3/2接線互感器優化布置的繼電保護改進新方法

胡澤鵬，李 斌，姚 斌，孫集偉，王興國，杜鎮安

（1.智能電網教育部重點實驗室（天津大學），天津 300072；2.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192；3.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，武漢 430070）

目前我國500 kV變電站內的主接線廣泛采用3/2斷路器接線方式，這種主接線方式供電可靠性高、運行靈活性強、操作檢修方便[1-4]。當該接線方式中斷路器單側布置電流互感器時，以斷路器為邊界的保護范圍與電流互感器構成的KCL廣義節點不能完全重合，即存在無主保護覆蓋的區域，稱為保護死區。保護死區發生故障時，主保護不能瞬時切除，需要斷路器失靈保護進行切除。按現有規程，失靈動作延時整定范圍為200～250 ms，故障切除時間可能會超過400 ms[5-6]。當死區故障發生在特高壓直流集中饋入近區，可能導致多回直流同時發生連續兩次以上換相失敗，巨大的暫態能量沖擊會對送、受端電網造成嚴重影響，甚至存在垮網風險[7-8]。當斷路器雙側布置電流互感器時，則可消除部分或全部保護死區，但是可能會導致切除故障時停電范圍擴大的問題。

針對保護死區問題，文獻[8]提出了基于站域信息的保護配合方案，有效縮短了死區故障發生時的保護動作時間，安全可靠性高；文獻[9]提出按串集成的失靈及死區保護方案，裝置數量相對較少，回路相對簡單；文獻[10]提出了基于鄰域信息的3/2接線按串配置斷路器保護方案，有效提高死區保護動作速度并縮小停電范圍。針對切除故障擴大停電范圍的問題；文獻[11]基于站域信息共享，通過引入斷路器的開合狀態信息以及電流信息，采用分步重合閘策略快速恢復誤切斷路器，縮小停電范圍擴大的時間。上述方案或沒有縮小切除故障時停電范圍擴大的問題，或是在停電后延時逐步恢復供電，沒有解決在多個主保護覆蓋范圍下切除故障時導致停電范圍擴大的問題。

本文總結了目前3/2斷路器接線方式下電流互感器的幾種典型布置方式及其存在的保護死區或切除故障時停電范圍擴大的問題，針對以上問題，提出了增設斷路器差動構成串斷路器保護的解決方案，通過與現有的保護相配合，可在增加電流互感器配置數量減少保護死區的同時，有效縮小故障切除時的停電范圍。

1 基于電流互感器配置的繼電保護問題

3/2斷路器接線方式，即3臺斷路器串聯而形成一串，其兩端分別接于兩條母線，其中每兩臺斷路器之間可引出一條連接至負載或變壓器的線路，每條線路各占一個半臺斷路器。根據繼電保護的要求與現場實際，3/2接線每串中通?？裳b設3～6組電流互感器而形成不同的保護配置方案。當電流互感器數量配置較少時，存在主保護覆蓋不到的范圍，即存在保護死區；當電流互感器配置數量足夠、消除保護死區的同時，又會造成部分區域同時處于多個主保護的保護范圍內，從而造成故障時切除停電范圍擴大的問題。

1.1 保護死區

由于敞開式斷路器自身結構中不含有電流互感器，需配合瓷柱式電流互感器使用，所以在早期3/2接線變電站建設采用該斷路器時，出于成本等原因考慮往往斷路器只單側配有電流互感器[12]。這樣斷路器與電流互感器之間的連接線便成為了無主保護覆蓋的保護死區，且兩者之間的連線暴露在空氣中，增大了發生死區故障的風險。

典型3TA配置的3/2接線中的一串如圖1（a）所示，圖中TA1與TA4的二次電流之和組成出線L1線路保護的本側電流，TA3與TA6的二次電流之和組成出線L2線路保護的本側電流，TA2采集本串的電流與其他串上相同作用的TA二次電流共同組成I母線的母差保護，TA5采集本串的電流與其他串上相同作用的TA二次電流共同組成Ⅱ母線的母差保護。串上每個斷路器單側配置電流互感器，導致以斷路器為邊界的保護范圍與電流互感器構成的KCL廣義節點不能完全重合，即母線保護和線路保護的故障測量范圍互相交叉，但二者的保護范圍并不交叉，不交叉區域即為斷路器與電流互感器之間的連接線A、B、C區域，在上述區域內發生故障沒有主保護可以瞬時切除，即為保護死區。

