3/2接線保護死區(qū)解決方案分析及選擇策略

董毓暉，徐西家，崔 超

(華能山東石島灣核電廠，山東 榮成 264312)

目前，國內發(fā)電廠升壓站330 kV及以上電壓等級的主接線通常采用3/2斷路器接線方式，這種主接線方式倒閘操作方便、運行調度靈活、供電可靠性高，但也存在保護死區(qū)較多(主要是斷路器和TA之間)的缺點，一旦保護死區(qū)發(fā)生故障，保護裝置不能瞬時切除，就可能導致故障范圍擴大［1］。因此，本文結合典型3/2接線保護配置，對常規(guī)電站專設死區(qū)保護及核電站增加保護TA交叉配置所采取的兩種方案進行分析，指出了繼電保護快速性和選擇性之間的問題，并建議對1000 MW及以上容量大機組宜采用增加TA交叉配置消除死區(qū)的解決方案。

1 3/2接線產生保護死區(qū)的原因及常規(guī)處理方法

通常將快速主保護無法完全覆蓋的一次設備區(qū)域稱為保護死區(qū)。3/2接線保護死區(qū)形成的根本原因是TA配置不足，造成主保護范圍不能完全交叉［2］，出現保護死區(qū)。典型3/2接線如圖1所示。

圖1 典型3/2接線圖Fig．1 Typical 3/2 wiring diagram

圖1是一個典型的3/2斷路器接線，K1、K2、K3斷路器和TA間的連接部分即為保護死區(qū)，保護死區(qū)內發(fā)生故障，沒有設置主保護瞬時動作切除故障［3］。常規(guī)處理方案是依靠斷路器的失靈保護來快速切除保護死區(qū)故障，但是失靈保護動作于斷路器跳閘后，該斷路器將不再啟動失靈保護，此時如果斷路器拒動，會造成更加嚴重的后果。當K1點發(fā)生故障時，I母母差保護動作于斷路器CB1跳閘，此時故障并未完全切除，斷路器CB1啟動失靈保護，CB2跳閘。若此時CB2拒動，CB2不啟動失靈，發(fā)變組T區(qū)保護判斷K1為區(qū)外故障，不能及時動作于CB3和發(fā)變機組，延遲了故障切除時間，將造成故障進一步擴大。另外，考慮到發(fā)生三相短路故障時，故障電流較大，失靈保護動作一般要經過200 ms的延時，對系統(tǒng)或主變沖擊較大，因此僅依靠斷路器失靈保護實現切除死區(qū)故障的方案不理想［4］。

2 常規(guī)電站對保護死區(qū)的解決方案和對比分析

由于在3/2接線中保護死區(qū)較多，不能排除死區(qū)發(fā)生的故障，同時僅依靠斷路器失靈保護切除死區(qū)故障存在很大的局限性，所以有必要為死區(qū)配置專用的保護，實現快速切除死區(qū)故障，達到保護配置無“死區(qū)”的目的。

2．1 常規(guī)電站保護死區(qū)的解決方案

由于斷路器失靈保護有延時較長、不能再次啟動失靈的局限性，不適合作為死區(qū)保護的理想方案，常規(guī)電站一般配置比失靈保護延時短、專用的斷路器死區(qū)保護來切除死區(qū)故障，根據保護TA配置的不同位置，形成2種不同配置方案，如圖2、圖3所示。

在圖2、圖3中，斷路器死區(qū)保護是斷路器和TA之間區(qū)域的專設保護，其啟動邏輯和失靈保護類似，出口方式也相同，動作后斷開相鄰斷路器。死區(qū)保護動作時限比失靈保護短，動作后會啟動相應斷路器的失靈保護，大大降低了相鄰斷路器拒動后故障擴大的風險，由此可以看出，這兩種配置該方案比單純依靠斷路器失靈保護切除死區(qū)故障更為理想。

圖2 斷路器具有死區(qū)保護的配置1Fig．2 Protection configuration No．1 on circuit breaker with dead zone

圖3 斷路器具有死區(qū)保護的配置2Fig．3 Protection configuration No．2 on circuit breaker with dead zone

死區(qū)保護動作邏輯須滿足如下條件［5］:

