双母线接线主变失灵保护整定风险及防范措施

断路器失灵保护对于提高电网安全稳定运行水平具有重要意义，但其不正确动作会给电网造成极大的影响。基于主变220kV间隔失灵保护接线形式不统一的现状，从杜绝失灵保护定值误整定的角度出发，云南电力调度控制中心的研究人员陈剑平、石恒初、游昊、杨远航、李银银，在2020年第6期《电气技术》杂志上撰文，详细分析了现存主变220kV间隔失灵保护的3种典型接线形式及存在的整定风险，提出了相应的防范措施及优化建议，对于规范失灵保护定值整定、防范失灵保护不正确动作具有重要意义。
断路器失灵保护作为220kV及以上电网的近后备保护，在断路器发生拒动或再击穿的情况下，能以较快的速度切除故障，对于提高电网安全稳定运行水平具有重要意义。根据规定，220～500kV等级电网均应配置断路器失灵保护。
220～500kV主变220kV间隔的失灵保护，在不同时期的要求不尽相同，存在多种接线形式，且主变220kV间隔失灵保护的实现涉及220kV母线保护、断路器辅助保护、非电量保护等多个保护装置，若定值与回路接线不匹配或多个装置之间保护定值配合不当，则将导致失灵保护不正确动作。
失灵保护动作涉及的范围较广，其不正确动作将给电网造成极大影响。2011年7月8日，国内某220kV变电站在一次系统未发生故障的情况下，220kV失灵保护动作跳开220kV母联断路器，造成该变电站主变失压。
调查发现，该变电站主变220kV间隔使用断路器辅助保护实现失灵电流判别，由于断路器辅助保护的“失灵经主变动作接点闭锁”控制字整定为0，且主变保护动作接点未串接在220kV母线失灵保护失灵起动回路中，主变负荷电流在超过断路器辅助保护失灵电流定值后，起动失灵保护，所以造成220kV母线失灵保护误动作。
本文基于220～500kV主变220kV间隔失灵保护的3种典型接线形式，深入分析了各类接线形式下失灵保护定值整定存在的风险，提出了相应的防范措施及建议，旨在规范失灵保护定值整定，杜绝失灵保护不正确动作事件的发生。
1  主变220kV间隔失灵保护功能要求
失灵保护包含失灵起动、失灵电流判别、复压元件判别、失灵出口等多个方面的功能要求。对于双母线接线主变220kV间隔的失灵保护，由于变压器内阻较大，当变压器低压侧发生故障时，220kV母线的残压较大，很可能导致失灵复压闭锁元件不开放，故还应增加外部解除复压闭锁功能。
主变失灵保护一般由主变电气量保护动作接点和操作箱TJR动作接点起动，失灵判别装置对保护动作接点、失灵电流、复压闭锁条件等进行判别，失灵保护动作后出口跳失灵断路器相联的其他断路器，同时，为防止主变其他侧存在电源，主变220kV断路器失灵后还应联跳主变其他侧断路器，以确保故障可靠隔离。
鉴于历史原因，目前在运变电站220～500kV主变220kV间隔的失灵保护存在多种接线形式，失灵保护定值整定风险突出。
2  典型接线形式及整定风险分析
2.1  典型接线形式一
典型接线形式一是满足南方电网最新二次接线标准要求的接线形式，如图1所示，220kV母线保护（含母差、失灵保护功能）双重化配置，主变220kV间隔失灵电流判别及出口均由220kV母线保护实现；主变220kV间隔失灵后，220kV母线保护开出失灵联跳主变各侧接点，通过主变非电量保护的直跳回路联跳主变各侧断路器。
图1  典型接线形式一：失灵回路图
对于典型接线形式一来说，由于失灵保护相关定值均在220kV母线保护中整定，且联跳主变各侧使用主变非电量保护的直跳接点，无多套装置间定值的配合问题及回路与定值的适应性问题，所以整定风险不大。
2.2  典型接线形式二
