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输电线路故障是变电站运行中最常见的故障之一，线路故障跳闸的主要原因大多数是由于线路发生故障。其中，短路故障占了极大的比例。输电线路的短路故障按照对称性来区分主要有两大类：对称故障和不对称故障。对称故障，一般指的就是三相短路故障，发生对称故障时，电力系统A、B、C三相的运行情况依然是对称的，但是，由于一般情况下，尤其是在最大运行发生下，三相短路产生的短路电流最大，造成的损失往往也是最为严重的。继电保护开关拒动一般是指在110kV及以上电压等级的发电厂和变电站中，一旦输电线路、变压器和母线发生了短路故障，所投入的继电保护装置应能够在尽量短时间内动作切除故障，但也可能伴随着故障元件的断路器的拒动，即所谓的断路器失灵故障。产生断路器失灵故障的原因有许多方面，比如：断路器的操动机构失灵，断路器跳闸线圈断线、电气的控制以及辅助回路出现故障等等。
基于UNIX的变电站仿真系统KEA！介绍
该变电站系统的运行环境采用开放式的实时UNIX操作系统，以MOTIF图形技术为基础，使教练员得以实现多功能多窗口全面监视，大大提高了教学的方便性。该软件还突破性实现了对微机保护的全仿真，微机保护与常规保护相比，可靠性和稳定性都更加优秀，且具有工频突变量保护和各种记忆、打印等优点。为了使操作更加直观，该软件还采用了计算机软表盘技术，可以随意对图形进行放大、缩小、漫游、配色和数据的动态显示，学生可以直接在软盘台上对变电站的各种设备进行操作。至于功能方面，该变电站仿真系统主要分三个功能模块：正常基本操作模块（变压器分接头、补偿设备调压;“五防”操作;电容器、电抗器停复役;母线、线路、变压器停复役）、故障及异常事故处理模块（电容器、电抗器故障;保护拒动、误动故障;开关拒动、误动故障;母线、线路变压器永久故障;母线、线路、变压器瞬时故障）和保护及自动装置模块（自动装置;常规保护;微机保护）。
220kV变电站简介
主接线图见图1。
一次接线说明
220kV侧为双母双分段，分别有2台母联断路器和2台分段断路器，母线上接有4台三绕组电压互感器，进出线一共8回，与35kV侧母线经T1、T2、T3这3台主变联络。而35kV侧为单母六分段，由3台分段断路器连接，每段母线上均接有三绕组电压互感器，共有24回出线，母线上接有三组起无功补偿作用的电容器。T1、T2、T3为3台两圈无载调压变压器，220kV/35kV。单台容量为100MVA，主变35kV侧接接地变，接地变的中性点接地方式为经小电阻接地。35kV侧有2台站用变，35kV/380V。直流部分有两段直流母线，一套蓄电池，二套硅整流器，八路直流负荷线。
相关线路继电保护配置
2207线路配置的保护有WXB-11C，LFP901A，断路器失灵保护;2208线路配置的保护有JGB-11D，JGX-11D，PLH-11A（相间距离Ⅰ Ⅱ Ⅲ段，接地距离Ⅰ Ⅱ段，零序Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ段），断路器失灵保护;220kV母线、母联和母线分段上配置的保护有充电保护、解列保护、断路器失灵保护;35kV母线配置的保护为单母母差保护，分段处配置的保护有充电保护和自切装置;35kV电容器配置的保护过流Ⅰ Ⅱ段，零流Ⅰ Ⅱ段，压差，低电压，过电压保护。其中，WXB-11C为高频保护，LFP901A为高频闭锁保护，JGB-11D为高频闭锁保护，JGX-11D为高频分相差动保护，PLH-11A为距离保护。
本实验涉及到的具体继电保护说明
距离保护
距离保护元件的输入电气量是测量电压Um和测量电流Im，其比值即为测量阻抗Zm，通过采取恰当的接线方式，可以在短路时，使测量阻抗Zm正比于短路点到保护安装处的距离L。距离保护根据保护接线方式的不同可以分为两种：一种是相间距离保护，一种是接地距离保护，其具体的接线方式如表1所示。
高频闭锁保护
高频闭锁保护指装设于线路两侧，两侧保护均会对故障位置进行判断，如果故障发生在保护范围内，则不发出闭锁信号，保护动作，使断路器跳闸，如果故障发生在保护范围外时，方向元件检测到功率方向为反方向，则发出闭锁信号，使保护不误动。我国常用的高频闭锁保护一般采用短时发信的工作方式，系统正常运行时，保护不发出闭锁信号，只有系统发生故障且达到保护启动的条件之后才发信。