圖1 3/2接線典型電流互感器配置情況Fig.1 Typical current transformer configuration under 3/2 connection

以圖1（a）中A區域發生故障為例，故障點位于I母線母差保護范圍內，而對于出線L1的線路保護屬于區外故障，故障發生后I母線母差保護動作，所有邊斷路器跳閘切開I母線，但此時各出線及Ⅱ母線可繼續向故障點提供故障電流，故障并未完全切除；經過延時后QF11斷路器失靈保護動作，跳開QF11、QF21及L1對側斷路器，故障得以完全清除，上述整個故障切除時間可能會超過400 ms[8]，在“強直弱交”電網及現有直流控制保護技術條件下，不滿足交流故障切除速度要求，會對電網造成威脅[13]；上述過程雖然通過后備保護切除了故障，但是此過程中跳開除QF11外的I母線邊斷路器對于切除故障是非必需的，同時擴大了停電范圍。

當前配置下，將圖1（a）串上劃分為A～G區域，各區域故障時斷路器動作情況如表1所示，表中第2列表示故障發生后主保護的斷路器動作情況，表中第3列表示當主保護無法切除故障時，斷路器失靈保護或死區保護的斷路器動作情況，表中第4列表示由主保護與近后備保護（斷路器失靈保護或死區保護）動作完成后而斷開的斷路器中，對于切除當前故障非必需斷開的斷路器，即切開后導致停電范圍擴大的斷路器。

表1 3/2接線3 TA保護配置故障時斷路器動作情況Tab.1 Action of circuit breaker in the case of fault in 3 TA protection configuration under 3/2 connection

同理，3/2接線的典型4TA保護配置如圖1（b）所示，存在保護死區B與G區域；3/2接線的5TA保護配置如圖1（c）所示，存在保護死區E。

1.2 故障切除導致停電范圍擴大

在3/2接線典型3TA保護配置基礎上增加3組電流互感器，或3/2接線斷路器采用罐式斷路器時，3/2接線為典型6TA保護配置，如圖1（d）所示。在該配置下不存在保護死區，但存在多個主保護交叉覆蓋的區域，即圖中母線保護與線路保護的重合區域B、C、H、J，兩出線的線路保護重合區域E、F，上述區域發生故障時，存在故障切除停電范圍擴大的問題。如圖中區域E與F發生故障時，QF11、QF21、QF31及出線L1及L2對側跳閘；但是當區域E故障時，QF31及L2對側斷路器不需要斷開，當區域F故障時，QF11及L1對側斷路器不需要斷開。當前配置下串上各區域故障時斷路器動作情況見表2。

表2 3/2接線6TA保護配置故障時斷路器動作情況Tab.2 Action of circuit breaker in the case of fault in 6TA protection configuration under 3/2 connection

同理，由于多個主保護交叉覆蓋，切除故障時停電范圍擴大的區域，圖1（b）所示3/2接線的典型4TA保護配置中為區域D、E，圖1（c）所示3/2接線的典型5TA保護配置中為區域B、C、G、H。

2 互感器優化配置

2.1 互感器配置方案分析

綜合上文內容，對3/2接線電流互感器配置數量與死區及故障切除范圍擴大的問題總結如表3所示，由此可以看出，隨著串上電流互感器配置數量的增加，保護死區數量在減少，但同時故障切除時導致停電范圍擴大的區域也在增加，沒有兼顧繼電保護的速動性與選擇性。

表3 TA配置數量對繼電保護的影響Tab.3 Influences of TA configuration quantity on relay protection

國家電網公司18項電網重大反事故措施要求當采用3/2、4/3、角形接線等多斷路器接線形式時，應在斷路器兩側均配置電流互感器。因此，對于新建的變電站，在有條件的前提下可采用罐式斷路器；對于已建成的采用敞開式斷路器的變電站，若加裝柱式電流互感器受制于場地限制，也可考慮通過加裝全光纖電流互感器等方法進行改造。以上方法可以有效消除保護死區，但會增加切除故障時導致停電范圍擴大的區域。

