目前的繼電保護技術(shù)已日臻成熟，但是隨著特高壓直流電源混聯(lián)電網(wǎng)的形成，交流保護對電網(wǎng)特性變化的適應(yīng)性亟待提升。
本文針對開關(guān)失靈或CT死區(qū)故障時保護切除故障時間長、可能引發(fā)多回高壓直流電源連續(xù)換相失敗、導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生的嚴(yán)重后果，介紹了兩種開關(guān)死區(qū)（失靈）保護優(yōu)化方案，將開關(guān)失靈或CT死區(qū)故障時切除時間縮短至200ms以內(nèi)，防止引發(fā)電網(wǎng)穩(wěn)定破壞事故，并搭建了測試系統(tǒng)，對優(yōu)化后的開關(guān)死區(qū)（失靈）保護的性能指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)考核，對系統(tǒng)中發(fā)生異常運行工況時開關(guān)死區(qū)（失靈）保護的動作情況進(jìn)行了驗證測試，從而保證優(yōu)化后的開關(guān)死區(qū)（失靈）保護在電力系統(tǒng)中運行的穩(wěn)定性和可靠性。
開關(guān)失靈、死區(qū)故障時保護動作切除時間較長，在傳統(tǒng)交流電網(wǎng)中，只要保護正確動作切除故障，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定影響就在有限范圍之內(nèi)。但在當(dāng)前交高壓直流電源混聯(lián)電網(wǎng)中，多高壓直流電源密集饋入的受端交流電網(wǎng)在發(fā)生上述故障時，會導(dǎo)致特高壓直流電源輸電換流站出現(xiàn)多次換相失敗，對送、受端電網(wǎng)造成嚴(yán)重功率沖擊，甚至造成穩(wěn)定破壞，因此，必須有針對性地開展相關(guān)新技術(shù)研究。
文獻(xiàn)[5]規(guī)定多斷路器接線形式時應(yīng)在開關(guān)兩側(cè)均配置CT，防止死區(qū)故障延時切除造成的系統(tǒng)穩(wěn)定問題，對于已投運變電站有開關(guān)與CT間死區(qū)問題且經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)定核算存在穩(wěn)定破壞問題的，應(yīng)逐步進(jìn)行改造。國調(diào)要求現(xiàn)場具備加裝常規(guī)CT的變電站應(yīng)組織安裝；開關(guān)CT單側(cè)布置若發(fā)生死區(qū)故障必然導(dǎo)致多回高壓直流電源發(fā)生連續(xù)換相失敗的變電站，應(yīng)組織對站內(nèi)開關(guān)設(shè)備進(jìn)行改造，更換為HGIS；對于開關(guān)CT單側(cè)布置且無法技改的變電站，可通過采用加裝光CT或全站綜合信息判別兩種方案，實現(xiàn)死區(qū)故障快速切除。
現(xiàn)場加裝常規(guī)CT或?qū)⒄緝?nèi)開關(guān)設(shè)備更換為HGIS均可實現(xiàn)開關(guān)CT兩側(cè)布置，大大縮短死區(qū)故障切除時間，但無法優(yōu)化開關(guān)失靈時的故障切除時間。本文介紹的死區(qū)差動（失靈）保護和站域死區(qū)（失靈）保護分別基于加裝光CT和全站綜合信息判別設(shè)計，能有效解決故障切除慢可能存在的問題和隱患。針對這兩種方案，搭建了靜模和仿真測試系統(tǒng)，考核了保護在系統(tǒng)中的動作情況及技術(shù)指標(biāo)，驗證了保護滿足快速切除死區(qū)和開關(guān)失靈的要求。
1 開關(guān)死區(qū)（失靈）保護優(yōu)化方案
1.1 死區(qū)差動（失靈）保護方案
加裝光CT的死區(qū)差動（失靈）保護如圖1所示。在開關(guān)未配置CT側(cè)加裝纏繞光CT，每個光CT接到獨立的合并單元，通過合并單元將電流轉(zhuǎn)換為IEC 61850?9?2規(guī)約數(shù)據(jù)。死區(qū)差動（失靈）保護按串配置，同時接入光CT數(shù)據(jù)和常規(guī)CT數(shù)據(jù)，光CT數(shù)據(jù)與常規(guī)CT數(shù)據(jù)做邏輯運算。
