关于断路器失灵保护延时对直流保护影响的思考

许继电气股份有限公司 熊章学

0 引言

中国电网发展迅速，已经形成了跨度几千公里的交直流混合互联系统、多个数千瓦规模的大负荷中心[1-4]。随着特高压直流的建设，这一特点将更加突出[5-8]。对于这种远距离、大容量、交直流混合运行电网，交直流保护的配合对电网的安全稳定有着及其重要的影响。传统上，交流保护和直流保护均从各自系统及设备的运行特性和故障特点出发独立进行整定设置，忽视了两者的内在联系[9]。文献[10-11]分析了一起由于交直流保护配合不当造成直流保护100Hz谐波保护误动的事故。

交流快速保护拒动或者断路器失灵时，有可能满足直流100Hz谐波保护的动作条件造成误动。缩短失灵保护动作时间可以降低主保护拒动或断路器失灵时的故障持续时间，在发生极端情况下有利于保障电网的稳定性。本文试图通过一次试验现象入手，从断路器失灵保护和100Hz谐波保护的延时定值配合来说明缩短保护动作时间的必要性，提出了具体可行的解决方案，并进行试验验证，希望本文对相关从业人员能提供一定的参考。

1 交流系统开关失灵致100Hz谐波保护动作

2012年7月10日下午8点左右，某系统在进行现场实验过程中，模拟K1点单相接地故障，保护动作跳开10B2.B和10B2.C，其中10B2.C开关失灵，故障未立即切除，由于断路器失灵保护未达到延时定值，此时100Hz谐波保护动作，直流系统闭锁极控。系统主接线图见图1。相关保护动作定值如表1所示。

图1 某系统主接线图

表1 相关保护动作定值

从定值分析，延时定值不匹配是100Hz谐波保护动作的关键。虽然100Hz谐波保护动作符合软件设计逻辑，却违背了交流系统故障期间，在确保直流设备安全的前提下直流保护可靠不动作的设计原则。

2 100Hz谐波保护与断路器失灵保护关联性

2.1 直流侧100Hz谐波保护产生机理及整定原则

交流系统不对称故障在交流系统中会产生基波负序电压，该交流基波负序电压一方面在交流侧产生交流基波负序电流；一方面在直流侧产生100Hz谐波电势，该电势在直流侧生成100Hz谐波电流。文献[12]给出了对于12脉动换流器，直流侧100Hz谐波电压的幅值计算公式，同时也给出了直流侧100Hz谐波电流的幅值计算公式。根据公式，不难得出：

1）换相角μ对100Hz谐波电压幅值和100Hz谐波电流幅值影响均不大；

2）从交流侧到直流侧100Hz谐波电压幅值是放大的，对于12脉动换流器，约为3.3倍。

3）从交流侧到直流侧100Hz谐波电流幅值是缩小的，对于12脉动换流器，约为0.55倍。

这说明交流系统故障持续期间，在直流系统中会产生100Hz谐波分量。100Hz谐波保护保护起动定值由仿真试验模拟最大工况以及最小工况下交流系统单相金属性接地故障确定。

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从本次事例可以看出，100Hz谐波保护的动作延时整定过短时，当交流快速保护拒动或者断路器失灵时，有可能满足直流100Hz谐波保护的动作条件造成误动。因此，100Hz谐波保护的时间定值应大于交流系统远后备保护动作时间，当然，还必须考虑在直流系统可以承受的前提下。

对本次事件来说，只要修改100Hz谐波保护的动作延时，大于0.25s即可，但是，参与试验的专家希望以此事为基础，详细研究一下断路器失灵保护延时定值，是否有缩短的可能性。如果延时可以缩短，则从根本上缩短了交流故障的持续时间，将会大大减少交流系统对直流系统的影响。

2.2 断路器失灵保护启动条件与整定原则

根据继电保护技术规程GB14285-2006可知，为提高动作可靠性，断路器失灵保护必须满足以下条件，方可起动：

1）故障线路或电力设备能瞬时复归的出口继电器动作后不返回；

2）断路器未断开的判别元件动作后不返回。断路器失灵保护的判别元件应采用一般应为相电流元件、零序电流元件或负序电流元件。

目前，断路器失灵保护的动作逻辑如图2所示。

图2 断路器失灵保护动作逻辑

从图2中可以看出，跳令为外部输入的条件，断路器失灵保护本身是不能够控制的。要适当缩短交流系统故障持续时间，了解断路器失灵保护的延时构成是必要的。

2.3 断路器保护整定延时的组成

图3 失灵保护延时整定组成因素

其中：A为主保护动作出口时间，约40ms

B为断路器开断熄弧时间，约50ms；

C为主保护返回时刻，不大于20ms；

D为失灵保护留有一定的裕度时间。

断路器失灵保护的动作延时整定一般包括：TSL=B+C+D=70+D，单位ms。

断路器失灵保护延时整定的原则目前主要考虑躲过一次电流切除后CT二次侧的电流拖尾现象，是为了防止误动而设置的。以前，断路器失灵保护作为保护的最后防线，主要考虑不能拒动，对于误动的处理主要是靠增加延时。现在，随着特高压直流的建设，对交流保护的处理要求更加精细化，以减少对直流系统的不必要影响。