典型接线形式二是使用断路器辅助保护实现主变220kV间隔失灵判别的一种接线形式。断路器辅助保护的动作接点被串接在220kV母线保护的失灵起动回路中，220kV母线保护实现失灵复压元件判别及联跳母线其他断路器出口，同时，220kV母线保护能够按间隔区分失灵，母线失灵保护动作后还直接起动非电量保护联跳主变各侧断路器。断路器辅助保护及220kV母线保护的失灵起动、出口回路分别如图2、图3所示。
图2  典型接线形式二：断路器辅助保护失灵回路图
对于典型接线形式二来说，主变220kV间隔的失灵起动及出口涉及断路器辅助保护、220kV母线保护、非电量保护等多套保护装置间的相互配合，各套装置都被设置了失灵保护动作的时限定值，且部分装置的失灵保护动作条件与回路接线有关，若装置间定值配合不当或装置定值与回路接线不匹配，则都存在失灵保护误动、拒动及动作时限不满足整定计算规程要求的风险。
图3  典型接线形式二：220kV母线保护失灵回路图
具体分析如下。
1）失灵保护误动风险。当断路器辅助保护的“失灵经保护动作接点闭锁”控制字退出时，断路器辅助保护的失灵起动将不经主变保护及操作箱TJR动作接点闭锁，变成纯有流判据，若220kV母线失灵保护失灵起动回路中未串接保护动作接点且电流判据满足，则将造成220kV母线失灵保护误动。
2）失灵保护拒动风险。当断路器辅助保护的“失灵经保护动作接点闭锁”控制字投入时，断路器辅助保护的失灵起动将经主变保护及操作箱TJR动作接点闭锁，若主变保护及操作箱TJR动作接点未接入断路器辅助保护，则将造成断路器辅助保护失灵起动拒动，进而导致220kV母线失灵保护拒动。
3）失灵保护动作时限过长风险。整定规程规定，在双母线接线形式下，失灵保护动作以较短时限0.25s断开母联或分段断路器，以较长时限0.4s断开与拒动断路器连接在同一母线上的所有断路器。对于典型接线形式二，失灵保护动作总时限等于断路器辅助保护失灵起动时限与220kV母线失灵保护动作时限之和，若断路器辅助保护与220kV母线失灵保护时限定值配合不当，两处的时限叠加，则可能导致失灵保护动作总时限超出整定规程的规定。
4）失灵联跳主变各侧时限过长的风险。根据南方电网二次接线标准，主变220kV间隔失灵后应通过主变非电量保护联跳主变各侧断路器。主变非电量保护装置的非电量跳闸具备直接跳闸及延时跳闸两种开入，若220kV母线失灵保护联跳主变各侧接点接入非电量保护的延时跳闸开入，则联跳主变各侧断路器的实际动作时限等于220kV母线失灵保护联跳主变时限与非电量跳闸时限之和，若整定不当，则可能导致失灵联跳主变各侧的时限过长。
2.3  典型接线形式三
典型接线形式三与典型接线形式二类似，使用单独的断路器辅助保护实现失灵判别，断路器辅助保护的动作接点串接在220kV母线保护的失灵起动回路中，220kV母线保护实现失灵复压条件判别及联跳母线其他断路器出口，但220kV母线保护不能够按间隔区分失灵，非电量保护220kV间隔失灵联跳主变各侧的开入由断路器辅助保护开出，如图4所示。
图4  典型接线形式三：220kV母线保护失灵回路图
典型接线形式三除了典型接线形式二存在的整定风险外，还由于断路器辅助保护既起动220kV母线失灵保护、解除失灵复压闭锁，又起动非电量保护联跳主变各侧断路器，所以当断路器辅助保护失灵起动的两个时限有多付出口接点时，各时限的定值需根据各时限所有出口接点的实际用途综合考虑进行整定，否则，有可能导致失灵保护动作时限过长。
2019年6月，国内某500kV变电站开展失灵回路核查工作，该变电站#2主变220kV侧失灵回路接线为典型接线形式三，其断路器辅助保护失灵起动出口接线如图5所示。一时限解除220kV母线失灵复压闭锁，二时限起动220kV母线失灵保护、联跳主变各侧断路器。
断路器辅助保护失灵起动一时限、二时限定值分别整定为0、0.5s，分别将220kV母线失灵保护一时限（跳母联）、二时限（跳母线）定值整定为0.25s、0.4s，非电量跳闸延时定值整定为0。
