繼電保護標準與國標的差異討論

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繼電保護裝置是能反應電力系統中電氣設備發生故障或不正常運行狀態，并動作斷路器跳閘或發出信號的一種自動裝置，是保證電力系統及其設備安全運行的最有效方法之一。不同國家根據當地電網的特點，主接線的形式、設計標準、運行習慣的不同制定了相應的繼電保護技術規范和設計要求。本文依托我院在墨爾本設計的66kV數字化變電站項目，基于澳洲Jemena配電公司的ELEAMSP0026《ZSSSecDesignStd-IEC61850StdImplementation》，研究總結Jemena繼電保護系統的技術特點，探討國標和Jemena配電公司企業標準繼電保護方面的差異。Jemena配電網主要有66kV、22kV和11kV三個電壓等級構成。主接線采用內橋及擴大內橋接線方式，66kV線路保護配置為雙重化光纖電流差動、三段式距離、（方向）靈敏零序電流保護和后備過流保護；66kV斷路器失靈保護含斷路器失靈和測控功能。66kV母線保護配置為雙套集中式高阻抗母線差動保護；變壓器保護配置變壓器差動保護、各側過流保護、主變低阻抗零差保護和非電量保護。每個區域變電站配置一套22kV總靈敏接地閉鎖保護（MEF）和一套各段22kV母線三段后備接地保護（BUEF）。22kV每段母線配置一套高阻抗母線差動保護和一套多功能母線阻抗控制過流保護測控裝置。22kV饋線配置過流保護、零流保護、（方向）靈敏零序電流保護和斷路器失靈保護，全站保護以微機型保護為主，組屏安裝在控制室。

