220 kV 线路保护双重化关于单相接地故障相关保护的配合

武博

（大唐山西发电有限公司太原第二热电厂电气工程部，山西 太原 030041）

目前电网系统中220 kV 线路保护普遍采用保护装置双重化的配置，此种方式提高了电网运行的安全性和可靠性，但是也增加了两套保护装置间原理和相关接线的配合，而继电保护人员往往针对单套保护装置的模拟试验较多，而对于两套保护装置间的配合研究较缺乏，本文以线路保护单相接地故障为例，分析了两套保护之间的相关配合。

1 瞬时性单相接地故障重合闸

电力系统中，输电线路的故障多数为瞬时性故障，大约占到故障总数的80%及以上，而这些瞬时性的故障普遍由雷电袭击造成绝缘子表面的闪络、树枝触碰引起线路的放电、绝缘子表面的污垢或者鸟类停留导线等原因造成的瞬间单相接地。此时，保护装置只需将故障相别两侧断路器断开，致使故障相失电，从而切断故障电流，然后再对故障相进行重合闸，由于非故障相在保护动作到重合闸周期内正常运行，单相重合闸后重新恢复系统三相运行状态，此种方式缩短了保护动作的停电时间，缩小了停电范围，大大提高了电力系统运行的可靠性和稳定性。

由于线路瞬间单相故障，致使保护装置动作跳开故障相后，非故障的两相正常运行，通过相间以及对地电容向故障点提供电容电流。与此同时，非故障相通过相间互感在故障相产生感应电势，从而对故障点提供了感性电流，由此所产生的容性和感性分量共同向故障点提供的电流称为潜供电流。由于潜供电流的存在，增加了故障点熄弧的时间，所以单相故障重合闸时间需大于潜供电流熄弧的时间，同时小于非全相保护动作的时间，重合闸才能顺利成功。

随着微机保护装置的广泛运用，两套保护装置间的误差逐渐减小，对于重合闸保护，两套保护装置是可以同时投入运行，尤其对于单相重合闸方式，两套保护装置可以不设置闭锁回路。案例一：山西某风电场220 kV 线路保护A、B柜分别配置为保护A 柜北京四方CSC-103 线路保护装置加JZF-12F 操作箱、B 柜南瑞PCS-931 线路保护装置，两套保护装置均设置重合闸方式为单相重合闸，重合闸设置时间为0.5 s，非全相保护设置时间为2 s。某日雷雨天气，线路A相突然遭受雷击，保护动作，断开A 相开关后，重合A 相开关成功，线路重新恢复运行。检查保护A 柜保护装置动作记录为14 ms 纵联差动保护动作跳A 相，71 ms 单跳启动重合闸，571 ms 重合闸动作；保护B 柜动作记录为15 ms 纵联差动保护动作跳A 相，560 ms 重合闸动作。两套保护装置虽然重合闸均动作，但是开关只重合一次，不会重复合闸。因为对于被保护的线路，如果发生瞬时单相故障时，对于微机保护而言，两套保护动作到重合闸的时间非常接近，基本小于合闸指令发出到机构完成合闸的时间。即使两套保护装置重合闸时间存在很大的差异，断路器都不可能出现重复合闸，因为如果一套保护装置先发出重合指令并且开关重合成功后，第二套保护装置再发出重合指令，此时断路器的辅助接点断开，从而重合闸控制回路断开，所以此时即使再有合闸指令，断路器不会发生再次合闸的情况。

2 单相接地故障重合闸失败保护永跳的配合

若被保护线路发生单相故障，保护装置动作断开故障相断路器后，故障相仍然有电流存在，此时两套保护装置均不应该发出重合闸指令，而是应该将断路器三相迅速断开。

例如案例一中被保护线路双侧断路器，本侧断路器单相跳闸切断故障电流重合闸成功，而对侧断路器单相跳闸后故障电流依然存在，断路器未重合直接三相跳闸；对侧所使用保护装置与本侧相同，均为A 柜北京四方CSC-103 线路保护装置加JZF-12F 操作箱、B 柜南瑞PCS-931 线路保护装置，两套保护装置重合闸方式也与本侧相同，均为单相重合闸，重合闸设置时间为0.5 s，非全相保护设置时间为2 s。保护装置动作记录分别为：A 柜13 ms 纵联差动保护动作跳A 相，动作记录及出口只有A 相跳闸；B 柜7 ms 纵联差动保护动作，159 ms 单相跳闸失败，162 ms 三跳闭锁重合闸。线路两侧断路器相同的保护配置，定值相同，而在同一故障时，本侧保护单相跳闸重合闸成功，而对侧单相跳闸失败，最终开关三相跳闸。继电保护人员分析检查后发现对侧线路保护操作箱至GIS 断路器汇控柜跳闸回路A 相和C 相接反，导致线路A 相接地故障时，保护虽正确选相出口，但实际A相断路器未跳而C 相断路器跳闸，A 相故障未切除，永跳三相。

