1 高壓斷路器拒分故障與原因分解
解析變壓器有載開關(guān)測(cè)試儀與微機(jī)差動(dòng)保護(hù)，特別是對(duì)電網(wǎng)短路保護(hù)的失效給電網(wǎng)帶來(lái)的損失是很大的，嚴(yán)重的甚至引起火燒連營(yíng)事故造成大面積長(zhǎng)時(shí)間停電。短路保護(hù)性能的好壞很難實(shí)地實(shí)戰(zhàn)演習(xí)驗(yàn)證，容易造成麻痹僥幸思維，平時(shí)很少短路都認(rèn)為安然無(wú)事，一旦短路失保就會(huì)出大事。資料顯示國(guó)內(nèi)電網(wǎng)每年僅火燒連營(yíng)事故就有近百面開關(guān)柜被燒毀。2004年火燒連營(yíng)事故又有上升趨勢(shì)[2]。近年來(lái)世界多個(gè)按理說(shuō)是技術(shù)先進(jìn)的發(fā)達(dá)國(guó)家也都有發(fā)生大面積長(zhǎng)時(shí)間停電和火燒連營(yíng)事故。這就不是偶然的現(xiàn)象了，其原因值得深思和細(xì)究。筆者認(rèn)為這里面隱含更深層的繼電保護(hù)整定與原理誤區(qū)的原因，并非都?xì)w結(jié)為高壓斷路器廠家制造質(zhì)量這么簡(jiǎn)單。
根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司統(tǒng)計(jì)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(tǒng)計(jì)中一般都習(xí)慣將拒分故障的原因歸結(jié)為斷路器，解析變壓器有載開關(guān)測(cè)試儀與微機(jī)差動(dòng)保護(hù)。對(duì)短路保護(hù)來(lái)說(shuō)拒分影響*大，應(yīng)該分開統(tǒng)計(jì)拒分、拒合，是斷路器故障拒分，還是繼電裝置主保護(hù)拒動(dòng)或后備保護(hù)都拒動(dòng)造成的拒分。后備保護(hù)還有低電壓閉鎖拒動(dòng)、差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)、距離保護(hù)拒動(dòng)，有無(wú)火燒連營(yíng)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(wǎng)保護(hù)中，高壓斷路器與繼電保護(hù)裝置是分開制造選配安裝的，*后由電力部門來(lái)組合整定，形成一個(gè)完整的保護(hù)系統(tǒng)。這兩個(gè)部分都有可能造成拒分故障。從現(xiàn)在的統(tǒng)計(jì)中看不出繼保裝置拒動(dòng)造成的拒分故障和火燒連營(yíng)故障的比例，也就找不出高壓電網(wǎng)火燒連營(yíng)事故上升的真正元兇。或許另有內(nèi)部統(tǒng)計(jì),通過(guò)仔細(xì)分析都應(yīng)該能得出問(wèn)題所在。
執(zhí)行開斷任務(wù)的斷路器拒分和拒合是開關(guān)制造廠的問(wèn)題，可由繼保信號(hào)繼電器有無(wú)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)來(lái)判斷。有動(dòng)作信號(hào)發(fā)出，就是斷路器拒分；沒有動(dòng)作信號(hào)發(fā)出，就是繼保裝置整定失保拒動(dòng)，造成斷路器無(wú)法執(zhí)行分?jǐn)嗟木芊帧６呤怯斜举|(zhì)區(qū)別的，不能混為一談。繼保裝置拒動(dòng)有主保護(hù)拒動(dòng)和后備保護(hù)拒動(dòng)，是繼保裝置和電站整定的問(wèn)題，與斷路器制造廠無(wú)關(guān)。主/后備保護(hù)拒動(dòng)和保護(hù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)往往帶來(lái)火燒連營(yíng)事故。而由斷路器拒分造成火燒連營(yíng)事故的機(jī)率很小，因?yàn)閿嗦菲鞯拈_斷時(shí)間＜0.1s，一般為0.06s，上下級(jí)斷路器同時(shí)都出現(xiàn)故障拒分的可能性不大。第三級(jí)斷路器遠(yuǎn)后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)該為0.5~0.7s時(shí)才不至于火燒連營(yíng)。所以出現(xiàn)火燒連營(yíng)事故，一般都是繼保裝置拒動(dòng)和保護(hù)動(dòng)作時(shí)間太長(zhǎng)引起的，應(yīng)該都是電站的裝置整定問(wèn)題和責(zé)任。這一點(diǎn)或許連統(tǒng)計(jì)拒分故障的電站和部門都不會(huì)想到，問(wèn)題竟然會(huì)出在自己的繼保系統(tǒng)。
