楊 凡，李 偉，尹項根，李仲青，張 哲，郭雅蓉

(1.電力安全與高效湖北省重點實驗室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074；2.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074；3.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

一種 3/2 接線死區(qū)故障隔離與誤切元件快速恢復(fù)方法

楊 凡1,2，李 偉3，尹項根1,2，李仲青3，張 哲1,2，郭雅蓉3

(1.電力安全與高效湖北省重點實驗室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074；2.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074；3.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

在現(xiàn)有 3/2 接線方式下，由于保護(hù)和互感器的配置并未完全交叉，導(dǎo)致死區(qū)的存在。在發(fā)生死區(qū)故障時，一般由死區(qū)故障所在間隔保護(hù)以及斷路器失靈保護(hù)動作相互配合以實現(xiàn)故障的徹底隔離。這種做法會使得斷路器的切除范圍擴(kuò)大，甚至?xí)?dǎo)致正常母線不必要的停運(yùn)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。針對上述問題，分析了在不同保護(hù) CT配置方式下的死區(qū)故障的特點，提出了一種死區(qū)故障隔離與誤切元件快速恢復(fù)的方法。該方法通過引入斷路器的開合狀態(tài)信息來有效地辨別死區(qū)故障和斷路器失靈情況，同時利用斷路器的重合閘功能，快速恢復(fù)切除死區(qū)故障時的誤切斷路器，從而顯著提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。

3/2 接線；死區(qū)故障；失靈保護(hù)；重合閘

0 引言

為了保證供電可靠性以及運(yùn)行靈活性，目前500 kV 變電站大多采用 3/2 開關(guān)接線方式[1]。但是，3/2 開關(guān)接線方式下電流互感器數(shù)量眾多、接線復(fù)雜，為了節(jié)約成本，一般采用在斷路器單側(cè)配置保護(hù)用電流互感器的方式[2]，這使得以斷路器為邊界的保護(hù)區(qū)域和電流互感器構(gòu)成的廣域 KCL 節(jié)點并未完全重合，造成了保護(hù)死區(qū)的存在。死區(qū)范圍很小，容易被忽略，但死區(qū)故障所產(chǎn)生的危害卻很大[3]。目前，死區(qū)故障往往通過死區(qū)所在間隔保護(hù)與斷路器失靈保護(hù)相互配合，以實現(xiàn)故障的徹底隔離。在發(fā)生死區(qū)故障時，故障所在間隔的保護(hù)將會首先動作，但由于故障位于死區(qū)，該輪保護(hù)并未能實現(xiàn)故障的徹底隔離。此時位于該死區(qū)的斷路器失靈保護(hù)將啟動，通過切除相鄰的斷路器實現(xiàn)故障的徹底隔離[4]。這種做法會使得死區(qū)故障的切除范圍擴(kuò)大、隔離時間延長，甚至?xí)?dǎo)致正常母線不必要的停運(yùn)。隨著直流輸電建設(shè)的快速推進(jìn)，我國正逐步形成交直流混聯(lián)復(fù)雜電網(wǎng)，交流電網(wǎng)發(fā)生的短路故障等擾動若不能及時阻斷，將在直流系統(tǒng)中產(chǎn)生換相失敗等后果，甚至造成直流緊急停運(yùn)，嚴(yán)重威脅交直流混聯(lián)大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[5-6]。這種電網(wǎng)發(fā)展新態(tài)勢對交流保護(hù)的選擇性和速動性提出了嚴(yán)苛的要求。目前采用斷路器失靈保護(hù)切除死區(qū)故障的方式，動作時延長、切除范圍大，給交直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大的安全隱患。因此如何有效地辨識死區(qū)故障并解決元件的誤切問題是工程現(xiàn)場亟待解決的技術(shù)難題。

針對現(xiàn)有死區(qū)故障的切除策略會導(dǎo)致斷路器的切除范圍擴(kuò)大的問題，文獻(xiàn)[7]提出引用線路保護(hù)動作后、失靈保護(hù)動作前故障線路的殘壓來配合切除死區(qū)故障，但該方法通過故障殘壓判斷死區(qū)故障與斷路器失靈情況，在金屬性故障且斷路器失靈情況下，可能會將故障誤判為死區(qū)故障，其有效性尚待商榷；文獻(xiàn)[8]引入斷路器的內(nèi)部電流與電流互感器的測量電流進(jìn)行比相以輔助判斷死區(qū)故障，但測量斷路器內(nèi)部電流較為復(fù)雜，準(zhǔn)確度不高，同時需要增加較多元件來測量流過斷路器內(nèi)部的電流大小，不利于工程實現(xiàn)，可靠性不高。

