基于母聯電流不平衡度的變電站雙母線熱倒防誤閉鎖技術研究

曹健　陸劍云　蘇和　楊蕙銪

摘要：“先合后拉”是雙母線結線熱倒排操作的基本規則，但先合的隔離刀閘其合閘情況的檢查確認始終缺乏可靠有效的鑒別診斷方法，成為防誤操作中的一大隱患。本文通過建立倒排操作時各間隔的等值模型，選取極端情況下的運行方式。計算隔離刀閘正常和不完全合閘情況下母線及母聯電流的變化情況，提出一種基于穩態電流分析判別隔離閘刀合閘是否完全可靠的鑒別診斷及誤差排除方法，可為解決倒排操作時隔離閘刀合閘是否完全可靠的判別難題提供全新的解決方案，以確保變電站的操作安全和可靠供電，并為真正實現變電站的程序化、自動化、智能化倒閘操作創造條件。

關鍵詞：先合后拉；雙母線接線；閉鎖技術

中圖分類號：TM645 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0122-05

0 引言

雙母線接線方式因其兼具可靠性和靈活性的突出特點而在各種電壓等級的變電站中被廣泛采用。在這種接線方式下，線路或元件根據運行需要可在兩條母線之間進行靈活切換。這種切換操作在行業內稱之為“倒排”操作。其中在線路或元件不停電的條件下進行的倒排操作稱之為“熱倒”，反之在停電條件下進行的倒排操作稱之為“冷倒”。受供電可靠性要求制約，前者具有更高的概率。

在“熱倒”操作中，先“合”后“拉”是基本的操作規則。即先要將切換對象用于連接于目標母線的一把隔離刀閘合上，使兩段母線并列。如圖1中的G1。然后將切換對象連接原母線的隔離刀閘拉開（斷開）。如圖一中的G2。由于隔離刀閘是不能切斷負荷電流的，因此在拉開G2時必須確保G1合閘完全，接觸良好。否則將可能使G2“帶負荷拉閘”導致嚴重事故。然而，高壓隔離刀閘機械結構復雜，受制造質量、維護水平、銹蝕卡澀等隨機因素影響，隔離刀閘合閘時發生一相或兩相主觸頭接觸不良甚至不接觸的可能性和概率是客觀存在的。因此，在倒排操作中，檢查、鑒別、判斷隔離刀閘的合閘情況（如圖1中的G1），確認其動作完好、接觸可靠是極其重要的一環。它是后續操作（如圖1中的G2拉閘）的必要條件和重要前提。

目前，由于隔離刀閘沒有任何測量裝備，倒排操作中檢查確認隔離刀閘的合閘情況尚無成熟可靠的技術手段，主要依靠操作人員在現場的目視檢查。但受操作人員的觀察條件（光照、角度、距離）、自身條件（經驗、技能、視力）及設備結構（大多GIS中的隔離刀閘只有A相裝有位置指示器，B、C相無指示）等因素的限制而具有很大的不確定性。因而成為電力行業防誤操作機制和體系中的短板，也嚴重制約了變電站的程序化、自動化、智能化和遙控倒閘操作的實現和推廣。更為嚴重的是，他是變電站乃至電網安全運行的一個難以解決的隱患。

針對上述問題，文獻[1]提出了基于母線小差計算隔刀電流的方法來判斷隔離刀閘的合閘情況。但該方案的實現需要修改母差保護的計算模型。而母差保護是電力系統最重要的裝置之一，修改其計算模型高度敏感且具有很高的門檻。其次是其應用會增加運行操作的復雜性（如在倒排過程中需要將保護改信號等），而這種復雜性的提高也意味著操作安全性的降低，整體效果是值得商榷的，推廣中也會遭遇到很大的阻力。

文獻[7]設計了隔離刀閘接觸電阻在線測量裝置以判斷隔離刀閘的合閘情況。測量范圍25～2000μΩ，在測得接觸電阻明顯偏大時給出預警。但且不論其技術方案是否可靠，經濟性是否合理（隔離刀閘面廣量大），就如此大量裝置本身的運行維護無疑會大幅增加運行單位的負擔。推廣的難度是可以想見的。