根据该站失灵回路接线及定值整定可知，#2主变220kV间隔失灵后，失灵保护动作跳220kV母联断路器、母线及联跳主变各侧断路器的实际时限分别为0.75s、0.9s、0.5s，跳220kV母联及母线的时限不满足整定规程要求。
图5  某220kV断路器辅助保护失灵出口接线图
2.4  断路器相继失灵带来的延时叠加风险
在上述3类典型接线形式中，当与主变220kV间隔在同一段母线的其他间隔失灵时，220kV母线失灵保护动作后若主变220kV间隔也失灵，则可能导致失灵保护拒动或动作时限过长。
由于部分变电站主变220kV间隔的操作箱TJR接点未接入断路器辅助保护或220kV母线失灵保护的失灵起动开入，且部分厂家220kV母线失灵保护不具备内部起动相继失灵的逻辑，所以在断路器发生相继失灵的情况下，220kV母线失灵保护将拒动。
在主变220kV间隔操作箱TJR接点已被可靠接入断路器辅助保护或220kV母线失灵保护失灵起动开入的情况下，由于部分厂家失灵保护不具备识别相继失灵的逻辑，所以必将导致故障隔离的时限延长。以典型接线形式一为例，220kV双母线接线简图如图6所示。
当线路1发生故障时，线路1保护将动作跳开关1，同时起动220kV母线失灵保护，由于开关1失灵，所以220kV母线失灵保护将经延时t1跳母联开关，经延时t2跳开关2、开关3，若开关2相继失灵，则220kV母线失灵保护将第二次起动失灵判别，并再次经延时t1动作于跳母联开关，经延时t2动作于跳开关2、开关3，同时起动联跳主变1各侧，最终导致故障的隔离时间为2t2。
图6  220kV双母线接线简图
3  防范措施
1）依据二次回路接线整定失灵保护控制字
失灵保护回路设计复杂，定值整定应依据实际二次回路接线来确定失灵起动的相关回路，正确整定断路器辅助保护的相关控制字定值，防止失灵保护误动、拒动。对于不满足相关反措要求的失灵起动回路，应于投运前按照要求整改完毕。
2）根据各装置用途整定失灵动作时限定值
对于典型接线形式二和典型接线形式三，失灵保护的动作时限涉及断路器辅助保护、220kV母线保护及主变非电量保护的动作时限定值的叠加，各装置失灵动作时限定值应根据各装置实际用途综合整定，确保失灵保护动作的总时限满足整定规程  要求。
3）优化220kV母线保护相继失灵判别逻辑
目前，部分厂家的220kV母线失灵逻辑不能有效识别初次失灵还是相继失灵，笼统按照初次失灵的逻辑动作，会在导致断路器相继失灵的情况下故障隔离时限过长。针对该情况，可按图7所示对220kV母线失灵保护装置失灵动作逻辑进行优化，增加主变及线路支路的失灵动作次数计数标志，从而缩短相继失灵故障的切除时间。
图7  220kV母线失灵保护逻辑优化图
如图7所示，初次失灵时，失灵保护已动作次数为0，此时若失灵保护动作条件满足，则经失灵保护动作延时跳母联、母线、联跳主变各侧；若发生相继失灵，则失灵保护已动作次数大于等于1，母线失灵保护将不再经失灵保护动作延时，直接出口联跳主变各侧断路器。
4  结论
断路器失灵保护在220kV及以上电压等级电网的应用，有效提高了电网的安全稳定运行水平，但失灵保护动作范围牵涉面广，一旦发生不正确动作，将给电网造成难以承受的影响。
本文从失灵保护定值整定的角度出发，基于主变220kV间隔失灵保护的3种典型接线形式，详细揭示了各种接线形式下失灵保护定值整定存在的风险，并提出了核对二次回路接线、统筹装置间定值整定、优化220kV母线失灵保护逻辑等措施及建议，对于规范主变220kV间隔失灵保护定值整定以及防范失灵保护误动、拒动及动作时限过长的风险具有积极的指导意义。
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