结束。

4结论

本文对新改扩设备启动送电临时保护配置策略进行研究，确保新改扩设备投运且保护未进行相量检查时电网发生故障可快速切除，保障大规模电网安全稳定运行。通过一起220 kV变电站GIS设备更换作为典型案例来验证临时保护配置策略的实用性，分析表明，本策略具有较强工程应用价值，进一步提升对电网的驾驭能力。

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Research on Temporary Protection Configuration Strategy for Startup of Newly Reconstructed Equipments

LI Naiyong1, ZOU Benfa2, XU Naiyuan1, LIU Qin3, LI Kuan4, YU Weiwei2, ZHANG Han2, WU Jinyu5

(1. State Grid Shandong Electric Power Company, Jinan, Shandong 250001, China; 2. State Grid Weihai Power Supply Company, Weihai, Shandong 264200, China; 3.State Grid Penglai Power Supply Company, Penglai, Shandong 265600, China; 4. State Grid Shandong Electric Power Research Institute, Jinan, Shandong 250100, China; 5. State Grid Weifang Power Supply Company, Weifang, Shandong 261021, China)

Abstract：In order to ensure reliably cut off system faults in the process of newly reconstructed equipments putting into production, a new set of temporary protection configuration strategy for newly reconstructed equipments is presented. Temporary protection mainly includes charging protection, over current protection and charging over current protection which is used for working conditions of startup power transmission of new equipments, old facilities maintenance and power transmission after reconstruction so as to ensure that when the main protection of equipments is not acting effectively after reconstruction, it is able to reduce power cut risk lowest by means of other auxiliary protection ways at the time of system fault. In allusion to five kinds of typical facilities maintenance or replacement working conditions in substation, this paper respectively studies relevant temporary protection configuration strategy. Typical case of GIS equipment replacement in 220 kV substation is used for verifying validity of the temporary protection configuration strategy.

Key words：temporary protection; facility maintenance; new equipment power transmission; relay protection

收稿日期：2016-01-07修回日期：2016-03-15

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.013

中图分类号：TM77

文献标志码：B

文章编号：1007-290X(2016)06-0072-06

作者简介：

李乃永(1981)，男，山东临沂人。高级工程师，工学博士，主要从事电力系统运行与控制、分布式发电和故障诊断等工作。

邹本法(1964)，男，山东威海人。工程师，主要从事配电线路施工、电网建设工作。

许乃媛(1974)，女，山东蓬莱人。高级工程师，工学硕士，主要从事电力系统自动化控制工作。

(编辑王夏慧)