变电站电流互感器配置产生保护死区问题分析

张惠山，王昭雷，刘春平

(国网河北省电力公司检修分公司，石家庄 050070)



变电站电流互感器配置产生保护死区问题分析

张惠山，王昭雷，刘春平

(国网河北省电力公司检修分公司，石家庄 050070)

针对常规站及智能变电站有关保护用TA配置而出现保护死区的情况，分析相关出现保护死区的保护TA配置方案，对不同的设计思路进行了评价、比较，并给出了相应改进的解决方案。同时，基于预防保护死区问题，对相关TA配置方法从规划、设计到保护装置性能改进方面均给出了指导性建议。

电流互感器；3/2接线；保护死区；速动保护

当前500 kV变电站的3/2接线形式当中，有时采用了单侧断路器独立配置专用外敷TA的接线方式。文献[1-5]从不同角度论述了针对特定的厂、站主接线及TA安装位置，保护配置不同对速动保护存在保护死区问题。同时，在某些智能变电站设计当中，将线路保护与母线保护的TA二次绕组进行了合并[6,7]，以下分析合并的可行性，是否也存在保护死区，此外，对于双母线接线及3/2接线形式单侧配置独立外敷TA的情况。

1 各类保护用电流互感器的配置原则

首先该文所提到的保护死区是针对各元件的速动主保护(通常即指差动保护)而产生的死区问题，如果计入后备保护，则不存在死区问题。

通常情况下，在500 kV变电站、220 kV变电站中，对于线路保护与母线保护的TA配置原则是采用交叉配置的原则。同时规程规定：高电压等级中，速动型保护采用TPY型的TA，断路器失灵保护采用P级TA[8]。交叉配置原则的一个主导思想就是保证当出现断路器与电流互感器之间的故障时，以牺牲选择性来满足一次系统不会出现保护死区。但其缺点就是使用TA数量多，投资成本高，且二次回路接线复杂，可靠性低

在智能变电站中，电流互感器首先通过合并单元转化为数字量后，通过过程层SV网络传送给各类保护、安自装置，已经不存在电流互感器二次回路的问题。当前具体设计原则还没有是否需要按照常规变电站的电流互感器交叉配置的原则配置有统一的标准，主要根据用户要求及其他因素综合考虑。有些沿用传统的方法继续采用交叉设计的原则设计，有些减少了电流互感器的使用数量，线路保护、母线保护共用同一组电流互感器。

如图1所示，其边断路器线路保护、母线保护以及中断路器的两条线路保护采用交叉保护配置，双方保护在断路器与TA之间部分存在保护范围的重叠，这是保护交叉配置的特点。对于智能变电站，由于模拟量信息是通过数字网络传送至保护装置，因此母线保护与线路保护都是接收SV过程层网络的数字信息，不再区分具体采用哪个TA回路，将母线保护的TA回路与线路保护的TA回路合并是否可行，其核心问题就是明确是否存在保护死区。

图1是母线与支路1的母线保护和线路保护TA合并后的简图。当前在智能变电站中将母线保护与线路保护合并的典型设计思路有两种[8]。一种是将交叉配置的线路保护的电流互感器二次绕组保留，而母线保护使用线路保护的电流互感器二次绕组，即保留如图2所示的1TA和2TA。

图1 智能变电站故障分析示意

如图1所示的K1点发生接地短路故障，此时，母线保护处于故障范围内动作将5011断路器及母线上各断路器跳开，故障被切除，而线路保护处于故障范围之外，不动作，不存在保护死区。对于K3、K4点发生接地短路故障，系母线保护范围外，保护不动作，线路保护范围内，线路保护动作将故障切除，仍不存在保护死区。但对于K2点故障，处于母线保护范围之外而线路保护范围之内，但线路保护动作将5011断路器跳开后，故障并未切除，因此存在保护死区。第二种是母线保护的电流互感器二次绕组保留，线路保护使用母线保护的电流互感器二次绕组，即保留如图2所示的3TA和4TA。分析如下：如图2所示的K1或K2点发生接地短路故障，此时，母线保护处于故障范围内动作将5011断路器及母线上各断路器跳开，故障被切除，而线路保护处于故障范围之外，不动作，不存在保护死区。对于K4点故障，处于母线保护范围之外，线路保护范围之内，线路保护动作切除故障，不存在保护死区。但对于K3点发生故障，母线保护范围内故障，母线保护动作将5011断路器及母线上其他断路器跳开，但故障并未切除，此时，由于处于线路保护范围外，线路保护不会动作，故存在保护死区。

前面分析的智能变电站母线保护与线路保护TA合并使用的设计思想接近于断路器单侧配置独立外敷TA的配置方式。现分析500 kV变电站3/2接线形式，其电流互感器在断路器单侧配置，但线路保护、母线保护所用TA二次绕组依然采用交叉配置的配置方式，如图3所示。

