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解析高壓斷路器拒分故障的隱含原因與微機差動保護

摘要：本文結合高壓斷路器拒分故障統計及造成電網火燒連營事故和大面積長時間停電，解析了拒分故障中隱含有繼電保護整定與原理誤區的原因。針對保護方式/保護整定的時間/電流/選擇性/靈敏度等因素，定量分析了其誤癥細節，理出并歸納了繼電保護整定原理的更新要點。簡單經濟實用。
　　
　　關鍵詞：高壓斷路器，拒分拒合故障，繼電保護整定，電站火燒連營事故，差動保護。
　　
　　1高壓斷路器拒分故障與原因分解
　　
　　高壓斷路器的拒分故障影響電網的控制和保護，特別是對電網短路保護的失效給電網帶來的損失是很大的，嚴重的甚至引起火燒連營事故造成大面積長時間停電。短路保護性能的好壞很難實地實戰演習驗證，容易造成麻痹僥幸思維，平時很少短路都認為安然無事，一旦短路失保就會出大事。資料顯示國內電網每年僅火燒連營事故就有近百面開關柜被燒毀。2004年火燒連營事故又有上升趨勢[2]。近年來世界多個按理說是技術先進的發達國家也都有發生大面積長時間停電和火燒連營事故。這就不是偶然的現象了，其原因值得深思和細究。筆者認為這里面隱含更深層的繼電保護整定與原理誤區的原因，并非都歸結為高壓斷路器廠家制造質量這么簡單。
　　
　　根據國家電網公司統計1998~2002年6~500kV高壓斷路器拒分故障占總故障的14.5%，排各類故障的**位[1]。2004年6~500kV高壓斷路器拒分故障占總故障的15.2%，排各類故障的第三位[2]。2006年12kV以上高壓斷路器的拒分拒合故障,共占總故障的14.5%，排名各類故障的首位。40.5kV高壓斷路器拒分故障2004年占總故障的18.2%，2005年占總故障的29.6%[3]。可見其故障率還不小！
　　
　　電力部門在事故統計中一般都習慣將拒分故障的原因歸結為斷路器，有時還以拒動故障來歸類包括拒分與拒合故障。對短路保護來說拒分影響*大，應該分開統計拒分、拒合，是斷路器故障拒分，還是繼電裝置主保護拒動或后備保護都拒動造成的拒分。后備保護還有低電壓閉鎖拒動、差動保護拒動、距離保護拒動，有無火燒連營事故，等等。各占比例是多少，才便于分析真正原因。在高壓電網保護中，高壓斷路器與繼電保護裝置是分開制造選配安裝的，*后由電力部門來組合整定，形成一個完整的保護系統。這兩個部分都有可能造成拒分故障。從現在的統計中看不出繼保裝置拒動造成的拒分故障和火燒連營故障的比例，也就找不出高壓電網火燒連營事故上升的真正元兇。或許另有內部統計,通過仔細分析都應該能得出問題所在。
　　
　　執行開斷任務的斷路器拒分和拒合是開關制造廠的問題，可由繼保信號繼電器有無發出動作信號來判斷。有動作信號發出，就是斷路器拒分；沒有動作信號發出，就是繼保裝置整定失保拒動，???成斷路器無法執行分斷的拒分。二者是有本質區別的，不能混為一談。繼保裝置拒動有主保護拒動和后備保護拒動，是繼保裝置和電站整定的問題，與斷路器制造廠無關。主/后備保護拒動和保護時間過長往往帶來火燒連營事故。而由斷路器拒分造成火燒連營事故的機率很小，因為斷路器的開斷時間＜0.1s，一般為0.06s，上下級斷路器同時都出現故障拒分的可能性不大。第三級斷路器遠后備保護的動作時間應該為0.5~0.7s時才不至于火燒連營。所以出現火燒連營事故，一般都是繼保裝置拒動和保護動作時間太長引起的，應該都是電站的裝置整定問題和責任。這一點或許連統計拒分故障的電站和部門都不會想到，問題竟然會出在自己的繼保系統。
　　
　　斷路器的開斷性能應該由廠家的型式試驗和出廠試驗來保證，并出具試驗報告；繼電保護裝置及整定的各種主/后備保護時間電流安秒動作特性，應當在安裝整定調試時進行二次回路通電驗證，出具驗證數據報告。嚴格具體地講必須保證主保護能在末端為*小單相短路電流時0.1s內動作,后備保護應在同樣電流時0.3~0.5s內動作。國際電工IEC62271-200:2003內部故障電弧試驗標準推薦的開關設備燃弧時間優選值為1s/0.1s[4]，即遠后備保護的動作時間都不能超過1s，*好控制在0.7s以內。否則極易造成燒毀開關設備和火燒連營事故！事實上，我國和世界上包括一些發達國家的許多電站目前都達不到這個要求。這就是繼電保護整定原理之誤區帶來的結果[5]。
　　
