电流互感器位置与死区故障保护动作行为分析

2022-03-17王利平

四川电力技术 2022年1期

王利平,程浪,胡杨

(1.国网四川省电力公司，四川成都 610041；2.国网四川省电力公司检修公司，四川成都 610041)

0 引言

电力系统继电保护是电网安全稳定运行的第一道防线，要求能够有选择性地快速切除故障。继电保护装置的电气量保护主要是通过电流互感器(current transformer，CT)感知故障，由保护逻辑运算动作出口并驱动断路器隔离故障的。继电保护装置的保护范围与电流电压互感器的安装位置密切相关。若电流互感器安装位置不当时，可能导致断路器与电流互感器之间产生死区，造成相关元件主保护无法动作，应充分考虑合理的电流互感器配置和二次绕组分配，消除主保护死区，如存在保护死区，则应根据电网的需要配置死区保护或断路器失灵保护切除故障[1-2]。由于一次接线原因，CT死区发生故障必然会扩大事故停电范围。根据四川电网的实际情况，对220 kV及以上电压等级常见的双母线和3/2接线方式的电流互感器位置和死区故障的保护动作行为进行了统计分析，得出了关于保护死区与CT安装位置之间的相联性的结论。这里所描述的CT均为保护用CT。

1 CT安装位置对保护行为的影响

在变电站中，CT通常相邻断路器安装，有的安装在断路器两侧(常见于GIS设备)，有的安装在断路器某一侧(常见于户外敞开式设备)，断路器与CT之间通过导体连接，距离有长有短，有一定的概率发生故障。

1.1 CT双侧安装

当CT双侧安装时，为防止部分一次设备失去主保护，绕组应交叉接入保护装置，使得断路器所在元件的保护范围交叉重叠。双母线接线形式的支路和母联断路器CT双侧安装分别如图1、图2所示，3/2接线形式的CT双侧安装如图3所示。

图1 双母线接线的支路CT双侧安装

图2 双母线接线的母联断路器CT双侧安装

图3 3/2接线的CT双侧安装

图1中的两组CT之间的区域实际上是同时处于母线保护和线路(变压器)保护的主保护范围之内。若F1或F2发生故障时，母线保护和线路(变压器)主保护将同时动作，跳开相应的断路器。按照保护的选择性要求，当F2故障时应只跳开线路(变压器)，而不应切除母线。母线保护和线路(变压器)保护同时动作实际上是扩大了事故停电范围。图2中的母联断路器两组CT之间的区域实际上是同时处于两段母线的差动保护范围之内。若F1或F2发生故障时，两段母线将被同时切除，同样扩大了事故停电范围。同理，图3所示的3/2接线串上断路器和CT之间发生故障时仍会扩大事故停电范围。

1.2 CT单侧安装

对于双母线接线的线路(变压器)支路，CT可以单侧安装在断路器的母线侧，也可以安装在非母线侧,如图4所示。当CT安装在母线侧时，如F1发生故障，故障点位于线路(变压器)保护范围内、母线保护范围外，则线路(变压器)主保护动作跳开断路器但故障仍然存在时，需依靠母线保护中的支路失灵保护延时动作，切除该支路所在母线。当CT安装在非母线侧时，如F2发生故障，故障点位于母线保护范围内、线路(变压器)保护范围外时，则母线主保护动作跳开断路器，同时通过“其他保护动作”开入远跳对侧断路器将故障点切除。但同时扩大了事故停电范围(母线停电)。

图4 双母线接线的支路CT单侧安装

对于双母线接线的母联CT，可单侧安装在母联断路器的靠Ⅰ母侧或靠Ⅱ母侧,如图5所示。当CT安装在靠Ⅰ母侧时，如F1发生故障，该故障点位于Ⅱ母线的差动保护范围内，母线保护的Ⅱ母小差动作跳开母联(分段)断路器和Ⅱ母上的运行支路，但故障点仍然存在于Ⅰ母上，需依靠母线保护中的母联失灵保护延时动作跳开Ⅰ母上的运行支路，才能切除故障。同理，可分析当CT安装在靠Ⅱ母侧时，在F2发生故障的情形。

图5 双母线接线的母联断路器CT单侧安装

对于3/2接线的边断路器，CT可以单侧安装在断路器的母线侧，也可以安装在非母线侧(靠中断路器侧),如图6所示。存在的问题和双母线接线的线路(变压器)支路是相同的。

