智能變電站斷路器非全相保護的優化

張兆陽

（廣東電網有限責任公司 廣州供電局，廣東 廣州 510000）

0 引言

220 kV 及以上電壓等級的線路斷路器一般采用分相操作機構，可以實現單相或綜合重合閘。實際運行中，斷路器存在某相或兩相在分位的非全相運行狀態，其原因是單相故障跳開故障相后重合不成功或者某相機構故障導致該相跳開等。非全相運行時，該線路及相鄰設備會產生較大的零序電流或負序電流，這將可能導致相鄰線路的零序保護越級動作，也會對發電機、變壓器等設備產生一定的不利影響。為避免電網長期非全相運行，對分相斷路器需配置反映斷路器非全相運行狀態的非全相保護。

斷路器非全相保護一般有本體非全相保護和微機非全相保護2 種類型，并各有特點[1-3]。

本體非全相保護是由斷路器輔助接點、繼電器等元件構成的純回路保護，其原理簡單但可靠性不高，存在多次誤動案例[4-8]。由于沒有統一設計標準，各斷路器廠家生產的本體非全相保護回路在功能完整性、動作可靠性等方面均有所差異且或多或少存在回路缺陷。

為提升可靠性，文獻[9-12]在本體非全相保護的回路改進、繼電器選型、運維策略等方面進行了研究。文獻[13]提出了出口跳閘回路正電端經斷路器分位輔助接點把關的回路改進措施，以防止誤觸碰、出口繼電器誤動等導致的誤動作。文獻[14]研究了時間繼電器的性能，指出其存在計時精度不準、穩定性差、動作電壓不滿足要求等問題，并提出通過配置3 個時間繼電器實現“三取二”的動作邏輯來提升可靠性的改進方案。文獻[15]針對斷路器輔助接點轉換不到位導致拒動問題，提出了采用可記憶斷路器初始位置狀態的雙位置繼電器來判斷非全相狀態的改進方法。上述文獻所提方法雖解決了部分問題，卻增加了回路的復雜度，也增加了運維難度。

微機非全相保護的可靠性相對較高。為保證斷路器位置判據的可靠性，該保護附加了電流判據；因在負荷較小時會拒動，所以該保護也存在一定的局限性。

為提升非全相保護的可靠性及作用，本文首先研究了本體非全相保護的標準化設計和微機非全相保護的局限性問題；進而，對智能變電站的非全相保護進行了保護邏輯和配置方案的優化研究。

1 本體非全相保護的標準化設計

本體非全相保護由斷路器廠家設計完成。由于沒有統一設計標準，在工程驗收中，該回路往往是二次驗收的重點回路。為此，基于微機保護高可靠性的模塊化設計思路，本文設計了一種標準化的本體非全相保護。

標準化的本體非全相保護由邏輯執行回路、跳閘出口回路和信號擴展回路3 部分構成，如圖1所示。

在不增加回路復雜度的前提下，按照圖1 的回路功能進行模塊化設計，可使回路更加簡潔清晰。

圖1 標準化的本體非全相保護Fig. 1 The standard body three-phase inconsistent protection

（1）邏輯執行回路。該回路是核心回路，包含由斷路器分相輔助接點（各相常閉DL 和常開DL）構成的非全相啟動判據、延時繼電器KT、出口繼電器KC 和功能壓板LP1。根據微機保護的設計理念，出口繼電器KC 的正電源需經非全相啟動判據開放，以防止延時繼電器KT 的接點誤導通造成出口繼電器KC 誤動作。設計功能壓板LP1 的目的是便于投退保護功能。

（2）跳閘出口回路。該回路包含跳閘出口總壓板LP2、出口繼電器KC 的分相跳閘接點。跳閘出口回路正電源經斷路器分位輔助接點（或非全相啟動判據）開放。與微機保護相比，本體非全相保護的運行工況較差且回路均由敞開式的元器件構成，人為誤碰出口繼電器KC 或其跳閘接點因絕緣下降而誤導通等情況都會造成誤動作；因此，本體非全相保護應保證斷路器至少有一相在分位或非全相運行時才能跳閘，以提升可靠性。

