3/2接线互感器优化布置的继电保护改进新方法

胡泽鹏，李 斌，姚 斌，孙集伟，王兴国，杜镇安

（1.智能电网教育部重点实验室（天津大学），天津 300072；2.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；3.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，武汉 430070）

目前我国500 kV变电站内的主接线广泛采用3/2断路器接线方式，这种主接线方式供电可靠性高、运行灵活性强、操作检修方便[1-4]。当该接线方式中断路器单侧布置电流互感器时，以断路器为边界的保护范围与电流互感器构成的KCL广义节点不能完全重合，即存在无主保护覆盖的区域，称为保护死区。保护死区发生故障时，主保护不能瞬时切除，需要断路器失灵保护进行切除。按现有规程，失灵动作延时整定范围为200～250 ms，故障切除时间可能会超过400 ms[5-6]。当死区故障发生在特高压直流集中馈入近区，可能导致多回直流同时发生连续两次以上换相失败，巨大的暂态能量冲击会对送、受端电网造成严重影响，甚至存在垮网风险[7-8]。当断路器双侧布置电流互感器时，则可消除部分或全部保护死区，但是可能会导致切除故障时停电范围扩大的问题。

针对保护死区问题，文献[8]提出了基于站域信息的保护配合方案，有效缩短了死区故障发生时的保护动作时间，安全可靠性高；文献[9]提出按串集成的失灵及死区保护方案，装置数量相对较少，回路相对简单；文献[10]提出了基于邻域信息的3/2接线按串配置断路器保护方案，有效提高死区保护动作速度并缩小停电范围。针对切除故障扩大停电范围的问题；文献[11]基于站域信息共享，通过引入断路器的开合状态信息以及电流信息，采用分步重合闸策略快速恢复误切断路器，缩小停电范围扩大的时间。上述方案或没有缩小切除故障时停电范围扩大的问题，或是在停电后延时逐步恢复供电，没有解决在多个主保护覆盖范围下切除故障时导致停电范围扩大的问题。

本文总结了目前3/2断路器接线方式下电流互感器的几种典型布置方式及其存在的保护死区或切除故障时停电范围扩大的问题，针对以上问题，提出了增设断路器差动构成串断路器保护的解决方案，通过与现有的保护相配合，可在增加电流互感器配置数量减少保护死区的同时，有效缩小故障切除时的停电范围。

1 基于电流互感器配置的继电保护问题

3/2断路器接线方式，即3台断路器串联而形成一串，其两端分别接于两条母线，其中每两台断路器之间可引出一条连接至负载或变压器的线路，每条线路各占一个半台断路器。根据继电保护的要求与现场实际，3/2接线每串中通常可装设3～6组电流互感器而形成不同的保护配置方案。当电流互感器数量配置较少时，存在主保护覆盖不到的范围，即存在保护死区；当电流互感器配置数量足够、消除保护死区的同时，又会造成部分区域同时处于多个主保护的保护范围内，从而造成故障时切除停电范围扩大的问题。

1.1 保护死区

由于敞开式断路器自身结构中不含有电流互感器，需配合瓷柱式电流互感器使用，所以在早期3/2接线变电站建设采用该断路器时，出于成本等原因考虑往往断路器只单侧配有电流互感器[12]。这样断路器与电流互感器之间的连接线便成为了无主保护覆盖的保护死区，且两者之间的连线暴露在空气中，增大了发生死区故障的风险。

典型3TA配置的3/2接线中的一串如图1（a）所示，图中TA1与TA4的二次电流之和组成出线L1线路保护的本侧电流，TA3与TA6的二次电流之和组成出线L2线路保护的本侧电流，TA2采集本串的电流与其他串上相同作用的TA二次电流共同组成I母线的母差保护，TA5采集本串的电流与其他串上相同作用的TA二次电流共同组成Ⅱ母线的母差保护。串上每个断路器单侧配置电流互感器，导致以断路器为边界的保护范围与电流互感器构成的KCL广义节点不能完全重合，即母线保护和线路保护的故障测量范围互相交叉，但二者的保护范围并不交叉，不交叉区域即为断路器与电流互感器之间的连接线A、B、C区域，在上述区域内发生故障没有主保护可以瞬时切除，即为保护死区。