斷路器的開斷性能應(yīng)該由廠家的型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)來(lái)保證，并出具試驗(yàn)報(bào)告；繼電保護(hù)裝置及整定的各種主/后備保護(hù)時(shí)間電流安秒動(dòng)作特性，應(yīng)當(dāng)在安裝整定調(diào)試時(shí)進(jìn)行二次回路通電驗(yàn)證，出具驗(yàn)證數(shù)據(jù)報(bào)告。嚴(yán)格具體地講必須保證主保護(hù)能在末端為*小單相短路電流時(shí)0.1s內(nèi)動(dòng)作,后備保護(hù)應(yīng)在同樣電流時(shí)0.3~0.5s內(nèi)動(dòng)作。國(guó)際電工IEC62271-200:2003內(nèi)部故障電弧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)推薦的開關(guān)設(shè)備燃弧時(shí)間優(yōu)選值為1s/0.1s[4]，即遠(yuǎn)后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間都不能超過(guò)1s，*好控制在0.7s以內(nèi)。否則極易造成燒毀開關(guān)設(shè)備和火燒連營(yíng)事故！事實(shí)上，我國(guó)和世界上包括一些發(fā)達(dá)國(guó)家的許多電站目前都達(dá)不到這個(gè)要求。解析變壓器有載開關(guān)測(cè)試儀與微機(jī)差動(dòng)保護(hù)，這就是繼電保護(hù)整定原理之誤區(qū)帶來(lái)的結(jié)果[5]。
國(guó)外資料顯示開關(guān)設(shè)備的燃弧時(shí)間從0.1s每提高0.1s，開關(guān)柜的成本要增加10%。提高到1s時(shí)，將增加開關(guān)柜的成本100%。如果電網(wǎng)短路保護(hù)時(shí)間按現(xiàn)在的4s來(lái)要求，開關(guān)柜的成本將無(wú)法承受，用戶也接受不了。如果保護(hù)時(shí)間再延長(zhǎng)，那造價(jià)將是個(gè)天文數(shù)字！是不可能實(shí)現(xiàn)的。所以繼電保護(hù)原理中用長(zhǎng)延時(shí)來(lái)作短路主保護(hù)，那根本就是一個(gè)主觀的誤導(dǎo)和天真的臆想！短路保護(hù)的原則應(yīng)當(dāng)盡量減少動(dòng)作時(shí)間，故障電弧的燒損就小，供電的恢復(fù)時(shí)間也就短，利國(guó)利民利業(yè)。過(guò)去的短路保護(hù)原理缺乏與實(shí)際制造相結(jié)合的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)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(shí)事**地找到了一個(gè)解決途徑：整定簡(jiǎn)單實(shí)用的三段式保護(hù)，避免了低壓系統(tǒng)火燒連營(yíng)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(guò)于拘泥信賴?yán)^電保護(hù)整定原理的誤區(qū)，其保護(hù)方式繁瑣復(fù)雜又不實(shí)用，整定值寬泛不精，才造成了火燒連營(yíng)事故居高不下。發(fā)達(dá)國(guó)家目前也沒有走出這個(gè)怪圈，這從國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)IEC60255-3、解析變壓器有載開關(guān)測(cè)試儀與微機(jī)差動(dòng)保護(hù)，就能說(shuō)明這一點(diǎn)。這樣的微機(jī)保護(hù)只能叫作“危機(jī)”保護(hù)。