关于断路器失灵保护的改进问题研究

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【摘 要】为了提高线路的输送能力和系统的稳定性，普遍采用快速保护和分相断路器，由于断路器存在操作失灵的可能性，当线路发生故障而断路器又拒动时，将给电网带来很大威胁，故应装设独立的断路器失灵保护。断路器失灵保护作为元件的近后备保护，在断路器失灵时，以尽可能小的停电范围快速切除故障，对电网的稳定运行起着重要的作用。

【关键词】电网安全；断路器；失灵保护；短路电流；电能质量；电压互感器；闭锁回路

0 引言

断路器的失灵保护拒动，将使故障点仍无法有效切除，会造成设备的进一步损坏和电网运行稳定性的进一步恶化。但若断路器失灵保护误动，即断路器已正确将故障点隔离，但因失灵保护误动，仍要跳开相邻的全部断路器，这势必造成电网的停电范围大大增加，这样不仅将影响对正常用户的供电，还将可能造成电源侧电能无法输送，负荷侧周波下降，甚至是电网部分分解的情况。

1 对现有断路器失灵保护的评价

高压输电线路具有电压高、线路长、输送功率大、波阻抗小，分布电容大、线路充电电容电流大等特点；这些特点将对现有的断路器失灵保护所用的部分特征量变得灵敏度不高，灵敏度不够将直接影响到失灵保护的可靠动作，下面将对失灵保护中所采集的特征量进行分析，以期发现不足。

断路器失灵保护的启动回路中采集的特征量为“电流判据”和“保护出口”，本人感觉这两个量在高压断路器中仍然使用是可靠且有效的。因为线路故障后，“电流判据”是必要的，故障后，电流必定增大，当到了设定动作值后，保护出口，动作断路器分闸，切断故障点。但仅一个“电流判据”可能存在误动的可能，所以在“电流判据”的基础上增加“保护出口”的判据是有必定的，这样可以通过此两个判据来确定发生了故障，也确定要使断路器分闸，只有都满足了，说明断路器有了要启动失灵的必要性。

断路器失灵保护的闭锁回路中采集的特征量为“电压突变”、“低电压”、“负序电压”和“零序电压”的复合电压值，本人感觉这些特征量因为高压线路的波阻抗小，分布电容大、线路充电电容电流大等特性而使灵敏度降低的情况。而且当线路故障时，故障电流较正常电流增加许多，故障相电压却较正常时有明显下降，这些都为特征性的快速、准确提取增加了难度；电压互感器做为各电压量的取出元件，自身元件也存在饱和、突变性较差的实际情况，这也使各特征量的采集增加了难度。另外断路器在跳闸的过程中，因在断路器触头分开时，存在着较强烈的电弧现象，这使上述这些电压特征量的灵敏度进一步降低，而且还可能存在因灵敏度不够使这些特征量不能正常、可靠进行闭锁的情况。所以为了完善失灵保护中闭锁回路的功能，在考虑高压线路特性和断路器开断故障电流产生电弧的情况下，应该提出可行的特征量，用来判断是否要对断路器的失灵回路进行闭锁，从而切实提高断路器失灵保护的可靠性。

断路器失灵保护中的动作执行回路，主要是对失灵保护的出口动作情况进行分类；高压断路器的动作后果应该完全同现有的断路器一样，但因考虑到高压系统的电压高，产生的故障电流大的特点，在可靠、准确的判断出断路器是否真实失灵的前提下，进一步提高断路器失灵保护动作的速度，使故障点能尽快隔离，这样不仅可以减小对相关设备（人员）的损坏（伤害）程度，对电网的安全运行也有较大的帮助，能提高系统的可靠性；所以提高断路器失灵保护动作的速度是研究的方向。

2 基于故障后电流变化量闭锁的改进方案提出

现在许多保护，主要是电流量方面的保护，采用了电流的突变量为特征量，由此做为保护动作的判据或补充判据，这样可以避免因单一采用电流量，电流量采集存在问题时，造成保护装置误动或拒动情况的发生。由于目前对电流突变量的采集是成熟的技术，为本文在下面提出电流突变量的采用、分析和使用提供了技术方面可行性的保证。