2.2 串斷路器保護方案設計

增加TA配置后3/2接線保護方案同時也增加了切除故障時停電范圍擴大的可能性。針對此種情況，本文提出了增加串斷路器保護裝置解決切除故障時停電范圍擴大的新方法，該方法利用單串內斷路器兩側電流信息與線路保護相配合，站內斷路器兩側電流信息與母線保護相配合，實現了對串內故障的準確定位，從而避免了故障時切除范圍擴大的問題。

以3/2接線典型串6TA保護配置為例，增加串斷路器保護裝置后的站內保護配置如圖2所示。構建串斷路器保護裝置，將單串內每個斷路器兩側的電流信息輸入其中并組成差動保護。串斷路器保護裝置判斷結果以開入量形式送至該串相關的線路保護、變壓器保護和母線保護。上述開入內容為線路保護、變壓器保護及母線保護閉鎖與否的邏輯信號。新增的斷路器差動保護采用半波傅里葉算法，在10 ms數據窗得出差動計算結果，即可保證在母線保護和線路保護一周波數據窗時就提前得到斷路器小差保護的狀態[14-16]。為了減小計算誤差，在計算斷路器兩側差流時，可先用斷路器兩側電流采樣點直接計算差動電流采樣點，再利用傅里葉半波算法得到差動電流幅值。

原3/2接線典型串6TA保護配置經過本方案改進后，發生故障后會導致保護切除停電范圍擴大的區域都處于新增的斷路器小差保護范圍內。當上述區域發生故障時，斷路器小差保護優先動作，同時向線路保護與母差保護發送閉鎖信號。當該斷路器斷開后，結合其兩側的電流信息判斷故障具體位置，對故障進行定位后，再向相應保護發送閉鎖解除信號，相應保護動作完成后，串斷路器保護判斷故障切除成功，向之前閉鎖的保護發送閉鎖解除信號。

新增的串斷路器保護對故障位置判別方式如下：以圖2中斷路器QF11小差保護范圍內發生故障為例，檢測到故障發生后，QF11斷路器小差保護動作，同時發信閉鎖I母線保護與L1出線保護，QF11斷路器跳開后，依據斷路器兩側電流信息進行故障區域的判斷：當跳開QF11后，若滿足式（1），即斷路器斷開，且TA1流過故障電流，則可判斷為B區域的故障，此時串斷路器保護向母線保護發信解除閉鎖，母差保護動作；若不滿足式（1）但滿足式（2），即斷路器斷開，且TA2流過故障電流，則可判定為C區域故障，此時串斷路器保護向線路保護發信解除閉鎖，線路保護動作。若兩式都不滿足，則判別為斷路器失靈。

圖2 增加串斷路器保護功能的變電站保護配置Fig.2 Substation protection configuration with string circuit breaker protection function added

式中，Iset為躲過最大負荷電流與不平衡電流并考慮裕度的整定值。根據文獻[17-21]的研究與相關數據，由于斷路器拖尾電流的影響，斷路器斷開后一側電流互感器電流值最嚴重情況為斷開前故障電流的0.2倍，故在本方法判定斷路器是否斷開時，判定值取為斷路器一側電流值為另一側的3倍，即可不受拖尾電流的影響，避免了通過延時來判斷斷路器的開合狀態，加快了故障區域的判斷時間，同時也保有了一定的裕度。

本方案也適用于第1節所述3/2接線典型串4TA保護配置與5TA保護配置中的多個主保護覆蓋的區域。以圖1（b）所示4TA保護配置為例，在中斷路器增加串斷路器保護裝置后，可有效解決圖中所示每串D、E區域發生故障切除時停電范圍擴大的問題；以圖1（c）中5TA保護配置為例，在邊斷路器兩側分別增加斷路器小差構成串斷路器保護裝置，可有效解決圖中所示B、C、G及H區域發生故障切除時停電范圍擴大的問題。

