董新濤，李寶偉，2，趙劍松，方 正，李 旭，鄧茂軍

（1. 許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2. 華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

0 引言

斷路器失靈保護(hù)的作用是在發(fā)生斷路器失靈故障時(shí)跳開(kāi)失靈斷路器相鄰的斷路器，實(shí)現(xiàn)故障的切除，斷路器拒動(dòng)是在電網(wǎng)故障的同時(shí)發(fā)生斷路器拒動(dòng)，造成故障切除時(shí)間變長(zhǎng)［1］。死區(qū)故障存在的主要原因是繼電保護(hù)的測(cè)量設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備的安裝位置無(wú)法完全重合，出現(xiàn)保護(hù)通過(guò)測(cè)量設(shè)備感受到故障，動(dòng)作后無(wú)法通過(guò)執(zhí)行設(shè)備切除故障的矛盾，造成多切斷路器，且故障切除時(shí)間變長(zhǎng)的嚴(yán)重后果［2］。隨著電網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展，系統(tǒng)對(duì)故障極限切除時(shí)間的要求越來(lái)越高，同時(shí)交直流混聯(lián)的運(yùn)行方式使穩(wěn)定問(wèn)題尤為突出［3-7］。文獻(xiàn)［3］指出南方電網(wǎng)部分500 kV廠站的極限切除時(shí)間已短于350 ms；文獻(xiàn)［4］指出經(jīng)國(guó)家電網(wǎng)有限公司系統(tǒng)穩(wěn)定核算，將斷路器失靈和死區(qū)故障的切除時(shí)間縮短至200 ms 以內(nèi)，可有效降低直流連續(xù)發(fā)生2 次換相失敗的概率。高壓交流系統(tǒng)中均配置有雙套的速動(dòng)主保護(hù)，在故障發(fā)生30 ms后動(dòng)作出口，配合斷路器全開(kāi)斷時(shí)間60 ms，基本能在90 ms 切除故障。但由于歷史原因，如系統(tǒng)中存在大量?jī)H單側(cè)安裝電流互感器（TA）的斷路器等，依然存在主保護(hù)死區(qū)，且在運(yùn)行中也發(fā)生過(guò)多次斷路器失靈故障［8］，斷路器擊穿也偶有發(fā)生，若考慮故障情況下斷路器拒動(dòng)、死區(qū)故障等，故障將只能通過(guò)斷路器失靈保護(hù)、死區(qū)保護(hù)等切除，故障切除時(shí)間將延長(zhǎng)至400 ms 以上，已不滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)故障切除時(shí)間的要求，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定。

本文通過(guò)分析現(xiàn)有工程中影響斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的主要因素，針對(duì)性地提出了基于拖尾電流識(shí)別的改進(jìn)斷路器失靈保護(hù)判據(jù)，設(shè)計(jì)了集成斷路器失靈保護(hù)和死區(qū)保護(hù)的裝置，并給出了詳細(xì)的技術(shù)和工程實(shí)施方案。

1 斷路器失靈故障時(shí)間分析

500 kV變電站中發(fā)生死區(qū)故障和斷路器失靈故障時(shí)一般依靠斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作切除故障，尤其是線路斷路器的死區(qū)發(fā)生單相故障時(shí)，由于目前工程中的死區(qū)保護(hù)方案的判據(jù)為三相斷路器跳開(kāi)后故障依然未切除，所以在線路保護(hù)跳開(kāi)單相斷路器后，死區(qū)保護(hù)不能動(dòng)作，無(wú)法快速切除故障。限制死區(qū)故障和斷路器失靈故障下保護(hù)速動(dòng)性的主要因素為斷路器失靈保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。

圖1 為斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)序示意圖。圖中：t1為主保護(hù)動(dòng)作出口時(shí)間，按30 ms 考慮；t2為斷路器從收到跳令后到跳開(kāi)的時(shí)間，由固有動(dòng)作時(shí)間和滅弧時(shí)間兩部分組成，按60 ms 考慮；斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作延時(shí)依據(jù)整定規(guī)程整定為200 ms，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間需要考慮斷路器保護(hù)裝置對(duì)跳令開(kāi)入的消抖確認(rèn)，以及出口繼電器的動(dòng)作時(shí)間，因此t3按210 ms考慮；t4為相鄰斷路器從保護(hù)出口到斷路器跳開(kāi)的時(shí)間，包含操作箱的TJR 繼電器重動(dòng)耗時(shí)約10 ms，以及斷路器收到跳令后的全開(kāi)斷時(shí)間60 ms，共計(jì)70 ms；t5為斷路器失靈出口經(jīng)光纖線路保護(hù)或數(shù)字接口裝置將跳閘信號(hào)發(fā)送到對(duì)側(cè)的時(shí)間，由開(kāi)入消抖確認(rèn)、通道傳輸、繼電器動(dòng)作時(shí)間三部分組成，按45 ms 考慮；t6為對(duì)側(cè)遠(yuǎn)跳保護(hù)收到遠(yuǎn)跳信號(hào)后，經(jīng)就地電流判據(jù)后保護(hù)動(dòng)作于出口的時(shí)間，包含遠(yuǎn)跳信號(hào)開(kāi)入消抖確認(rèn)、故障判別元件動(dòng)作、繼電器出口時(shí)間，按50 ms 考慮；t7為對(duì)側(cè)遠(yuǎn)跳保護(hù)出口跳開(kāi)對(duì)側(cè)斷路器的時(shí)間，包含操作箱的TJR 繼電器重動(dòng)耗時(shí)約10 ms，以及斷路器收到跳令后的全開(kāi)斷時(shí)間60 ms，共計(jì)70 ms，故障持續(xù)時(shí)間達(dá)到405 ms。