本文提出了一種 3/2 接線死區(qū)故障隔離與誤切元件快速恢復(fù)方法。通過研究發(fā)現(xiàn)，對于死區(qū)故障，在斷路器失靈保護(hù)動作時，斷路器有流且處于分閘狀態(tài)；而對于實際的斷路器失靈情況，斷路器有流且處于合閘狀態(tài)。因此，該方法基于站域信息共享，通過引入斷路器的開合狀態(tài)信息以及電流信息，可以有效區(qū)分死區(qū)故障和斷路器失靈兩種情況。此外，對于死區(qū)故障，采用分步重合閘策略快速恢復(fù)誤切斷路器，以縮小保護(hù)動作的范圍，從而顯著提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。

1 不同 CT 配置形式下的死區(qū)故障分析

在實際工程應(yīng)用中，根據(jù) CT 安裝位置及 CT安裝個數(shù)的不同，3/2 接線的 CT 配置主要分為 3CT配置(單側(cè) CT 配置)、4CT 配置和 6CT(雙側(cè) CT 配置)等基本形式，而不同 CT 配置方案，其死區(qū)故障的特點存在明顯差異。以下針對不同CT配置情況，對其死區(qū)故障進(jìn)行分析。

1.1 3CT 配置形式

所謂 3CT配置，也稱為單側(cè) CT 配置，即是在3/2 接線方式下，所有的電流互感器 CT 均安裝在對應(yīng)斷路器的一側(cè)。為了保證串內(nèi)任何一點故障時，均有相應(yīng)的保護(hù)動作跳閘，一般 CT的正確配置方式是，間隔保護(hù) CT 與母線保護(hù) CT 交叉配置，具體示例如圖1所示。

圖1 3CT 配置接線形式Fig. 1 3CT configuration mode

如圖1所示，該連線方式為正確的配置單側(cè)電流互感器的連線，這種連線方式下，盡管串內(nèi)任何一點故障，至少有一套保護(hù)動作跳閘，但由于 3/2接線方式的特殊性，并不能保證所有故障均可快速切除，即仍存在死區(qū)故障。如圖2所示，從圖中可以看出A、B和C三個區(qū)域均為該配置方式下的死區(qū)所在，若這三個區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障，斷路器無法快速地將故障切除。

例如B區(qū)域內(nèi)F點發(fā)生故障，因為故障點在出線2保護(hù)范圍內(nèi)，故出線2的保護(hù)動作，切除斷路器 QF2、斷路器 QF3 及出線 2 對端的斷路器，但此時故障仍未切除，故障點依舊存在，故B區(qū)域為該配置方式下的死區(qū)，A、C區(qū)域同理。

1.2 4CT 配置形式

所謂 4CT 配置，即是在 3/2 接線方式下，中斷路器對應(yīng)的電流互感器 CT安裝在斷路器兩側(cè)，邊斷路器對應(yīng)的電流互感器則安裝在斷路器的一側(cè)，具體示例如圖2所示。

如圖2所示，該連線方式為每一串上配置四個電流互感器 CT的接線，與 3CT 配置相比，該配置方式下，由于中斷路器兩側(cè)均配有電流互感器，保證了出線1和出線2的保護(hù)范圍完全交叉，從而消除了單側(cè)配置 CT中斷路器附近的一段死區(qū)，縮小了死區(qū)范圍，但在 4CT 配置形式下依舊存在死區(qū)問題，如圖中的A、B區(qū)域均為該配置下的死區(qū)所在，若這兩個區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障，斷路器無法快速地將故障切除。

圖2 4CT 配置接線形式Fig. 2 4CT configuration mode

例如A區(qū)域內(nèi)F點發(fā)生故障，因為故障點F處于母線 I的母差保護(hù)的保護(hù)范圍內(nèi)，故母線 I的母差保護(hù)動作，切除斷路器 QF1 及母線 I側(cè)所有其他邊斷路器，但此時母線 II及兩條出線依舊向故障點提供電流，故障點仍存在，故障未能切除，故A區(qū)域為該配置方式下的死區(qū)，B區(qū)域同理。

1.3 6CT 配置形式

所謂 6CT 配置，也稱為雙側(cè) CT 配置，即是在3/2 接線方式下，所有的互感器 CT 均安裝在對應(yīng)斷路器的兩側(cè)。雙側(cè) CT的正確配置具體示例如圖3所示。