高频闭锁保护如果按高频通道的工作方式划分，也可分为三种：短时发信方式、长期方向方式以及移频方式;如果按启动方式划分，可以分为三种：电流启动、远方启动和方向元件启动，逻辑图如图2所示，以下具体说明其原理。
（1）电流启动原理解释：KA1较KA2灵敏，用于启动发信，当发生故障时，若流过保护的故障电流大于Iset1，则保护KA1将启动发信，若大于Iset2，且功率方向元件P+检测到功率方向为正，则经t2时间的延迟，若此时没有收到闭锁信号，则停止发信并且发出跳闸信号，使断路器跳闸;如果收到了闭锁信号，则无法发出跳闸信号，断路器不会跳闸，但停止发信;如果功率方向元件检测到功率方向为反方向，则既不停信，也不发出跳闸信号。
T1时间元件的作用是在KA1元件返回后，可以继续延长时限为t1的发信时间，目的是为了防止外部故障切除后，两侧保护正反方向元件返回时间不一致，使得符合断路器跳闸条件的远故障侧的保护误跳。
T2时间元件的作用是当满足断路器跳闸条件时，延迟t2时间发出跳闸信号和停信，目的是为了防止在发生外部故障时，线路两侧的方向元件灵敏度不一致或者是信号传输时延，近故障侧的保护还未发出闭锁信号或闭锁信号尚在传输时，符合跳闸条件的远故障侧保护已经发出跳闸信号，使得断路器误跳。
（2）远方启动原理解释：与电流启动相比，远方启动只使用了一个启动元件KA，但启动发信和停信以及发出跳闸信号的过程与电流启动是类似的，只不过是增加了一种启动发信的方式，即收到闭锁信号后，经T3元件也可启动发信。故称为远方启动。 （3）方向元件启动原理解释：发生故障时，保护方向元件启动，当检测到功率方向为反方向时，启动发信，当检测到功率方向为正方向时，经t2时间延迟，若没收到闭锁信号，则发出跳闸信号，否则不发出跳闸信号。
断路器失灵保护
所谓断路器失灵保护，指的是在保护的保护范围内发生故障时，保护本应该及时动作发出跳闸信号，使短路器跳闸，可是由于某些原因，使得断路器拒动，此时，能够在较短的时间内动作并将与故障线路相关联的各个断路器跳开，将故障部分隔离的保护。断路器失灵保护一般由启动单元、时间单元和出口闭锁单元等组成。如果出现线路保护动作后，仍然持续检测到电流的存在，则证明断路器失灵，故障尚未切除，断路器失灵保护就会动作。同时，为防止出口回路误碰或者是出口继电器故障等原因引起断路器误跳，一般要在出口回路采用复合电压元件闭锁。
2208线路三相短路及保护开关拒动实验步骤及结果记录
实验步骤
启动软件，进入变电站运行操作及管理界面，复位运行工况，并将运行工况设置为31号;点击“运行”按钮，使变电站运行，观察此工况下变电站正常运行的一次运行图;复位运行工况，并将运行工况设置为31号;进入一次运行图，点击继电保护屏，进入220kV母联、分段CZX-12A屏，将各保护跳闸压板均合上，使各个跳闸保护都投入使用，具体如表2所示;回到变电站运行操作及管理界面，点击“运行”按钮，使变电站运行，观察此时变电站正常运行的一次运行图;回到变电站运行操作及管理界面，点击快存工况，将此工况存为40号工况，并将变电站运行工况复位为40号;插入2208线开关拒动（即近母线处断路器拒动）故障，故障开始时间为0，无触发条件;再插入2208线三相永久短路故障，开始时间为2s，无触发条件;点击“运行”按钮，观察变电站一次运行图，然后查看光字牌动作和报警记录表、继电保护屏，记录各个保护动作情况，如表3。
表2 各保护跳闸压板
220kV侧一号母联 第一组跳闸压板、第二组跳闸压板、瞬时出口压板、第一组非自动压板、第二组非自动压板
220kV侧一号分段 第一组跳闸压板、第二组跳闸压板、第一组非自动压板、第二组非自动压板、瞬时出口压板
220kV侧二号母联 瞬时出口压板、第一组非自动压板、第二组非自动压板、第一组跳闸压板、第二组跳闸压板
220kV侧二号分段 第一组跳闸压板、第二组跳闸压板、瞬时出口压板、第一组非自动压板、第二组非自动压板
表3 保护动作情况
2202线路 LFP-901A发信、WXB-11C发信