3 电流互感器拖尾电流的理论和仿真分析

电流互感器的数学模型如图4所示。

图4 电流互感器数学模型

其中，R1＋jX1为原绕组的漏阻抗，R2＋jX2为副绕组的漏阻抗，Rm＋jXm为激磁阻抗，Zload为电流互感器所接的负载阻抗。

当设备故障时，继电保护设备发出跳闸命令来切除故障，交流断路器在电流过零熄弧时切断一次电流回路以消除故障。由图4可知，此时CT激磁回路、副绕组和负载阻抗仍是闭合回路。由于储能元件电感的存在，回路中仍有电流存在。这就是所谓的电流互感器的二次拖尾电流。由电路理论可知，放电期间的电流表达式为[13]

其中，I0是断路器断开一次电气设备时的CT副绕组初始电流；为回路中总电感；为回路中总电阻。

回路理论表明，在断路器断开后，电流互感器（CT）确实存在电流拖尾现象，即一次设备断开后，CT二次绕组仍然存在衰减的非周期等电流分量。CT电流拖尾现象的成因是由于一次侧断路器断开时，CT二次绕组电流此时并不为零，此时激磁绕组、二次绕组和CT所带二次负荷形成回路并释放断路器断开时储存在电流回路电感中的能量[12]。

图5为根据现场实际情况，通过RTDS模拟的发生A相接地故障得到的录波。断路器失灵保护相启动电流定值为0.16A，延时联跳定值为250ms，失灵保护延时为为250ms。

从图5可以看到，断路器跳闸断开时刻，A相电流轨迹立刻停止增长并开始按指数规律衰减，即存在电流拖尾现象。拖尾电流大小轨迹由断路器断开时刻的初始电流大小开始并按照一定时间常数不断衰减。衰减的时间常数与CT磁通饱和程度、CT结构和铁心结构等有关。

从图5中还可以看到，交流系统故障在母线上产生了负序电压，该负序电压是直流线路电流中出现100Hz分量的最主要的原因。当拖尾电流的初始电流越大，衰减时间越长，则断路器失灵保护的延时越长，越易满足直流100Hz谐波保护的动作条件。

4 解决方案

由于目前交流开关并不能完全保证在过零点处切除故障，因此故障切除时一次电流往往不为零，另外由于各个CT的二次时间常数也不完全相同，断路器失灵保护的有流判据必须增加相应的算法，对衰减的直流分量进行滤除，以保证断路器失灵保护时间定值能够适应电力系统发展的新要求。

图5 A相拖尾电流和负序电压

目前断路器失灵保护的电流判据一般为有流门槛，采用全周傅氏算法进行计算。全周傅氏算法虽然对非整数次的高次谐波有很大的抑制能力，但是其抑制非周期分量的能力较差。采用能有效滤除直流分量的差分全周傅氏算法进行电流计算，并辅之以电压判据。逻辑框图如图6所示。

只有当线电压低于定值、负序电压高于定值、零序电压高于定值，三个条件中有任一个满足时，才开放断路器失灵保护。该方法的优点在于可以基本消除电流互感器拖尾现象，有效提高断路器失灵保护的动作时间。

图6 断路器失灵保护修改后的动作逻辑

图7为改进前后的衰减时间对比。此时，线电压定值为70V,负序电压定值为7V，零序电压定值为4V。表2为算法改进前后的衰减时间比较。

在开关断开一周波后，负序电压降至2.2V、零序电压降至0.9V，小于定值，断路器失灵保护不开放。

表2 改进前后衰减时间比较

从图7、表2可以看出，改进后拖尾电流衰减加快，但不能完全消除拖尾电流，只有在电压判据的作用下，才能完全避免断路器失灵保护的误动。采用该改进方法对于广泛使用的断路器失灵保护简单可行，不需要修改太多的程序，易于推广。由表2可知，考虑一定裕度，断路器失灵保护的延时至少可以缩减30ms。

缩短表1所示的延时联跳延时、失灵保护延时为220ms,在图1所示系统重复模拟K1点单相接地故障，保护动作跳开10B2.B和10B2.C，其中10B2.C开关失灵，断路器失灵保护正确动作，100Hz谐波保护未动作。

图7 改进前后的衰减时间对比

5 结束语

本文通过分析现场一次试验结果，详细地论述了100Hz谐波保护延时定值和断路器失灵保护延时定值的关系，从解决断路器失灵保护延时定值入手，从根本上避免交流故障引起的100Hz谐波保护的误动作，效果反映良好。

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