智能变电站断路器非全相保护的优化

张兆阳

（广东电网有限责任公司 广州供电局，广东 广州 510000）

0 引言

220 kV 及以上电压等级的线路断路器一般采用分相操作机构，可以实现单相或综合重合闸。实际运行中，断路器存在某相或两相在分位的非全相运行状态，其原因是单相故障跳开故障相后重合不成功或者某相机构故障导致该相跳开等。非全相运行时，该线路及相邻设备会产生较大的零序电流或负序电流，这将可能导致相邻线路的零序保护越级动作，也会对发电机、变压器等设备产生一定的不利影响。为避免电网长期非全相运行，对分相断路器需配置反映断路器非全相运行状态的非全相保护。

断路器非全相保护一般有本体非全相保护和微机非全相保护2 种类型，并各有特点[1-3]。

本体非全相保护是由断路器辅助接点、继电器等元件构成的纯回路保护，其原理简单但可靠性不高，存在多次误动案例[4-8]。由于没有统一设计标准，各断路器厂家生产的本体非全相保护回路在功能完整性、动作可靠性等方面均有所差异且或多或少存在回路缺陷。

为提升可靠性，文献[9-12]在本体非全相保护的回路改进、继电器选型、运维策略等方面进行了研究。文献[13]提出了出口跳闸回路正电端经断路器分位辅助接点把关的回路改进措施，以防止误触碰、出口继电器误动等导致的误动作。文献[14]研究了时间继电器的性能，指出其存在计时精度不准、稳定性差、动作电压不满足要求等问题，并提出通过配置3 个时间继电器实现“三取二”的动作逻辑来提升可靠性的改进方案。文献[15]针对断路器辅助接点转换不到位导致拒动问题，提出了采用可记忆断路器初始位置状态的双位置继电器来判断非全相状态的改进方法。上述文献所提方法虽解决了部分问题，却增加了回路的复杂度，也增加了运维难度。

微机非全相保护的可靠性相对较高。为保证断路器位置判据的可靠性，该保护附加了电流判据；因在负荷较小时会拒动，所以该保护也存在一定的局限性。

为提升非全相保护的可靠性及作用，本文首先研究了本体非全相保护的标准化设计和微机非全相保护的局限性问题；进而，对智能变电站的非全相保护进行了保护逻辑和配置方案的优化研究。

1 本体非全相保护的标准化设计

本体非全相保护由断路器厂家设计完成。由于没有统一设计标准，在工程验收中，该回路往往是二次验收的重点回路。为此，基于微机保护高可靠性的模块化设计思路，本文设计了一种标准化的本体非全相保护。

标准化的本体非全相保护由逻辑执行回路、跳闸出口回路和信号扩展回路3 部分构成，如图1所示。

在不增加回路复杂度的前提下，按照图1 的回路功能进行模块化设计，可使回路更加简洁清晰。

图1 标准化的本体非全相保护Fig. 1 The standard body three-phase inconsistent protection

（1）逻辑执行回路。该回路是核心回路，包含由断路器分相辅助接点（各相常闭DL 和常开DL）构成的非全相启动判据、延时继电器KT、出口继电器KC 和功能压板LP1。根据微机保护的设计理念，出口继电器KC 的正电源需经非全相启动判据开放，以防止延时继电器KT 的接点误导通造成出口继电器KC 误动作。设计功能压板LP1 的目的是便于投退保护功能。

（2）跳闸出口回路。该回路包含跳闸出口总压板LP2、出口继电器KC 的分相跳闸接点。跳闸出口回路正电源经断路器分位辅助接点（或非全相启动判据）开放。与微机保护相比，本体非全相保护的运行工况较差且回路均由敞开式的元器件构成，人为误碰出口继电器KC 或其跳闸接点因绝缘下降而误导通等情况都会造成误动作；因此，本体非全相保护应保证断路器至少有一相在分位或非全相运行时才能跳闸，以提升可靠性。

（3）信号扩展回路。该回路由不保持继电器KX1、保持继电器KX2 和手动复归按钮FG 构成。该回路用于满足不同层级的信号需求及参与同其他回路的配合，如本体非全相保护启动防跳、闭锁重合闸或发变组启动失灵等回路配合。由于重要性不高，信号扩展回路设计相对简洁。

