曹健　陆剑云　苏和　杨蕙铕

摘要：“先合后拉”是双母线结线热倒排操作的基本规则，但先合的隔离刀闸其合闸情况的检查确认始终缺乏可靠有效的鉴别诊断方法，成为防误操作中的一大隐患。本文通过建立倒排操作时各间隔的等值模型，选取极端情况下的运行方式。计算隔离刀闸正常和不完全合闸情况下母线及母联电流的变化情况，提出一种基于稳态电流分析判别隔离闸刀合闸是否完全可靠的鉴别诊断及误差排除方法，可为解决倒排操作时隔离闸刀合闸是否完全可靠的判别难题提供全新的解决方案，以确保变电站的操作安全和可靠供电，并为真正实现变电站的程序化、自动化、智能化倒闸操作创造条件。

关键词：先合后拉；双母线接线；闭锁技术

中图分类号：TM645 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）01-0122-05

0 引言

双母线接线方式因其兼具可靠性和灵活性的突出特点而在各种电压等级的变电站中被广泛采用。在这种接线方式下，线路或元件根据运行需要可在两条母线之间进行灵活切换。这种切换操作在行业内称之为“倒排”操作。其中在线路或元件不停电的条件下进行的倒排操作称之为“热倒”，反之在停电条件下进行的倒排操作称之为“冷倒”。受供电可靠性要求制約，前者具有更高的概率。

在“热倒”操作中，先“合”后“拉”是基本的操作规则。即先要将切换对象用于连接于目标母线的一把隔离刀闸合上，使两段母线并列。如图1中的G1。然后将切换对象连接原母线的隔离刀闸拉开（断开）。如图一中的G2。由于隔离刀闸是不能切断负荷电流的，因此在拉开G2时必须确保G1合闸完全，接触良好。否则将可能使G2“带负荷拉闸”导致严重事故。然而，高压隔离刀闸机械结构复杂，受制造质量、维护水平、锈蚀卡涩等随机因素影响，隔离刀闸合闸时发生一相或两相主触头接触不良甚至不接触的可能性和概率是客观存在的。因此，在倒排操作中，检查、鉴别、判断隔离刀闸的合闸情况（如图1中的G1），确认其动作完好、接触可靠是极其重要的一环。它是后续操作（如图1中的G2拉闸）的必要条件和重要前提。

目前，由于隔离刀闸没有任何测量装备，倒排操作中检查确认隔离刀闸的合闸情况尚无成熟可靠的技术手段，主要依靠操作人员在现场的目视检查。但受操作人员的观察条件（光照、角度、距离）、自身条件（经验、技能、视力）及设备结构（大多GIS中的隔离刀闸只有A相装有位置指示器，B、C相无指示）等因素的限制而具有很大的不确定性。因而成为电力行业防误操作机制和体系中的短板，也严重制约了变电站的程序化、自动化、智能化和遥控倒闸操作的实现和推广。更为严重的是，他是变电站乃至电网安全运行的一个难以解决的隐患。

针对上述问题，文献[1]提出了基于母线小差计算隔刀电流的方法来判断隔离刀闸的合闸情况。但该方案的实现需要修改母差保护的计算模型。而母差保护是电力系统最重要的装置之一，修改其计算模型高度敏感且具有很高的门槛。其次是其应用会增加运行操作的复杂性（如在倒排过程中需要将保护改信号等），而这种复杂性的提高也意味着操作安全性的降低，整体效果是值得商榷的，推广中也会遭遇到很大的阻力。

文献[7]设计了隔离刀闸接触电阻在线测量装置以判断隔离刀闸的合闸情况。测量范围25～2000μΩ，在测得接触电阻明显偏大时给出预警。但且不论其技术方案是否可靠，经济性是否合理（隔离刀闸面广量大），就如此大量装置本身的运行维护无疑会大幅增加运行单位的负担。推广的难度是可以想见的。

