摘要：本文結(jié)合高壓斷路器拒分故障統(tǒng)計及造成電網(wǎng)火燒連營事故和大面積長時間停電，解析了拒分故障中隱含有繼電保護(hù)整定與原理誤區(qū)的原因。針對保護(hù)方式/保護(hù)整定的時間/電流/選擇性/靈敏度等因素，定量分析了其誤癥細(xì)節(jié)，理出并歸納了繼電保護(hù)整定原理的更新要點。簡單經(jīng)濟(jì)實用。
關(guān)鍵詞：高壓斷路器，拒分拒合故障，繼電保護(hù)整定，電站火燒連營事故，差動保護(hù)。
1 高壓斷路器拒分故障與原因分解
高壓斷路器的拒分故障影響電網(wǎng)的控制和保護(hù)，特別是對電網(wǎng)短路保護(hù)的失效給電網(wǎng)帶來的損失是很大的，嚴(yán)重的甚至引起火燒連營事故造成大面積長時間停電。短路保護(hù)性能的好壞很難實地實戰(zhàn)演習(xí)驗證，容易造成麻痹僥幸思維，平時很少短路都認(rèn)為安然無事，一旦短路失保就會出大事。資料顯示全國電網(wǎng)每年僅火燒連營事故就有近百面開關(guān)柜被燒毀。2004年火燒連營事故又有上升趨勢[2]。近年來世界多個按理說是技術(shù)先進(jìn)的發(fā)達(dá)國家也都有發(fā)生大面積長時間停電和火燒連營事故。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)量這么簡單。
根據(jù)國家電網(wǎng)公司統(tǒng)計1998~2002年6~500kV高壓斷路器拒分故障占總故障的14.5%，排各類故障的第二位[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)計中一般都習(xí)慣將拒分故障的原因歸結(jié)為斷路器，有時還以拒動故障來歸類包括拒分與拒合故障。對短路保護(hù)來說拒分影響最大，應(yīng)該分開統(tǒng)計拒分、拒合，是斷路器故障拒分，還是繼電裝置主保護(hù)拒動或后備保護(hù)都拒動造成的拒分。后備保護(hù)還有低電壓閉鎖拒動、差動保護(hù)拒動、距離保護(hù)拒動，有無火燒連營事故，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，最后由電力部門來組合整定，形成一個完整的保護(hù)系統(tǒng)。這兩個部分都有可能造成拒分故障。從現(xiàn)在的統(tǒng)計中看不出繼保裝置拒動造成的拒分故障和火燒連營故障的比例，也就找不出高壓電網(wǎng)火燒連營事故上升的真正元兇。或許另有內(nèi)部統(tǒng)計,通過仔細(xì)分析都應(yīng)該能得出問題所在。
執(zhí)行開斷任務(wù)的斷路器拒分和拒合是開關(guān)制造廠的問題，可由繼保信號繼電器有無發(fā)出動作信號來判斷。有動作信號發(fā)出，就是斷路器拒分；沒有動作信號發(fā)出，就是繼保裝置整定失保拒動，造成斷路器無法執(zhí)行分?jǐn)嗟木芊帧６呤怯斜举|(zhì)區(qū)別的，不能混為一談。繼保裝置拒動有主保護(hù)拒動和后備保護(hù)拒動，是繼保裝置和電站整定的問題，與斷路器制造廠無關(guān)。主/后備保護(hù)拒動和保護(hù)時間過長往往帶來火燒連營事故。而由斷路器拒分造成火燒連營事故的機(jī)率很小，因為斷路器的開斷時間＜0.1s，一般為0.06s，上下級斷路器同時都出現(xiàn)故障拒分的可能性不大。第三級斷路器遠(yuǎn)后備保護(hù)的動作時間應(yīng)該為0.5~0.7s時才不至于火燒連營。所以出現(xiàn)火燒連營事故，一般都是繼保裝置拒動和保護(hù)動作時間太長引起的，應(yīng)該都是電站的裝置整定問題和責(zé)任。這一點或許連統(tǒng)計拒分故障的電站和部門都不會想到，問題竟然會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和出廠試驗來保證，并出具試驗報告；繼電保護(hù)裝置及整定的各種主/后備保護(hù)時間電流安秒動作特性，應(yīng)當(dāng)在安裝整定調(diào)試時進(jìn)行二次回路通電驗證，出具驗證數(shù)據(jù)報告。嚴(yán)格具體地講必須保證主保護(hù)能在末端為最小單相短路電流時0.1s內(nèi)動作,后備保護(hù)應(yīng)在同樣電流時0.3~0.5s內(nèi)動作。國際電工IEC62271-200:2003內(nèi)部故障電弧試驗標(biāo)準(zhǔn)推薦的開關(guān)設(shè)備燃弧時間優(yōu)選值為1s/0.1s[4]，即遠(yuǎn)后備保護(hù)的動作時間都不能超過1s，最好控制在0.7s以內(nèi)。否則極易造成燒毀開關(guān)設(shè)備和火燒連營事故！事實上，我國和世界上包括一些發(fā)達(dá)國家的許多電站目前都達(dá)不到這個要求。這就是繼電保護(hù)整定原理之誤區(qū)帶來的結(jié)果[5]。
