线路断路器失灵保护的分析与改进

线路断路器失灵保护的分析与改进
摘要：断路器失灵保护于20世纪90年代初在我国投入运行，作为220 kV
及以上断路器的近后备保护，防止高压断路器失灵造成事故范围进一步扩大。

然而，随着电网结构的日益复杂，对继电保护装置的要求越来越高，一些初期故障
保护产品不合理，不能满足电网的要求。

关键词：失灵保护；电流判据；保护改造；
分析了某发电厂220 kV断路器失灵保护设计存在的问题,该问题曾造成线路
重合闸装置不能重合和保护误动作,提出了改进措施,解决了引进设备的断路器失
灵保护在设计上存在与国产线路保护不配合的问题。

一、断路器失灵保护现状
某线路保护自2000年投运，运行年限已超过微机继电保护装置运行年限不
得超过十五年的规定，且保护装置为ABB早期产品，部分设计与现有电网要求不符，不能满足安全运行要求，主要存在以下问题：（1）继电保护电源双重化配
置要求线路配备完全独立的电源，即保护电源之间不能从同一支路供电。

在实际
应用中失灵保护和线路保护A套装置共用同一支路电源，降低了保护的可靠性。

（2）启动回路判据。

保护装置电流元件整定值很小，很难大于正常的运行负荷
电流，电流判据元件一直处在动作状态，如果保护出口触点卡住不返回或者误碰，容易引起失灵保护的误启动。

二、分析原因与优化方案
1.电源配置分析及优化方案。

某线路两套保护装置的电源分别取至220V直
流A通道、C通道，如图1所示，实现了两套保护装置的电源双重化配置，在正
常运行和需要将A套保护退出时均不会影响失灵保护性能，但如果上级配电盘中
Q1开关因故障跳闸，线路保护就会失去A套保护和失灵保护，导致线路停役。

因
此，需将失灵保护和A套保护供电电源改为由220 V直流A通道的两个支路进行
供电，提高供电的安全性。

图1保护装置电源配置
2.电流判据分析及优化方案。

（1）失灵保护的基本组成。

断路器失灵保护
是由保护动作开入信号与电流判据元件构成的启动回路、闭锁元件及跳闸出口回
路组成，启动回路是失灵保护的关键，一般情况下保护动作之后，回路中还能检
测到电流，则认为故障未消除，失灵保护启动。

闭锁元件一般是由复合电压或复
合电流构成，在启动元件和闭锁回路都开放的情况下，经过一定延时进行出口。

（2）电流判据问题分析。

断路器失灵保护采用能够快速复归的相电流判据元件
作为断路器断开的判据，该电流判据元件与REL561保护装置触点相配合，构成
单跳和三跳启动回路，加装该元件的作用就是防止保护出口触点卡住不返回，或
者误碰造成的保护误启动，确保失灵的可靠性，但在实际的运行过程中又要考虑
到系统的运行方式和足够的灵敏度（华东网调规定整定灵敏度系数大于1.3），
很难大于正常的运行负荷电流，电流的判据元件一直处在动作状态，并没有起到
防止误启动的作用。

针对失灵保护的电流判据元件容易启动的问题，可以从以下
两个方面共同去分析：提高电流判据元件的整定值，降低在正常运行时的保护启动；增加闭锁条件和判据，保证在正常运行情况下判据不动作，在故障的情况下，保护判据可以灵敏的动作。

在电力系统故障中，主要有不对称故障（接地、两相
短路）和对称故障（三相短路），其中接地故障占据了90％以上，在发生不对称
故障时出现零序、负序分量，在发生三相对称性故障时，回路中无零序和负序电流，只有正序电流，单一的相电流元件很难同时满足可靠性和灵敏性，在发生单
相接地或者不对称相间故障时，采用灵敏度较高的“零序或负序电流”作为判据，当发生三相短路时，采用“相电流”作为判据，同时保证“相电流”的整定值可
以采用大于正常的负荷电流。

电流判据元件的闭锁装置正常运行时，闭锁保护，
故障时，开放保护，这就要求闭锁元件可以反映同一信号正常和故障的不同特性，现有微机保护一般用电流量作为采集量，正常时电流呈正弦变化，在发生故障时，采集到的电流会发生突变，根据两个采集比较得到一突变量，采用电流突变量元
件启动，该元件动作后展宽一个时间（大于后备保护时间，如7 s），并开放出
口继电器的正电源。