在影响电网安全运行的各种因素中，人的因素是最不确定和最难控制的因素。因此，变电站倒排操作中检查确认隔离刀闸的合闸情况依靠操作人员在现场的目视检查的现状长期而言是难以接受的。其不仅与电网运行实现自动化、智能化的发展目标相悖，更因其呈现的不确定性使变电站乃至电网的安全运行水平提升受到严重制约。

本文通过建立双母线系统最简化等效模型，通过在线计算倒排过程中母联断路器电流和母线传输电流的变化与相互关系，来判别隔离闸刀合闸是否完全可靠的一种鉴别诊断方法，其结果作为后续隔离闸刀操作是否允许的条件判断。用于变电站实施倒排操作时防止发生带负荷拉闸引发的严重事故。可为解决上述倒排操作时隔离闸刀合闸是否完全可靠的判别难题提供全新的解决方案，以确保变电站的操作安全和可靠供电。

1 母线热倒时合环刀闸不完全合闸的分析

1.1 等效电路

典型的双母线接线如图2所示。

图中L11、L12至L1N连接于I母，L21、L22至L2N连接于II母.

设L2N需从II母热倒至I母。按操作顺序应先合G1，再拉G2。为防止G2不完全合闸（一相或两相）导致G2带负荷拉闸。需对G1的合闸情况进行判定。

为便于分析分析G1的合闸前的情况，可将图2所示接线简化为图3所示等效电路：

此时满足：

I母线：∑II-IML=0

II母线：∑III+IML=0

I、II母线：∑II+∑III=0

母联断路器：IML=∑II=-∑III

假设，需将线路L2N从II母线倒向I母线运行，按操作顺序先合上G1隔离刀闸。此时，相当于在倒排间隔与I母间增加了一个RG1支路。如图4所示。

1.2 计算分析建模

将图中除倒排间隔外的其它间隔用等效的负载电阻RM1和RM2替代，便形成图5所示等效电路。

将上述等效电路经适当变换后可以形成图6所示类似电桥电路的计算分析模型。由于母线上各支路的电流由各自的电源电压和负载特性所决定，并不受RG1、RG2、RML等接触电阻变化影响，因此其外电路可用一个电流源代替。

1.3 分析与计算

由电桥电路的分析可知，如果设图6模型中RG1=RG2，RM1=RM2。则RML支路中电流为0。相当于倒排操作中隔离刀闸G1合闸正常接触良好，其接触电阻RG1为正常值，与隔离刀闸G2的接触电阻RG2相当（有一定的离散范围，但差距不大）。此时，母联断路器的RML支路中电流为0或较小。一旦隔离刀闸G1合闸异常，接触不良，相当于在RG1上附加了一个△RG1。此时就会在RML支路中产生与之相对应的电流。也就是说，在特定条件下，RML支路电流的变化可以间接地反映接触电阻RG1的变化。从而实现通过分析母联断路器电流变化来判定隔离刀闸G1的合闸情况。也可运用接点电流法求得IG1和IG2。

即：对于节点I

IG1-IM1-IML=0 IG1=IM1+IML

即：对于节点II

IG2-IM2+IML=0 IG2=IML-IM2

在实际工程中，RM1与RM2并不相等，也无法直接测量。应用电桥原理测量RG1存在一定困难。而应用节点电流法更易于实现。

其中，母联电流IML可直接通过测量获得，IM1可通过计算除倒排间隔外的I母线所有间隔电流代数和获得；IM2可通过计算除倒排间隔外的II母线所有间隔电流代数和获得。

即：IM1=∑II（倒排间隔除外）

IM2=∑III（倒排间隔除外）

2 合环刀闸不完全合闸的判据的选择

由以上分析可见，在隔离刀闸G1合闸情况下，倒排间隔的负荷电流被隔离刀闸G1和G2所分流。由于在不同运行方式下负荷电流变化很大，单纯计算IG1或IG2的大小对于判别G1合闸情况并无实际意义。考虑到一旦G1发生不完全合闸，其故障相接触电阻将>>G2对应相的接触电阻，相对应的IG2将>>IG1。因此，选取IG1与IG2的比值作为判别G1合闸接触电阻RG1的判据可有效消除负荷电流变化的影响。