圖1 加裝光CT的死區(qū)差動（失靈）保護示意圖
當(dāng)發(fā)生K1點死區(qū)故障時，母線保護判為Ⅰ母區(qū)內(nèi)故障，保護動作跳開關(guān)DL11及Ⅰ母上的其他開關(guān)，CT11死區(qū)差動保護同時動作，直接跳本側(cè)開關(guān)DL11、DL12，利用光纖通道直接遠(yuǎn)跳對側(cè)開關(guān)，實現(xiàn)快速切除死區(qū)故障。
當(dāng)發(fā)生K2點死區(qū)故障時，變壓器保護判為區(qū)內(nèi)故障，保護動作跳開關(guān)DL12、DL13及主變其他側(cè)開關(guān)，CT12死區(qū)差動保護同時動作，直接跳本側(cè)開關(guān)DL11、DL12、DL13，利用光纖通道直接遠(yuǎn)跳對側(cè)開關(guān)，并聯(lián)跳主變各側(cè)，實現(xiàn)快速切除死區(qū)故障。
當(dāng)Ⅰ母發(fā)生K4點故障、開關(guān)DL11失靈[6]時，加裝光CT后，理論分析可以利用光CT無類似常規(guī)互感器電流拖尾問題的優(yōu)良傳變特性，壓縮失靈保護動作時間，達(dá)到快速切除開關(guān)失靈故障的目的。
1.2 站域死區(qū)（失靈）保護方案
利用本站及相鄰站模擬量信息[7]構(gòu)建的站域死區(qū)（失靈）保護如圖2所示，通過封故障開關(guān)CT并由相鄰開關(guān)CT重構(gòu)差動保護，從而快速切除故障。
圖2 站域死區(qū)（失靈）保護示意圖
當(dāng)發(fā)生K1點死區(qū)故障時，母線保護動作跳開關(guān)DL11、DL21、DL31，站域死區(qū)保護收到母線保護跳令、DL11的跳位且判出CT11仍有電流，經(jīng)短延時封CT11，此時由CT12、CT41、CT42構(gòu)成的差動保護滿足動作條件，站域差動保護動作跳開關(guān)DL11、DL12，利用光纖通道直接遠(yuǎn)跳對側(cè)開關(guān)，實現(xiàn)快速切除死區(qū)故障。
當(dāng)發(fā)生K2點死區(qū)故障時，L2線路保護判為區(qū)內(nèi)故障，線路差動保護動作跳開關(guān)DL12、DL13、DL52、DL53，站域死區(qū)保護收到線路保護跳令、DL12的跳位且判出CT12仍有電流，經(jīng)短延時封CT12，此時由CT11、CT41、CT42構(gòu)成的差動保護滿足動作條件，站域差動保護動作跳開關(guān)DL11、DL12、DL13，利用光纖通道直接遠(yuǎn)跳對側(cè)開關(guān)，實現(xiàn)快速切除死區(qū)故障。
當(dāng)發(fā)生K4點故障且開關(guān)DL11失靈時，站域失靈保護收到母線保護跳令、DL21或DL31的跳位且判出CT11仍有電流，經(jīng)短延時封CT11，此時由CT12、CT41、CT42構(gòu)成的差動保護滿足動作條件，站域差動保護動作跳開關(guān)DL11、DL12，利用光纖通道直接遠(yuǎn)跳對側(cè)開關(guān)，實現(xiàn)快速切除死區(qū)故障。
2 開關(guān)死區(qū)（失靈）保護測試系統(tǒng)
2.1 靜模測試系統(tǒng)
為驗證開關(guān)死區(qū)（失靈）保護功能的正確性并考核其技術(shù)指標(biāo)是否滿足電力系統(tǒng)的要求，搭建的靜模測試系統(tǒng)如圖3所示。通過繼電保護測試儀對雙端死區(qū)（失靈）保護施加模擬量和跳閘開入/跳位開入，死區(qū)（失靈）保護通過縱聯(lián)光纖通道獲取對側(cè)保護的模擬量信息，滿足差動動作條件后死區(qū)（失靈）保護將跳閘開出信息反饋給繼電保護測試儀。
圖3 靜模測試系統(tǒng)
2.2 仿真測試系統(tǒng)
為了進(jìn)一步驗證保證死區(qū)（失靈）保護在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時正確動作，利用RTDS搭建的數(shù)模實時仿真系統(tǒng)如圖4所示。對現(xiàn)場可能發(fā)生的異常工況進(jìn)行模擬，考核死區(qū)（失靈）保護的動作情況的正確性。
