電力系統中發生故障時，保護裝置動作併發出跳閘命令，但因故障設備的斷路器發生故障而導致拒動，為了儘快隔離故障點，避免事故範圍進一步擴大，配置斷路器失靈保護作為後備保護顯得尤為重要。許繼電氣股份有限公司的研究人員張偉見、宋桂娥、朱軍紅、胡明會，在2020年第2期《電氣技術》上撰文，對220kV母線中失靈保護方案進行了詳細敘述。
電力系統中當輸電線路、變壓器、母線或者其他設備發生故障時，保護裝置動作併發出跳閘命令，但因故障設備的斷路器由於跳閘線圈故障（斷線）、操作機構故障、氣壓或液壓降低、直流電源故障、操作箱繼電器等問題導致拒絕動作跳閘，若不盡快將故障點隔離，會造成主設備損壞、停電範圍擴大、甚至整個系統瓦解等。
為在較短時間內切除與失靈斷路器相關聯的其他斷路器，使停電範圍限制在最小區域內，配置斷路器失靈保護就顯得尤為重要。利用斷路器失靈時故障特徵的相關信息作為斷路器拒動的判別條件，構成斷路器失靈保護。由於母線上有主變支路、線路支路和母聯支路，這些支路均應配置相應的失靈保護作為其後備保護。
下面結合許繼公司WMH-801A適用於常規變電的220kV母線裝置，對斷路器失靈保護方案進行詳細介紹。
1 失靈保護介紹
1.1 失靈複合電壓閉鎖功能
由於斷路器失靈保護動作跳閘範圍大，因此提高斷路器失靈保護動作的可靠性顯得特別重要，所以將失靈複合電壓閉鎖引入到斷路器失靈保護中。
斷路器失靈保護採用複合電壓閉鎖元件與斷路器失靈保護配合，實現分母線閉鎖，複合電壓閉鎖採用母線任一相低電壓、零序電壓、負序電壓以及斷路器失靈元件來構成，有效確保斷路器失靈保護的可靠、正確動作。
斷路器失靈時會引起母線電壓降低、有負序和零序電壓產生，這樣利用低電壓、負序電壓、零序電壓作為開放失靈的條件會使斷路器失靈保護動作更加可靠。但運行過程中有時會發生主變低壓側故障而高壓側斷路器失靈且變壓器高壓側阻抗很大，或線路末端故障時，線路阻抗很大，導致母線複合電壓判別可能存在因靈敏度不足而引起斷路器失靈保護拒動的問題，為避免類似情況發生，引入斷路器失靈解閉鎖功能來解除失靈複合電壓，讓母線裝置的支路斷路器失靈保護動作，從而隔離故障點。
1.2 低功率因數功能
在支路發生三相故障且三相開關均失靈時，由負序電流、零序電流組成的電流判據可能存在因靈敏度不足而引起保護拒動的問題，因此保護程序引入了低功率因數元件，該元件用於開放三相開關失靈時的負序電流、零序電流判據。低功率因數元件採用比相器算法構成，按相判別的方式，任一相電壓幅值大於門檻值且對應相有流，判別電壓與電流之間的相角，其動作方程如式（1）所示滿足動作條件後開放低功率因數判據，另外，為了避免門口三相故障且斷路器三相失靈時靈敏度不夠，在三相電壓均低於門檻值和三相均有流，且無電壓互感器斷線的條件下，也開放低功率因數判據。
式（1）
1.3 斷路器雙重失靈功能
在母線運行過程中會存在多個支路斷路器相繼失靈的概率，如當線路發生故障跳閘，線路支路斷路器跳不開，起母線保護裝置內該線路支路斷路器失靈保護動作，若同時又發生主變支路斷路器失靈，因主變保護沒有動作，母線保護裝置沒有主變保護動作的失靈開入，母差保護程序內部邏輯不能起動主變斷路器失靈邏輯，不能實現聯跳主變各側斷路器。
若主變支路不能跳開，則會繼續往故障點提供故障電流，有可能會造成發電機、變壓器等元器件的嚴重損壞或電網的崩潰瓦解事故。因此設計母線上任一支路斷路器失靈保護跳閘時均能正確起動本支路所在母線上的主變支路斷路器失靈（母聯失靈保護跳閘時起相鄰母線上主變支路斷路器失靈），母線互聯時，母線上任一支路斷路器失靈保護跳閘時均能正確起母線上所有主變支路斷路器失靈保護。
1.4 分相計時功能