（3）信號擴展回路。該回路由不保持繼電器KX1、保持繼電器KX2 和手動復歸按鈕FG 構成。該回路用于滿足不同層級的信號需求及參與同其他回路的配合，如本體非全相保護啟動防跳、閉鎖重合閘或發變組啟動失靈等回路配合。由于重要性不高，信號擴展回路設計相對簡潔。

本文提出的標準化本體非全相保護雖然在一定程度上提升了可靠性，但仍存在斷路器輔助接點和延時繼電器質量等因素可能導致的回路可靠性問題，不滿足微機保護“除出口繼電器損壞外，任一元器件損壞均不應引起保護誤動作”的標準。

若某相分位輔助接點粘連或絕緣不良而誤導通造成誤動作，應對方法可為：跳閘出口回路經獨立于非全相啟動判據的分位輔助接點開放。若延時繼電器計時不穩定進而導致保護動作變慢或變快，則應對方法可為：采用文獻[14]提出的“三取二”動作邏輯。

通過增加回路復雜度的辦法來降低誤動概率，也會增加拒動概率及運維難度；因此，回路可靠性的提升需要綜合權衡誤動和拒動兩方面。

2 微機非全相保護的局限性分析

目前，微機非全相保護由保護廠家設計，集成于線路主保護或由獨立的斷路器保護實現。基本原理如圖2 所示。

圖2 微機非全相保護的基本原理Fig. 2 The fundamental of microcomputer three-phase inconsistent protection

（1）斷路器位置判據

該判據采用的是斷路器操作箱的跳位監視繼電器（TWJ）的接點，而非斷路器的輔助接點。

由于操作箱與保護裝置共室或共屏，所以取用方便；若用斷路器輔助接點，需增加保護裝置到斷路器機構箱的二次電纜，這樣不僅增加了回路復雜度而且長電纜存在電磁干擾。

跳位監視繼電器（TWJ）的作用是監視斷路器分位時合閘回路的完好性，并不直接反映斷路器實際位置。例如，斷路器某相跳開時，由于該相合閘回路斷線等原因會使得TWJ 無法置1，從而造成非全相保護拒動。再如，斷路器某相在合位，但由于該相合閘回路誤導通等原因使得TWJ置1，從而可能造成非全相保護誤動，或者由于開入插件異常造成保護誤判斷路器非全相運行。

（2）附加電流門檻判據

一是相無流判據：某相TWJ 置1 且滿足該相電流小于無流定值才認為該相處于分位。廠家一般固化該值為0.06IN；IN為1 A 或5 A。

二是零序或負序電流閉鎖判據：斷路器出現非全相運行且零序或負序電流大于閉鎖定值時才能動作。整定值為一次值240 A，與零序或負序保護相配合。

設置電流判據主要是為了防止線路重負荷運行時，TWJ 異常造成保護誤判斷路器非全相運行而產生誤動作。因此，微機非全相保護雖然不易誤動，但也要考慮電網負荷情況——在負荷較輕時易拒動，從而造成電網長期處于非全相運行狀態。

當斷路器處于兩相運行時，斷口處的零序、負序電流與正常負荷電流之間的關系如式（1）所示。

式中：I0為零序電流；I2為負序電流；IL為正常負荷電流；Z11為斷口兩側系統的等值正序阻抗之和；Z00為斷口兩側系統的等值零序阻抗之和。

可以看出，序電流大小不僅與負荷電流IL直接相關，還受兩側系統的運行方式（決定K值大小）影響，如電源強弱、零序網絡分布等。特別是，如果一側為不接地系統，則零序電流基本沒有；因此，K值的變化范圍較大。

在負荷電流IL一定時，K值與序電流3I0、3I2和負荷電流IL比值的關系曲線如圖3 所示。

圖3 序電流與負荷電流的比值與K 值的關系曲線Fig. 3 The relation curve of the ratio of sequence-load current and K

某220 kV線路一年的負荷電流分布概率曲線如圖4 所示。經計算，該線路兩相運行時，K=2.3。按零序定值為240 A 計算，在該線路正常運行時的負荷電流達到448 A 以上時，微機非全相保護才能動作，其概率僅為2.1%；這使得該線路的微機非全相保護難以發揮作用。

圖4 某220 kV 線路的負荷電流分布概率曲線Fig. 4 The distribution probability curve of load current of a 220 kV line