圖4 RTDS實時仿真測試系統(tǒng)
3 測試內(nèi)容
3.1 保護功能及性能測試
通過靜模測試系統(tǒng)對保護功能及性能進(jìn)行了測試，主要測試內(nèi)容如下：
1）壓板、控制字有效性。2）定值準(zhǔn)確度測試。3）動作時間測試。4）差動保護制動特性。5）開入、開出功能正確性。6）遠(yuǎn)跳功能正確性。7）縱聯(lián)光纖通道測試。8）CT斷線對保護的影響。9）系統(tǒng)頻率偏移對保護的影響。10）光CT信號異常對保護的影響。11）裝置自檢出錯對保護的影響。
3.2 電力系統(tǒng)故障仿真
在RTDS實時仿真測試系統(tǒng)中模擬死區(qū)故障或開關(guān)失靈，考核死區(qū)（失靈）保護動作的正確性，并模擬故障保護切除故障后考核死區(qū)（失靈）保護是否誤動作，主要測試內(nèi)容如下：
1）金屬性故障（死區(qū)范圍內(nèi)、外故障）測試。2）發(fā)展/轉(zhuǎn)換性故障測試。3）經(jīng)過渡電阻故障測試。4）開關(guān)失靈測試。5）CT斷線測試。6）CT飽和測試。7）CT拖尾測試。
4 測試驗證結(jié)果
4.1 死區(qū)（失靈）保護動作指標(biāo)
常規(guī)變電站發(fā)生死區(qū)故障或開關(guān)失靈時，保護動作后切除故障約需要400ms[8]，通過死區(qū)（失靈）保護方案優(yōu)化，保護切除故障時間可控制在200ms以內(nèi)。
1）死區(qū)差動（失靈）保護動作時間
模擬死區(qū)故障，實測死區(qū)差動保護動作時間見表1，即保護動作時間不超過30ms，若考慮操作箱出口時間為5ms，開關(guān)分閘時間不超過60ms，通道延時5ms及遠(yuǎn)跳信號確認(rèn)10ms[9]，則保護動作跳本側(cè)開關(guān)時間不超過95ms，跳對側(cè)開關(guān)時間不超過110ms。
模擬母線故障邊開關(guān)失靈，考慮光CT無電流拖尾問題，壓縮失靈保護延時為90ms，實測失靈保護動作時間見表2。若保護動作時間不超過120ms，則失靈保護動作跳本側(cè)開關(guān)時間不超過185ms，跳對側(cè)開關(guān)時間不超過200ms。
2）站域死區(qū)（失靈）保護動作時間
模擬死區(qū)故障，實測站域死區(qū)保護動作時間見表3。若保護動作時間不超過115ms，則站域保護動作跳本側(cè)開關(guān)時間不超過180ms，跳對側(cè)開關(guān)時間不超過195ms。
模擬母線故障邊開關(guān)失靈，實測站域失靈保護動作時間見表4。保護動作時間不超過115ms，則站域保護動作跳本側(cè)開關(guān)時間不超過180ms，跳對側(cè)開關(guān)時間不超過195ms。
4.2 CT拖尾工況模擬
開關(guān)跳開時發(fā)生CT拖尾，保護可能誤判為開關(guān)失靈，導(dǎo)致失靈保護誤動作，擴大事故范圍[10]。在圖4所示的系統(tǒng)中模擬母線發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，母線保護動作跳開關(guān)DL11、DL21和DL31，故障切除時出現(xiàn)CT11拖尾的情況，考核站域失靈保護是否存在誤動作的情況。
電流互感器拖尾波形如圖5所示，通過測試結(jié)果分析，站域失靈保護未出現(xiàn)CT拖尾時誤動作的情況，主要原因是在封CT邏輯中增加電流差分把關(guān)，消除CT拖尾或衰減高壓直流電源分量對保護的影響。
圖5 電流互感器拖尾波形
結(jié)論
隨著特高壓直流電源輸電的不斷發(fā)展，發(fā)生故障時在最短的時間內(nèi)可靠地隔離故障點，才能保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[10-11]。基于加裝光CT的死區(qū)差動（失靈）保護和基于本站及相鄰站信息的站域死區(qū)（失靈）保護在河南駐馬店500kV嵖岈變電站掛網(wǎng)試運行，經(jīng)過系統(tǒng)試運行后取得相關(guān)運行經(jīng)驗，為進(jìn)一步升級改造變電站先行實踐。
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