在影響電網安全運行的各種因素中，人的因素是最不確定和最難控制的因素。因此，變電站倒排操作中檢查確認隔離刀閘的合閘情況依靠操作人員在現場的目視檢查的現狀長期而言是難以接受的。其不僅與電網運行實現自動化、智能化的發展目標相悖，更因其呈現的不確定性使變電站乃至電網的安全運行水平提升受到嚴重制約。

本文通過建立雙母線系統最簡化等效模型，通過在線計算倒排過程中母聯斷路器電流和母線傳輸電流的變化與相互關系，來判別隔離閘刀合閘是否完全可靠的一種鑒別診斷方法，其結果作為后續隔離閘刀操作是否允許的條件判斷。用于變電站實施倒排操作時防止發生帶負荷拉閘引發的嚴重事故。可為解決上述倒排操作時隔離閘刀合閘是否完全可靠的判別難題提供全新的解決方案，以確保變電站的操作安全和可靠供電。

1 母線熱倒時合環刀閘不完全合閘的分析

1.1 等效電路

典型的雙母線接線如圖2所示。

圖中L11、L12至L1N連接于I母，L21、L22至L2N連接于II母.

設L2N需從II母熱倒至I母。按操作順序應先合G1，再拉G2。為防止G2不完全合閘（一相或兩相）導致G2帶負荷拉閘。需對G1的合閘情況進行判定。

為便于分析分析G1的合閘前的情況，可將圖2所示接線簡化為圖3所示等效電路：

此時滿足：

I母線：∑II-IML=0

II母線：∑III+IML=0

I、II母線：∑II+∑III=0

母聯斷路器：IML=∑II=-∑III

假設，需將線路L2N從II母線倒向I母線運行，按操作順序先合上G1隔離刀閘。此時，相當于在倒排間隔與I母間增加了一個RG1支路。如圖4所示。

1.2 計算分析建模

將圖中除倒排間隔外的其它間隔用等效的負載電阻RM1和RM2替代，便形成圖5所示等效電路。

將上述等效電路經適當變換后可以形成圖6所示類似電橋電路的計算分析模型。由于母線上各支路的電流由各自的電源電壓和負載特性所決定，并不受RG1、RG2、RML等接觸電阻變化影響，因此其外電路可用一個電流源代替。

1.3 分析與計算

由電橋電路的分析可知，如果設圖6模型中RG1=RG2，RM1=RM2。則RML支路中電流為0。相當于倒排操作中隔離刀閘G1合閘正常接觸良好，其接觸電阻RG1為正常值，與隔離刀閘G2的接觸電阻RG2相當（有一定的離散范圍，但差距不大）。此時，母聯斷路器的RML支路中電流為0或較小。一旦隔離刀閘G1合閘異常，接觸不良，相當于在RG1上附加了一個△RG1。此時就會在RML支路中產生與之相對應的電流。也就是說，在特定條件下，RML支路電流的變化可以間接地反映接觸電阻RG1的變化。從而實現通過分析母聯斷路器電流變化來判定隔離刀閘G1的合閘情況。也可運用接點電流法求得IG1和IG2。

即：對于節點I

IG1-IM1-IML=0 IG1=IM1+IML

即：對于節點II

IG2-IM2+IML=0 IG2=IML-IM2

在實際工程中，RM1與RM2并不相等，也無法直接測量。應用電橋原理測量RG1存在一定困難。而應用節點電流法更易于實現。

其中，母聯電流IML可直接通過測量獲得，IM1可通過計算除倒排間隔外的I母線所有間隔電流代數和獲得；IM2可通過計算除倒排間隔外的II母線所有間隔電流代數和獲得。

即：IM1=∑II（倒排間隔除外）

IM2=∑III（倒排間隔除外）

2 合環刀閘不完全合閘的判據的選擇

由以上分析可見，在隔離刀閘G1合閘情況下，倒排間隔的負荷電流被隔離刀閘G1和G2所分流。由于在不同運行方式下負荷電流變化很大，單純計算IG1或IG2的大小對于判別G1合閘情況并無實際意義。考慮到一旦G1發生不完全合閘，其故障相接觸電阻將>>G2對應相的接觸電阻，相對應的IG2將>>IG1。因此，選取IG1與IG2的比值作為判別G1合閘接觸電阻RG1的判據可有效消除負荷電流變化的影響。