圖1 斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)序示意圖Fig.1 Schematic diagram of action sequence of breaker failure protection

2014年5月1日，某500 kV變電站發(fā)生中斷路器電流互感器閃絡(luò)導(dǎo)致的死區(qū)故障，斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)序如圖2 所示。故障后6 ms 主保護(hù)出口跳A相，死區(qū)故障未切除，145 ms時(shí)斷路器失靈保護(hù)三跳本側(cè)斷路器，263 ms 時(shí)斷路器失靈保護(hù)跳相鄰斷路器，335 ms時(shí)對(duì)側(cè)遠(yuǎn)跳保護(hù)動(dòng)作，391 ms時(shí)對(duì)側(cè)斷路器跳閘，將死區(qū)故障點(diǎn)隔離。從死區(qū)故障發(fā)生至死區(qū)故障隔離共391 ms，與理論估算時(shí)間基本一致。

圖2 實(shí)際工程中發(fā)生電流互感器死區(qū)故障時(shí)的動(dòng)作時(shí)序Fig.2 Protection action sequence of CT dead zone fault in actual project

因此，根據(jù)斷路器失靈保護(hù)的整定計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際故障，當(dāng)發(fā)生交流系統(tǒng)電流互感器死區(qū)故障或故障情況下斷路器失靈時(shí)，故障切除時(shí)間將由主保護(hù)能夠正常切除的100 ms 延長(zhǎng)至由死區(qū)保護(hù)或斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作切除的400 ms。對(duì)于發(fā)生斷路器失靈故障時(shí)主保護(hù)動(dòng)作但故障無(wú)法切除，以及存在保護(hù)死區(qū)造成的主保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)斷路器但故障依然沒(méi)有被隔離的情況，通過(guò)以上分析可以得到其主要原因如下。

1）斷路器失靈保護(hù)判據(jù)元件的返回速度慢。與過(guò)量保護(hù)不同，提高斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作速度靠的是故障元件的快速返回，從而具備縮短失靈延時(shí)定值的條件。過(guò)量元件可以不滿窗動(dòng)作，但無(wú)法做到不滿窗返回，尤其是在電流互感器拖尾無(wú)法被避免的情況下，電流元件在斷路器跳開(kāi)拖尾電流后依然不能返回。斷路器失靈保護(hù)判據(jù)元件的返回速度慢造成斷路器失靈延時(shí)定值長(zhǎng)，是失靈保護(hù)動(dòng)作速度慢的主要原因。

2）斷路器動(dòng)作時(shí)間。斷路器動(dòng)作時(shí)間是斷路器失靈保護(hù)需要躲過(guò)的時(shí)間，極限切除時(shí)間在減少，但斷路器全開(kāi)斷時(shí)間不減少，通過(guò)提高繼電保護(hù)動(dòng)作速度來(lái)達(dá)到快速切除故障的目的，首先效果并不明顯，其次需要冒很大的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

3）參與環(huán)節(jié)多。故障切除全過(guò)程包括故障所在區(qū)域的主保護(hù)動(dòng)作、斷路器失靈保護(hù)經(jīng)延時(shí)動(dòng)作、線路保護(hù)通道傳輸、對(duì)側(cè)遠(yuǎn)跳保護(hù)動(dòng)作、對(duì)側(cè)操作TJR繼電器重動(dòng)、斷路器全開(kāi)斷、不同保護(hù)之間銜接時(shí)的開(kāi)入消抖確認(rèn)和繼電器出口，嚴(yán)重影響了速動(dòng)性。

4）TJR 繼電器重動(dòng)。分相跳閘不需要重動(dòng)，三相跳閘需要經(jīng)TJR 繼電器重動(dòng)，TJR 繼電器重動(dòng)耗時(shí)約10 ms，如果斷路器失靈保護(hù)出口和遠(yuǎn)跳保護(hù)出口均采用分相出口，可提高動(dòng)作速度。