不要以為有了微機(jī)保護(hù)就萬(wàn)事大吉、高枕無(wú)憂了，微機(jī)控制又不是萬(wàn)能的神仙，它的原理也是由人來(lái)設(shè)計(jì)的，也還是要由人去整定的好，才能起到應(yīng)有的保護(hù)作用。客觀現(xiàn)實(shí)是冷酷的火燒連營(yíng)事故和造成大面積長(zhǎng)時(shí)間停電，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真堅(jiān)決地去杜絕它。是什么問(wèn)題就解決什么問(wèn)題，觀念的轉(zhuǎn)變才是*根本的轉(zhuǎn)變。對(duì)洋技術(shù)應(yīng)當(dāng)分析消化和揚(yáng)棄。
2 高壓斷路器拒分故障的隱含因素
繼電保護(hù)裝置與整定達(dá)不到在末端*小單相短路電流時(shí)，主保護(hù)＜0.1s/后備保護(hù)0.3~0.5s/遠(yuǎn)后備保護(hù)0.5~0.7s動(dòng)作特性要求的原因是：繼電保護(hù)整定原理一直采用長(zhǎng)延時(shí)作短路主保護(hù)和后備保護(hù)致使時(shí)間太長(zhǎng)；并按*大短路電流來(lái)整定瞬時(shí)保護(hù)與短延時(shí)保護(hù)，造成保護(hù)死區(qū)等于沒有瞬時(shí)/短延時(shí)保護(hù)和后備保護(hù)。這就從時(shí)間和電流兩個(gè)參數(shù)上都喪失了短路保護(hù)的作用[5]。令人遺憾的是，目前與此有關(guān)的大學(xué)仍然還在教授這些內(nèi)容，誤人子弟。國(guó)內(nèi)外的微機(jī)保護(hù)裝置也都不具備這種明確的保護(hù)功能。短路時(shí)造成火燒連營(yíng)事故和大面積長(zhǎng)時(shí)間停電也就不奇怪了。
例如[6]:2008.3.21日,北京電網(wǎng)220kV草橋變電站停電事故，導(dǎo)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(yùn)行。涉及16座開閉站和2個(gè)重要用戶，大面積停電，損失負(fù)荷78MW。事故由并聯(lián)運(yùn)行的右電源側(cè)斷路器接地閃絡(luò)引起，由上級(jí)A站和N站都是全微機(jī)系統(tǒng)保護(hù)的距離保護(hù)和零序保護(hù)來(lái)切除故障，動(dòng)作時(shí)間為0.546s＋重合閘后加速保護(hù)0.061s，重合閘間隔1.117s。即開關(guān)燒損時(shí)間為0.607s，致使開關(guān)燒損嚴(yán)重只能更換。為什么距離保護(hù)和零序保護(hù)**動(dòng)作的時(shí)間是0.546s(比短延時(shí)后備保護(hù)的0.3s還長(zhǎng))？后加速保護(hù)時(shí)也才達(dá)到0.061s？主保護(hù)的時(shí)間這么長(zhǎng)，后加速還有何意義？這是否“2套保護(hù)均正確動(dòng)作”？按理兩次動(dòng)作的時(shí)間都應(yīng)該是瞬時(shí)0.06s才對(duì)，開關(guān)燒損時(shí)間應(yīng)該是0.12s，對(duì)比一下0.607s，可減少4/5的燒損！或許稍加修復(fù)還能使用，不必更換。這對(duì)用戶自己減小損失恢復(fù)供電也是有益的。雖然事故原因歸結(jié)給廠家制造安裝不當(dāng)，但燒損的程度應(yīng)該與電站保護(hù)系統(tǒng)整定原理有關(guān)。試想有哪一個(gè)廠家的開關(guān)設(shè)計(jì)能耐受0.607s的內(nèi)部故障電弧不被燒毀？是否現(xiàn)代微機(jī)保護(hù)的整定原理就一定沒有問(wèn)題？值得大家深思細(xì)琢。
繼電保護(hù)整定原理對(duì)長(zhǎng)延時(shí)/短延時(shí)/瞬時(shí)保護(hù)的功能作用即誰(shuí)管短路保護(hù)和過(guò)載保護(hù)，誰(shuí)應(yīng)該是主保護(hù)和后備保護(hù)都分界不清，對(duì)保護(hù)靈敏度的取值依據(jù)也不明確，對(duì)如何解決同線路首尾斷路器的保護(hù)選擇性問(wèn)題更是手足無(wú)策，這些都導(dǎo)致了保護(hù)整定原理的扭曲。