Jemena保護技術特別分析

Jemena變電站不同設備的保護都有其獨自的特點，也有一些是共用特點，且跟我國保護產品的設計規范和回路設計相比有很大不同，如失靈保護配置、跳閘監視繼電器（TCS）、高阻抗母線保護，以及其高、中壓保護特點等介紹如下。失靈保護：無論66kV還是22kV，所有開關均需配置獨立的失靈保護裝置，失靈一時限跳本斷路器（同時發信遠跳對側線路斷路器），二時限跳相鄰斷路器。所有保護跳斷路器均需啟動失靈，不區分是電氣量保護還是非電量保護。跳閘監視繼電器：對開關跳閘回路進行監視，要求無論在斷路器處于分位還是合位都可連續監跳閘線圈TC的狀態，為下一次合閘和分閘做準備，避免斷路器處于分位時跳閘線圈TC損壞，否則下次斷路器合閘時合于故障斷路器無法立即跳閘。一旦跳閘回路有異常，會在設定時間內發出告警并閉鎖合閘回路。該繼電器不含電流保持回路，由保護動作接點直接去跳閘，因此保護動作接點動作后需保持一段時間，該時間大于開關跳開時間以防止接點拉弧，且保護接點容量滿足要求，避免燒毀。高阻抗母差保護：無論66kV還是22kV母線保護均為高阻抗母差保護。高阻抗母差保護是在差動回路中串接阻抗值很大（幾kΩ）的電阻而構成的，其優點是保護的接線簡單、選擇性好、靈敏度高，在一定程度上可防止母線發生外部短路故障并且TA飽和時母線保護的誤動作。66kV線路保護：線路保護是變電站繼電保護的重要組成之一，是變電站可靠穩定運行的重要保障。也是二次設計中難點之一。Jemena線路保護采用雙套主保護，縱聯差動或距離保護。Jemena線路保護在運行方式等方面有其獨特的特點：Jemena雙套66kV線路主保護均含有重合閘功能，正常情況下兩套線路保護重合閘都投入。為保證兩套保護網絡的獨立性，X套線路保護通過goose啟動X套開關失靈保護實現重合閘功能，Y套線路保護通過硬接線啟動X套開關失靈保護實現重合閘功能。當X套開關失靈保護故障時自動投入Y套開關失靈保護，當X套開關失靈保護恢復運行時自動切換為X套失靈開關保護。變壓器保護：Jemena變壓器保護采用三相雙繞組有載調壓變壓器，接線方式YNynd，高壓側中性點直接接地，中壓側經電阻接地。每臺66kV變壓器配置雙套變壓器差動保護測控裝置，其中X套變壓器保護配置常規變壓器差動和低阻抗零差功能；變壓器差動保護采用的電流是相電流，因此變壓器發生內部單相接地故障時靈敏度較低。變壓器零序電流差動保護（REF）可避免差動保護在單相接地故障時靈敏度不足，零序電流差動保護具有很高的靈敏性；主變非電量保護一般含在主變保護中，非電量保護動作均啟動主變各側開關失靈保護，國內對非電量保護是不允許啟動失靈保護的，這是一個重要的差異；Jemena變壓器保護除含電量保護功能，還含非電量保護和測控功能。變壓器保護只有電流差動和低阻抗零差功能，所以不需采集主變各側電壓。由于每個斷路器配置了單獨的斷路器失靈保護，所以變壓器保護不含主變各側斷路器后備保護功能。高壓母線保護：Jemena變電站66kV側均為內橋及擴大內橋接線，母差保護按照雙套配置且采用集中式高阻抗母差保護，雙套母差保護組屏安裝于控制室。66kV母線保護不需要采集母線電壓且含測控功能，母線保護動作啟動對應斷路器失靈保護。22kV線路保護：Jemena變電站22kV側為單母分段接線，采用空氣絕緣金屬封閉開關柜。每回饋線配置一套多功能保護測控裝置，保護除配置常規速斷、過流、零流保護以外、還配置方向敏感性零流和斷路器失靈保護功能；其所有接地保護受變電站的主接地保護（MasterEarthFault）動作聯鎖，且應能閉鎖由相鄰線路接地故障引起的容性放電電流；變電站的主接地保護（MEF）通過采集變電站所有變壓器和電容器中性點電流之和，如采集的中性點電流之和為0則變電站不存在接地故障，則閉鎖所有22kV饋線保護的（方向）定時限靈敏接地保護和反時限接地保護功能，避免22kV饋線保護誤動作。如采集中性點電流之和不為0則說明站內存在接地故障，此時MEF開放所有22kV饋線保護的（方向）定時限靈敏接地和反時限接地功能。由于22kV線路為架空線，保護動作整定值比較小容易誤動，通過MEF聯鎖線路保護的零流功能提高了保護動作的可靠性；22kV饋線保護的斷路器失靈保護通過goose啟動相應X套母線保護，跳相應22kV母線上所有斷路器；22kV線路還有帶電檢修功能，帶電檢修線路時線路帶電檢修（LLS）投入，此時線路發生任何故障，保護經短延時跳閘并閉鎖重合閘以保障檢修工程師的安全，且LLS投入時保護動作整定值比較小。22kV母線保護：22kV每段母線配置一套高阻抗母線差動保護和一套多功能母線阻抗控制過流保護測控裝置。由于Jemena的22kV母線合環運行、故障點短路電流大，保護感受到的電流值比較小、保護靈敏度低，為解決這個問題一般配置雙套母線保護。X套母線保護類似66kV母線保護，采集被保護母線所涉及的各支路電流，且跳被保護母線所涉及的每一個斷路器，X套母線保護不采集母線電壓。Y套母線保護是含阻抗距離元件的過流保護裝置，保護配置原則為：含高阻抗相距離元件控制反時限過流保護功能及定時限電流速斷功能；以主變低壓側進線斷路器為分界點，通過阻抗元件區分故障在區內還是區外，在22kV饋線出線方向發生嚴重故障時Y套母線保護能立即斷開母線，以便提高供電質量。當主變22kV進線斷路器處于分位、22kV分段斷路器處于分位或66kV線路保護在動作時當閉鎖Y套母線保護動作；Y套母線距離保護應采集被保護母線所涉及的分段間隔和變壓器進線間隔的各支路共用電流值總和（不含饋線間隔和電容器間隔）；Y套母線保護需要采集22kV母線電壓。兩套22kV母線保護動作應閉鎖電容器無功自動投切功能。22kV總靈敏接地閉鎖保護（MEF）：Jemena每個區域變電站配置了一套22kV總靈敏接地閉鎖保護（MEF）和一套各段22kV母線三段后備接地保護（BUEF）。由于22kV線路大部分是架空線路，故障時零序電流值比較小，故保護整定值比較小，保護容易誤動。為避免這個問題，增加22kV總靈敏接地閉鎖保護（MEF）閉鎖22kV線路保護零流功能。變電站接地主保護與區域變電站饋線（方向）定時限敏感性接地故障保護和饋線反時限接地故障保護聯鎖。變電站接地主保護不閉鎖任何電容器零流功能。MEF只閉鎖對應的線路保護，且不出口跳任何饋線斷路器。注意，變電站接地主保護應采用獨立的電流互感器線圈，且接主變低壓側中性點最靠近接地點的電流互感器繞組。后備接地保護（BUEF）：22kV后備接地保護為沒有清除的饋線、母線和變壓器接地故障提供后備保護功能。后備接地保護一般包含3個階段。22kV后備接地保護不啟動斷路器失靈保護和自動重合功能，且階段2和3動作時電容器給無功控制器發閉鎖無功自動投切功能：階段1。保護裝置的階段1含反時限接地故障元件和無方向的定時限敏感性接地故障元件。階段1跳站內所有22kV分段斷路器；階段2。保護裝置的階段1動作后立即啟動階段2和階段3。每段母線單獨設置一個階段2保護功能。第2階段應包括定時敏感接地故障保護元件，能夠控制方向。階段2跳所保護母線的變壓器進線斷路器及電容器斷路器；階段3。每個變壓器配置一個階段3保護功能且無方向功能，第3階段應包括定時敏感接地故障保護元件。階段3保護裝置跳相應的66kV斷路器。