2203线路 LFP-901A发信、WXB-11C发信
2204线路 JGX-11D发信、JGB-11D发信
2205线路 CSL-101A发信、LFP-902A发信
2206线路 FOX-40动作信号
2207线路 LFP-901A发信、WXB-11C发信、第一组出口跳闸、第二组出口跳闸
2208线路 JGX-11D发信、JGX-11D动作、出口跳闸、JGB-11D发信
35kV母线 35kV一＼六母线失压、母线低电压动作、自切动作、35kV二＼三母线失压、35kV四＼五母线失压、母线低电压动作自切动作、3号电容器低压保护动作
220kV母线 付一母、付二母、正一母、正二母复合电压动作、付二母差动作、付二母失灵动作、220kV2号母联第一组出口跳闸、220kV2号分段第一组、第二组出口跳闸
继电保护动作的分析
由以上实验可知，跳闸的有2208线远母线侧断路器，2207线近故障侧断路器，2号母联、付母分段断路器，220kV侧T3主变断路器，三号电容电抗器断路器。而且，35kV一＼六母线和四＼五母线保护自切动作。而且可以在表4上找到各自对应的保护动作情况。由此分析，2208线发生三相短路故障后，本应由2208线两端断路器跳闸切除故障，可是由于近母线的断路器拒动，所以与2208线路直接相连的附二母线失灵保护启动，跳开与附二母线相关联的各个断路器：2207线近母线处断路器、母联和分段断路器、220kV侧T3变压器断路器，由此可以将故障部分隔离，但也因此使得35kV侧母线五和六失压，故35kV一/六母线失压保护和四/五母线失压保护启动，跳开五/六分段断路器和3号电容断路器，并合上一/六和四/五分段断路器，使35kV五、六母线恢复供电。
总之，如果发生断路器拒动，则必须有可靠的后备保护可以及时切除故障部分，母线上的断路器失灵保护足以满足这个要求。但是，我们在考虑及时切除故障的同时，也要考虑到各个保护之间的时间和保护范围的配合情况，既要满足及时切除故障部分的要求，也要防止出现断路器误跳导致大面积停电的情况。（作者李惜玉系广东工业大学自动化学院高级实验师;郑植榕系广东工业大学自动化学院本科生。基金项目：本文系2013年广东省广东工业大学省级大学生创新基金资助项目（项目编号：1184513164），2014年广东省广东工业大学大学生创新基金资助项目，广东省高等教育教学改革项目（粤财教[2012]361号），2012广东工业大学校级重点项目（项目编号：2012Z010），广东省电气工程及其自动化特色专业基金资助项目（项目编号：402102299）的研究成果）
基于UNIX的变电站仿真系统KEA！介绍
该变电站系统的运行环境采用开放式的实时UNIX操作系统，以MOTIF图形技术为基础，使教练员得以实现多功能多窗口全面监视，大大提高了教学的方便性。该软件还突破性实现了对微机保护的全仿真，微机保护与常规保护相比，可靠性和稳定性都更加优秀，且具有工频突变量保护和各种记忆、打印等优点。为了使操作更加直观，该软件还采用了计算机软表盘技术，可以随意对图形进行放大、缩小、漫游、配色和数据的动态显示，学生可以直接在软盘台上对变电站的各种设备进行操作。至于功能方面，该变电站仿真系统主要分三个功能模块：正常基本操作模块（变压器分接头、补偿设备调压;“五防”操作;电容器、电抗器停复役;母线、线路、变压器停复役）、故障及异常事故处理模块（电容器、电抗器故障;保护拒动、误动故障;开关拒动、误动故障;母线、线路变压器永久故障;母线、线路、变压器瞬时故障）和保护及自动装置模块（自动装置;常规保护;微机保护）。
220kV变电站简介
主接线图见图1。
一次接线说明
220kV侧为双母双分段，分别有2台母联断路器和2台分段断路器，母线上接有4台三绕组电压互感器，进出线一共8回，与35kV侧母线经T1、T2、T3这3台主变联络。而35kV侧为单母六分段，由3台分段断路器连接，每段母线上均接有三绕组电压互感器，共有24回出线，母线上接有三组起无功补偿作用的电容器。T1、T2、T3为3台两圈无载调压变压器，220kV/35kV。单台容量为100MVA，主变35kV侧接接地变，接地变的中性点接地方式为经小电阻接地。35kV侧有2台站用变，35kV/380V。直流部分有两段直流母线，一套蓄电池，二套硅整流器，八路直流负荷线。