2 斷路器失靈保護(hù)判據(jù)優(yōu)化

拖尾電流［4］影響斷路器失靈保護(hù)電流元件的返回速度，因而限制了斷路器失靈保護(hù)延時(shí)的縮短空間，造成斷路器失靈故障切除慢和故障時(shí)間長(zhǎng)。本文對(duì)電流互感器拖尾的物理原理和拖尾電流波形特征進(jìn)行分析，優(yōu)化斷路器失靈保護(hù)的電流判據(jù)，使其能夠不受拖尾電流影響，在斷路器跳開(kāi)后20 ms 內(nèi)快速返回。

2.1 電流互感器拖尾電流的波形特征

在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)跳閘斷路器跳開(kāi)，理想情況下在電流過(guò)零點(diǎn)熄弧切斷和一次系統(tǒng)的聯(lián)系，電流互感器的勵(lì)磁支路、二次回路形成一階電路，呈現(xiàn)為零輸入響應(yīng)，該過(guò)程中產(chǎn)生的電流即為二次拖尾電流，二次拖尾電流衰減過(guò)程如式（1）所示。

式中：i2為二次電流實(shí)時(shí)值；t為時(shí)間；I為斷路器跳開(kāi)后的二次電流初值；τ為一階電路時(shí)間常數(shù)；LΣ為一階電路等效電感；RΣ為一階電路等效電阻。

電流互感器拖尾電流的數(shù)學(xué)模型為指數(shù)函數(shù)，呈按指數(shù)衰減的特征，其初值為斷路器跳開(kāi)時(shí)的二次電流值，由于勵(lì)磁回路參數(shù)與鐵芯、磁通飽和度有關(guān)，所以拖尾電流的初值和持續(xù)時(shí)間均無(wú)法預(yù)知。根據(jù)式（1）得到理想的二次拖尾電流波形如圖3 所示。圖中，I=1 A；τ=200 ms。由圖可見(jiàn)：經(jīng)過(guò)τ后，二次拖尾電流衰減了63.2%，變?yōu)?.368 A；經(jīng)過(guò)2τ后，變?yōu)榱?.135 A；經(jīng)過(guò)3τ后，變?yōu)榱?.050 A；隨著時(shí)間的增長(zhǎng)衰減也越來(lái)越慢。

圖3 電流互感器拖尾電流波形特征Fig.3 Wave characteristics of CT tail current

對(duì)式（1）進(jìn)行拉普拉斯變換可得到其頻域公式為：

式中：I(f)為幅值；f為頻率。

I(f)是f的遞減函數(shù)，f=0 時(shí)I(f)取得最大值Iτ。I0=1 A，τ分別為0.03、0.06、0.1 s 時(shí)，根據(jù)式（3）可得到理想的二次拖尾電流頻譜如圖4 所示。由圖可見(jiàn)，按指數(shù)衰減的非周期分量的頻譜是連續(xù)的，不僅含有直流分量，還有很多的低頻分量，集中在f＜15 Hz部分。

圖4 電流互感器拖尾電流頻譜特征Fig.4 Spectrum characteristics of CT tail current

由以上分析可知，拖尾電流產(chǎn)生于斷路器斷開(kāi)之后，由于一次系統(tǒng)無(wú)流，所以拖尾電流中幾乎無(wú)工頻分量，可以得出以下結(jié)論：

1）拖尾電流的直流分量很大，工頻分量趨于0，所以直流分量和工頻分量的幅值比值較大；

2）正常運(yùn)行、故障發(fā)生時(shí)的直流分量和工頻分量的幅值比值不大于1。

根據(jù)拖尾電流的特征以及正常運(yùn)行、故障發(fā)生時(shí)的電流特征區(qū)別，可提出直流分量比率制動(dòng)判據(jù)如式（4）所示。

式中：Aφ為基波幅值；Bφ為直流幅值；Kset為比率制動(dòng)判據(jù)定值，考慮一定裕度取為1.2；φ為相別。

2.2 基于最小二乘法的三點(diǎn)窗濾波器

通過(guò)最小二乘法可以獲得任意數(shù)據(jù)窗的基波余弦濾波器和基波正弦濾波器（下文分別簡(jiǎn)稱為余弦濾波器和正弦濾波器）、直流濾波器。本節(jié)基于最小二乘法獲得三點(diǎn)窗余弦濾波器、正弦濾波器和直流濾波器，使用直流和基波來(lái)擬合采樣值，輸入信號(hào)的預(yù)設(shè)模型選擇為：

