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摘要:高压断路器拒分故障易造成电网火烧连营事故和大面积长时间停电,本文解析了拒分故障中隐含有继电保护整定与原理误区的原因。针对保护方式/保护整定的时间/电流/选择性/灵敏度等因素,定量分析了其误症细节,理出并归纳了继电保护整定原理的更新要点。
关键词:高压断路器;拒分拒合故障;继电保护整定;电站火烧连营事故;差动保护
1、高压断路器拒分故障与原因分解
高压断路器的拒分故障影响电网的控制和保护,特别是对电网短路保护的失效给电网带来的損失是很大的,严重的甚至引起火烧连营事故造成大面积长时间停电。短路保护性能的好坏很难实地实战演习验证,容易造成麻痹侥幸思维,平时很少短路都认为安然无事,一旦短路失保就会出大事。资料显示全国电网每年仅火烧连营事故就有近百面开关柜被烧毁。2004年火烧连营事故又有上升趋势[2]。近年来世界多个按理说是技术先进的发达国家也都有发生大面积长时间停电和火烧连营事故。这就不是偶然的现象了,其原因值得深思和细究。笔者认为这里面隐含更深层的继电保护整定与原理误区的原因,并非都归结为高压断路器厂家制造质量这么简单。
电力部门在事故统计中一般都习惯将拒分故障的原因归结为断路器,有时还以拒动故障来归类包括拒分与拒合故障。对短路保护来说拒分影响最大,应该分开统计拒分、拒合,是断路器故障拒分,还是继电装置主保护拒动或后备保护都拒动造成的拒分。后备保护还有低电压闭锁拒动、差动保护拒动、距离保护拒动,有无火烧连营事故,等等。各占比例是多少,才便于分析真正原因。在高压电网保护中,高压断路器与继电保护装置是分开制造选配安装的,最后由电力部门来组合整定,形成一个完整的保护系统。这两个部分都有可能造成拒分故障。从现在的统计中看不出继保装置拒动造成的拒分故障和火烧连营故障的比例,也就找不出高压电网火烧连营事故上升的真正元凶。或许另有内部统计,通过仔细分析都应该能得出问题所在。
执行开断任务的断路器拒分和拒合是开关制造厂的问题,可由继保信号继电器有无发出动作信号来判断。有动作信号发出,就是断路器拒分;没有动作信号发出,就是继保装置整定失保拒动,造成断路器无法执行分断的拒分。二者是有本质区别的,不能混为一谈。继保装置拒动有主保护拒动和后备保护拒动,是继保装置和电站整定的问题,与断路器制造厂无关。主/后备保护拒动和保护时间过长往往带来火烧连营事故。而由断路器拒分造成火烧连营事故的机率很小,因为断路器的开断时间<0.1s,一般为0.06s,上下级断路器同时都出现故障拒分的可能性不大。第三级断路器远后备保护的动作时间应该为0.5~0.7s时才不至于火烧连营。所以出现火烧连营事故,一般都是继保装置拒动和保护动作时间太长引起的,应该都是电站的装置整定问题和责任。
断路器的开断性能应该由厂家的型式试验和出厂试验来保证,并出具试验报告;继电保护装置及整定的各种主/后备保护时间电流安秒动作特性,应当在安装整定调试时进行二次回路通电验证,出具验证数据报告。严格具体地讲必须保证主保护能在末端为最小单相短路电流时0.1s内动作,后备保护应在同样电流时0.3~0.5s内动作。
低压断路器由于是和继保装置整体制造整定,才由制造厂实事求是地找到了一个解决途径:整定简单实用的三段式保护,避免了低压系统火烧连营事故。而高压断路器与继保装置是分开制造,致使电力部门过于拘泥信赖继电保护整定原理的误区,其保护方式繁琐复杂又不实用,整定值宽泛不精,才造成了火烧连营事故居高不下。
2、高压断路器拒分故障的隐含因素