相关线路继电保护配置
2207线路配置的保护有WXB-11C，LFP901A，断路器失灵保护;2208线路配置的保护有JGB-11D，JGX-11D，PLH-11A（相间距离Ⅰ Ⅱ Ⅲ段，接地距离Ⅰ Ⅱ段，零序Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ段），断路器失灵保护;220kV母线、母联和母线分段上配置的保护有充电保护、解列保护、断路器失灵保护;35kV母线配置的保护为单母母差保护，分段处配置的保护有充电保护和自切装置;35kV电容器配置的保护过流Ⅰ Ⅱ段，零流Ⅰ Ⅱ段，压差，低电压，过电压保护。其中，WXB-11C为高频保护，LFP901A为高频闭锁保护，JGB-11D为高频闭锁保护，JGX-11D为高频分相差动保护，PLH-11A为距离保护。
本实验涉及到的具体继电保护说明
距离保护
距离保护元件的输入电气量是测量电压Um和测量电流Im，其比值即为测量阻抗Zm，通过采取恰当的接线方式，可以在短路时，使测量阻抗Zm正比于短路点到保护安装处的距离L。距离保护根据保护接线方式的不同可以分为两种：一种是相间距离保护，一种是接地距离保护，其具体的接线方式如表1所示。
高频闭锁保护
高频闭锁保护指装设于线路两侧，两侧保护均会对故障位置进行判断，如果故障发生在保护范围内，则不发出闭锁信号，保护动作，使断路器跳闸，如果故障发生在保护范围外时，方向元件检测到功率方向为反方向，则发出闭锁信号，使保护不误动。我国常用的高频闭锁保护一般采用短时发信的工作方式，系统正常运行时，保护不发出闭锁信号，只有系统发生故障且达到保护启动的条件之后才发信。
高频闭锁保护如果按高频通道的工作方式划分，也可分为三种：短时发信方式、长期方向方式以及移频方式;如果按启动方式划分，可以分为三种：电流启动、远方启动和方向元件启动，逻辑图如图2所示，以下具体说明其原理。
（1）电流启动原理解释：KA1较KA2灵敏，用于启动发信，当发生故障时，若流过保护的故障电流大于Iset1，则保护KA1将启动发信，若大于Iset2，且功率方向元件P+检测到功率方向为正，则经t2时间的延迟，若此时没有收到闭锁信号，则停止发信并且发出跳闸信号，使断路器跳闸;如果收到了闭锁信号，则无法发出跳闸信号，断路器不会跳闸，但停止发信;如果功率方向元件检测到功率方向为反方向，则既不停信，也不发出跳闸信号。
T1时间元件的作用是在KA1元件返回后，可以继续延长时限为t1的发信时间，目的是为了防止外部故障切除后，两侧保护正反方向元件返回时间不一致，使得符合断路器跳闸条件的远故障侧的保护误跳。
T2时间元件的作用是当满足断路器跳闸条件时，延迟t2时间发出跳闸信号和停信，目的是为了防止在发生外部故障时，线路两侧的方向元件灵敏度不一致或者是信号传输时延，近故障侧的保护还未发出闭锁信号或闭锁信号尚在传输时，符合跳闸条件的远故障侧保护已经发出跳闸信号，使得断路器误跳。
（2）远方启动原理解释：与电流启动相比，远方启动只使用了一个启动元件KA，但启动发信和停信以及发出跳闸信号的过程与电流启动是类似的，只不过是增加了一种启动发信的方式，即收到闭锁信号后，经T3元件也可启动发信。故称为远方启动。 （3）方向元件启动原理解释：发生故障时，保护方向元件启动，当检测到功率方向为反方向时，启动发信，当检测到功率方向为正方向时，经t2时间延迟，若没收到闭锁信号，则发出跳闸信号，否则不发出跳闸信号。
断路器失灵保护
所谓断路器失灵保护，指的是在保护的保护范围内发生故障时，保护本应该及时动作发出跳闸信号，使短路器跳闸，可是由于某些原因，使得断路器拒动，此时，能够在较短的时间内动作并将与故障线路相关联的各个断路器跳开，将故障部分隔离的保护。断路器失灵保护一般由启动单元、时间单元和出口闭锁单元等组成。如果出现线路保护动作后，仍然持续检测到电流的存在，则证明断路器失灵，故障尚未切除，断路器失灵保护就会动作。同时，为防止出口回路误碰或者是出口继电器故障等原因引起断路器误跳，一般要在出口回路采用复合电压元件闭锁。