式中：x(t)為實(shí)時(shí)值；I0為直流分量幅值；I1為工頻分量幅值；ω為工頻角頻率；α1為工頻分量初相角。

式中：Ya為直流濾波器系數(shù)；Yc為余弦濾波器系數(shù)；Ys為正弦濾波器系數(shù)。

當(dāng)系統(tǒng)頻率為50 Hz、采樣率為1 200 時(shí)，有T1=0、T2=0.833 333 ms、T3=1.666 667 ms，代入上述公式可以得到相應(yīng)的幅頻響應(yīng)。余弦濾波器、正弦濾波器和直流濾波器在［0，600］Hz和［0，100］Hz頻率范圍內(nèi)的幅頻響應(yīng)分別如圖5（a）、（b）所示。由圖5（a）可見(jiàn)，3種濾波器對(duì)高次諧波的濾除能力均較差；由圖5（b）可見(jiàn)，余弦濾波器和正弦濾波器能夠很好地濾除直流分量，而直流濾波器能夠很好地濾除基波分量。

圖5 不同頻率范圍內(nèi)的三點(diǎn)窗濾波器幅頻響應(yīng)Fig.5 Amplitude-frequency response of three-point window filters in different frequency ranges

2.3 基于最小二乘法的三點(diǎn)窗直流分量比率制動(dòng)判據(jù)

根據(jù)三點(diǎn)窗余弦、正弦和直流濾波器的幅頻響應(yīng)，仿照基于全周傅氏算法的直流分量比率制動(dòng)原理，可以得到基于最小二乘法的三點(diǎn)窗直流分量比率制動(dòng)判據(jù)為：

式中：Aφ.3為采用式（10）計(jì)算得到的基波幅值；Bφ.3為采用式（11）計(jì)算得到的直流幅值；Kset.3為比率制動(dòng)判據(jù)定值，本文考慮一定裕度取為1.2。

設(shè)置延時(shí)元件，若式（12）成立10 ms，則判定三點(diǎn)窗直流分量比率制動(dòng)判據(jù)滿足。

當(dāng)I∈［1，20］A、τ∈［1，200］ms時(shí)，二次拖尾電流經(jīng)三點(diǎn)窗基波濾波器、直流濾波器得到的基波幅值、直流幅值與I的比值及兩者的比值如圖6 所示。由圖可見(jiàn)：基波幅值、直流幅值與I成正比；基波幅值、直流幅值的比值不受I大小影響，隨著τ的增加迅速增加，在τ＞2 ms 時(shí)大于1.359，隨著τ的增加判據(jù)靈敏度迅速增加?；谧钚《朔ǖ娜c(diǎn)窗直流分量比率制動(dòng)判據(jù)僅與τ有關(guān)，與I無(wú)關(guān)，該判據(jù)基于三點(diǎn)窗濾波器，滿窗為2.5 ms，并增設(shè)10 ms延時(shí)確認(rèn)，所以當(dāng)τ＞2 ms 時(shí)，無(wú)論I多大，均能在20 ms 內(nèi)判斷出是否為斷路器跳開(kāi)。

圖6 Aφ.3/I、Bφ.3/I、Bφ.3/Aφ.3隨τ的變化Fig.6 Change of Aφ.3/I，Bφ.3/I and Bφ.3/Aφ.3 along with τ

本文將斷路器失靈保護(hù)判據(jù)與拖尾電流識(shí)別判據(jù)相結(jié)合，改進(jìn)后的斷路器失靈保護(hù)邏輯如圖7 所示。圖中：Iφ為相電流；In為二次額定電流；Iset為失靈相電流定值；TⅠ為失靈保護(hù)三跳本斷路器時(shí)間定值；TⅡ?yàn)槭ъ`保護(hù)跳相鄰斷路器時(shí)間定值。其中，改進(jìn)的單相斷路器失靈保護(hù)邏輯在原有判據(jù)的基礎(chǔ)上增加單相拖尾電流標(biāo)志快速識(shí)別故障是否已被切除；三相斷路器失靈保護(hù)邏輯在原判據(jù)的基礎(chǔ)上按相增加拖尾電流標(biāo)志或無(wú)流判據(jù)快速識(shí)別三相故障是否已被切除。

圖7 基于拖尾電流識(shí)別判據(jù)改進(jìn)的斷路器失靈保護(hù)邏輯Fig.7 Logic breaker failure protection improved by tailing current identification criterion

斷路器正常跳開(kāi)時(shí)，如果發(fā)生電流互感器拖尾，則改進(jìn)的斷路器失靈保護(hù)邏輯能夠在20 ms 內(nèi)準(zhǔn)確識(shí)別拖尾電流，斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作條件不滿足；如果未發(fā)生電流互感器拖尾，則改進(jìn)的單相斷路器失靈保護(hù)的全周傅氏相電流判據(jù)（Iφ＞0.06In）返回，單相斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作條件不滿足；改進(jìn)的三相斷路器失靈保護(hù)的無(wú)流判據(jù)在20 ms內(nèi)滿足，改進(jìn)的三相斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作條件不滿足，可保證在20 ms內(nèi)判斷出是否為斷路器跳開(kāi)，極大地優(yōu)化失靈時(shí)間定值的整定。