國外資料顯示開關(guān)設(shè)備的燃弧時間從0.1s每提高0.1s，開關(guān)柜的成本要增加10%。提高到1s時，將增加開關(guān)柜的成本100%。如果電網(wǎng)短路保護(hù)時間按現(xiàn)在的4s來要求，開關(guān)柜的成本將無法承受，用戶也接受不了。如果保護(hù)時間再延長，那造價將是個天文數(shù)字！是不可能實現(xiàn)的。所以繼電保護(hù)原理中用長延時來作短路主保護(hù)，那根本就是一個主觀的誤導(dǎo)和天真的臆想！短路保護(hù)的原則應(yīng)當(dāng)盡量減少動作時間，故障電弧的燒損就小，供電的恢復(fù)時間也就短，利國利民利業(yè)。過去的短路保護(hù)原理缺乏與實際制造相結(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，才由制造廠實事求是地找到了一個解決途徑：整定簡單實用的三段式保護(hù)，避免了低壓系統(tǒng)火燒連營事故。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)雜又不實用，整定值寬泛不精，才造成了火燒連營事故居高不下。發(fā)達(dá)國家目前也沒有走出這個怪圈，這從國際電工標(biāo)準(zhǔn)IEC60255-3、英國標(biāo)準(zhǔn)BS142和美國標(biāo)準(zhǔn)ANSIC37.112以及中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14598.7-3的長延時轉(zhuǎn)盤仿真特性還在應(yīng)用于微機(jī)控制的短路保護(hù)，就能說明這一點。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)就萬事大吉、高枕無憂了，微機(jī)控制又不是萬能的神仙，它的原理也是由人來設(shè)計的，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)實是冷酷的火燒連營事故和造成大面積長時間停電，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真堅決地去杜絕它。是什么問題就解決什么問題，觀念的轉(zhuǎn)變才是最根本的轉(zhuǎn)變。對洋技術(shù)應(yīng)當(dāng)分析消化和揚棄。
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)不到在末端最小單相短路電流時，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動作特性要求的原因是：繼電保護(hù)整定原理一直采用長延時作短路主保護(hù)和后備保護(hù)致使時間太長；并按最大短路電流來整定瞬時保護(hù)與短延時保護(hù)，造成保護(hù)死區(qū)等于沒有瞬時/短延時保護(hù)和后備保護(hù)。這就從時間和電流兩個參數(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。短路時造成火燒連營事故和大面積長時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變電站切換電源運行。涉及16座開閉站和2個重要用戶，大面積停電，損失負(fù)荷78MW。事故由并聯(lián)運行的右電源側(cè)斷路器接地閃絡(luò)引起，由上級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)來切除故障，動作時間為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)首次動作的時間是0.546s(比短延時后備保護(hù)的0.3s還長)？后加速保護(hù)時也才達(dá)到0.061s？主保護(hù)的時間這么長，后加速還有何意義？這是否“2套保護(hù)均正確動作”？按理兩次動作的時間都應(yīng)該是瞬時0.06s才對，開關(guān)燒損時間應(yīng)該是0.12s，對比一下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)。試想有哪一個廠家的開關(guān)設(shè)計能耐受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題？值得大家深思細(xì)琢。
繼電保護(hù)整定原理對長延時/短延時/瞬時保護(hù)的功能作用即誰管短路保護(hù)和過載保護(hù)，誰應(yīng)該是主保護(hù)和后備保護(hù)都分界不清，對保護(hù)靈敏度的取值依據(jù)也不明確，對如何解決同線路首尾斷路器的保護(hù)選擇性問題更是手足無策，這些都導(dǎo)致了保護(hù)整定原理的扭曲。
長延時保護(hù)的時間很長，一般都＞1s，根本不適合短路保護(hù)，只能用于過載保護(hù)，以避開電機(jī)的啟動時間。電流整定為1倍額定電流In，動作倍數(shù)在1.2~6倍。它有后備保護(hù)的功能，但對短路保護(hù)的速斷已失去作用。
短延時保護(hù)延時0.2/0.4/0.6s的作用就是能上下級配合即保證選擇性，只能是用于短路后備保護(hù)，不能作主保護(hù)。它應(yīng)該按額定電流來整定，不能按短路電流整定會造成保護(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)。上下級電流整定值應(yīng)錯開至少1.1倍才能有選擇性，加上短延時來配合后備選擇性。