本文提出的标准化本体非全相保护虽然在一定程度上提升了可靠性，但仍存在断路器辅助接点和延时继电器质量等因素可能导致的回路可靠性问题，不满足微机保护“除出口继电器损坏外，任一元器件损坏均不应引起保护误动作”的标准。

若某相分位辅助接点粘连或绝缘不良而误导通造成误动作，应对方法可为：跳闸出口回路经独立于非全相启动判据的分位辅助接点开放。若延时继电器计时不稳定进而导致保护动作变慢或变快，则应对方法可为：采用文献[14]提出的“三取二”动作逻辑。

通过增加回路复杂度的办法来降低误动概率，也会增加拒动概率及运维难度；因此，回路可靠性的提升需要综合权衡误动和拒动两方面。

2 微机非全相保护的局限性分析

目前，微机非全相保护由保护厂家设计，集成于线路主保护或由独立的断路器保护实现。基本原理如图2 所示。

图2 微机非全相保护的基本原理Fig. 2 The fundamental of microcomputer three-phase inconsistent protection

（1）断路器位置判据

该判据采用的是断路器操作箱的跳位监视继电器（TWJ）的接点，而非断路器的辅助接点。

由于操作箱与保护装置共室或共屏，所以取用方便；若用断路器辅助接点，需增加保护装置到断路器机构箱的二次电缆，这样不仅增加了回路复杂度而且长电缆存在电磁干扰。

跳位监视继电器（TWJ）的作用是监视断路器分位时合闸回路的完好性，并不直接反映断路器实际位置。例如，断路器某相跳开时，由于该相合闸回路断线等原因会使得TWJ 无法置1，从而造成非全相保护拒动。再如，断路器某相在合位，但由于该相合闸回路误导通等原因使得TWJ置1，从而可能造成非全相保护误动，或者由于开入插件异常造成保护误判断路器非全相运行。

（2）附加电流门槛判据

一是相无流判据：某相TWJ 置1 且满足该相电流小于无流定值才认为该相处于分位。厂家一般固化该值为0.06IN；IN为1 A 或5 A。

二是零序或负序电流闭锁判据：断路器出现非全相运行且零序或负序电流大于闭锁定值时才能动作。整定值为一次值240 A，与零序或负序保护相配合。

设置电流判据主要是为了防止线路重负荷运行时，TWJ 异常造成保护误判断路器非全相运行而产生误动作。因此，微机非全相保护虽然不易误动，但也要考虑电网负荷情况——在负荷较轻时易拒动，从而造成电网长期处于非全相运行状态。

当断路器处于两相运行时，断口处的零序、负序电流与正常负荷电流之间的关系如式（1）所示。

式中：I0为零序电流；I2为负序电流；IL为正常负荷电流；Z11为断口两侧系统的等值正序阻抗之和；Z00为断口两侧系统的等值零序阻抗之和。

可以看出，序电流大小不仅与负荷电流IL直接相关，还受两侧系统的运行方式（决定K值大小）影响，如电源强弱、零序网络分布等。特别是，如果一侧为不接地系统，则零序电流基本没有；因此，K值的变化范围较大。

在负荷电流IL一定时，K值与序电流3I0、3I2和负荷电流IL比值的关系曲线如图3 所示。

图3 序电流与负荷电流的比值与K 值的关系曲线Fig. 3 The relation curve of the ratio of sequence-load current and K

某220 kV线路一年的负荷电流分布概率曲线如图4 所示。经计算，该线路两相运行时，K=2.3。按零序定值为240 A 计算，在该线路正常运行时的负荷电流达到448 A 以上时，微机非全相保护才能动作，其概率仅为2.1%；这使得该线路的微机非全相保护难以发挥作用。

图4 某220 kV 线路的负荷电流分布概率曲线Fig. 4 The distribution probability curve of load current of a 220 kV line