長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)的時(shí)間很長(zhǎng)，一般都＞1s，根本不適合短路保護(hù)，只能用于過(guò)載保護(hù)，以避開電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。電流整定為1倍額定電流In，動(dòng)作倍數(shù)在1.2~6倍。它有后備保護(hù)的功能，但對(duì)短路保護(hù)的速斷已失去作用。
短延時(shí)保護(hù)延時(shí)0.2/0.4/0.6s的作用就是能上下級(jí)配合即保證選擇性，只能是用于短路后備保護(hù)，不能作主保護(hù)。它應(yīng)該按額定電流來(lái)整定，不能按短路電流整定會(huì)造成保護(hù)死區(qū)。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(jí)電流整定值應(yīng)錯(cuò)開至少1.1倍才能有選擇性，加上短延時(shí)來(lái)配合后備選擇性。
瞬時(shí)保護(hù)的速斷時(shí)間＜0.1s就決定了它才應(yīng)該是短路的主保護(hù)，它也應(yīng)按額定電流來(lái)整定以消除保護(hù)死區(qū)。線路一般按5倍In整定即可，以避開尖峰涌流。上下級(jí)電流整定值應(yīng)錯(cuò)開至少1.25倍，才能保證上下級(jí)和同線路首尾斷路器有選擇性。
保護(hù)的選擇性與繼電器返回系數(shù)(一般0.85)和繼保裝置元件的精度誤差(一般≯5%)有關(guān)。綜合取至少錯(cuò)開1.25倍，才能使下級(jí)保護(hù)動(dòng)作后，上級(jí)保護(hù)能返回。
保護(hù)靈敏度Sp的取值與繼保裝置精度誤差有關(guān)，應(yīng)當(dāng)在末端*小單相短路電流時(shí)，遠(yuǎn)后備保護(hù)能達(dá)到1.1，即總的精度誤差＜10%，就能保證可靠動(dòng)作。主保護(hù)的靈敏度自然越大越好。目前保護(hù)原理按*大短路電流來(lái)整定是達(dá)不到＞1.1的，都是＜1，即有死區(qū)和拒分。
解析變壓器有載開關(guān)測(cè)試儀與微機(jī)差動(dòng)保護(hù)，其它的保護(hù)如差動(dòng)保護(hù)和低電壓閉鎖保護(hù)，都是由于保護(hù)原理的誤區(qū)導(dǎo)致瞬時(shí)保護(hù)有死區(qū)失效后增加的保護(hù)，實(shí)屬多余。如果瞬時(shí)保護(hù)沒有死區(qū)，它們也就失去了意義。這從整定值可以看出：差動(dòng)保護(hù)整定在內(nèi)部短路0.4~4.5倍In范圍，相當(dāng)于外部加1倍In為1.4~5.5倍In時(shí)動(dòng)作。我們可以直接用瞬時(shí)速斷保護(hù)，整定5倍In動(dòng)作不是更簡(jiǎn)單么。差動(dòng)保護(hù)的整定值低于額定電流和尖峰涌流以內(nèi)時(shí)，其鑒別裝置很復(fù)雜帶來(lái)誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)也隨之而來(lái)，時(shí)有報(bào)道差動(dòng)保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)。過(guò)去瞬時(shí)保護(hù)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(hù)死區(qū)很大甚至延伸到變壓器內(nèi)部，才發(fā)明了差動(dòng)保護(hù),覺得差動(dòng)保護(hù)有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)保護(hù)原理被糾正后，瞬時(shí)保護(hù)按避開尖峰涌流整定也在5倍In范圍，沒有保護(hù)死區(qū)了，差動(dòng)保護(hù)當(dāng)然就失去了優(yōu)越性和存在的價(jià)值。