3 仿真驗(yàn)證

設(shè)置τ為30、60、200 ms，仿真分析衰減非周期拖尾電流對(duì)改進(jìn)的斷路器失靈保護(hù)的電流元件的影響。按照極端情況考慮，斷路器跳開(kāi)后的拖尾初始電流約為20%的故障電流峰值，但在電流互感器出現(xiàn)嚴(yán)重飽和情況下跳開(kāi)斷路器時(shí)，拖尾電流可能會(huì)非常大，超過(guò)20%的故障電流峰值，因此仿真時(shí)故障電流按照20In考慮，90°切除時(shí)的初始拖尾電流按照最大20In考慮，仿真驗(yàn)證結(jié)果如圖8 所示。故障切除后，式（12）所示判據(jù)能快速識(shí)別出拖尾電流從而使改進(jìn)的斷路器失靈保護(hù)的電流元件返回。基于全周傅氏算法的電流元件的門檻值為0.06In，元件返回時(shí)間受拖尾電流影響較大?；谌芨凳弦稽c(diǎn)差分算法的電流元件優(yōu)于全周傅氏的電流元件，在τ=30 ms 時(shí)其返回時(shí)間為62 ms，在τ=60 ms 時(shí)其返回時(shí)間為32.5 ms，在τ=200m s 時(shí)其返回時(shí)間為19.5 ms。全周傅氏一點(diǎn)差分算法的本質(zhì)是先進(jìn)行一點(diǎn)差分再進(jìn)行全周傅氏濾波，在τ較大時(shí)一點(diǎn)差分能夠消除大量的非周期分量，效果較好，在τ不大時(shí)，一點(diǎn)差分后的非周期分量依然較大，效果不理想，因此全周傅氏一點(diǎn)差分算法只在τ較大這種特定情況下有效，可靠性不足。

圖8 仿真驗(yàn)證結(jié)果Fig.8 Results of simulation verification

當(dāng)出現(xiàn)拖尾電流時(shí)，拖尾電流識(shí)別判據(jù)在20 ms內(nèi)可準(zhǔn)確識(shí)別，當(dāng)沒(méi)有拖尾電流時(shí)，全周傅氏電流元件也能滿足在20 ms 內(nèi)可靠返回，從而大幅縮短斷路器失靈保護(hù)整定延時(shí)，加快斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作速度。

4 裝置設(shè)計(jì)

4.1 綜合集成的斷路器失靈保護(hù)

將綜合集成的斷路器失靈保護(hù)應(yīng)用于500 kV電壓等級(jí)的3/2接線的斷路器，按照一個(gè)斷路器串雙重化配置，集成斷路器失靈保護(hù)功能、遠(yuǎn)跳保護(hù)功能，具備兩路和對(duì)側(cè)保護(hù)通信的縱聯(lián)光口，可以實(shí)現(xiàn)兩側(cè)遠(yuǎn)跳信號(hào)的專用通道傳輸，其工程配置情況如附錄A 圖A1 所示。綜合集成的斷路器失靈保護(hù)支持接入1 個(gè)線變串、線線串，也支持僅1 條變壓器支路或僅1條線路支路的不完整串；采集3臺(tái)斷路器的電流和2 條支路上的電壓；接收本串相關(guān)支路保護(hù)和2 個(gè)母線保護(hù)的啟失靈信號(hào)；支持通過(guò)縱聯(lián)通道接收對(duì)側(cè)的遠(yuǎn)跳信號(hào)，經(jīng)就地判據(jù)后遠(yuǎn)跳保護(hù)動(dòng)作，通過(guò)電纜分相直跳本串相關(guān)斷路器；支持由過(guò)程層面向通用對(duì)象的變電站事件（GOOSE）網(wǎng)絡(luò)接收其他串?dāng)嗦菲魇ъ`保護(hù)的跳閘命令，經(jīng)啟動(dòng)判別后，失靈直跳保護(hù)動(dòng)作，通過(guò)電纜分相直跳本串相關(guān)斷路器。斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)，通過(guò)電纜分相直跳本串相關(guān)斷路器，通過(guò)GOOSE 網(wǎng)絡(luò)向其他串?dāng)嗦菲魇ъ`保護(hù)發(fā)送跳閘命令，通過(guò)縱聯(lián)通道向?qū)?cè)發(fā)送遠(yuǎn)跳命令。相比于傳統(tǒng)的按斷路器配置的斷路器失靈保護(hù)，綜合集成的斷路器失靈保護(hù)具有以下改進(jìn)。

1）優(yōu)化斷路器失靈保護(hù)判據(jù)，縮短失靈延時(shí)定值。

采用本文的改進(jìn)斷路器失靈保護(hù)，無(wú)論斷路器跳開(kāi)后是否存在拖尾電流，均能在20 ms 內(nèi)返回，所以失靈動(dòng)作延時(shí)定值tset1可以減少，如式（13）所示。