考慮倒發生不完全合閘通常只會一相或兩相（三相同時發生且基本一致的情況概率太低可以不予考慮）。因此必然會反映倒IG1三相不平衡或三相IG2與IG1的比值的不平衡上面來。如果將這種不平衡電流的增量或三相IG2與IG1的比值的的不平衡增量作為RG1變化的輔助判據。可望大大提高判別G1不完全合閘的準確率和可靠性。

3 倒排操作的仿真模型及參數選取

參照前文所述分析與計算模型，建立基于三相理想交流電流源，三相恒定PQ負荷、倒排間隔隔離刀閘等值電阻，母聯支路等值電阻的模型。如圖7所示。通過仿真操作觀察和分析隔離閘刀G正常和不完全合閘時的電流變化情況，以驗證上述分析的合理性。

其中，除倒排間隔外的其它間隔負荷電流由各自的電源電壓和負載特性所決定，并不受倒排操作影響，因此兩條母線上的所有線路或元件可各用一個三相恒定PQ負荷模型等值，其值等于母線穿越功率。由于隔離刀閘不完全合閘主要反映在刀閘接觸電阻變化，因此倒排間隔的兩把刀閘可用兩組（每組3個）純電阻替代。對應刀閘的接觸電阻。母聯斷路器及兩側刀閘的接觸電阻也用一個純電阻等效。

為充分獲得仿真數據，可分別將此三個端口設為電源或負載。如表1所示。

隔離刀閘接觸電阻一般為100μΩ左右。仿真中按50～150μΩ離散范圍取值。如表2所示。

從仿真結果中可以看出，隔離刀閘發生不完全合閘時，故障相電流在接觸電阻1～100Ω范圍內均接近為0，而另一把刀閘對應相幾乎流過了全部電流。IG2/IG1相差懸殊。表明將這一特征作為判別隔離刀閘發生不完全合閘的判據是可行的。

但仿真結果也可以看出，隔離刀閘接觸電阻正常離散值也會對兩把刀閘的電流分配造成很大影響。正常情況下，斷路器、隔離刀閘合閘時其接觸電阻約為100μΩ，極端情況下阻值離散范圍可達50～300μΩ。但由于刀閘不完全合閘時，故障相的接觸電阻可達100Ω的數量級。因此上述誤差在犧牲一定靈敏度的前提下是可以躲過的。

4 誤差與干擾因素的排除

在實際工程中，通過計算倒排間隔兩把隔離刀閘電流的比值增量來判斷的變化，均需要排除各種誤差因素的干擾。特別是積累誤差造成的不確定性。這些誤差因素包括：

（1）隔離刀閘和斷路器制造上的分散性引起的接觸電阻誤差；正常情況下，斷路器、隔離刀閘合閘時其接觸電阻約為100μΩ，極端情況下阻值離散范圍可達50～300μΩ。G1刀閘合閘時如合閘情況良好，考慮倒極端情況，RG1取300μΩ，RML取150μΩ或RG1取50μΩ，RML取900μΩ.則的誤差范圍可達2～1/18。其造成的誤差最大可達36倍。但由于刀閘不完全合閘時，故障相的接觸電阻可達100Ω的數量級。因此上述誤差在犧牲一定靈敏度的前提下是可以躲過的。

（2）隔離刀閘和斷路器運行過程中的機械、電氣特性變化（觸頭燒蝕、氧化、金屬蠕變引起的接觸壓力變化）引起的接觸電阻誤差；在目前的電氣設備維護要求和正常維護條件下，本款所述誤差應該可以為1）中所述誤差范圍所包含，可以不作專門考慮。

（3）運行方式變化引起電流及電流分配變化導致的誤差。受母聯及各支路電流測量精度的限制，在最小方式（各支路負荷電流均很小或空載）下將會給電流計算判別的造成死區。應通過計算和綜合各種要素，盡可能限縮死區的范圍。