　　國外資料顯示開關設備的燃弧時間從0.1s每提高0.1s，開關柜的成本要增加10%。提高到1s時，將增加開關柜的成本100%。如果電網短路保護時間按現在的4s來要求，開關柜的成本將無法承受，用戶也接受不了。如果保護時間再延長，那造價將是個天文數字！是不可能實現的。所以繼電保護原理中用長延時來作短路主保護，那根本就是一個主觀的誤導和天真的臆想！短路保護的原則應當盡量減少動作時間，故障電弧的燒損就小，供電的恢復時間也就短，利國利民利業。過去的短路保護原理缺乏與實際制造相結合的系統經濟觀念。
　　
　　低壓斷路器由于是和繼保裝置整體制造整定，才由制造廠實事**地找到了一個解決途徑：整定簡單實用的三段式保護，避免了低壓系統火燒連營事故。而高壓斷路器與繼保裝置是分開制造，致使電力部門過于拘泥信賴繼電保護整定原理的誤區，其保護方式繁瑣復雜又不實用，整定值寬泛不精，才造成了火燒連營事故居高不下。發達國家目前也沒有走出這個怪圈，這從國際電工標準IEC60255-3、英國標準BS142和美國標準ANSIC37.112以及中國國家標準GB/T14598.7-3的長延時轉盤仿真特性還在應用于微機控制的短路保護，就能說明這一點。這樣的微機保護只能叫作“危機”保護。不要以為有了微機保護就萬事大吉、高枕無憂了，微機控制又不是萬能的神仙，它的原理也是由人來設計的，也還是要由人去整定的好，才能起到應有的保護作用。客觀現實是冷酷的火燒連營事故和造成大面積長時間停電，應當認真堅決地去杜絕它。是什么問題就解決什么問題，觀念的轉變才是*根本的轉變。對洋技術應當分析消化和揚棄。

2高壓斷路器拒分故障的隱含因素
　　
　　繼電保護裝置與整定達不到在末端*小單相短路電流時，主保護＜0.1s/后備保護0.3~0.5s/遠后備保護0.5~0.7s動作特性要求的原因是：繼電保護整定原理一直采用長延時作短路主保護和后備保護致使時間太長；并按*大短路電流來整定瞬時保護與短延時保護，造成保護死區等于沒有瞬時/短延時保護和后備保護。這就從時間和電流兩個參數上都喪失了短路保護的作用[5]。令人遺憾的是，目前與此有關的大學仍然還在教授這些內容，誤人子弟。國內外的微機保護裝置也都不具備這種明確的保護功能。短路時造成火燒連營事故和大面積長時間停電也就不奇怪了。
　　
　　例如[6]:2008.3.21日,北京電網220kV草橋變電站停電事故，導致該站和下屬3座110kV變電站全停，另外2座220kV變電站和4座110kV變電站切換電源運行。涉及16座開閉站和2個重要用戶，大面積停電，損失負荷78MW。事故由并聯運行的右電源側斷路器接地閃絡引起，由上級A站和N站都是全微機系統保護的距離保護和零序保護來切除故障，動作時間為0.546s＋重合閘后加速保護0.061s，重合閘間隔1.117s。即開關燒損時間為0.607s，致使開關燒損嚴重只能更換。為什么距離保護和零序保護**動作的時間是0.546s(比短延時后備保護的0.3s還長)？后加速保護時也才達到0.061s？主保護的時間這么長，后加速還有何意義？這是否“2套保護均正確動作”？按理兩次動作的時間都應該是瞬時0.06s才對，開關燒損時間應該是0.12s，對比一下0.607s，可減少4/5的燒損！或許稍加修復還能使用，不必更換。這對用戶自己減小損失恢復供電也是有益的。雖然事故原因歸結給廠家制造安裝不當，但燒損的程度應該與電站保護系統整定原理有關。試想有哪一個廠家的開關設計能耐受0.607s的內部故障電弧不被燒毀？是否現代微機保護的整定原理就一定沒有問題？值得大家深思細琢。
　　
　　繼電保護整定原理對長延時/短延時/瞬時保護的功能作用即誰管短路保護和過載保護，誰應該是主保護和后備保護都分界不清，對保護靈敏度的取值依據也不明確，對如何解決同線路首尾斷路器的保護選擇性問題更是手足無策，這些都導致了保護整定原理的扭曲。
　　
　　長延時保護的時間很長，一般都＞1s，根本不適合短路保護，只能用于過載保護，以避開電機的啟動時間。電流整定為1倍額定電流In，動作倍數在1.2~6倍。它有后備保護的功能，但對短路保護的速斷已失去作用。
　　
　　短延時保護延時0.2/0.4/0.6s的作用就是能上下級配合即保證選擇性，只能是用于短路后備保護，不能作主保護。它應該按額定電流來整定，不能按短路電流整定會造成保護死區。線路一般按3~4倍In整定，以避開尖峰涌流(一般為2~3倍In)。上下級電流整定值應錯開至少1.1倍才能有選擇性，加上短延時來配合后備選擇性。
　　
　　瞬時保護的速斷時間＜0.1s就決定了它才應該是短路的主保護，它也應按額定電流來整定以消除保護死區。線路一般按5倍In整定即可，以避開尖峰涌流。上下級電流整定值應錯開至少1.25倍，才能保證上下級和同線路首尾斷路器有選擇性。