圖3 6CT 配置接線形式Fig. 3 6CT configuration mode

圖3 所示的是正確的雙側(cè)配置電流互感器的接線方式，在該接線方式下，母線Ⅰ的母差保護(hù)和出線1的線路保護(hù)、出線1的線路保護(hù)和出線2的線路保護(hù)、出線2的線路保護(hù)和母線Ⅱ的母差保護(hù)的保護(hù)范圍均完全交叉，即串內(nèi)任何一點故障均保護(hù)均可快速切除，即不存在絕對的死區(qū)。

雖然雙側(cè)配置電流互感器的配置方式可以徹底消除 3/2 接線串的死區(qū)，但雙側(cè)配置電流互感器會大大增加 CT 數(shù)量，配置復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性差。目前 6CT配置形式只有在少數(shù)核電站應(yīng)用[9]。

1.4 特殊配置形式

3/2 接線方式下，保護(hù)電流互感器 CT 的二次接線復(fù)雜，在工程應(yīng)用中，可能并非完全按照上述的三種配置形式進(jìn)行配置，這樣會增大發(fā)生死區(qū)故障的可能性，嚴(yán)重威脅了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[10]。

1.5 現(xiàn)有斷路器失靈保護(hù)在死區(qū)故障情況下的動作特性分析

目前 3/2 接線系統(tǒng)大多利用失靈保護(hù)來實現(xiàn)死區(qū)故障的切除，但這樣會導(dǎo)致保護(hù)的動作延時大大增加，同時由于保護(hù)配置交叉的原則會擴(kuò)大故障切除范圍，甚至?xí)?dǎo)致正常母線不必要的停運(yùn)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[11]。

現(xiàn)以最常見的 3CT 配置為例來詳細(xì)介紹利用死區(qū)所在間隔的保護(hù)以及斷路器失靈保護(hù)配合切除死區(qū)故障的步驟。

圖4 失靈保護(hù)實現(xiàn)死區(qū)保護(hù)策略圖Fig. 4 Failure protection to cut dead zone fault strategy

如圖4所示，故障點 F 位于斷路器 QF1及其保護(hù)用電流互感器CT1之間的死區(qū)內(nèi)。在該點發(fā)生故障時，母線 I的母差保護(hù)第一輪動作，切除母線 I上的所有邊斷路器，但是此時故障點并未被隔離，QF1 斷路器保護(hù)的電流互感器 CT1 仍流過故障電流，QF1 的失靈保護(hù)第二輪動作，切掉相鄰的 QF2及出線1，這才實現(xiàn)故障點的完全隔離。

實際上，對于 F 點處故障，只需切除 QF1，出線 1和 QF2即可，而實際保護(hù)在動作期間把母線 I所連的所有斷路器均跳開，切除范圍擴(kuò)大，導(dǎo)致正常母線不必要的停運(yùn)，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

類似的可以分析 3CT 和 4CT 配置情況下不同死區(qū)發(fā)生故障時，間隔保護(hù)以及斷路器失靈保護(hù)的動作步驟以及其誤切的元件，總結(jié)于表1 和表2 中。

表1 3CT 配置下保護(hù)動作情況Table 1 Protecting action in 3CT configuration mode

表2 4CT 配置下保護(hù)動作情況Table 2 Protecting action in 4CT configuration mode

2 死區(qū)故障隔離與誤切元件快速恢復(fù)方法

針對上文中提到的切除死區(qū)故障會導(dǎo)致誤切斷路器的問題，本文提出了一種 3/2 接線死區(qū)故障隔離與誤切元件快速恢復(fù)方法。該方法利用了站域信息共享的技術(shù)優(yōu)勢，獲取所需站內(nèi)各電流互感器電流信息和斷路器輔助節(jié)點信息；通過死區(qū)故障和斷路器失靈兩種情況下，斷路器的輔助節(jié)點的開合狀態(tài)不同的特點來有效識別死區(qū)故障和斷路器失靈；在判斷出是發(fā)生死區(qū)故障后，采用分步重合閘策略快速恢復(fù)誤切斷路器，以縮小保護(hù)動作的范圍，從而顯著提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。

所謂誤切斷路器，即為在發(fā)生故障后理想情況下不應(yīng)切除但實際保護(hù)動作中切除的斷路器，對應(yīng)于圖4的故障情況，誤切斷路器即為除斷路器QF1之外的所有母線Ⅰ側(cè)的邊斷路器。

接下來利用實際最常見的 3CT 配置接線形式，分別對邊斷路器附近的死區(qū)發(fā)生故障和中斷路器附近的死區(qū)發(fā)生故障兩種情況分別對該方法具體步驟進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1 邊斷路器