（4）電流互感器誤差特性引起的電流測量值誤差；用電流作為判據時，電流互感器誤差特性引起的電流測量值誤差是不可忽略的因素。特別是∑II或∑III會產生積累誤差，如母聯斷路器電流數據采自計量互感器時會在穿越性大負荷情況下誤差會明顯增加等。降低上述誤差影響可選用或并有以下方法：1）借鑒母差保護整定的方法，將計算結果用一個1.3～1.5的系數進行修正；2）使，通過誤差均衡的方法來降低誤差；3）通過在平時（非故障情況下）測量∑II、∑III及的相對誤差，并按一定的算法動態生成一個修正值。在啟動計算時進行修正。

（5）電力系統負荷的三相不平衡引起的相間不平衡電流（零序電流）誤差；國標規定，配電三相負荷不平衡率不大于15%，通常輸電系統要小于此值，因此在計算時按15%進行修正是可以消除其誤差干擾的。

（6）母線較長情況下不同布置方式造成的三相阻抗不平衡引起的誤差；這種情況很隨機，且難以測量。但這種情況引起的電流測量誤差幅度不會很大，（1）和（6）的誤差修正方法應該可以涵蓋。

（7）故障穿越情況下，電流互感器飽和造成的測量誤差；G1刀閘合閘后啟動判別程序時正好有區外故障電流穿越，這種情況雖然概率很低，但因其會產生極大的誤差，在難度不大代價不高的情況下也是需要考慮的。由于故障電流穿越通常時間很短，可通過間隔一定時間重復測量計算的方法加以排除。

5 實施方案概要

本項目所述方案可通過與現有測控裝置數據通信獲取相應設備的負荷電流、狀態位置、變位信息等實時數據，作為實施本方案的輸入信息源。依據本文所設定的模型和算法對這些數據和信息進行處理運算。當運算結果判定相應隔離刀閘合閘異常時向現有測控系統或防誤操作裝置輸出閉鎖信號或告警信息。

實施本方案的載體可以是一個軟件插件或軟件模塊，嵌入已有測控裝置、監控系統或防誤操作裝置/系統中。也可設計成獨立物理裝置通過數據通信與現有裝置/系統并列運行。甚至可以通過61850協議融入已有變電站自動化系統發揮效能。原理框圖，如圖9所示。

本項目方案由數據預處理（根據當前運行方式信息和變位信息確定倒排操作對象并過濾出所需運算數據）、處理運算、等效模型和輸出四部分組成。輸出部分可以分為軟輸出（通信接口）和硬輸出（繼電器接點）兩種方式。以適應現場的不同需要。

6 結語

本文提出的基于母聯電流不平衡度的變電站雙母線熱倒防誤閉鎖技術研究具有較好的適應性與通用性。由于雙母線接線方式是變電站的一種經典設計方案，其設計早已標準化。應用早普遍化。因此本文所述方法可廣泛應用于各種電壓等級、形態的變電站、發電廠。

其次是簡單易行。由于本發明方法的應用不需要對現有設備進行改動，不會增加運行人員的作業負擔，不會對現有設備造成不利影響。只需要建立數據通信或簡單硬件聯系（繼電器接點輸出）即可實現。

第三經濟高效。由于本發明主要是一個軟件。對硬件載體和平臺的依賴極小。可以軟件插件、功能模塊或獨立部件等多種形態實現應用。投入少，效果顯著。能有效解決電力系統的一個防誤操作短板。投入產出比明顯。

Abstract："First Closing and then Drawing" is the basic rule of double busbar junction thermal inversion operation， but the inspection and confirmation of the closing condition of the first closing isolation switch is always lack of reliable and effective differential diagnosis method， which has become a major hidden trouble in the misoperation prevention. In this paper， the equivalent model of each interval in reverse operation is established to select the operation mode in extreme cases. Calculation under normal operation and incomplete closing breaker to isolate the bus bar and the mother of the change of the current situation， put forward a kind of based on steady state current analysis the differential diagnosis of identifying whether the isolation knife switch completely reliable and the error elimination method， can in order to solve the inversion operation when the isolation knife switch is fully reliable discriminant problem provides new solutions， to ensure the operation of the transformer substation safe and reliable power supply， and to realize the procedural safeguard of substation， automation， intelligent brake operation to create the conditions.

Key words：close before pull；double bus connection；locking technology