此外，按保護無流定值0.06IN計算（220 kV線路的電流互感器變比一般為2400/1 或2400/5），無流定值的一次值為144 A；但該線路負荷電流滿足無流定值的概率為54.1%；因此，對該線路來說，保護的無流定值過大，無流判據難以發揮作用。

因此，由于微機非全相保護位置判據沒有采用可靠性相對較高的斷路器輔助接點而僅是附加電流判據，結果限制了其作用的發揮；但相比本體非全相保護存在的回路誤動隱患、元器件性能、運行工況差、本體回路復雜等問題，微機非全相保護仍有其明顯優勢。

3 智能站非全相保護的配置優化

智能變電站二次信息傳輸方式示意圖如圖5所示。智能站采用過程層GOOSE（generic object oriented substation event，面向通用對象的變電站事件）技術，將二次信息轉換成數字信號并以光纖為載體傳輸；過程層設備（智能終端）就近安裝在一次設備旁，與間隔層設備（保護、測控、錄波等）組成過程層網絡；智能終端就地采集一次設備的二次信息，將其轉換成數字信號，發送到過程層網絡，供各間隔層設備按需取用，以實現信息共享。這種設計不僅簡化了二次電纜回路，還縮短了一次設備與間隔層設備的電氣距離，大大降低了二次回路的電磁干擾水平。

圖5 智能站二次信息傳輸方式示意圖Fig. 5 The sketch map of secondary information transmission mode of smart substation

從圖5 可以看出，微機線路保護或斷路器保護從過程層網絡獲取斷路器輔助接點位置信息，用于保護邏輯處理。因此，智能站微機非全相保護的位置判據采用斷路器輔助接點構成非全相判據，不再參考斷路器操作箱的TWJ 接點位置，故需要對智能站微機非全相保護加以優化。

為提升保護的可靠性及作用，本文提出的適用于智能站的微機非全相保護由獨立計算的2 部分邏輯構成。

（1）保護邏輯1

以斷路器分位及合位輔助接點雙確認，再附加該相無流判據來確認該相為分位。如圖6 所示，當至少有一相為分位且三相不全為分位時，判為非全相運行；經延時后，非全相保護動作跳閘。

圖6 智能站微機非全相保護的動作邏輯1 Fig. 6 The logic 1 of microcomputer three-phase inconsistent protection for smart substation

該邏輯主要考慮防誤動：一是需要斷路器的分位開入為1、合位開入為0，且該相滿足無流判據，才確認該相為分位；二是進一步降低保護的無流判據門檻，即在滿足保護裝置最小精確工作電流的條件下，將無流判據門檻固定為0.04IN。

（2）保護邏輯2

由于“保護邏輯1”的位置判據較嚴格，所以在斷路器輔助接點異常情況下將導致保護拒動。

對此，一方面220 kV 及以上微機保護已按雙重化配置，可以降低保護拒動概率；另一方面，參照常規微機非全相保護邏輯，增加“保護邏輯2”，如圖7 所示。

圖7 智能站微機非全相保護的動作邏輯2 Fig. 7 The logic 2 of microcomputer three-phase inconsistent protection for smart substation

該邏輯的位置判據采用斷路器分位或合位輔助接點單確認方式，并增設零序或負序電流判據，以防止重負荷工況下保護拒動。

相比常規微機非全相保護，優化后的智能站微機非全相保護采用了斷路器輔助接點位置判據，序電流判據不再必須。通過“保護邏輯1”和保護雙重化配置，可降低輕載時拒動概率；通過“保護邏輯2”可降低重負荷工況且斷路器輔助接點又異常時的拒動概率，同時不易誤動。

相比本體非全相保護，本文方案優勢更加明顯：不易誤動且不易拒動，可靠性高，可以取代本體非全相保護，對斷路器非全相運行狀態起到有效保護。

4 結論

在分析斷路器本體非全相保護及微機非全相保護的配置現狀及存在問題的基礎上，本文給出了一種標準化的本體非全相保護方法。

對智能站微機非全相保護的邏輯和配置優化進行了討論，提出了適用于智能站的微機非全相保護邏輯和配置方案。該方案可以取代本體非全相保護，提升了非全相保護的可靠性及作用，具有較好的工程實踐價值。

受條件局限，本文提出的適用于智能站的微機非全相保護是一種技術方案，還需要后續相關工作推動方案的工程驗證。