式中：tⅠ為斷路器全開(kāi)斷時(shí)間；tⅡ?yàn)槭ъ`電流元件返回時(shí)間；tⅢ為電流計(jì)算、保護(hù)開(kāi)入識(shí)別、程序執(zhí)行等環(huán)節(jié)的時(shí)間裕度。tⅠ按最大60 ms 考慮；tⅡ在采用改進(jìn)的斷路器失靈保護(hù)后可取為20 ms；tⅢ按10 ms 考慮。則采用改進(jìn)的斷路器失靈保護(hù)后，tset1可以按照90 ms考慮。

斷路器失靈保護(hù)接收跳令開(kāi)入啟失靈信號(hào)的消抖時(shí)間一般為5～8 ms，由于失靈動(dòng)作延時(shí)整定考慮的起點(diǎn)為斷路器收到跳令，開(kāi)入消抖的時(shí)間會(huì)造成斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的損失。由于斷路器失靈保護(hù)為帶延時(shí)確認(rèn)的保護(hù)，其可采用未經(jīng)消抖的開(kāi)入作為斷路器失靈故障判別的計(jì)時(shí)起點(diǎn)。失靈動(dòng)作延時(shí)定值的裕度取決于失靈判據(jù)能夠有效返回的時(shí)間，失靈判別的計(jì)時(shí)起點(diǎn)為未經(jīng)消抖的啟失靈信號(hào)開(kāi)入，發(fā)生單相故障時(shí)，式（12）所示判據(jù)被滿足同時(shí)斷路器失靈保護(hù)閉鎖，在發(fā)生三相故障時(shí)三相均有式（12）所示判據(jù)被滿足或無(wú)流時(shí)斷路器失靈保護(hù)閉鎖。按照采樣率為1200進(jìn)行分析，由斷路器跳開(kāi)后的3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)判斷是否滿足式（12）所示判據(jù)，若判據(jù)滿足，經(jīng)過(guò)10 ms 延時(shí)確認(rèn)后閉鎖斷路器失靈保護(hù)，整個(gè)過(guò)程約為12.5 ms，無(wú)流判據(jù)采用半周差分滿窗11 ms 動(dòng)作，取一定裕度，斷路器在經(jīng)60 ms 跳開(kāi)時(shí)，斷路器失靈保護(hù)在75 ms 能夠可靠返回，因此失靈動(dòng)作延時(shí)定值時(shí)間為90 ms時(shí)，存在15 ms的裕度。

2）減少傳輸環(huán)節(jié)。

由本文第1 節(jié)的分析可知，發(fā)生死區(qū)故障或者斷路器失靈故障時(shí)，切除故障的全過(guò)程需要多個(gè)保護(hù)裝置接力完成，不同保護(hù)之間的銜接需要開(kāi)入消抖確認(rèn)和繼電器出口時(shí)間，嚴(yán)重影響了速動(dòng)性。采用綜合集成的斷路器失靈保護(hù)，故障切除全過(guò)程參與裝置從原來(lái)的主保護(hù)、斷路器保護(hù)、線路保護(hù)、對(duì)側(cè)線路保護(hù)、對(duì)側(cè)遠(yuǎn)跳保護(hù)（共計(jì)5 個(gè)），變?yōu)榱酥鞅Ｗo(hù)、斷路器失靈保護(hù)、對(duì)側(cè)斷路器失靈保護(hù)（共計(jì)3個(gè)），減少了多個(gè)開(kāi)入消抖和繼電器動(dòng)作時(shí)間環(huán)節(jié)。

3）優(yōu)化通道傳輸。

通過(guò)優(yōu)化傳輸環(huán)節(jié)也可提升故障切除速度。圖1 中的t5按45 ms 考慮，是考慮使用復(fù)用通道和線路長(zhǎng)度的最大延時(shí)，以及線路保護(hù)的開(kāi)入消抖和繼電器動(dòng)作時(shí)間。采用集成縱聯(lián)通道的斷路器失靈保護(hù)無(wú)需考慮開(kāi)入消抖和繼電器動(dòng)作時(shí)間，其采用專用的光纖通道，基于500 kV 線路的長(zhǎng)度，通道傳輸時(shí)間可考慮為10 ms。

4）優(yōu)化遠(yuǎn)跳就地時(shí)間定值整定。

遠(yuǎn)方跳閘的就地判據(jù)包括電流變化量、零序電流、負(fù)序電流、零序電壓、負(fù)序電壓、低電流、分相低功率因數(shù)、分相低有功元件，其需保證對(duì)各種故障有足夠的靈敏度。在就地判據(jù)滿足且收信，經(jīng)整定延時(shí)確認(rèn)后遠(yuǎn)跳保護(hù)動(dòng)作，遠(yuǎn)跳經(jīng)故障判據(jù)延時(shí)通常整定為30 ms，通常就地判據(jù)已有20 ms 的確認(rèn)時(shí)間，遠(yuǎn)跳就地時(shí)間定值可整定為0。