电力系统发生不同故障时会出现不同的电气量，根据这些电
气量增加负序、零序电流作为启动判据，增加电流突变量作为闭锁条件，优化后
保护逻辑。

（3）优化后的可靠性分析。

在系统发生故障之后，断路器可能出现
一相、两相和三相拒动，根据机组参数和失灵保护定值验证各判据的动作情况。

发电机的电功率为720 MW，直轴超瞬变电抗是0.294，负序电抗是0.343，零序
电抗是0.269；主变的电抗是0.200，额定电流是932 A，电流互感器的变比是2500∶1系统最小运行方式下的正、负序电抗0.037，零序电抗是0.064。

相电流
动作值整定：失灵保护相电流的整定按照大于变压器的额定负荷电流进行整定，
同时保证对变压器低压侧电流最小短路电流有足够的灵敏度，华东电网整定值
0.32In。

负序电流动作值的整定计算及验证：负序电流的整定可按照大于最大负
荷情况下不平衡电流且保护末端发生故障时有一定的灵敏性进行整定，华东电网
整定建议取400A，整定值为0.16In。

灵敏度验算方法：（1）按照最小运行方式
下两相或者一相失灵所产生的负序电流进行验证，灵敏系数Ksen大于1.3。

①断
路器两相失灵（一相断线）负序电流元件的灵敏度验证。

两相失灵时的负序电流：
由上式计算出负序电流Im2＝－0.32fh。

假设正常运行的电流是满负荷的
Xfh倍，那么灵敏系数Ksen2＝0.3XfhIn／0.16In＝2Xfh，又因Ksen2＞1.3，则Xfh＞0.65。

在失灵前运行电流大于0.65倍的额定负荷电流，电流负序判据满足。

②断路器两相失灵负序电流元件的灵敏度验证。

断路器一相失灵即两相断线时的
负序电流公式：
由上式计算出负序电流Im2＝0.331Ifh。

假设正常运行的电流是满负荷的
Xfh倍，那么灵敏系数Ksen2＝0.31XfhIn／0.16In＝2.1Xfh，又因Ksen2＞1.3，
则Xfh＞0.62。

在失灵前运行电流大于0.62倍的额定值，电流负序判据满足。

③
零序电流动作值整定计算。

零序电流的整定可按照大于最大负荷情况下零序不平
衡电流，保护范围末端有足够的灵敏性进行整定。

（2）按照最小运行方式下两
相或者一相失灵所产生的零序电流进行验证，灵敏系数Ksen大于1.3。

①断路器
两相失灵零序电流元件的灵敏度验证。

两相失灵时的负序电流：
由上式计算出负序电流Im2＝0.36。

假设正常运行的电流是满负荷的Xfh倍，那么灵敏系数Ksen2＝3Im0／0.24In＝4.5Xfh，又因Ksen2＞1.3，则Xfh＞0.28。

在失灵前运行电流大于0.32倍的额定负荷电流，零序电流判据满足。

②断路器
两相失灵零序电流元件的灵敏度验证。

断路器一相失灵即两项断线时的负序电流
公式：
由上式计算出负序电流Im0＝0.331Ifh。

假设正常运行的电流是满负荷的
Xfh倍，那么灵敏系数Ksen2＝0.331XfhIn／0.24In＝3.875Xfh，又因Ksen2＞
4.2，则Xfh＞0.31。

在失灵前运行电流大于0.31倍的额定值，零序电流判据满足。

因此可知，在机组的正常期间，相电流定值可靠不动，在发生一相或者两相
拒动时，失灵保护的判据满足要求。

总之，在改造中选用了RCS－925型失灵保护装置，新的保护装置优化了失
灵保护逻辑，使得在正常运行时电流判据不启动，故障时又能灵敏的反应，完善
了线路断路器的失灵保护，可靠性得到进一步的提高。

参考文献：
［1］吴晓彤.现代高压电网保护原理.2019.
［2］王忠敏.关于线路断路器失灵保护的分析与改进.2020.。