图6 3/2接线的边断路器CT单侧安装

对于3/2接线的中断路器，CT单侧安装时(如图7所示)，当F3发生故障，故障点在线路(变压器)支路2的保护范围内，线路(变压器)支路2主保护动作，跳开中断路器和边断路器2，但故障点仍然存在，需依靠断路器死区保护延时动作跳开边断路器1和线路(变压器)支路1对侧断路器以隔离故障，同时扩大了停电范围(线路(变压器)支路1、支路2均停电)。同理，可分析当F4发生故障时的情形。

图7 3/2接线的中断路器CT单侧安装

1.3 小结

由于断路器和CT之间总存在电气距离，存在发生故障的概率，当CT布置在断路器两侧时，断路器两侧元件主保护的保护范围在CT和断路器之间交叉重叠，在该区域发生故障时，两侧元件的主保护同时快速动作，直接将故障点隔离；当CT布置在断路器一侧时，保护范围覆盖该故障点的主保护动作后并不能切除故障，需要依靠断路器失灵保护、死区保护动作或其他保护动作远跳对侧的方式，切除相邻元件后才能隔离故障点。

可见，无论CT安装在哪个位置，为了可靠切除故障，保护会将非故障元件切除，扩大停电范围。

2 相关保护的动作行为分析

在220 kV及以上电压等级的变电站内，受CT安装位置影响的保护主要有差动保护、断路器失灵保护、断路器死区保护等，其中差动保护主要包括母线差动保护、主变压器差动保护及线路差动保护。

2.1 常见差动保护逻辑

常见的母线差动保护动作原理为若母线保护各间隔电流满足启动条件：

(1)

式中：ΔIrm为制动电流的突变量；ΔIdsetm为制动电流突变量门槛值；Idm为母线差动电流；Idsetm为差动电流启动整定值。即当任一相的合电流突变量大于突变量门坎或当任一相的差电流大于差电流门坎定值时，保护启动。同时满足动作条件后，母线保护动作，其动作方程为

(2)

式中：n为支路数量；Ij为母线第j支路电流，j=1，2，…，n；Krm为比率制动系数。

此外，220 kV母线差动保护动作需经复合电压元件动作才能出口跳闸，其方程为

(3)

式中：Ua、Ub、Uc分别为母线三相电压；U0、U2分别为母线零序电压和负序电压；Uset、U0set、U2set分别为母线相电压、零序电压、负序电压、复合电压闭锁整定值。3个判据中的任何一个被满足，该段母线的复合电压元件动作。

常见的线路差动保护动作判据为

(4)

式中：φ为相别，即A、B、C三相；ICDφ为φ相线路差动电流，即为线路两侧电流矢量和的幅值；IRφ为φ相线路制动电流，即为两侧电流矢量差的幅值；IH为动作门槛值。当电容电流补偿投入时，IH为1.5倍差动电流定值和1.5倍实测电容电流两者间的最大值；当电容电流补偿不投入时，IH为1.5倍差动电流定值和4倍实测电容电流两者间的最大值。

常见主变压器差动保护则主要采用比率差动动作方程，其方程为

(5)

差动保护的逻辑动作原理，使得其差动保护范围被严格限制在其所接各CT绕组安装位置之内，即会导致差动保护范围交叉重叠和保护死区的情况发生。

2.2 断路器失灵保护的动作行为分析

部分CT单侧安装产生的保护死区发生故障时，主保护动作跳开了相应的断路器，但CT仍然能感受到故障电流，这和断路器失灵时的现象是相似的，因此可以依靠断路器失灵保护来最终切除故障。断路器失灵保护是断路器拒动时断开与故障元件相连的所有其它连接电源的断路器的近后备保护，是母线保护装置和断路器保护装置的重要功能。断路器失灵保护一般是指故障电气设备的继电保护动作发出跳闸命令而断路器拒动时，利用故障设备的保护动作信息与拒动断路器的电流信息构成对断路器失灵的判别，能够以较短的时限切除其他有关的断路器，使停电范围限制在最小。

双母线接线的断路器失灵保护功能是在母线保护装置中实现的。当保护装置收到故障线路(主变压器)支路的启动失灵开入后，同时经失灵电流定值判断、母线电压闭锁开放等条件，延时动作跳开故障支路所在母线的全部支路断路器、母联(分段)断路器等，实现故障点的隔离。此外，双母线接线的母线保护装置还能实现联跳主变压器三侧的功能，即当母线保护动作跳主变压器支路而主变压器支路断路器拒动时，延时通过“主变压器失灵联跳”开入跳开主变压器三侧。线路支路采用相电流、零序电流(或负序电流)“与门”逻辑；变压器支路采用相电流、零序电流、负序电流“或门”逻辑[3]。