图2 3/2接线单侧外敷TA故障分析示意

图2为3/2接线断路器单侧配置外敷独立TA的典型设计方案。如图3所示，对于边断路器的电流互感器各TA二次绕组母线保护与支路1线路保护采用交叉配置原则，TA二次绕组1TA、2TA之间是其共同的保护范围；同理对于中断路器的电流互感器，其二次绕组对于支路1与支路2也采用交叉配置原则，TA二次绕组3TA与2TA之间是其共同的保护范围。共同保护范围之内故障，交叉配置的各保护均动作，不存在保护死区问题。然而对于图中K3点故障，故障属于母线保护范围之内，母线保护动作将该母线所有断路器跳开，但由于故障点在线路保护范围之外，线路保护不动作，故障并未切除，因此该类电流互感器配置方式依然存在保护死区的问题。同理再分析3/2主接线形式中断路器TA配置的问题。图中K4点发生短路接地情况。K4的故障点位于支路1线路保护范围内而支路2线路保护范围2，因此故障后支路1线路保护动作将5011、5012断路器跳开，但此时故障仍未消除，而故障点位于支路2保护范围外，支路2线路保护不动作，因此存在保护死区。

进一步将该类问题引深至双母线接线形式的系统中，当在断路器一侧配置独立外敷TA的情况时，线路保护与母线保护TA依然采用交叉配置原则，当断路器与TA之间(类似前图K3点)发生故障时，还会存在保护死区。

现在的线路保护都配置了光纤远跳功能。出现上述死区故障时可以通过启动线路的光纤远跳回路将对侧开关跳开，同时对于3/2接线形式的变电站，可通过断路器失灵保护将相邻断路器跳开而切除故障，死区故障在一定程度上可以得到解决。然而，对于3/2接线形式的变电站，启动光纤远跳功能的设计思路是通过断路器失灵保护来启动的，如图3所示的K3点故障恰好位于断路器失灵保护所用电流TA二次绕组与线路和母差保护所用TA二次绕组之间，且断路器失灵保护所用TA又恰巧位于断路器侧，则故障时，断路器失灵保护因感受不到对侧所输送的故障电流(此时，本侧断路器已被母差保护跳开，本侧不再提供故障电流)，因此断路器失灵保护因失灵启动电流消失而将启动光纤远跳功能闭锁。故在该类极端稀有的故障情况下仍存在保护死区。当然，对于220 kV母线单独配置外敷TA回路因为母差保护动作后直接启动光纤远跳，因此不存在上述死区问题。

2 保护死区的TA保护配置方案分析

保护出现死区，主要是指针对系统各元件主保护的快速动作存在死区。速动保护存在保护死区，有悖于现代高电压、大电网的安全稳定运行要求。对于3/2接线的智能变电站线路保护与母差保护TA合并的情况，或常规站单侧单配外敷TA的情况，需要各类保护用TA二次绕组之间的安放位置及保护配置都具备良好的配合，才能确保完全无保护死区。同理，如果通过系统的稳定计算，死区故障出现后，需要后备保护切除故障之情况下对系统的安全稳定运行影响无碍，那么就不存在电网运行问题。对于智能变电站中，母线保护和线路保护所用TA二次绕组可以合并，这样的优点是节约成本，并且设备减少后，维护费用低，可靠性提高。同样，在常规站中断路器单侧配置外敷TA的方案在满足系统稳定运行的条件下也是可行的。

从系统稳定运行的角度出发，越快切除故障，对系统稳定运行无疑是越有利的。针对保护死区问题，文献[1-2]也提出了通过断路器失灵保护启动远跳等功能或者增加死区保护来快速切除故障，这是一个可行的方案。断路器失灵保护的动作时限最短在150 ms以上，且前面分析了依然不能完全剔除保护死区的存在，而死区保护一般动作时间为50 ms左右，是比断路器失灵保护更优的方案。因此，从系统规划、设计及运行等多方面出发，在超高压、特高压变电站采用3/2接线形式，断路器单侧独立配置外敷TA的情况下，应考虑强化断路器配置的死区保护功能。此外，对于3/2形式接线的变电站，需要充分考虑差动所用的TPY型TA二次绕组及断路器失灵保护所用的5P级TA二次绕组的保护排列位置，最大限度的保证死区故障时断路器失灵保护启动远跳的性能。这一点，对于500 kV及以上电压等级的枢纽变尤为重要，是当前变电站二次系统规划设计中应该考虑的方面，同时也是保护装置性能提高改进的一个方向。