本方案也適用于出線帶有刀閘時的3/2接線保護配置方式。當出線帶有刀閘時，考慮到線路停用時，連接線將失去保護，此時裝設有專門的T區保護。采用本方案對該種情況下的保護配置進行靈活改進，可有效解決保護死區及停電范圍擴大等問題。

3 互感器優化配置的保護動作邏輯

原3/2接線保護配置經過上述方案改進后，原有保護如母線保護與線路保護在原有保護動作邏輯的基礎上增加了串斷路器保護裝置的閉鎖開放信號，如改進后的母差保護動作邏輯見圖3。當串斷路器保護裝置保護范圍內沒有檢測到故障時，串斷路器保護裝置閉鎖信號保持開放，此時不影響其他位置發生故障時原有保護的動作；當故障發生在串斷路器保護裝置保護范圍內時，串斷路器保護裝置發出閉鎖信號。

圖3 改進后母差保護動作邏輯Fig.3 Improved operation logic of bus differential protection

通過本方案改進后站內整體保護配合邏輯如圖4所示，以圖2中QF11斷路器小差保護區域發生故障為例，原有保護配置下切除范圍為Ⅰ母線與出線L1；通過本方案進行優化改進，上述區域發生故障后，串斷路器保護檢測到邊斷路器小差保護動作信號，閉鎖Ⅰ母線保護與L1線路保護，同時斷開斷路器QF11，按本方案進行故障區域判定，當判定為B區域發生故障時，保護切除范圍僅為Ⅰ母線。根據文獻[8-9]等相關文獻研究數據，串斷路器保護動作時間按20 ms考慮，斷路器開斷時間按60 ms考慮，各保護收信按5 ms考慮，母線保護與線路保護達到原有動作條件按30 ms考慮，串斷路器保護進行故障位置判別按30 ms考慮，則保護動作時序圖如圖5所示；判定為C區域發生故障時，保護切除范圍僅為出線L1，對側保護收信按10 ms考慮，其余條件不變，則保護動作時序圖如圖6所示。由上述時序圖可見，經本方案改進后，可在200 ms內切除相應故障。其余串斷路器保護范圍內發生故障時動作情況類似。表2中所列出的切除故障非必需斷路器，在保護配置經過本方案改進后都將不再切開。

圖4 引入斷路器小差后保護動作邏輯Fig.4 Protection action logic after the introduction of small differencial protection of circuit breaker

圖5 邊開關母線側故障保護動作時序1Fig.5 Action sequence 1 of side switch bus-side fault protection

圖6 邊開關母線側故障保護動作時序2Fig.6 Action sequence 2 of side switch bus-side fault protection

本方案在解決切除故障時停電范圍擴大問題的同時，可利用故障時各保護的動作情況，對串內具體故障位置進行準確判定，從而方便事故分析與故障設備檢修。以3/2接線典型串6TA配置為例，故障位置判定情況見表4。

表4 增加串斷路器保護后各區域故障保護動作情況Tab.4 Protection action in the case of zone fault after adding string circuit breaker protection

4 結論與展望

（1）本文針對3/2接線方式下幾種典型的電流互感器配置方案，結合母線保護、線路保護的動作邏輯分析了保護死區問題以及切除故障帶來的停電范圍擴大問題。針對因增加互感器配置來消除保護死區而帶來的故障切除范圍擴大的問題，本文提出了增加串斷路器保護裝置與原有的母線保護、線路保護相配合，從而達到減少誤切斷路器數量的保護配置新方案。

（2）本方案可有效解決3/2接線下多個主保護覆蓋的區域發生故障時停電范圍擴大的問題，增強了保護的選擇性，同時還可對串內故障進行位置判定。變電站通過本方案進行改進時，不影響其他已有保護的保護范圍及保護性能。

（3）本方案的實現基于已有的電流信息，不需增加新的一次設備；僅通過開關量信號就能實現串斷路器保護與原有母線保護、線路保護的邏輯配合；無需傳送模擬量等復雜電氣量信息，避免了增加站域信息決策單元，并提高了繼電保護系統的可靠性和選擇性。本文所提方案在現場實施改造方便且成本較低，具有較強的實用性。