3/2接线的断路器失灵保护则是在断路器保护装置中实现的。3/2接线的断路器失灵保护无电压闭锁，对于线路保护分相跳闸开入和变压器、发变组、线路高压电抗器三相跳闸开入，应采取措施防止由于开入量异常而导致的失灵保护无法启动。任一相跳闸开入后，需经电流突变量或零序电流启动并展宽后启动失灵；三相跳闸开入后，不经电流突变量或零序电流启动失灵[4]。此外该接线方式下，其三跳启动失灵还可经低功率因素辅助判据开放，低功率因素元件动作条件为

|cosθ|

(6)

式中：θ为一相电压与电流的相角差测量值；θZD为装置低功率因素角整定值。当装置整定为θZD时，低功率元件的动作范围为

(7)

当任一相电压低于0.3倍额定相电压时，低功率因素元件退出。

2.3 死区保护的动作行为分析

在断路器和CT的死区发生故障，若仅依靠断路器失灵保护来最终隔离故障点，动作时间较长，可能会造成系统失稳，因此应采取其他措施尽可能快速切除故障。目前主要通过断路器死区保护来实现改目的。

母联断路器的死区保护是母线保护装置中的功能之一。当双母线接线母联断路器和CT之间发生故障时，母联死区保护可以比母联失灵保护更快地切除故障。在双母线并列运行发生母联死区故障时，母线保护发出跳闸命令后，母联断路器跳开而母联CT仍有电流，且大差比率差动元件不返回，则判断母联CT发生死区故障，经150 ms延时后母联CT电流不计入小差计算[5]，通过合位死区故障动作，相继跳开两条母线。在双母线分列运行时(母联跳位继电位“TWJ”开入为“1”且母联分列运行压板投入)，若母联CT无流，则经过400 ms短延时后，母联电流将不计入小差计算[5]。该方式下死区故障可实现快速有选择性的跳闸。若当双母线接线的母联断路器通过合闸操作对未带电母线进行充电时，检测到母联跳闸位置信号为“1”，且母联手合接点信号由“0”变“1”，则启动充电至死区保护闭锁母差保护。在大差差动电流起动开始的 300 ms 内，闭锁母差保护直接出口跳母联断路器[6]。

3/2接线的断路器保护装置中也具有死区保护功能。保护装置的死区保护功能仅在断路器三相跳闸后，三相位置信号均为“1”时才启动。当断路器保护收到三相跳闸失灵启动信号和三相跳闸位置，并且最大相电流大于失灵保护相电流定值，则判断为死区故障。死区保护出口回路与失灵保护一致，但动作延时较失灵保护更短，即经较短延时切除其他有关断路器以隔离故障[7]。对于分相操作断路器，若死区内发生单相接地故障且线路保护单相跳闸时，可以通过断路器失灵保护动作来隔离故障；也可以因保护跳闸后故障电流持续，导致单相跳闸失败引起线路保护三相跳闸。通过死区保护动作来隔离故障，具体哪一个保护动作隔离故障与“死区保护时间”和“失灵保护时间”定值有关。

3 四川电网保护CT安装位置现状

截至2020年4月，国网四川电力共运行有220 kV变电站241座，500 kV变电站52座，共计3575个断路器。CT安装位置统计情况详见表1。由表1可以看出：1)按断路器结构来分，AIS结构的断路器有1860个，保护用CT全部单侧安装；GIS结构的断路器中有846个断路器的保护用CT双侧安装，869个的保护用CT单侧安装。2)按电压等级来分，500 kV电压等级的3/2接线有349个断路器保护用CT双侧安装，286个断路器保护用CT单侧安装；220 kV电压等级双母线(双母双分、双母单分)和桥接线等主接线有497个断路器保护用CT双侧安装，2443个断路器保护用CT单侧安装。

表1 不同开关结构的CT安装位置情况

从统计数据来看，国网四川电力CT单侧安装的情况仍占绝大多数。对于500 kV变电站，该情况下将导致故障不能快速切除，尤其是在四川个别500 kV站点，如果出现死区故障，将可能导致系统失稳。但随着近年来智能变电站和GIS站的不断投运，加之已对该类情况逐渐重视，CT双侧布置情况日渐增多，500 kV系统CT单侧布置的隐患得到改善。