3 改进措施

针对前面提到的智能变电站母线保护与线路保护典型配置方案的问题，提出了一种新的设计思路：如图1所示， 线路保护与母线保护各保留一个电流互感器二次绕组。即1TA、2TA 保留一个，3TA与4TA选择一个。该类配置方式对于图中所指的几点的典型故障，没有保护死区。然而其缺点却是违背了保护双重化的设计思想。因为对于图中K2、K3点的故障，均是双重化中的一套保护动作而另一套保护不会动作，因此对于某些特定的保护范围，事实上保护是按单重化配置的。对于避免保护死区的最可行方案就是提高死区保护的性能。当前死区保护功能均集成于断路器保护当中，因此死区保护的动作电流是断路器保护的失灵电流，是受断路器保护的TA配置限制的。而针对保护死区问题，更可行的方案是将死区保护集成于线路保护当中。同时，增加母差保护或者另一支路的线路保护启动本支路死区保护的启动回路。利用线路保护故障判别元件的启动功能，同时配以其它保护动作不返回的判据条件及断路器位置条件判据，即可构成集成于线路保护当中的死区保护，其动作逻辑示意图见图3。

图3 线路保护中的死区保护动作逻辑示意

图3当中，线路保护整组启动元件启动后，未整组复归前，收到母差保护(或另一支路线路保护)动作的开入信号后，经断路器TWJ动作判别后，经过整定延时t，即可出口。延时t可按死区保护定值整定。这种改进方案将增加二次回路连接，使二次回路复杂，尤其线路保护将单独接入每个断路器位置开入信息。常规站3/2接线方式中，线路保护的分相位置开入信息是2个断路器串联接入的，因此该方案将增加断路器位置的开入量。智能变电站中，各断路器位置虚端子信息单独接入，不存在此问题。这种集成于线路保护的“死区保护”仅依赖于线路保护的TPY型TA二次绕组，其灵敏度及暂态特性优于断路器保护装置中依赖于P级TA二次绕组的死区保护。该方案可以良好解决保护死区问题，且简化了因避免保护死区而产生的断路器各保护TA二次绕组配置方面的复杂程度，使TA配置方案简化。

4 结束语

以上针对当前在常规站、智能变电站中保护TA二次绕组配置的若干方案，系统全面地分析了各种保护TA二次绕组不同配置方案、不同系统主接线方式情况下存在的主保护动作死区问题，并简单分析了不同配置方式的优缺点。指出了当前国内各保护装置在面对死区故障方面所存在的不足。提出了智能变电站母线保护与线路保护电流互感器二次绕组合并的第三种设计思路及集成于线路保护当中的“死区保护”的保护原理，并分析了该类新型的“死区保护”解决保护死区问题的作用。同时，从快速切除死区故障，保障系统稳定运行的角度出发，针对当前变电站TA保护配置方案、系统主接线结构等，对变电站的规划设计方面提出了一定的建议，并结合系统的规划设计要求，给当前各保护装置提供了一个性能改进的方向。

[1] 董毓晖,徐西家,崔 超.3/2接线保护死区解决方案分析及选择策略[J].黑龙江电力.2014.04，27(4)：83-86.

[2] 程 强,续建国,樊丽琴.一种智能变电站典型设计方案中的保护死区研究[J].山西电力,2013.03，21(5)：21；24.

[3] 庄秋月,李凡红.500 kV内桥接线保护配置及运行工况探讨[J]，继电保护技术，2013.08，32(7)：43，46.

[4] 杨忠礼,牛元泰,吴 征,等.500 kV罐式断路器电流互感器二次回路接线错误的分析及对策[J].高压电器，2012.08：41(4)：105，106.

[5] 王建雄,罗志平,梁运华.220 kV保护死区问题的探讨及改进[J].继电器，2006.07，34(7)：83，87.

[6] 冯 军.智能变电站原理及测试技术[M]. 北京：中国电力出版社，2011.

[7] 郑玉平.智能变电站二次设备与技术[M].北京：中国电力出版社，2011.

[8] 刘振亚.国家电网公司输变电工程通用设计110(66)～750 kV智能变电站部分[M].北京：中国电力出版社，2011.

本文责任编辑：丁 力

Problem Description of Protection Dead Zone Caused by TA Allocation in Substation

Zhang Huishan,Wang Zhaolei,Liu Chunping

(Hebei Electric Power Maintenance Company, Shijiazhuang 050070,China)

Pointed to the problem of protection dead zone caused by TA allocation in normal and smart substation,based on related references, this paper analyzes the different protection allocation ways which may produce the problem of protection dead zone.Evaluating and comparing with the various design thinking,based on preventing this problem occurring,a related improving method is presented.AT same time,in order to provent protection's dead zone,some good advices based on planning and design to improving the properties of protection equipment is given to the TA allocation method .

current transformer;3/2 conneTAion;protection dead zone;quick action protection

2016-10-19

张惠山(1976-)，男，高级工程师，主要从事继电保护设备调试工作。

TM76

B

1001-9898(2017)03-0034-03