继电保护装置与整定达不到在末端最小单相短路电流时,主保护<0.1s/后备保护0.3~0.5s/远后备保护0.5~0.7s动作特性要求的原因是:继电保护整定原理一直采用长延时作短路主保护和后备保护致使时间太长;并按最大短路电流来整定瞬时保护与短延时保护,造成保护死区等于没有瞬时/短延时保护和后备保护。这就从时间和电流两个参数上都丧失了短路保护的作用[5]。令人遗憾的是,目前与此有关的大学仍然还在教授这些内容,误人子弟。国内外的微机保护装置也都不具备这种明确的保护功能。短路时造成火烧连营事故和大面积长时间停电也就不奇怪了。
继电保护整定原理对长延时/短延时/瞬时保护的功能作用即谁管短路保护和过载保护,谁应该是主保护和后备保护都分界不清,对保护灵敏度的取值依据也不明确,对如何解决同线路首尾断路器的保护选择性问题更是手足无策,这些都导致了保护整定原理的扭曲。
长延时保护的时间很长,一般都>1s,根本不适合短路保护,只能用于过载保护,以避开电机的启动时间。电流整定为1倍额定电流In,动作倍数在1.2~6倍。它有后备保护的功能,但对短路保护的速断已失去作用。
短延时保护延时0.2/0.4/0.6s的作用就是能上下级配合即保证选择性,只能是用于短路后备保护,不能作主保护。它应该按额定电流来整定,不能按短路电流整定会造成保护死区。线路一般按3~4倍In整定,以避开尖峰涌流(一般为2~3倍In)。上下级电流整定值应错开至少1.1倍才能有选择性,加上短延时来配合后备选择性。
瞬时保护的速断时间<0.1s就决定了它才应该是短路的主保护,它也应按额定电流来整定以消除保护死区。线路一般按5倍In整定即可,以避开尖峰涌流。上下级电流整定值应错开至少1.25倍,才能保证上下级和同线路首尾断路器有选择性。
保护的选择性与继电器返回系数(一般0.85)和继保装置元件的精度误差(一般≯5%)有关。综合取至少错开1.25倍,才能使下级保护动作后,上级保护能返回。
保护灵敏度Sp的取值与继保装置精度误差有关,应当在末端最小单相短路电流时,远后备保护能达到1.1,即总的精度误差<10%,就能保证可靠动作。主保护的灵敏度自然越大越好。目前保护原理按最大短路电流来整定是达不到>1.1的,都是<1,即有死区和拒分。
3、继电保护整定原理的更新要点
1)、推翻了百年来用长延时作短路保护和按最大短路电流来整定瞬时保护的原理误区。应以瞬时和短延时为短路的主/后备保护,依据额定电流来整定保护消除死区。可以避免火烧连营事故,简单经济实用。
2)、提出了依据额定电流来整定短路保护以后,低电压闭锁保护和差动保护都成为多余,线路距离保护的范围会增加几倍甚至全程。
3)、指出依据额定电流整定的另一优点:受系统运行方式变化的影响小,尤其在最小运行方式时,保护的可靠性高。
4)、指明根据一般上下级额定电流的级差范围来分析,短延时后备保护只能是每两级配合。整定值要由下级的整定电流折算成上级In的倍数,一般为3~4倍。建议设第二套短延时保护,整定值1.5~3倍/0.5~0.7s作第三级的远后备保护。
5)、提出保护灵敏度Sp由原来按短路电流整定的1.25~2(还保护不到末端),可以降低到远后备保护为1.1,总的精度误差已为10%。由此也引定出:电流互感器不能使用10P的保护精度等级,应该≯5P。
6)、提出短路冲击电流有效值Ish对保护灵敏度的可靠性有利,并计算出在速断动作时间0.08s内的平均值为1.22Ik。
7)、指出返回系数Kre在整定计算公式中有混淆,上级后备保护时要考虑,末端保护整定时不用。可提高后备保护的灵敏度。
8)、填补推导得出常用的低压TN-S系统最小单相短路电流的计算值为:IK⑴min≈0.7IK⑶min。
9)、填补保护选择性的电流要求为:上下级和同线路首尾断路器的整定值应错开至少1.25倍。短延时保护可为1.1倍,可扩大保护到下级的范围。