母線運行過程中，存在某個支路發生轉換性故障的可能性。為了避免同一支路發生轉換性故障時保護動作延時接力，導致保護誤動或者縮小延時定值保護動作的情況，保護程序內部設計為分相獨立計時功能，即某相滿足動作條件後，開始計時，計時時間不小於延時定值，保護動作；計時時間小於延時定值且該相故障消失，計時器自動清零。在某相計時器清零前其他相也滿足動作條件後，其他相故障計數器應從零開始計時，不能在原有計時基礎上累加計時。
1.5 主變支路斷路器失靈保護
若變壓器發生區內故障，變壓器保護動作跳變壓器各側斷路器，或母線發生區內故障，母差保護動作跳本母線上支路斷路器，均能正確起動變壓器支路斷路器失靈保護，否則會經過主變支路失靈的斷路器繼續往故障點提供故障電流，這是不允許的。
前者由變壓器保護動作後提供三跳失靈開入節點引入母線保護裝置作為該支路的失靈起動開入，後者起動由母差保護程序內部直接實現。變壓器支路斷路器失靈電流判別採用任一相電流、負序電流或零序電流“或”邏輯，電流分別取整定的電流定值。為解決三相故障且三相失靈時，負序電流、零序電流可能存在靈敏度不足的問題，保護程序引入低功率因數判據，作為負序電流和零序電流判據的補充。
差動保護動作起動變壓器支路斷路器失靈時經變壓器支路所在母線複合電壓閉鎖，母線互聯運行時，經任一母線失靈複合電壓閉鎖，而外部三跳起動失靈開入起動變壓器支路斷路器失靈時，可經所在母線或互聯運行時經任一母線失靈複合電壓閉鎖開放，也可經外部主變支路解閉鎖開入解除電壓閉鎖。
斷路器失靈保護設計有兩個時限，第一時限動作跳母聯支路，第二時限動作跳變壓器支路所在母線上的相鄰斷路器並聯跳變壓器其他側斷路器。變壓器支路斷路器失靈保護邏輯圖如圖1所示，圖中Isl、I0sl、I2sl分別為三相失靈相電流定值、失靈零序電流定值、失靈負序電流定值；T1、T2分別為失靈跳母聯延時定值、失靈跳母線延時定值。
1.6 線路支路斷路器失靈保護
若線路上發生故障時，線路保護動作跳斷路器，同時提供三相或分相失靈起動開入節點引入母線保護裝置作為該支路的失靈起動開入。線路支路斷路器失靈電流判別採用相電流和零序電流或相電流和負序電流。為解決三相故障且三相失靈時，負序電流、零序電流可能存在靈敏度不足的問題，保護程序引入低功率因數判據，作為負序電流和零序電流判據的補充。
線路支路斷路器失靈保護經本支路所在母線失靈複合電壓閉鎖，母線互聯運行時，經任一母線失靈複合電壓閉鎖，也可經外部線路支路解閉鎖開入解除電壓閉鎖，程序設計時為了節省硬件輸入端子，所有線路支路公用一個失靈解閉鎖開入。斷路器失靈保護設計有兩個時限，第一時限動作跳母聯，第二時限動作跳該失靈支路所在母線上的相鄰斷路器。
線路支路失靈保護邏輯圖如圖2所示，圖中I0sl、I2sl分別為失靈零序電流定值、失靈負序電流定值；T1、T2分別為失靈跳母聯延時定值、失靈跳母線延時定值。線路支路失靈相有流門檻為相應支路的kIn。
圖1 變壓器支路失靈保護邏輯圖
圖2 線路支路失靈保護邏輯圖
1.7 母聯支路失靈保護
當保護動作向母聯斷路器發出跳閘命令，母聯電流大於母聯失靈電流定值且持續時間大於母聯失靈延時定值時，母聯斷路器失靈保護動作切除與之相連母線上的所有連接支路。母聯斷路器失靈保護由差動保護、斷路器失靈保護、相鄰母聯的母聯斷路器失靈保護、母聯過流保護及外部起母聯失靈開入（由外部單獨配置的母聯保護裝置提供）起動，母聯斷路器失靈保護動作跳母線時需要本母線差動複合電壓閉鎖。母聯斷路器失靈保護邏輯圖如圖3所示，圖中Is為母聯分段失靈電流定值，Ts為母聯分段失靈時間。
圖3 母聯支路失靈保護邏輯圖
2 結論
本文結合許繼公司WMH-801A系列母線保護裝置，對220kV母線中失靈保護方案進行了詳細敘述，通過介紹可知當有保護設備向斷路器發送過跳閘命令後，該斷路器未跳開且在一段時間內仍存在故障電流，此時由斷路器失靈保護動作跳閘，切除故障，隔離故障點。這種失靈保護方案對以後的研究具有參考意義。
閱讀更多 電氣技術 的文章