1)斷路器三相跳位開入。

2)斷路器三相或兩相跳閘命令開入。

3)任一相有電流超過定值。

在死區(qū)保護動作后，跳開相關斷路器，先于失靈保護來切除死區(qū)故障。

2．2 兩種方案對比分析

對于CB1死區(qū)和 CB3死區(qū)內發(fā)生的故障，圖2、圖3兩種配置方案保護動作情況完全相同，沒有差別。

當故障發(fā)生在CB2死區(qū)時，對于圖2保護TA配置方案，發(fā)變組T區(qū)區(qū)內故障，保護動作跳開CB2、CB3，此時故障并未消除，CB2開關的死區(qū)保護動作跳開CB1，同時啟動遠跳線路對側開關。對于圖3保護TA配置方案，線路T區(qū)區(qū)內故障，保護動作跳開 CB1、CB2，CB2開關的死區(qū)保護跳開CB3，同時升壓站聯跳動作使機組全停。

比較分析上述動作情況，兩種方案側重點不同，當故障發(fā)生在CB2死區(qū)時，使用圖2方案，主變中的故障電流經發(fā)變組T區(qū)保護動作后瞬時切除，對主變沖擊較小，但出線端需經死區(qū)保護短延時切除，對電廠端較為有利;使用圖3方案，出線端經線路T區(qū)保護瞬時切除故障，主變中的故障電流經死區(qū)保護短延時切除，主變承受故障電流的時間較長，對電網端有利。

上述兩種配置方案的優(yōu)點是不改變原有TA配置數量，保護配置簡單，經濟性好。缺點是無論采用種配置方案，電廠端或電網端都不能實現瞬時切除故障。

3 核電站對保護死區(qū)的解決方案及局限性

3．1 核電站對保護死區(qū)的解決方案

基于核安全理念的理解和重視，國內核電站一般采用增加TA數量、各保護TA交叉配置的方案來消除保護死區(qū)，即在斷路器兩側均裝設電流互感器，完成母差保護、線路T區(qū)保護和發(fā)變組T區(qū)保護TA全交叉配置，真正實現保護無死區(qū)配置。國內某核電站3/2接線采用的保護配置方案如圖4所示。

對于圖4的配置，當斷路器和TA之間的區(qū)域發(fā)生短路故障時，故障點兩側的主保護瞬時動作，在第一時間切除故障。例如，在圖3中，當K1點發(fā)生短路時，不僅I母母差保護會動作，線路T區(qū)保護也會在第一時間動作，瞬時跳開斷路器CB1、CB2，分開線路對側的斷路器，K1點故障被快速切除。

除了增加TA數量實現保護全交叉配置消除死區(qū)外，核電站還采用常規(guī)電站的做法增加了斷路器“死區(qū)”保護，作為后備冗余。

3．2 解決方案的局限性

圖4 無死區(qū)的保護配置Fig．4 Protection configuration without dead zone

上述列舉的方案優(yōu)點很明顯，真正消除了保護死區(qū)，實現全范圍內瞬時切除各類故障。但該方案也存在一定局限性，在圖4中，當故障發(fā)生在CB1至CB1上側TA區(qū)域時，Ⅰ母母差和線路T區(qū)同時動作，切除CB1、CB2及線路對側開關。而按圖2配置，同一地點發(fā)生故障時，只有Ⅰ母母差動作將CB1切除，即可保證安全性，圖4配置方案擴大了動作范圍。同理，當故障發(fā)生在CB2至CB2下側TA區(qū)域、CB3至CB3低側TA中間區(qū)域時，也會使動作范圍擴大?？梢?，核電站通過增加TA消除死區(qū)的方案在極小范圍內發(fā)生故障，會擴大停電范圍。

4 結論

常規(guī)電站和核電站對于保護死區(qū)的不同處理方案，各有優(yōu)缺點，側重點略有不同。

1)常規(guī)電站處理方案，一次主設備須承受短時短路電流沖擊，TA數量少，配置簡單，經濟性好，不會導致停電范圍擴大;核電站處理方案徹底消除保護死區(qū)，一次主設備不承受短路電流沖擊，TA數量多，配置復雜，經濟性差，會導致停電范圍擴大。

2)在電站建設之前，要充分考慮不同的保護配置所產生的后果及接受能力，如對線路停電或機組停機的可承受能力，主變和母線設備可承受的故障電流的沖擊能力等，綜合考慮，選取更適合電站的保護配置方式。

3)對于1000 MW及以上容量機組建議采用增加TA交叉配置消除保護死區(qū)的方案，降低電廠主設備經受短時故障電流沖擊的概率，確保電廠安全穩(wěn)定運行。

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