摘要：本文通过一起断路器内部故障相关保护动作行为的分析，指出现有智能变电站保护用电流互感器配置方案存在严重缺陷。当一台保护停运时在断路器内部故障会出现快速保护死区，需要依靠带延时的失灵保护切除故障。为此，从工程设计上提出在每台断路器两侧各装设2 组TPY 绕组和1 组5P 绕组的保护用电流互感器配置方案，以彻底消除保护死区。上述方法目前已在西北750 kV 智能变电站建设和运行中获得应用，提高了保护的可靠性和系统的稳定性。
关键词：智能变电站；电流互感器；配置问题
1.保护用电流互感器配置情况简介
750 kV 智能变电站通常采用一个半断路器接线。由于单侧电流互感器布置方式在正常运行时存在主保护死区，因此，750 kV 厂站普遍采用双侧电流互感器接线，实际的保护用电流互感器配置方案主要有两种，依次对应上文的烟墩变及鱼卡变接线。其中TPY 绕组供母线、线路及变压器等保护使用，5P 绕组供断路器失灵保护使用。方案一中，TPY 和5P 绕组分别布置在断路器的两侧，5P 绕组位于TPY 绕组的外侧。方案二中，TPY 绕组分别布置在断路器的两侧，5P 绕组布置在断路器的同一侧。
2.电流互感器配置方案存在问题分析
继电保护是由保护装置及其相关二次回路组成的一个整体。现场中经常会发生由于各种原因造成的单套继电保护退出运行，比如修改保护定值、软件升级、保护装置消缺、合并单元异常、智能终端故障等。在这种情况下，当区内发生故障时双重化配置的另一套继电保护应能可靠快速地予以切除。因此，现行规程明确提出，电流互感器二次绕组要合理分配，避免当一套保护停用情况下出现区内故障时的保护动作死区。当某一套保护装置或其二次回路（含合并单元）因故退出运行时，就可能在断路器内部产生保护死区，从而影响电网的安全稳定运行。
2.1 方案一存在的问题
电流互感器绕组位置决定了该保护的动作范围。在方案一中，受TPY 绕组数量的限制，间隔保护与母线保护以及2 个间隔保护存在共用TPY绕组情况，这就直接导致母线或间隔保护最多只能各有一套保护的动作区在断路器内部交叉重叠，不满足双重化配置要求。当方案一中相互交叉重叠的2 台保护有1 台因故退出运行时，就会存在快速保护死区。若断路器发生故障，保护动作后故障电流还会存在，需要通过失灵保护甚至远方跳闸等带延时的后备保护来切除故障（一般大于0.4 s）。超高压电网在稳定计算时故障切除时间一般按0.1 s 考虑，从而会对系统稳定性造成不利影响，有时难以满足运行要求。
2.2 方案二存在的问题
方案二断路器每侧也只有一组TPY 绕组，因此存在与方案一类似的缺点。此外，由于TPY 和5P绕组布置不合理，还存在一个更为严重的问题，即对于某些故障失灵保护会因检测不到故障电流而无法动作，存在保护死区。以7511 断路器为例，在母线Ⅰ的保护2 因故退出运行情况下，当F1 点发生故障，间隔Ⅰ的保护1 会快速动作切除7511 断路器，但故障点仍然存在，于是它会启动失灵保护来切除故障。但是，由于断路器保护绕组布置不当，在7511 断路器断开后，母线Ⅰ提供的短路电流不通过5P 绕组，接入5P 绕组电流的失灵保护会因为感受不到故障电流而拒动，只能依靠本站线路或变压器对侧后备保护动作全站停电后才能将故障隔离，且时间较长，从而造成事故扩大。
总之，在一台保护停用情况下，方案一存在快速保护死区，需依靠失灵保护切除故障。方案二除存在快速保护死区外，还存在失灵保护死区，后果更为严重。相对而言，方案一较方案二更为合理，可以看作是方案二的改进。
以上分析了智能变电站保护用电流互感器配置方案存在的不足。需要指出的是，方案二是某输变电工程通用设计所推荐的，所以上述问题在实际工程中具有一定的普遍性，危害比较严重，应引起足够重视。
3.解决措施