下面将线路在故障发生后，保护、断路器动作的情况进行分步描述，现以线路单相故障为例：

①正常切除故障

线路发生单相故障故障相电流增大主保护（快速保护）通过判断后动作出口（同时启动断路器失灵保护）断路器收到保护动作令断路器操作机构进行分闸动作断路器动、静触头拉开后产生电弧断路器分闸成功故障点被切除失灵保护返回。

②未切除故障

未切除故障的情况有两种，一种是断路器因信号、机构等问题未动作（因主保护配置具有双重化，且配置了相关的后备保护，故不考虑保护装置未动作的因素）；另一种是保护动作正确，断路器也动作，但断路器未能将故障电流分断，故障点未能被隔离。

1） 断路器未动作

线路发生单相故障故障相电流增大主保护（快速保护）通过判断后动作出口（同时启动断路器失灵保护）断路器因未收到保护动作令或断路器操作机构存在问题，而未动作分闸故障点未切除失灵保护第一延时动作，再次跳本断路器若故障点仍未切除失灵保护第二延时动作，跳本断路器相邻的全部断路器。

2） 断路器动作并未能分断故障电流

线路发生单相故障故障相电流增大主保护（快速保护）通过判断后动作出口（同时启动断路器失灵保护）断路器收到保护动作令断路器操作机构进行分闸动作断路器动、静触头拉开后产生电弧但断路器未能将故障电流分断故障点未切除失灵保护第一延时动作，再次跳本断路器若故障点仍未切除失灵保护第二延时动作，跳本断路器相邻的全部断路器。

从上面所表述的过程可以看出，故障点是否被有效切除是断路器失灵保护是否需要动作的关键；而故障点是否被有效切除，除了常规能用种类电压特征量来判别外，还有一个更直接的特征量――电流量。因为当一定时间后，如果故障仍存在，故障电流仍很大，就可以说明断路器未断开，需要启动断路器失灵保护；而如果电流较故障电流小了许多，则表明断路器已经断开，断路器失灵保护不应再启动和出口了。

从电路进行分析，断路器开断短路电流的前后电流存在非常大的区别：断路器开断前，通过断路器和电流互感器所测得的是故障电流；当断路器开断后，回路将没有任何电流，电流互感器也测不到电流。而如果断路器未能分断故障电流，从电路上来看，则电流应该同原先一样，没有变化。

基于断路器是否开断短路电流，经过断路器固有的分闸时间后，通过断路器的电流是有明显的差别，所以根据上述分析所得出的结果，将经过断路器固有的分闸时间后的电流量作为断路器失灵保护闭锁判据的特征量是可行的。

3 改进方案的难点和仿真验证的必要性

考虑到各短路故障情况不一样，所对应的各种短路电流也不一样，而且各种短路电流的变化量有较大差别。如单相接地故障，故障电流中含有直流等会衰减的分量，则通过一段时间后，短路电流也将衰减。而两相和三相故障时，除了故障电流中有直流等会衰减的分量外，如果有一相断路器未断开，故障的类型就将由两相或三相故障过渡到单相接地故障，过渡状态存在较多不确定性；这些必然会使实际电流量的情况完全不能等同于理想的电流值。

4 结束语

总之，随着高压电网的逐步建设和投入运行，全国各大电网将通过高压系统有序的联网，所以高压对电网的安全和稳定运行将起到更大的作用，这也将对高压系统的断路器提出更高的要求。

【参考文献】

[1]董新洲，苏斌，薄志谦，等.特高压输电线继电保护特殊问题的研究[J].电力系统自动化， 2004， 28（22）： 19-22.

[2]盛，李永丽，李斌，等.特高压输电线路过电压及保护与控制系统的研究[J].电力系统及其自动化学报.2003， 15（6）：13-18.