2208线路三相短路及保护开关拒动实验步骤及结果记录
实验步骤
启动软件，进入变电站运行操作及管理界面，复位运行工况，并将运行工况设置为31号;点击“运行”按钮，使变电站运行，观察此工况下变电站正常运行的一次运行图;复位运行工况，并将运行工况设置为31号;进入一次运行图，点击继电保护屏，进入220kV母联、分段CZX-12A屏，将各保护跳闸压板均合上，使各个跳闸保护都投入使用，具体如表2所示;回到变电站运行操作及管理界面，点击“运行”按钮，使变电站运行，观察此时变电站正常运行的一次运行图;回到变电站运行操作及管理界面，点击快存工况，将此工况存为40号工况，并将变电站运行工况复位为40号;插入2208线开关拒动（即近母线处断路器拒动）故障，故障开始时间为0，无触发条件;再插入2208线三相永久短路故障，开始时间为2s，无触发条件;点击“运行”按钮，观察变电站一次运行图，然后查看光字牌动作和报警记录表、继电保护屏，记录各个保护动作情况，如表3。
表2 各保护跳闸压板
220kV侧一号母联 第一组跳闸压板、第二组跳闸压板、瞬时出口压板、第一组非自动压板、第二组非自动压板
220kV侧一号分段 第一组跳闸压板、第二组跳闸压板、第一组非自动压板、第二组非自动压板、瞬时出口压板
220kV侧二号母联 瞬时出口压板、第一组非自动压板、第二组非自动压板、第一组跳闸压板、第二组跳闸压板
220kV侧二号分段 第一组跳闸压板、第二组跳闸压板、瞬时出口压板、第一组非自动压板、第二组非自动压板
表3 保护动作情况
2202线路 LFP-901A发信、WXB-11C发信
2203线路 LFP-901A发信、WXB-11C发信
2204线路 JGX-11D发信、JGB-11D发信
2205线路 CSL-101A发信、LFP-902A发信
2206线路 FOX-40动作信号
2207线路 LFP-901A发信、WXB-11C发信、第一组出口跳闸、第二组出口跳闸
2208线路 JGX-11D发信、JGX-11D动作、出口跳闸、JGB-11D发信
35kV母线 35kV一＼六母线失压、母线低电压动作、自切动作、35kV二＼三母线失压、35kV四＼五母线失压、母线低电压动作自切动作、3号电容器低压保护动作
220kV母线 付一母、付二母、正一母、正二母复合电压动作、付二母差动作、付二母失灵动作、220kV2号母联第一组出口跳闸、220kV2号分段第一组、第二组出口跳闸
继电保护动作的分析
由以上实验可知，跳闸的有2208线远母线侧断路器，2207线近故障侧断路器，2号母联、付母分段断路器，220kV侧T3主变断路器，三号电容电抗器断路器。而且，35kV一＼六母线和四＼五母线保护自切动作。而且可以在表4上找到各自对应的保护动作情况。由此分析，2208线发生三相短路故障后，本应由2208线两端断路器跳闸切除故障，可是由于近母线的断路器拒动，所以与2208线路直接相连的附二母线失灵保护启动，跳开与附二母线相关联的各个断路器：2207线近母线处断路器、母联和分段断路器、220kV侧T3变压器断路器，由此可以将故障部分隔离，但也因此使得35kV侧母线五和六失压，故35kV一/六母线失压保护和四/五母线失压保护启动，跳开五/六分段断路器和3号电容断路器，并合上一/六和四/五分段断路器，使35kV五、六母线恢复供电。
总之，如果发生断路器拒动，则必须有可靠的后备保护可以及时切除故障部分，母线上的断路器失灵保护足以满足这个要求。但是，我们在考虑及时切除故障的同时，也要考虑到各个保护之间的时间和保护范围的配合情况，既要满足及时切除故障部分的要求，也要防止出现断路器误跳导致大面积停电的情况。（作者李惜玉系广东工业大学自动化学院高级实验师;郑植榕系广东工业大学自动化学院本科生。基金项目：本文系2013年广东省广东工业大学省级大学生创新基金资助项目（项目编号：1184513164），2014年广东省广东工业大学大学生创新基金资助项目，广东省高等教育教学改革项目（粤财教[2012]361号），2012广东工业大学校级重点项目（项目编号：2012Z010），广东省电气工程及其自动化特色专业基金资助项目（项目编号：402102299）的研究成果）