只要電流大于正常允許值，瞬時(shí)保護(hù)就動(dòng)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(hù)的本意所在。設(shè)備線路是按額定電流設(shè)計(jì)的，短路電流非常大會(huì)燒毀設(shè)備線路，只能用保護(hù)來(lái)切除。如果短路電流或內(nèi)部短路電流比額定電流還小，那就不需要保護(hù)動(dòng)作。如果在尖峰涌流以內(nèi)(一般≯4倍In)，可以用短延時(shí)保護(hù)，整定值應(yīng)有所區(qū)別，如：瞬時(shí)5倍/短延時(shí)3~4倍/或**套短延時(shí)1.5~3倍In(0.5~0.7s)。能用*簡(jiǎn)單的瞬時(shí)保護(hù)解決短路問(wèn)題不是很好么，沒有必要去舍簡(jiǎn)求繁地沿用本來(lái)就屬于附加多余的差動(dòng)保護(hù)，甚至將原本用于變壓器內(nèi)部短路的差動(dòng)保護(hù)去作母線保護(hù)。母線的阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于變壓器阻抗，如此小的阻抗范圍，整定值如何來(lái)依據(jù)確定才是合理的？它相當(dāng)于用*繁瑣復(fù)雜的差動(dòng)保護(hù)去保護(hù)一個(gè)點(diǎn)，有沒有必要和實(shí)用價(jià)值？而且差動(dòng)保護(hù)的范圍**一段。
3 繼電保護(hù)整定原理的更新要點(diǎn)
1)、推翻了百年來(lái)用長(zhǎng)延時(shí)作短路保護(hù)和按*大短路電流來(lái)整定瞬時(shí)保護(hù)的原理誤區(qū)。應(yīng)以瞬時(shí)和短延時(shí)為短路的主/后備保護(hù)，依據(jù)額定電流來(lái)整定保護(hù)消除死區(qū)。可以避免火燒連營(yíng)事故，簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
2)、提出了依據(jù)額定電流來(lái)整定短路保護(hù)以后，低電壓閉鎖保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)都成為多余，線路距離保護(hù)的范圍會(huì)增加幾倍甚至全程。
3)、指出依據(jù)額定電流整定的另一優(yōu)點(diǎn)：受系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的影響小，尤其在*小運(yùn)行方式時(shí)，保護(hù)的可靠性高。
4)、指明根據(jù)一般上下級(jí)額定電流的級(jí)差范圍來(lái)分析，短延時(shí)后備保護(hù)只能是每?jī)杉?jí)配合。整定值要由下級(jí)的整定電流折算成上級(jí)In的倍數(shù)，一般為3~4倍。建議設(shè)**套短延時(shí)保護(hù)，整定值1.5~3倍/0.5~0.7s作第三級(jí)的遠(yuǎn)后備保護(hù)。
5)、提出保護(hù)靈敏度Sp由原來(lái)按短路電流整定的1.25~2(還保護(hù)不到末端)，可以降低到遠(yuǎn)后備保護(hù)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(hù)精度等級(jí)，應(yīng)該≯5P。
6)、提出短路沖擊電流有效值Ish對(duì)保護(hù)靈敏度的可靠性有利，并計(jì)算出在速斷動(dòng)作時(shí)間0.08s內(nèi)的平均值為1.22Ik。
7)、指出返回系數(shù)Kre在整定計(jì)算公式中有混淆，上級(jí)后備保護(hù)時(shí)要考慮，末端保護(hù)整定時(shí)不用。可提高后備保護(hù)的靈敏度。
8)、填補(bǔ)推導(dǎo)得出常用的低壓TN-S系統(tǒng)*小單相短路電流的計(jì)算值為：IK⑴min≈0.7IK⑶min。
9)、填補(bǔ)保護(hù)選擇性的電流要求為：上下級(jí)和同線路首尾斷路器的整定值應(yīng)錯(cuò)開至少1.25倍。短延時(shí)保護(hù)可為1.1倍，可擴(kuò)大保護(hù)到下級(jí)的范圍。
10)、填補(bǔ)短路沖擊電流有效值Ish達(dá)到*大值1.5Ik的時(shí)間0.01s影響到選擇性的返回時(shí)間。并以此推導(dǎo)計(jì)算出上級(jí)的返回時(shí)間間隔Δt，作為判斷依據(jù)。返回時(shí)間不充足，應(yīng)配合重合閘功能。
以上淺見為引玉之磚，愿望我國(guó)高壓電網(wǎng)短路瞬時(shí)主保護(hù)能走在世界的前端。