图1 3/2接线典型电流互感器配置情况Fig.1 Typical current transformer configuration under 3/2 connection

以图1（a）中A区域发生故障为例，故障点位于I母线母差保护范围内，而对于出线L1的线路保护属于区外故障，故障发生后I母线母差保护动作，所有边断路器跳闸切开I母线，但此时各出线及Ⅱ母线可继续向故障点提供故障电流，故障并未完全切除；经过延时后QF11断路器失灵保护动作，跳开QF11、QF21及L1对侧断路器，故障得以完全清除，上述整个故障切除时间可能会超过400 ms[8]，在“强直弱交”电网及现有直流控制保护技术条件下，不满足交流故障切除速度要求，会对电网造成威胁[13]；上述过程虽然通过后备保护切除了故障，但是此过程中跳开除QF11外的I母线边断路器对于切除故障是非必需的，同时扩大了停电范围。

当前配置下，将图1（a）串上划分为A～G区域，各区域故障时断路器动作情况如表1所示，表中第2列表示故障发生后主保护的断路器动作情况，表中第3列表示当主保护无法切除故障时，断路器失灵保护或死区保护的断路器动作情况，表中第4列表示由主保护与近后备保护（断路器失灵保护或死区保护）动作完成后而断开的断路器中，对于切除当前故障非必需断开的断路器，即切开后导致停电范围扩大的断路器。

表1 3/2接线3 TA保护配置故障时断路器动作情况Tab.1 Action of circuit breaker in the case of fault in 3 TA protection configuration under 3/2 connection

同理，3/2接线的典型4TA保护配置如图1（b）所示，存在保护死区B与G区域；3/2接线的5TA保护配置如图1（c）所示，存在保护死区E。

1.2 故障切除导致停电范围扩大

在3/2接线典型3TA保护配置基础上增加3组电流互感器，或3/2接线断路器采用罐式断路器时，3/2接线为典型6TA保护配置，如图1（d）所示。在该配置下不存在保护死区，但存在多个主保护交叉覆盖的区域，即图中母线保护与线路保护的重合区域B、C、H、J，两出线的线路保护重合区域E、F，上述区域发生故障时，存在故障切除停电范围扩大的问题。如图中区域E与F发生故障时，QF11、QF21、QF31及出线L1及L2对侧跳闸；但是当区域E故障时，QF31及L2对侧断路器不需要断开，当区域F故障时，QF11及L1对侧断路器不需要断开。当前配置下串上各区域故障时断路器动作情况见表2。

表2 3/2接线6TA保护配置故障时断路器动作情况Tab.2 Action of circuit breaker in the case of fault in 6TA protection configuration under 3/2 connection

同理，由于多个主保护交叉覆盖，切除故障时停电范围扩大的区域，图1（b）所示3/2接线的典型4TA保护配置中为区域D、E，图1（c）所示3/2接线的典型5TA保护配置中为区域B、C、G、H。

2 互感器优化配置

2.1 互感器配置方案分析

综合上文内容，对3/2接线电流互感器配置数量与死区及故障切除范围扩大的问题总结如表3所示，由此可以看出，随着串上电流互感器配置数量的增加，保护死区数量在减少，但同时故障切除时导致停电范围扩大的区域也在增加，没有兼顾继电保护的速动性与选择性。

表3 TA配置数量对继电保护的影响Tab.3 Influences of TA configuration quantity on relay protection