考虑倒发生不完全合闸通常只会一相或两相（三相同时发生且基本一致的情况概率太低可以不予考虑）。因此必然会反映倒IG1三相不平衡或三相IG2与IG1的比值的不平衡上面来。如果将这种不平衡电流的增量或三相IG2与IG1的比值的的不平衡增量作为RG1变化的辅助判据。可望大大提高判别G1不完全合闸的准确率和可靠性。

3 倒排操作的仿真模型及参数选取

参照前文所述分析与计算模型，建立基于三相理想交流电流源，三相恒定PQ负荷、倒排间隔隔离刀闸等值电阻，母联支路等值电阻的模型。如图7所示。通过仿真操作观察和分析隔离闸刀G正常和不完全合闸时的电流变化情况，以验证上述分析的合理性。

其中，除倒排间隔外的其它间隔负荷电流由各自的电源电压和负载特性所决定，并不受倒排操作影响，因此两条母线上的所有线路或元件可各用一个三相恒定PQ负荷模型等值，其值等于母线穿越功率。由于隔离刀闸不完全合闸主要反映在刀闸接触电阻变化，因此倒排间隔的两把刀闸可用两组（每组3个）纯电阻替代。对应刀闸的接触电阻。母联断路器及两侧刀闸的接触电阻也用一个纯电阻等效。

为充分获得仿真数据，可分别将此三个端口设为电源或负载。如表1所示。

隔离刀闸接触电阻一般为100μΩ左右。仿真中按50～150μΩ离散范围取值。如表2所示。

从仿真结果中可以看出，隔离刀闸发生不完全合闸时，故障相电流在接触电阻1～100Ω范围内均接近为0，而另一把刀闸对应相几乎流过了全部电流。IG2/IG1相差悬殊。表明将这一特征作为判别隔离刀闸发生不完全合闸的判据是可行的。

但仿真结果也可以看出，隔离刀闸接触电阻正常离散值也会对两把刀闸的电流分配造成很大影响。正常情况下，断路器、隔离刀闸合闸时其接触电阻约为100μΩ，极端情况下阻值离散范围可达50～300μΩ。但由于刀闸不完全合闸时，故障相的接触电阻可达100Ω的数量级。因此上述误差在牺牲一定灵敏度的前提下是可以躲过的。

4 误差与干扰因素的排除

在實际工程中，通过计算倒排间隔两把隔离刀闸电流的比值增量来判断的变化，均需要排除各种误差因素的干扰。特别是积累误差造成的不确定性。这些误差因素包括：

（1）隔离刀闸和断路器制造上的分散性引起的接触电阻误差；正常情况下，断路器、隔离刀闸合闸时其接触电阻约为100μΩ，极端情况下阻值离散范围可达50～300μΩ。G1刀闸合闸时如合闸情况良好，考虑倒极端情况，RG1取300μΩ，RML取150μΩ或RG1取50μΩ，RML取900μΩ.则的误差范围可达2～1/18。其造成的误差最大可达36倍。但由于刀闸不完全合闸时，故障相的接触电阻可达100Ω的数量级。因此上述误差在牺牲一定灵敏度的前提下是可以躲过的。

（2）隔离刀闸和断路器运行过程中的机械、电气特性变化（触头烧蚀、氧化、金属蠕变引起的接触压力变化）引起的接触电阻误差；在目前的电气设备维护要求和正常维护条件下，本款所述误差应该可以为1）中所述误差范围所包含，可以不作专门考虑。

（3）运行方式变化引起电流及电流分配变化导致的误差。受母联及各支路电流测量精度的限制，在最小方式（各支路负荷电流均很小或空载）下将会给电流计算判别的造成死区。应通过计算和综合各种要素，尽可能限缩死区的范围。