利用站域信息共享在發(fā)生死區(qū)故障時，切除死區(qū)故障并快速恢復(fù)誤切斷路器供電的步驟如下。

步驟(1)：判斷是否發(fā)生故障

如圖5 所示，當(dāng) 3/2 接線下繼電保護(hù)判斷出故障發(fā)生后，按照預(yù)定的跳閘邏輯進(jìn)行跳閘。同時，記錄所有被切的 n 臺斷路器在跳閘前的電流大小，記為

圖5 正常 3/2 接線方式Fig. 5 Normal 3/ 2 connection mode

步驟(2)：判斷斷路器失靈保護(hù)是否啟動

在跳閘完成后，記錄步驟(1)中所跳閘斷路器對應(yīng)的電流互感器的測量電流，以確定是否啟動斷路器失靈保護(hù)，記為

若式(1)滿足，則表明斷路器 QFi無流。

若斷路器 QF1~QFn 均無流，則表明所有斷路器均正確動作，故障已經(jīng)被有效隔離，退出本次流程。

步驟(3)：判斷是否發(fā)生死區(qū)故障

在失靈保護(hù)動作后，通過該斷路器的輔助節(jié)點信息判斷失靈斷路器 QFs 是否已經(jīng)跳開，斷路器QFs 的輔助節(jié)點狀態(tài)信號記為其中，表示輔助節(jié)點處于合位，即表征斷路器 QFs尚未跳開，表示輔助節(jié)點處于開位，即表征斷路器QFs已經(jīng)跳開。

式(2)為區(qū)分死區(qū)故障和斷路器失靈的判據(jù)。

若式(2)不滿足，說明斷路器 QFs輔助節(jié)點處于合位，表明該斷路器尚未跳開，同時表明了斷路器QFs確實發(fā)生了失靈，此時失靈保護(hù)已經(jīng)在步驟(2)中正確動作切除了故障，故結(jié)束本次流程。

若式(2)滿足，說明斷路器 QFs 輔助節(jié)點處于開位，表明該斷路器已經(jīng)跳開，同時斷路器 QFs檢測到有流，則表明本次故障為死區(qū)故障，步驟(2)中的失靈保護(hù)動作擴(kuò)大了跳閘范圍，需要通過重合閘以快速恢復(fù)誤切斷路器。

步驟(4)：重合誤切斷路器

在步驟(3)判斷系統(tǒng)發(fā)生了死區(qū)故障后，采用重合閘方式以快速恢復(fù)誤切斷路器。誤切斷路器為步驟(1)中除了斷路器 QFs 之外的所有斷路器。

由于斷路器輔助節(jié)點信號也可能會出現(xiàn)錯誤，導(dǎo)致步驟(3)中式(2)可能將斷路器失靈誤判為死區(qū)故障，此時重合閘將會對系統(tǒng)帶來二次沖擊。故用分階段重合閘的方式，以實現(xiàn)誤切斷路器的快速恢復(fù)，同時減少母線重合于故障帶來二次沖擊對系統(tǒng)的影響。

若重合斷路器 QFm 后，在經(jīng)過一段延時Dt后，斷路器 QFm 的檢測電流為零，則繼續(xù)重合步驟(1)中所切除的除了 QFs之外的所有斷路器。

若重合斷路器 QFm 后，斷路器 QFm 的檢測電流非零，則表明此次的輔助節(jié)點信息有誤，導(dǎo)致了將斷路器失靈誤判為發(fā)生了死區(qū)故障，則加速跳開斷路器 QFm，結(jié)束本次流程。

2.2 中斷路器

對于中斷路器附近的死區(qū)發(fā)生故障的處理方法與 2.1 節(jié)中邊斷路器附近死區(qū)故障時的處理方法相似，只是在重合誤切斷路器的策略上稍有不同。

當(dāng)中斷路器附近的死區(qū)發(fā)生故障后，如圖5中F2 點發(fā)生故障，則誤切的斷路器為 F2 點下方的邊斷路器和出線2對側(cè)斷路器，故在判斷出發(fā)生死區(qū)故障后應(yīng)啟動這兩處斷路器的重合閘功能，以恢復(fù)誤切斷路器的供電。

針對該情況，在判斷出發(fā)生了死區(qū)故障且失靈保護(hù)已經(jīng)動作結(jié)束后，直接啟動誤切邊斷路器的重合閘功能，若重合斷路器后，該斷路器的檢測電流非零，則表明此次的輔助節(jié)點信息有誤，導(dǎo)致了將斷路器失靈誤判為發(fā)生了死區(qū)故障，則加速跳開該邊斷路器；若經(jīng)一段延時后檢測電流為零，則表明的確發(fā)生了死區(qū)故障，啟動出線2對側(cè)的斷路器重合閘，以恢復(fù)誤切斷路器的正常工作，維持系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 工程實現(xiàn)方案