国家电网公司18项电网重大反事故措施要求当采用3/2、4/3、角形接线等多断路器接线形式时，应在断路器两侧均配置电流互感器。因此，对于新建的变电站，在有条件的前提下可采用罐式断路器；对于已建成的采用敞开式断路器的变电站，若加装柱式电流互感器受制于场地限制，也可考虑通过加装全光纤电流互感器等方法进行改造。以上方法可以有效消除保护死区，但会增加切除故障时导致停电范围扩大的区域。

2.2 串断路器保护方案设计

增加TA配置后3/2接线保护方案同时也增加了切除故障时停电范围扩大的可能性。针对此种情况，本文提出了增加串断路器保护装置解决切除故障时停电范围扩大的新方法，该方法利用单串内断路器两侧电流信息与线路保护相配合，站内断路器两侧电流信息与母线保护相配合，实现了对串内故障的准确定位，从而避免了故障时切除范围扩大的问题。

以3/2接线典型串6TA保护配置为例，增加串断路器保护装置后的站内保护配置如图2所示。构建串断路器保护装置，将单串内每个断路器两侧的电流信息输入其中并组成差动保护。串断路器保护装置判断结果以开入量形式送至该串相关的线路保护、变压器保护和母线保护。上述开入内容为线路保护、变压器保护及母线保护闭锁与否的逻辑信号。新增的断路器差动保护采用半波傅里叶算法，在10 ms数据窗得出差动计算结果，即可保证在母线保护和线路保护一周波数据窗时就提前得到断路器小差保护的状态[14-16]。为了减小计算误差，在计算断路器两侧差流时，可先用断路器两侧电流采样点直接计算差动电流采样点，再利用傅里叶半波算法得到差动电流幅值。

原3/2接线典型串6TA保护配置经过本方案改进后，发生故障后会导致保护切除停电范围扩大的区域都处于新增的断路器小差保护范围内。当上述区域发生故障时，断路器小差保护优先动作，同时向线路保护与母差保护发送闭锁信号。当该断路器断开后，结合其两侧的电流信息判断故障具体位置，对故障进行定位后，再向相应保护发送闭锁解除信号，相应保护动作完成后，串断路器保护判断故障切除成功，向之前闭锁的保护发送闭锁解除信号。

新增的串断路器保护对故障位置判别方式如下：以图2中断路器QF11小差保护范围内发生故障为例，检测到故障发生后，QF11断路器小差保护动作，同时发信闭锁I母线保护与L1出线保护，QF11断路器跳开后，依据断路器两侧电流信息进行故障区域的判断：当跳开QF11后，若满足式（1），即断路器断开，且TA1流过故障电流，则可判断为B区域的故障，此时串断路器保护向母线保护发信解除闭锁，母差保护动作；若不满足式（1）但满足式（2），即断路器断开，且TA2流过故障电流，则可判定为C区域故障，此时串断路器保护向线路保护发信解除闭锁，线路保护动作。若两式都不满足，则判别为断路器失灵。

图2 增加串断路器保护功能的变电站保护配置Fig.2 Substation protection configuration with string circuit breaker protection function added

式中，Iset为躲过最大负荷电流与不平衡电流并考虑裕度的整定值。根据文献[17-21]的研究与相关数据，由于断路器拖尾电流的影响，断路器断开后一侧电流互感器电流值最严重情况为断开前故障电流的0.2倍，故在本方法判定断路器是否断开时，判定值取为断路器一侧电流值为另一侧的3倍，即可不受拖尾电流的影响，避免了通过延时来判断断路器的开合状态，加快了故障区域的判断时间，同时也保有了一定的裕度。

本方案也适用于第1节所述3/2接线典型串4TA保护配置与5TA保护配置中的多个主保护覆盖的区域。以图1（b）所示4TA保护配置为例，在中断路器增加串断路器保护装置后，可有效解决图中所示每串D、E区域发生故障切除时停电范围扩大的问题；以图1（c）中5TA保护配置为例，在边断路器两侧分别增加断路器小差构成串断路器保护装置，可有效解决图中所示B、C、G及H区域发生故障切除时停电范围扩大的问题。