　　
　　保護的選擇性與繼電器返回系數(一般0.85)和繼保裝置元件的精度誤差(一般≯5%)有關。綜合取至少錯開1.25倍，才能使下級保護動作后，上級保護能返回。
　　
　　保護靈敏度Sp的取值與繼保裝置精度誤差有關，應當在末端*小單相短路電流時，遠后備保護能達到1.1，即總的精度誤差＜10%，就能保證可靠動作。主保護的靈敏度自然越大越好。目前保護原理按*大短路電流來整定是達不到＞1.1的，都是＜1，即有死區和拒分。
　　
　　其它的保護如差動保護和低電壓閉鎖保護，都是由于保護原理的誤區導致瞬時保護有死區失效后增加的保護，實屬多余。如果瞬時保護沒有死區，它們也就失去了意義。這從整定值可以看出：差動保護整定在內部短路0.4~4.5倍In范圍，相當于外部加1倍In為1.4~5.5倍In時動作。我們可以直接用瞬時速斷保護，整定5倍In動作不是更簡單么。差動保護的整定值低于額定電流和尖峰涌流以內時，其鑒別裝置很復雜帶來誤動的風險也隨之而來，時有報道差動保護發生誤動。過去瞬時保護整定為額定電流In的30倍左右(短路電流一般是額定電流的幾十倍)，造成保護死區很大甚至延伸到變壓器內部，才發明了差動保護,覺得差動保護有優勢。當保護原理被糾正后，瞬時保護按避開尖峰涌流整定也在5倍In范圍，沒有保護死區了，差動保護當然就失去了優越性和存在的價值。
　　
　　只要電流大于正常允許值，瞬時保護就動作，以能避開尖峰涌流為底線，整定值越小越有利，這也是保護的本意所在。設備線路是按額定電流設計的，短路電流非常大會燒毀設備線路，只能用保護來切除。如果短路電流或內部短路電流比額定電流還小，那就不需要保護動作。如果在尖峰涌流以內(一般≯4倍In)，可以用短延時保護，整定值應有所區別，如：瞬時5倍/短延時3~4倍/或**套短延時1.5~3倍In(0.5~0.7s)。能用*簡單的瞬時保護解決短路問題不是很好么，沒有必要去舍簡求繁地沿用本來就屬于附加多余的差動保護，甚至將原本用于變壓器內部短路的差動保護去作母線保護。母線的阻抗遠遠小于變壓器阻抗，如此小的阻抗范圍，整定值如何來依據確定才是合理的？它相當于用*繁瑣復雜的差動保護去保護一個點，有沒有必要和實用價值？而且差動保護的范圍**一段。

3繼電保護整定原理的更新要點
　　
　　1)、推翻了百年來用長延時作短路保護和按*大短路電流來整定瞬時保護的原理誤區。應以瞬時和短延時為短路的主/后備保護，依據額定電流來整定保護消除死區。可以避免火燒連營事故，簡單經濟實用。
　　
　　2)、提出了依據額定電流來整定短路保護以后，低電壓閉鎖保護和差動保護都成為多余，線路距離保護的范圍會增加幾倍甚至全程。
　　
　　3)、指出依據額定電流整定的另一優點：受系統運行方式變化的影響小，尤其在*小運行方式時，保護的可靠性高。
　　
　　4)、指明根據一般上下級額定電流的級差范圍來分析，短延時后備保護只能是每兩級配合。整定值要由下級的整定電流折算成上級In的倍數，一般為3~4倍。建議設**套短延時保護，整定值1.5~3倍/0.5~0.7s作第三級的遠后備保護。
　　
　　5)、提出保護靈敏度Sp由原來按短路電流整定的1.25~2(還保護不到末端)，可以降低到遠后備保護為1.1，總的精度誤差已為10%。由此也引定出：電流互感器不能使用10P的保護精度等級，應該≯5P。
　　
　　6)、提出短路沖擊電流有效值Ish對保護靈敏度的可靠性有利，并計算出在速斷動作時間0.08s內的平均值為1.22Ik。
　　
　　7)、指出返回系數Kre在整定計算公式中有混淆，上級后備保護時要考慮，末端保護整定時不用。可提高后備保護的靈敏度。
　　
　　8)、填補推導得出常用的低壓TN-S系統*小單相短路電流的計算值為：IK⑴min≈0.7IK⑶min。
　　
　　9)、填補保護選擇性的電流要求為：上下級和同線路首尾斷路器的整定值應錯開至少1.25倍。短延時保護可為1.1倍，可擴大保護到下級的范圍。
　　
　　10)、填補短路沖擊電流有效值Ish達到*大值1.5Ik的時間0.01s影響到選擇性的返回時間。并以此推導計算出上級的返回時間間隔Δt，作為判斷依據。返回時間不充足，應配合重合閘功能。[5]
　　
　　以上淺見為引玉之磚，愿望我國高壓電網短路瞬時主保護能走在世界的前端。

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