瞬時保護(hù)的速斷時間＜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。上下級電流整定值應(yīng)錯開至少1.25倍，才能保證上下級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)。綜合取至少錯開1.25倍，才能使下級保護(hù)動作后，上級保護(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)在末端最小單相短路電流時，遠(yuǎn)后備保護(hù)能達(dá)到1.1，即總的精度誤差＜10%，就能保證可靠動作。主保護(hù)的靈敏度自然越大越好。目前保護(hù)原理按最大短路電流來整定是達(dá)不到＞1.1的，都是＜1，即有死區(qū)和拒分。
其它的保護(hù)如差動保護(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)致瞬時保護(hù)有死區(qū)失效后增加的保護(hù)，實屬多余。如果瞬時保護(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時動作。我們可以直接用瞬時速斷保護(hù)，整定5倍In動作不是更簡單么。差動保護(hù)的整定值低于額定電流和尖峰涌流以內(nèi)時，其鑒別裝置很復(fù)雜帶來誤動的風(fēng)險也隨之而來，時有報道差動保護(hù)發(fā)生誤動。過去瞬時保護(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)明了差動保護(hù),覺得差動保護(hù)有優(yōu)勢。當(dāng)保護(hù)原理被糾正后，瞬時保護(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，差動保護(hù)當(dāng)然就失去了優(yōu)越性和存在的價值。
只要電流大于正常允許值，瞬時保護(hù)就動作，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)計的，短路電流非常大會燒毀設(shè)備線路，只能用保護(hù)來切除。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)動作。如果在尖峰涌流以內(nèi)(一般≯4倍In)，可以用短延時保護(hù)，整定值應(yīng)有所區(qū)別，如：瞬時5倍/短延時3~4倍/或第二套短延時1.5~3倍In(0.5~0.7s)。能用最簡單的瞬時保護(hù)解決短路問題不是很好么，沒有必要去舍簡求繁地沿用本來就屬于附加多余的差動保護(hù)，甚至將原本用于變壓器內(nèi)部短路的差動保護(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，整定值如何來依據(jù)確定才是合理的？它相當(dāng)于用最繁瑣復(fù)雜的差動保護(hù)去保護(hù)一個點，有沒有必要和實用價值？而且差動保護(hù)的范圍僅限一段。
3 繼電保護(hù)整定原理的更新要點
1)、推翻了百年來用長延時作短路保護(hù)和按最大短路電流來整定瞬時保護(hù)的原理誤區(qū)。應(yīng)以瞬時和短延時為短路的主/后備保護(hù)，依據(jù)額定電流來整定保護(hù)消除死區(qū)。可以避免火燒連營事故，簡單經(jīng)濟(jì)實用。
2)、提出了依據(jù)額定電流來整定短路保護(hù)以后，低電壓閉鎖保護(hù)和差動保護(hù)都成為多余，線路距離保護(hù)的范圍會增加幾倍甚至全程。
3)、指出依據(jù)額定電流整定的另一優(yōu)點：受系統(tǒng)運行方式變化的影響小，尤其在最小運行方式時，保護(hù)的可靠性高。
4)、指明根據(jù)一般上下級額定電流的級差范圍來分析，短延時后備保護(hù)只能是每兩級配合。整定值要由下級的整定電流折算成上級In的倍數(shù)，一般為3~4倍。建議設(shè)第二套短延時保護(hù)，整定值1.5~3倍/0.5~0.7s作第三級的遠(yuǎn)后備保護(hù)。
5)、提出保護(hù)靈敏度Sp由原來按短路電流整定的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，應(yīng)該≯5P。
6)、提出短路沖擊電流有效值Ish對保護(hù)靈敏度的可靠性有利，并計算出在速斷動作時間0.08s內(nèi)的平均值為1.22Ik。
7)、指出返回系數(shù)Kre在整定計算公式中有混淆，上級后備保護(hù)時要考慮，末端保護(hù)整定時不用。可提高后備保護(hù)的靈敏度。
8)、填補推導(dǎo)得出常用的低壓TN-S系統(tǒng)最小單相短路電流的計算值為：IK⑴min≈0.7IK⑶min。
9)、填補保護(hù)選擇性的電流要求為：上下級和同線路首尾斷路器的整定值應(yīng)錯開至少1.25倍。短延時保護(hù)可為1.1倍，可擴(kuò)大保護(hù)到下級的范圍。
10)、填補短路沖擊電流有效值Ish達(dá)到最大值1.5Ik的時間0.01s影響到選擇性的返回時間。并以此推導(dǎo)計算出上級的返回時間間隔Δt，作為判斷依據(jù)。返回時間不充足，應(yīng)配合重合閘功能。[5]
以上淺見為引玉之磚，愿望我國高壓電網(wǎng)短路瞬時主保護(hù)能走在世界的前端。
參考文獻(xiàn)：
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