本方案也适用于出线带有刀闸时的3/2接线保护配置方式。当出线带有刀闸时，考虑到线路停用时，连接线将失去保护，此时装设有专门的T区保护。采用本方案对该种情况下的保护配置进行灵活改进，可有效解决保护死区及停电范围扩大等问题。

3 互感器优化配置的保护动作逻辑

原3/2接线保护配置经过上述方案改进后，原有保护如母线保护与线路保护在原有保护动作逻辑的基础上增加了串断路器保护装置的闭锁开放信号，如改进后的母差保护动作逻辑见图3。当串断路器保护装置保护范围内没有检测到故障时，串断路器保护装置闭锁信号保持开放，此时不影响其他位置发生故障时原有保护的动作；当故障发生在串断路器保护装置保护范围内时，串断路器保护装置发出闭锁信号。

图3 改进后母差保护动作逻辑Fig.3 Improved operation logic of bus differential protection

通过本方案改进后站内整体保护配合逻辑如图4所示，以图2中QF11断路器小差保护区域发生故障为例，原有保护配置下切除范围为Ⅰ母线与出线L1；通过本方案进行优化改进，上述区域发生故障后，串断路器保护检测到边断路器小差保护动作信号，闭锁Ⅰ母线保护与L1线路保护，同时断开断路器QF11，按本方案进行故障区域判定，当判定为B区域发生故障时，保护切除范围仅为Ⅰ母线。根据文献[8-9]等相关文献研究数据，串断路器保护动作时间按20 ms考虑，断路器开断时间按60 ms考虑，各保护收信按5 ms考虑，母线保护与线路保护达到原有动作条件按30 ms考虑，串断路器保护进行故障位置判别按30 ms考虑，则保护动作时序图如图5所示；判定为C区域发生故障时，保护切除范围仅为出线L1，对侧保护收信按10 ms考虑，其余条件不变，则保护动作时序图如图6所示。由上述时序图可见，经本方案改进后，可在200 ms内切除相应故障。其余串断路器保护范围内发生故障时动作情况类似。表2中所列出的切除故障非必需断路器，在保护配置经过本方案改进后都将不再切开。

图4 引入断路器小差后保护动作逻辑Fig.4 Protection action logic after the introduction of small differencial protection of circuit breaker

图5 边开关母线侧故障保护动作时序1Fig.5 Action sequence 1 of side switch bus-side fault protection

图6 边开关母线侧故障保护动作时序2Fig.6 Action sequence 2 of side switch bus-side fault protection

本方案在解决切除故障时停电范围扩大问题的同时，可利用故障时各保护的动作情况，对串内具体故障位置进行准确判定，从而方便事故分析与故障设备检修。以3/2接线典型串6TA配置为例，故障位置判定情况见表4。

表4 增加串断路器保护后各区域故障保护动作情况Tab.4 Protection action in the case of zone fault after adding string circuit breaker protection

4 结论与展望

（1）本文针对3/2接线方式下几种典型的电流互感器配置方案，结合母线保护、线路保护的动作逻辑分析了保护死区问题以及切除故障带来的停电范围扩大问题。针对因增加互感器配置来消除保护死区而带来的故障切除范围扩大的问题，本文提出了增加串断路器保护装置与原有的母线保护、线路保护相配合，从而达到减少误切断路器数量的保护配置新方案。

（2）本方案可有效解决3/2接线下多个主保护覆盖的区域发生故障时停电范围扩大的问题，增强了保护的选择性，同时还可对串内故障进行位置判定。变电站通过本方案进行改进时，不影响其他已有保护的保护范围及保护性能。

（3）本方案的实现基于已有的电流信息，不需增加新的一次设备；仅通过开关量信号就能实现串断路器保护与原有母线保护、线路保护的逻辑配合；无需传送模拟量等复杂电气量信息，避免了增加站域信息决策单元，并提高了继电保护系统的可靠性和选择性。本文所提方案在现场实施改造方便且成本较低，具有较强的实用性。