此故障类型符合单相跳闸失败情况，保护A 柜北京四方CSC-103 装置判断单相跳闸失败判据为：在保护装置发出单相跳闸命令后，若跳闸相无电流，保护装置判断为该相断开；若跳闸相持续有电流且电流大于无电流门槛0.1In 时，保护装置判断为单相跳闸失败，经250 ms 延时后，保护发三跳指令。保护B 柜南瑞931 装置判断单相跳闸失败判据为：保护装置发出单相跳闸指令后若跳闸相持续有电流且电流大于0.06In，保护装置判断为单相跳闸失败，经150 ms 延时后，保护发三跳指令。所以该案例保护B 柜在A 相断开后，仍有故障电流，经150 ms 后由于故障电流仍然存在，保护装置发三跳指令将开关三相跳闸，而保护A 柜由于判断单相跳闸失败时间为250 ms，此时保护B 柜已将开关三相跳开，且保护装置收到TWJ 信号，重合闸在单重方式时，保护动作三跳，或断路器断开三相，重合闸放电，保护只会发出单相跳闸指令且闭锁重合闸。

由此可见，被保护线路发生单相接地故障且断开相持续有电流时，保护装置应判断为单相跳闸失败，若A、B 两套保护装置原理相近，并且计算单相接地故障时间相近时，两套保护装置均应发出单跳失败，三相跳闸指令；若A、B 两套保护装置原理不同，计算单相接地故障时间差异较大时，其中较快的一套保护装置应能发出单跳失败，三相跳闸指令，而另一套保护装置在收到开关三相TWJ 反馈后，闭锁重合闸，保护动作结束。所以，当被保护线路发生单相故障并且判断单相跳闸失败时，两套保护装置不会发出重合闸指令，而是单相跳闸后，迅速发出三跳指令，闭锁重合闸，将开关三相断开。

3 永久性单相接地故障时重合闸后加速动作的配合

若被保护线路发生永久性单相接地故障，保护装置在第一次断开故障相时，故障电流切除，满足重合闸条件，断路器在重合闸后，故障电流又重新存在，此时保护装置应快速断开断路器三相且闭锁重合闸。

依旧以北京四方CSC-103线路保护装置及南瑞PCS-931线路保护装置为例，可以将此故障类型分成两步，首先当发生接地故障至断路器重合阶段，此过程可等同于情况一瞬时性单相接地故障重合闸类型，由以上结论可得，在此过程中不管任何情况下断路器都只会重合一次，不会重复合闸；接下来重合于故障保护后加速永跳阶段：北京四方CSC-103线路保护在单重方式下，若重合于故障，零序加速动作经60 ms 延时保护永跳出口；南瑞PCS-931 线路保护单相重合闸时，若重合于故障零序过流加速延时60 ms 永跳出口；两套保护装置原理及保护出口时间基本相同，若在上一阶段两套装置重合闸出口时间相近，此时两套保护装置均应加速永跳出口；若在上一阶段两套装置重合闸出口时间差距较大，较快重合闸动作的装置后加速永跳出口，而另一套保护装置收到三相TWJ 信号，闭锁本装置重合闸出口，断路器不会重合闸。所以线路发生永久性单相接地故障时，被保护断路器断开故障相后，只会重合一次，由于重合于故障，保护后加速永跳出口，断路器三相断开保护动作结束。

4 结论

随着微机保护的广泛应用，保护精度高、误差小，220 kV线路保护双重化配置中，两套保护装置均可以投入单相重合闸功能，且两套重合闸保护之间不需要设置闭锁。线路中发生任何形式的单相接地故障时，两套保护装置在重合闸出口配合时，断路器最多只会重合一次，不会出现重复合闸，使故障扩大并且损坏断路器的现象。