（4）电流互感器误差特性引起的电流测量值误差；用电流作为判据时，电流互感器误差特性引起的电流测量值误差是不可忽略的因素。特别是∑II或∑III会产生积累误差，如母联断路器电流数据采自计量互感器时会在穿越性大负荷情况下误差会明显增加等。降低上述误差影响可选用或并有以下方法：1）借鉴母差保护整定的方法，将计算结果用一个1.3～1.5的系数进行修正；2）使，通过误差均衡的方法来降低误差；3）通过在平时（非故障情况下）测量∑II、∑III及的相对误差，并按一定的算法动态生成一个修正值。在启动计算时进行修正。

（5）电力系统负荷的三相不平衡引起的相间不平衡电流（零序电流）误差；国标规定，配电三相负荷不平衡率不大于15%，通常输电系统要小于此值，因此在计算时按15%进行修正是可以消除其误差干扰的。

（6）母线较长情况下不同布置方式造成的三相阻抗不平衡引起的误差；这种情况很随机，且难以测量。但这种情况引起的电流测量误差幅度不会很大，（1）和（6）的误差修正方法应该可以涵盖。

（7）故障穿越情况下，电流互感器饱和造成的测量误差；G1刀闸合闸后启动判别程序时正好有区外故障电流穿越，这种情况虽然概率很低，但因其会产生极大的误差，在难度不大代价不高的情况下也是需要考虑的。由于故障电流穿越通常时间很短，可通过间隔一定时间重复测量计算的方法加以排除。

5 實施方案概要

本项目所述方案可通过与现有测控装置数据通信获取相应设备的负荷电流、状态位置、变位信息等实时数据，作为实施本方案的输入信息源。依据本文所设定的模型和算法对这些数据和信息进行处理运算。当运算结果判定相应隔离刀闸合闸异常时向现有测控系统或防误操作装置输出闭锁信号或告警信息。

实施本方案的载体可以是一个软件插件或软件模块，嵌入已有测控装置、监控系统或防误操作装置/系统中。也可设计成独立物理装置通过数据通信与现有装置/系统并列运行。甚至可以通过61850协议融入已有变电站自动化系统发挥效能。原理框图，如图9所示。

本项目方案由数据预处理（根据当前运行方式信息和变位信息确定倒排操作对象并过滤出所需运算数据）、处理运算、等效模型和输出四部分组成。输出部分可以分为软输出（通信接口）和硬输出（继电器接点）两种方式。以适应现场的不同需要。

6 结语

本文提出的基于母联电流不平衡度的变电站双母线热倒防误闭锁技术研究具有较好的适应性与通用性。由于双母线接线方式是变电站的一种经典设计方案，其设计早已标准化。应用早普遍化。因此本文所述方法可广泛应用于各种电压等级、形态的变电站、发电厂。

其次是简单易行。由于本发明方法的应用不需要对现有设备进行改动，不会增加运行人员的作业负担，不会对现有设备造成不利影响。只需要建立数据通信或简单硬件联系（继电器接点输出）即可实现。

第三经济高效。由于本发明主要是一个软件。对硬件载体和平台的依赖极小。可以软件插件、功能模块或独立部件等多种形态实现应用。投入少，效果显著。能有效解决电力系统的一个防误操作短板。投入产出比明显。

Abstract："First Closing and then Drawing" is the basic rule of double busbar junction thermal inversion operation， but the inspection and confirmation of the closing condition of the first closing isolation switch is always lack of reliable and effective differential diagnosis method， which has become a major hidden trouble in the misoperation prevention. In this paper， the equivalent model of each interval in reverse operation is established to select the operation mode in extreme cases. Calculation under normal operation and incomplete closing breaker to isolate the bus bar and the mother of the change of the current situation， put forward a kind of based on steady state current analysis the differential diagnosis of identifying whether the isolation knife switch completely reliable and the error elimination method， can in order to solve the inversion operation when the isolation knife switch is fully reliable discriminant problem provides new solutions， to ensure the operation of the transformer substation safe and reliable power supply， and to realize the procedural safeguard of substation， automation， intelligent brake operation to create the conditions.

Key words：close before pull；double bus connection；locking technology