5）采用分相出口。

綜合集成的斷路器失靈保護(hù)裝置設(shè)計(jì)為按斷路器分相出口，不經(jīng)操作箱的TJR 繼電器重動(dòng)，減少約10 ms的重動(dòng)耗時(shí)。以圖A1中點(diǎn)F2發(fā)生A 相接地故障為例，對(duì)應(yīng)的斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)序見(jiàn)圖9。

圖9 點(diǎn)F2發(fā)生A相接地故障時(shí)，斷路器失靈保護(hù)的動(dòng)作時(shí)序Fig.9 Action Sequence of breaker failure protection when phase-A grounding fault occurs at F2

圖9 中：t1按照30 ms 考慮；t2按60 ms 考慮；綜合集成的斷路器失靈保護(hù)可整定斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作延時(shí)為90 ms，不考慮斷路器保護(hù)裝置對(duì)跳令開(kāi)入的消抖確認(rèn)，僅考慮出口繼電器的動(dòng)作時(shí)間，t3按95 ms 考慮；t′4為遠(yuǎn)跳命令的通道傳輸時(shí)間，由通道傳輸和繼電器動(dòng)作兩部分組成，按15 ms 考慮；t′5為相鄰斷路器從收到跳令到跳開(kāi)的時(shí)間，采用分相出口后，可以按60 ms 考慮；t′6為對(duì)側(cè)斷路器失靈遠(yuǎn)跳出口跳開(kāi)對(duì)側(cè)斷路器的時(shí)間，采用分相出口后，可以按60 ms考慮。故障切除時(shí)間理論上為195 ms。

4.2 綜合集成的斷路器死區(qū)失靈保護(hù)

綜合集成的斷路器失靈保護(hù)將死區(qū)故障等同于失靈故障處理，針對(duì)具備改造為雙側(cè)電流互感器條件的500 kV 變電站，在原來(lái)的綜合集成的斷路器失靈保護(hù)增加專門針對(duì)死區(qū)保護(hù)的邏輯，綜合集成的斷路器失靈死區(qū)保護(hù)裝置如附錄A圖A2所示。

綜合集成的斷路器失靈死區(qū)保護(hù)裝置采集3 臺(tái)斷路器的兩側(cè)電流互感器的電流，構(gòu)成基于差動(dòng)原理的3 臺(tái)斷路器死區(qū)差動(dòng)保護(hù)。死區(qū)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后跳相鄰斷路器，斷路器1 死區(qū)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳斷路器5 041、5 042；斷路器2 死區(qū)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳本串的3臺(tái)斷路器；斷路器3死區(qū)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳斷路器5 042、5 043。對(duì)于主變間隔，通過(guò)主變保護(hù)的失靈聯(lián)跳功能跳開(kāi)主變各側(cè)；對(duì)于線路間隔利用光纖通道直接遠(yuǎn)跳對(duì)側(cè)斷路器，該裝置支持2 路光纖接口，可完成線線串分別和對(duì)側(cè)2 條線路對(duì)側(cè)裝置通信的功能。

以圖A2中點(diǎn)F2發(fā)生A 相接地故障為例，其故障時(shí)序如圖10 所示。圖中：t″1為死區(qū)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作出口時(shí)間，按30 ms 考慮；t″2為斷路器從收到跳令后到跳開(kāi)的時(shí)間，由固有動(dòng)作時(shí)間和滅弧時(shí)間兩部分組成，按60 ms考慮；t″3為遠(yuǎn)跳命令的通道傳輸時(shí)間，由通道傳輸和繼電器動(dòng)作兩部分組成，按15 ms 考慮；t″4為對(duì)側(cè)斷路器失靈死區(qū)保護(hù)的遠(yuǎn)跳出口跳開(kāi)對(duì)側(cè)斷路器的時(shí)間，采用分相出口后，可以按60 ms 考慮。故障切除時(shí)間理論上為100 ms。

圖10 死區(qū)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)序Fig.10 Action sequence of dead zone differential protection

4.3 測(cè)試驗(yàn)證

2 種裝置均進(jìn)行了第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)試，測(cè)試平臺(tái)在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)（RTDS）上建立。仿真系統(tǒng)RTDS 模型接線圖和線路參數(shù)分別如附錄A 圖A3和表A1所示。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，所有斷路器跳開(kāi)后均有電流互感器拖尾。模擬各故障點(diǎn)、各種類型的故障，相關(guān)斷路器跳開(kāi)后，電流互感器產(chǎn)生不同程度的拖尾電流。斷路器失靈保護(hù)優(yōu)化專項(xiàng)集中除了測(cè)試保護(hù)裝置在各類情況下的動(dòng)作行為正確性之外，重點(diǎn)檢測(cè)裝置的整組動(dòng)作時(shí)間。動(dòng)作時(shí)間測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)如下。