3.1 工程设计
要彻底解决现有方案存在的不足，就应按照现行继电保护规程要求，从设计上配置足够数量的保护用电流互感器二次绕组，且各绕组要合理分配，避免保护死区的发生。为此，提出如下的保护用电流互感器配置方案。方案三中断路器每侧各配置有2 组TPY绕组和1 组5P 绕组，且5P 绕组位于TPY 绕组内侧。以7511断路器为例，间隔Ⅰ的2 台保护和母线Ⅰ的2 台保护均在断路器区域实现了完全交叉。当相互交叉的2 台保护中任意1 台甚至2 台均退出运行，断路器内部故障不会出现快速保护死区。此外，在间隔Ⅰ的2台保护或者母线Ⅰ的2台保护退出运行情况下，当断路器内部故障或者内部故障且断路器拒动时，失灵保护均能感受到故障电流而可靠动作。方案三可以有效解决方案一、方案二存在的因某台保护退出运行而造成的保护死区，但需要增加TPY 绕组数量，投资较多。总体而言，方案三比前两种方案更可取，西北地区后续规划和在建的750kV 智能变电站均采用方案三的保护用电流互感器配置方式。需要注意的是，方案三的TPY 绕组布置在5P绕组的外侧，能够有效防止互感器绕组内部故障时的保护死区。对于某些类型的断路器，受制造安装等因素限制，TPY 绕组只能布置在5P 绕组的内侧。其主要缺点是在一套失灵保护停用情况下当TPY绕组和5P 绕组之间发生故障且断路器拒动时，会出现保护死区。若考虑到这种情况发生的概率极小可以忽略，方案三中的TPY 绕组也可以安装在5P绕组的内侧。
3.2 系统运行
对于已建成的变电站，特别是采用GIS 组合设备的厂站，对电流互感器安装位置及数目进行调整比较困难。为此，可从运行角度出发，分析相关保护停用的影响范围，合理安排运行方式，避免保护死区的出现。当故障切除时间不能满足系统稳定运行要求时，若相互交叉的2 台保护有1台退出运行，即将该断路器停用。具体做法是：当母线Ⅰ的保护2 退出运行时，母线Ⅰ需转冷备用；当母线Ⅱ的保护2 退出运行时，母线Ⅱ需转冷备用；当间隔Ⅰ的保护1 退出运行时，间隔Ⅰ所接边断路器需转冷备用；当间隔Ⅰ的保护1 或间隔Ⅱ的保护2 退出运行时，该串的中断路器需转冷备用；当间隔Ⅱ的保护1 退出运行时，间隔Ⅱ所接边断路器需转冷备用。
3.3 保护配置
为避免方案二存在的保护死区，可在线路保护及变压器保护内配置死区保护功能，专门用于保护断路器和电流互感器之间的故障。当线路或变压器差动保护动作后，若某台断路器在断开后电流仍大于门槛值，则判为死区故障，死区保护经短延时切除与该断路器相邻的所有断路器。当7511 断路器故障保护跳开7511、7510及间隔Ⅰ对端断路器的同时，还需通过死区保护切除母线Ⅰ的断路器；当7510 断路器故障保护跳开7510、7511 及间隔Ⅰ对端断路器的同时，还需通过死区保护切除间隔Ⅱ的断路器。当借助母线及间隔保护实现时，需对母线及间隔保护进行改造，增加相关逻辑功能。此外，作为方案二的补救措施，还可以将断路器保护2 的电流改为取自断路器另一侧的TPY 绕组，从而消除失灵保护死区。但失灵保护采用TPY绕组后，需对保护算法进行调整，以适应TPY 绕组暂态特性。以上两种方法可以解决方案二存在的失灵保护死区问题，但会使得保护的逻辑配合及算法实现更为复杂。需要指出的是，现有合并单元在实际运行中可靠性较差，故障率高，由此造成保护误动或出现异常的情况时有发生。因此，对于常规互感器，电压电流模拟量应直接进入保护装置，不应通过合并单元，从而减少中间环节，提高保护可靠性。
参考文献：
[1] 刘振亚. 智能电网技术[M]. 北京: 中国电力出版社,2010.
[2] 朱林, 陈金富, 段献忠. 数字化变电站冗余体系结构的改进及其可靠性和经济性评估[J]. 电工技术学报,2009, 24(10): 147-151.