10)、填补短路冲击电流有效值Ish达到最大值1.5Ik的时间0.01s影响到选择性的返回时间。并以此推导计算出上级的返回时间间隔Δt,作为判断依据。返回时间不充足,应配合重合闸功能。[5]
关键词:高压断路器;拒分拒合故障;继电保护整定;电站火烧连营事故;差动保护
1、高压断路器拒分故障与原因分解
高压断路器的拒分故障影响电网的控制和保护,特别是对电网短路保护的失效给电网带来的損失是很大的,严重的甚至引起火烧连营事故造成大面积长时间停电。短路保护性能的好坏很难实地实战演习验证,容易造成麻痹侥幸思维,平时很少短路都认为安然无事,一旦短路失保就会出大事。资料显示全国电网每年仅火烧连营事故就有近百面开关柜被烧毁。2004年火烧连营事故又有上升趋势[2]。近年来世界多个按理说是技术先进的发达国家也都有发生大面积长时间停电和火烧连营事故。这就不是偶然的现象了,其原因值得深思和细究。笔者认为这里面隐含更深层的继电保护整定与原理误区的原因,并非都归结为高压断路器厂家制造质量这么简单。
电力部门在事故统计中一般都习惯将拒分故障的原因归结为断路器,有时还以拒动故障来归类包括拒分与拒合故障。对短路保护来说拒分影响最大,应该分开统计拒分、拒合,是断路器故障拒分,还是继电装置主保护拒动或后备保护都拒动造成的拒分。后备保护还有低电压闭锁拒动、差动保护拒动、距离保护拒动,有无火烧连营事故,等等。各占比例是多少,才便于分析真正原因。在高压电网保护中,高压断路器与继电保护装置是分开制造选配安装的,最后由电力部门来组合整定,形成一个完整的保护系统。这两个部分都有可能造成拒分故障。从现在的统计中看不出继保装置拒动造成的拒分故障和火烧连营故障的比例,也就找不出高压电网火烧连营事故上升的真正元凶。或许另有内部统计,通过仔细分析都应该能得出问题所在。
执行开断任务的断路器拒分和拒合是开关制造厂的问题,可由继保信号继电器有无发出动作信号来判断。有动作信号发出,就是断路器拒分;没有动作信号发出,就是继保装置整定失保拒动,造成断路器无法执行分断的拒分。二者是有本质区别的,不能混为一谈。继保装置拒动有主保护拒动和后备保护拒动,是继保装置和电站整定的问题,与断路器制造厂无关。主/后备保护拒动和保护时间过长往往带来火烧连营事故。而由断路器拒分造成火烧连营事故的机率很小,因为断路器的开断时间<0.1s,一般为0.06s,上下级断路器同时都出现故障拒分的可能性不大。第三级断路器远后备保护的动作时间应该为0.5~0.7s时才不至于火烧连营。所以出现火烧连营事故,一般都是继保装置拒动和保护动作时间太长引起的,应该都是电站的装置整定问题和责任。
断路器的开断性能应该由厂家的型式试验和出厂试验来保证,并出具试验报告;继电保护装置及整定的各种主/后备保护时间电流安秒动作特性,应当在安装整定调试时进行二次回路通电验证,出具验证数据报告。严格具体地讲必须保证主保护能在末端为最小单相短路电流时0.1s内动作,后备保护应在同样电流时0.3~0.5s内动作。
低压断路器由于是和继保装置整体制造整定,才由制造厂实事求是地找到了一个解决途径:整定简单实用的三段式保护,避免了低压系统火烧连营事故。而高压断路器与继保装置是分开制造,致使电力部门过于拘泥信赖继电保护整定原理的误区,其保护方式繁琐复杂又不实用,整定值宽泛不精,才造成了火烧连营事故居高不下。
2、高压断路器拒分故障的隐含因素
继电保护装置与整定达不到在末端最小单相短路电流时,主保护<0.1s/后备保护0.3~0.5s/远后备保护0.5~0.7s动作特性要求的原因是:继电保护整定原理一直采用长延时作短路主保护和后备保护致使时间太长;并按最大短路电流来整定瞬时保护与短延时保护,造成保护死区等于没有瞬时/短延时保护和后备保护。这就从时间和电流两个参数上都丧失了短路保护的作用[5]。令人遗憾的是,目前与此有关的大学仍然还在教授这些内容,误人子弟。国内外的微机保护装置也都不具备这种明确的保护功能。短路时造成火烧连营事故和大面积长时间停电也就不奇怪了。