本文所提出的 3/2 接線死區(qū)故障隔離與誤切元件快速恢復(fù)方法需要利用站域信息共享的技術(shù)優(yōu)勢，通過獲取所需站內(nèi)電流信息和斷路器輔助節(jié)點信息，有效識別死區(qū)故障，并利用重合閘功能快速恢復(fù)誤切斷路器。

同時現(xiàn)有智能變電站構(gòu)建模式逐漸向集成化實現(xiàn)方向發(fā)展[12]，如圖6 所示，本文提出一種新的3/2 接線方式斷路器保護(hù)的站域?qū)崿F(xiàn)架構(gòu)模式，即斷路器按串優(yōu)化配置，采用的是一種分布+集中式的按串配置的斷路器保護(hù)，即對于每一串的三臺斷路器均統(tǒng)一配置實現(xiàn)本串內(nèi)的各項功能，同時在全站范圍內(nèi)配置一套整站站域保護(hù)決策單元來從全局最優(yōu)的角度統(tǒng)籌實現(xiàn)各串之間的信息交互等功能。

圖6 整站斷路器按串配置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 6 Series configuration diagram of breakers in the whole substation

圖6的架構(gòu)模式，在適當(dāng)提高成本的情況下大幅度提高了斷路器保護(hù)的可靠性并實現(xiàn)了斷路器保護(hù)的冗余化配置，同時給死區(qū)保護(hù)提供了一定的改善策略等。站域保護(hù)決策單元可以很方便地獲取死區(qū)快速恢復(fù)策略中所需要的故障發(fā)生時的各串電流信息量以及各斷路器的輔助節(jié)點信息，從而可以很好地辨別斷路器失靈和死區(qū)故障，之后可利用斷路器的重合閘來快速恢復(fù)誤切斷路器供電，決策單元可以整體控制斷路器重合閘的順序，以保證重合閘的正確性。

4 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有 3/2 接線方式下，大多利用斷路器失靈保護(hù)來切除死區(qū)故障，從而會造成斷路器的切除范圍擴(kuò)大的問題，提出了一種 3/2 接線死區(qū)故障隔離與誤切元件快速恢復(fù)方法，該方法基于站域信息共享，通過引入斷路器的開合狀態(tài)信息以及電流信息識別死區(qū)故障，在不延長切除故障的動作時間的情況下，通過重合閘快速恢復(fù)誤切斷路器，從而顯著提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平和供電可靠性。由此可見，站域保護(hù)可以提高系統(tǒng)的安全可靠性，在超高壓保護(hù)中具有良好的應(yīng)用前景。

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(編輯 周金梅)

A method for dead zone fault isolation and fast recovery of error cutting element under the existing 3/2 connection mode

YANG Fan1,2, LI Wei3, YIN Xianggen1,2, LI Zhongqing3, ZHANG Zhe1,2, GUO Yarong3
(1. Electric Power Security and High Efficiency Laboratory (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, China; 2. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, China; 3. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Under the existing 3/2 connection mode, the configuration of the protection and transformer is not completely crossed which causes the existence of the dead zone. When the fault occurs in the dead zone, line protection and breaker failure protection are generally matched with each other to achieve the complete isolation of the fault. This approach will make the scope of the circuit breaker to expand, and even lead to unnecessary outage of the normal bus. So it seriously affects the safe and stable operation of the system. In view of the above problems, this paper analyzes the characteristics of the dead zone fault under different protective CT configuration modes, and provides a method for dead zone fault isolation and fast recovery of error cutting element. Thereby this paper introduces circuit breaker opening and closing state information to effectively identify dead zone fault and the breaker failure. At the same time, based on the information sharing in the station area, the circuit breaker can be quickly recovered by using the reclosing function of the circuit breaker, which can significantly improve the safe and stable operation level of the system.

3/2 connection; dead-zone fault; failure protection; reclosing function

10.7667/PSPC201645

：2016-06-12

楊 凡(1993-)，男，通信作者，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)保護(hù)與控制方面的研究工作；E-mail: 1256441667@ qq.com

李 偉(1983-)，男，博士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)；E-mail: liwei2@epri.sgcc.com.cn

尹項根(1954-)，男，博士，教授，博導(dǎo)，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與安全自動控制。E-mail: xgyin@hust.edu.cn