與國內繼電保護的對比分析和啟示

關于失靈保護，國內規范是在220kV及以上電壓等級才配置，110kV及以下不配置，采用遠后備方式，即使本電壓等級開關失靈后由上一級的后備保護動作跳閘，這樣會延時跳開時間，可能會擴大停電范圍。理論上只要跳開關就有失靈的可能，建議國內可參考對于110kV及以下的重要開關保護配置失靈保護，縮短動作時間和停電范圍。國內規范中開關操作是配置操作箱的，操作箱只有當開關合閘時才監視跳閘回路完好性，當開關跳開時無法監視，建議可借鑒TCS繼電器的設計特點，增加開關分位時也監視跳閘回路，一旦跳閘回路有問題就閉鎖。跳閘回路是否異常，可以做到提前預防。線路帶電作業時，國內處理方式一般是停用重合閘、其余不變。Jemena除了停用重合閘外，還減小了保護的延時和保護動作整定值，若有故障保護可以快速跳閘，縮短故障切除時間，保障檢修人員安全，這一優點國內可以借鑒。國內220kV站斷路器失靈保護含在220kV母差保護中，且失靈保護均應具有復合電壓閉鎖功能，主變電氣量保護還應提供解除失靈保護電壓閉鎖的接點。失靈啟動判據除采集斷路器位置，還需采集對應斷路器的電流。因為國內220kV母線為雙母線、雙母線雙分段或雙母線單分段，利用母線保護中的失靈保護，這樣二次接線比較簡單且節省投資。而Jemena的66kV側為內橋接線，規模比較小，所以配置了單獨的斷路器失靈保護。Jemena斷路器失靈保護只跳對應的一個斷路器，所以沒有采集電壓。Jemena的22kV為單母線分段，每段出線有5回，線路保護單套配置，也是通過線路保護失靈啟動對應的母線保護實現斷路器失靈跳閘。國內和Jemena相比更節省投資，建議以后Jemena可參考國內配置帶失靈保護的母線保護。關于22kV母線保護，國內低壓母線沒有配置雙重化母線保護，Jemena是按母線配置一套高阻抗母線差動保護和一套多功能母線阻抗控制過流保護測控裝置。第二套母線保護為多功能母線阻抗控制過流保護測控裝置，為不完全母線保護，只采集主變低壓側和22kV分段電流。以主變低壓側進線斷路器為分界點，通過阻抗元件區分故障在區內還是區外，區內故障時對應間隔電流超過整定值時跳22kV分段斷路器和主變低壓側斷路器。在22kV饋線出線方向發生嚴重故障時Y套母線保護能立即斷開母線，以便提高供電質量。對于重要的低壓用戶可考慮低壓側母線配置母線保護。通過以上對Jemena繼電保護技術特點分析與結論，得出了保護配置原則不同的原因，對我國企業承接該電力公司項目提出以下建議。繼電保護配置和一次接線形式及運行方式息息相關，這也是Jemena繼電保護配置和國內保護配置不同的根本原因。Jemena主接線和運行方式總結如下：66kV側為鏈式結構且所有分段合環運行，決定了66kV保護的高配置；站內所有變壓器并列運行；22kV分段合環運行；66kV線路和22kV線路大多數為架空線。由于變電站運行方式與國內的不同，針對合環運行如何考慮保護配置，為保證系統穩定性和保護動作的可靠性，要求保護有完全選擇性功能，例如線路差動保護、母線差動保護、主變差動保護?？紤]設備不能輕易停役，Jemena66kV配電站按國內主網樞紐站來配置保護，從保護配置可看出和國內220kV站保護配置類似。對我國企業承接Jemena電力公司項目提出幾點建議：Jemena配電公司變電站配置方案應嚴格按照當地技術規范執行，不能照搬國內的技術標準。可參考國內提出建議，但必須得到Jemena配電公司專業工程師的認可才可執行；Jemena配電公司會充分考慮運行人員的人身安全和工作便利性，一些要求會從保障運行人員安全的出發點考慮，所以在遇到特殊技術要求時，從這個角度考慮會幫助理解；由于Jemena歷史上是英國殖民地、受英國影響較大，用戶比較傾向國外產品，國內設備廠家跟客戶溝通時一定要從技術上說服客戶，這樣會有利于提高溝通效率，有利于國產設備的推廣。

作者：楊雷雷 單位：上海電力設計院有限公司