继电保护整定原理对长延时/短延时/瞬时保护的功能作用即谁管短路保护和过载保护,谁应该是主保护和后备保护都分界不清,对保护灵敏度的取值依据也不明确,对如何解决同线路首尾断路器的保护选择性问题更是手足无策,这些都导致了保护整定原理的扭曲。
长延时保护的时间很长,一般都>1s,根本不适合短路保护,只能用于过载保护,以避开电机的启动时间。电流整定为1倍额定电流In,动作倍数在1.2~6倍。它有后备保护的功能,但对短路保护的速断已失去作用。
短延时保护延时0.2/0.4/0.6s的作用就是能上下级配合即保证选择性,只能是用于短路后备保护,不能作主保护。它应该按额定电流来整定,不能按短路电流整定会造成保护死区。线路一般按3~4倍In整定,以避开尖峰涌流(一般为2~3倍In)。上下级电流整定值应错开至少1.1倍才能有选择性,加上短延时来配合后备选择性。
瞬时保护的速断时间<0.1s就决定了它才应该是短路的主保护,它也应按额定电流来整定以消除保护死区。线路一般按5倍In整定即可,以避开尖峰涌流。上下级电流整定值应错开至少1.25倍,才能保证上下级和同线路首尾断路器有选择性。
保护的选择性与继电器返回系数(一般0.85)和继保装置元件的精度误差(一般≯5%)有关。综合取至少错开1.25倍,才能使下级保护动作后,上级保护能返回。
保护灵敏度Sp的取值与继保装置精度误差有关,应当在末端最小单相短路电流时,远后备保护能达到1.1,即总的精度误差<10%,就能保证可靠动作。主保护的灵敏度自然越大越好。目前保护原理按最大短路电流来整定是达不到>1.1的,都是<1,即有死区和拒分。
3、继电保护整定原理的更新要点
1)、推翻了百年来用长延时作短路保护和按最大短路电流来整定瞬时保护的原理误区。应以瞬时和短延时为短路的主/后备保护,依据额定电流来整定保护消除死区。可以避免火烧连营事故,简单经济实用。
2)、提出了依据额定电流来整定短路保护以后,低电压闭锁保护和差动保护都成为多余,线路距离保护的范围会增加几倍甚至全程。
3)、指出依据额定电流整定的另一优点:受系统运行方式变化的影响小,尤其在最小运行方式时,保护的可靠性高。
4)、指明根据一般上下级额定电流的级差范围来分析,短延时后备保护只能是每两级配合。整定值要由下级的整定电流折算成上级In的倍数,一般为3~4倍。建议设第二套短延时保护,整定值1.5~3倍/0.5~0.7s作第三级的远后备保护。
5)、提出保护灵敏度Sp由原来按短路电流整定的1.25~2(还保护不到末端),可以降低到远后备保护为1.1,总的精度误差已为10%。由此也引定出:电流互感器不能使用10P的保护精度等级,应该≯5P。
6)、提出短路冲击电流有效值Ish对保护灵敏度的可靠性有利,并计算出在速断动作时间0.08s内的平均值为1.22Ik。
7)、指出返回系数Kre在整定计算公式中有混淆,上级后备保护时要考虑,末端保护整定时不用。可提高后备保护的灵敏度。
8)、填补推导得出常用的低压TN-S系统最小单相短路电流的计算值为:IK⑴min≈0.7IK⑶min。
9)、填补保护选择性的电流要求为:上下级和同线路首尾断路器的整定值应错开至少1.25倍。短延时保护可为1.1倍,可扩大保护到下级的范围。
10)、填补短路冲击电流有效值Ish达到最大值1.5Ik的时间0.01s影响到选择性的返回时间。并以此推导计算出上级的返回时间间隔Δt,作为判断依据。返回时间不充足,应配合重合闸功能。[5]