此外，按保护无流定值0.06IN计算（220 kV线路的电流互感器变比一般为2400/1 或2400/5），无流定值的一次值为144 A；但该线路负荷电流满足无流定值的概率为54.1%；因此，对该线路来说，保护的无流定值过大，无流判据难以发挥作用。

因此，由于微机非全相保护位置判据没有采用可靠性相对较高的断路器辅助接点而仅是附加电流判据，结果限制了其作用的发挥；但相比本体非全相保护存在的回路误动隐患、元器件性能、运行工况差、本体回路复杂等问题，微机非全相保护仍有其明显优势。

3 智能站非全相保护的配置优化

智能变电站二次信息传输方式示意图如图5所示。智能站采用过程层GOOSE（generic object oriented substation event，面向通用对象的变电站事件）技术，将二次信息转换成数字信号并以光纤为载体传输；过程层设备（智能终端）就近安装在一次设备旁，与间隔层设备（保护、测控、录波等）组成过程层网络；智能终端就地采集一次设备的二次信息，将其转换成数字信号，发送到过程层网络，供各间隔层设备按需取用，以实现信息共享。这种设计不仅简化了二次电缆回路，还缩短了一次设备与间隔层设备的电气距离，大大降低了二次回路的电磁干扰水平。

图5 智能站二次信息传输方式示意图Fig. 5 The sketch map of secondary information transmission mode of smart substation

从图5 可以看出，微机线路保护或断路器保护从过程层网络获取断路器辅助接点位置信息，用于保护逻辑处理。因此，智能站微机非全相保护的位置判据采用断路器辅助接点构成非全相判据，不再参考断路器操作箱的TWJ 接点位置，故需要对智能站微机非全相保护加以优化。

为提升保护的可靠性及作用，本文提出的适用于智能站的微机非全相保护由独立计算的2 部分逻辑构成。

（1）保护逻辑1

以断路器分位及合位辅助接点双确认，再附加该相无流判据来确认该相为分位。如图6 所示，当至少有一相为分位且三相不全为分位时，判为非全相运行；经延时后，非全相保护动作跳闸。

图6 智能站微机非全相保护的动作逻辑1 Fig. 6 The logic 1 of microcomputer three-phase inconsistent protection for smart substation

该逻辑主要考虑防误动：一是需要断路器的分位开入为1、合位开入为0，且该相满足无流判据，才确认该相为分位；二是进一步降低保护的无流判据门槛，即在满足保护装置最小精确工作电流的条件下，将无流判据门槛固定为0.04IN。

（2）保护逻辑2

由于“保护逻辑1”的位置判据较严格，所以在断路器辅助接点异常情况下将导致保护拒动。

对此，一方面220 kV 及以上微机保护已按双重化配置，可以降低保护拒动概率；另一方面，参照常规微机非全相保护逻辑，增加“保护逻辑2”，如图7 所示。

图7 智能站微机非全相保护的动作逻辑2 Fig. 7 The logic 2 of microcomputer three-phase inconsistent protection for smart substation

该逻辑的位置判据采用断路器分位或合位辅助接点单确认方式，并增设零序或负序电流判据，以防止重负荷工况下保护拒动。

相比常规微机非全相保护，优化后的智能站微机非全相保护采用了断路器辅助接点位置判据，序电流判据不再必须。通过“保护逻辑1”和保护双重化配置，可降低轻载时拒动概率；通过“保护逻辑2”可降低重负荷工况且断路器辅助接点又异常时的拒动概率，同时不易误动。

相比本体非全相保护，本文方案优势更加明显：不易误动且不易拒动，可靠性高，可以取代本体非全相保护，对断路器非全相运行状态起到有效保护。

4 结论

在分析断路器本体非全相保护及微机非全相保护的配置现状及存在问题的基础上，本文给出了一种标准化的本体非全相保护方法。

对智能站微机非全相保护的逻辑和配置优化进行了讨论，提出了适用于智能站的微机非全相保护逻辑和配置方案。该方案可以取代本体非全相保护，提升了非全相保护的可靠性及作用，具有较好的工程实践价值。

受条件局限，本文提出的适用于智能站的微机非全相保护是一种技术方案，还需要后续相关工作推动方案的工程验证。