1）斷路器失靈保護(hù)：發(fā)生死區(qū)故障、失靈故障時(shí)，甲站、乙站斷路器跳開(kāi)時(shí)間均在200 ms以內(nèi)。

2）死區(qū)差動(dòng)保護(hù)：死區(qū)故障時(shí)，甲站、乙站斷路器跳開(kāi)時(shí)間均滿足110 ms內(nèi)跳開(kāi)。

3）測(cè)試中斷路器開(kāi)斷時(shí)間為60～125 ms，模擬其他保護(hù)啟失靈出口時(shí)間為30 ms。斷路器開(kāi)斷時(shí)間大于60 ms 則認(rèn)為斷路器失靈，允許保護(hù)裝置動(dòng)作跳開(kāi)本側(cè)相鄰及對(duì)側(cè)斷路器。

附錄A 圖A4 為模擬斷路器失靈及斷路器正確跳開(kāi)后發(fā)生拖尾情況時(shí)的裝置錄波。圖A4（a）為發(fā)生A 相故障后，其他保護(hù)動(dòng)作發(fā)A 相跳令后斷路器開(kāi)斷時(shí)間大于120 ms，斷路器失靈保護(hù)整定時(shí)間為90 ms，斷路器失靈保護(hù)在91.5 ms 動(dòng)作情況下的裝置錄波。故障初始時(shí)A 相有較大的非周期分量，A相電流全偏，此時(shí)A 相基波幅值與直流幅值較為接近，比值約為1，隨著非周期分量的衰減，A相直流幅值迅速下降，故障開(kāi)始至故障結(jié)束過(guò)程中不滿足拖尾判據(jù)，A 相拖尾標(biāo)志不動(dòng)作。圖A4（b）—（d）分別為τ為30、60、200 ms 時(shí)，發(fā)生A 相故障，其他保護(hù)動(dòng)作發(fā)A 相跳令，斷路器60 ms 切除故障，初始電流為20In，衰減時(shí)間常數(shù)斷路器失靈保護(hù)整定時(shí)間90 ms，A 相拖尾標(biāo)志在75 ms 前動(dòng)作，失靈判據(jù)返回，斷路器失靈保護(hù)不動(dòng)作情況下的裝置錄波。故障初始至斷路器跳開(kāi)期間，A 相基波幅值、A 相直流幅值的情況與圖A4（a）相同；斷路器跳開(kāi)A 相發(fā)生電流互感器拖尾時(shí)，A 相拖尾標(biāo)態(tài)在三點(diǎn)滿窗后立即動(dòng)作，經(jīng)10 ms確認(rèn)后，A 相拖尾標(biāo)志在75 ms前置位，失靈判據(jù)返回，斷路器失靈保護(hù)不動(dòng)作。

經(jīng)第三方檢測(cè)，綜合集成的斷路器失靈保護(hù)和斷路器死區(qū)失靈保護(hù)滿足功能設(shè)計(jì)及指標(biāo)要求。根據(jù)本方案研制的站域失靈保護(hù)裝置正在河南進(jìn)行掛網(wǎng)試運(yùn)行，截至目前運(yùn)行情況良好。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于拖尾電流識(shí)別的斷路器失靈保護(hù)優(yōu)化方案，解決了電流互感器拖尾對(duì)斷路器失靈保護(hù)的影響。仿真驗(yàn)證證明該方案的斷路器失靈保護(hù)電流元件能夠在20 ms 內(nèi)識(shí)別出拖尾電流，使斷路器失靈保護(hù)電流元件快速返回。在此基礎(chǔ)上可縮短斷路器失靈保護(hù)的整定延時(shí)，加快斷路器失靈保護(hù)的動(dòng)作速度。

根據(jù)所分析的影響斷路器失靈保護(hù)及死區(qū)保護(hù)動(dòng)作速度的原因，設(shè)計(jì)了綜合集成的斷路器失靈保護(hù)，通過(guò)優(yōu)化保護(hù)功能的配置，應(yīng)用改進(jìn)的失靈判據(jù)，綜合集成的斷路器失靈保護(hù)在500 kV 變電站發(fā)生斷路器失靈或死區(qū)故障時(shí)能夠在200 ms 內(nèi)切除故障。針對(duì)具備改造為雙側(cè)電流互感器條件的500 kV 變電站，設(shè)計(jì)了綜合集成斷路器失靈死區(qū)保護(hù)，利用差動(dòng)保護(hù)可在110 ms 內(nèi)快速切除死區(qū)故障。經(jīng)檢測(cè)，綜合集成的斷路器失靈保護(hù)和綜合集成的斷路器死區(qū)失靈保護(hù)滿足功能設(shè)計(jì)及指標(biāo)要求。根據(jù)本方案研制的保護(hù)裝置已進(jìn)行掛網(wǎng)試運(yùn)行，截至目前運(yùn)行情況良好。

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