淺談750kV升壓站四角主接線形式的繼電保護(hù)

李志剛

（寧夏棗泉發(fā)電有限責(zé)任公司）

0 引言

750kV輸電系統(tǒng)的輸電能力強(qiáng)、輸電損耗小，在長(zhǎng)距離、大容量的輸電工程中具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。750kV輸電系統(tǒng)的安全保護(hù)手段多種多樣，有電抗器保護(hù)、母線保護(hù)、變壓器保護(hù)等各種各樣的手段。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為了保證 750kV輸電系統(tǒng)的安全性，通常是將這些手段組合起來(lái)應(yīng)用。本文主要對(duì)750kV輸電系統(tǒng)的四角主接線的繼電保護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 750kV輸電系統(tǒng)特性調(diào)研

（1）線路分布電容與電流的關(guān)系

某電廠 750kV輸電系統(tǒng)采用分裂導(dǎo)線方式，來(lái)減少線路感抗和增大電容分布。其電壓等級(jí)架空線路的電容電流和電抗現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值為：電容電流193A、零序容抗3322Ω、正序容抗2242Ω，與電廠的500kV、330kV等系統(tǒng)相比，750kV輸電系統(tǒng)的電容電流明顯增大，導(dǎo)致兩側(cè)的電流幅值、相角變動(dòng)很大。同時(shí)，電廠的 750kV輸電系統(tǒng)需要承擔(dān)大容量遠(yuǎn)距離的電力輸送任務(wù)，較長(zhǎng)的輸送線路大大減小了分布電容等值容抗，使得電容電流進(jìn)一步增大，導(dǎo)致電流和電壓的相位和大小產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，嚴(yán)重影響主保護(hù)的光纖電流差動(dòng)保護(hù)，分項(xiàng)電流差動(dòng)保護(hù)可能無(wú)法滿足可靠性和靈敏度的要求。

（2）衰減時(shí)間分析

當(dāng) 750kV輸電系統(tǒng)母線附近產(chǎn)生短路時(shí)，其故障量衰減時(shí)間常數(shù)為 65ms，ωL R = 20。故障時(shí)緩慢衰減的非周期分量對(duì) 750kV輸電系統(tǒng)的保護(hù)算法造成影響，進(jìn)而影響系統(tǒng)保護(hù)的動(dòng)作精度，影響系統(tǒng)保護(hù)的效果。

（3）線路分布電容和高頻震蕩的關(guān)系

750kV輸電系統(tǒng)中的相-相、相-地之間存在分布電容，系統(tǒng)所采用的分裂導(dǎo)線方式增大了分布電容。在暫態(tài)過(guò)程中，分布電容引起各種高頻自由震蕩分量；在穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，輸電線路的電壓、電流的相位和大小產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。尤其是在短路電源和負(fù)載電流較小的時(shí)候，這種影響更加嚴(yán)重。

按分布參數(shù)進(jìn)行短路計(jì)算的公式如式（1）所示：

式中，UN和IN分別表示線路末端的電壓和電流；UM和IM分別表示始端電壓和電流。

在輸電線路發(fā)生故障時(shí)，高頻震蕩導(dǎo)致工頻分量波形產(chǎn)生畸變，甚至可能會(huì)導(dǎo)致在一個(gè)周期內(nèi)波形多次過(guò)零，不利于相位比較式保護(hù)。因此，必須要考慮如何有效過(guò)濾在輸電線路故障時(shí)，分布電容所引起的高頻分量。

2 750kV輸電系統(tǒng)繼電保護(hù)要求

750kV輸電系統(tǒng)是電廠最重要的輸電系統(tǒng)之一，為了保證系統(tǒng)的可靠性，在發(fā)生故障時(shí)應(yīng)該最短時(shí)間內(nèi)予以切除。具體而言，750kV輸電系統(tǒng)的繼電保護(hù)要滿足如下的需求。

（1）可靠性需求

是指繼電器保護(hù)動(dòng)作的可靠程度，包括在不該動(dòng)作時(shí)的不動(dòng)作可靠程度和在該動(dòng)作時(shí)的動(dòng)作可靠程度，可靠性是750kV輸電系統(tǒng)最根本的要求。

（2）選擇性需求

首先由線路本身和故障設(shè)備切除故障，當(dāng)線路本身或者故障設(shè)備無(wú)法完成保護(hù)動(dòng)作時(shí)，才允許斷路器失靈保護(hù)、相鄰設(shè)備保護(hù)或線路保護(hù)來(lái)完成保護(hù)動(dòng)作。

（3）靈敏性需求

在保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)該具備足夠的靈敏度來(lái)響應(yīng)該故障，并且可靠地完成保護(hù)動(dòng)作。

（4）速動(dòng)性需求

快速響應(yīng)故障，快速執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，減輕線路或設(shè)備的損害程度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3 750kV輸電系統(tǒng)四角主接線形式的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)

在電廠 750kV輸電系統(tǒng)繼電保護(hù)方案中，有各種各樣的繼電器來(lái)快速響應(yīng)輸電系統(tǒng)的故障和異動(dòng)以保護(hù)輸電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。電流差動(dòng)繼電器是方案中最重要的繼電器形式之一，通過(guò)對(duì)輸電系統(tǒng)中電流差動(dòng)監(jiān)控，來(lái)快速響應(yīng)輸電系統(tǒng)的故障和異動(dòng)。

繼電保護(hù)方案中的電流差動(dòng)繼電器主要由零序差動(dòng)繼電器、穩(wěn)態(tài)相差動(dòng)繼電器和變化量相差動(dòng)繼電器所組成。

（1）零序差動(dòng)繼電器

零序差動(dòng)繼電器對(duì) 750kV輸電系統(tǒng)中的電阻接地故障有較高的靈敏度，其動(dòng)作延時(shí)在100ms以內(nèi)，其動(dòng)作方程式如式（2）所示：

式中，ICD0表示零序差動(dòng)電流；Ig0表示零序制動(dòng)電流；ICDΦ表示穩(wěn)態(tài)差動(dòng)電流；IgΦ表示穩(wěn)態(tài)制動(dòng)電流；IL表示差動(dòng)電流低定值。

（2）穩(wěn)態(tài)相差動(dòng)繼電器

穩(wěn)態(tài)相差動(dòng)繼電器的動(dòng)作方程如式（3）所示：

式中，ICDΦ表示穩(wěn)態(tài)差動(dòng)電流；IgΦ表示穩(wěn)態(tài)制動(dòng)電流；IH表示四倍實(shí)測(cè)電容電流（差動(dòng)電流高定值）。

（3）變化量相差動(dòng)繼電器

變化量相差動(dòng)繼電器由穩(wěn)態(tài)差動(dòng)元件和變化量差動(dòng)元件構(gòu)成高靈敏的分相電動(dòng)繼電器。變化量相差動(dòng)繼電器的動(dòng)作方程式如式（4）所示：

式中，ΔICDΦ表示工頻變化量差動(dòng)電流；ΔIgΦ表示工頻變化量制動(dòng)電流；ICDΦ表示穩(wěn)態(tài)差動(dòng)電流；IgΦ表示穩(wěn)態(tài)制動(dòng)電流；IH表示四倍實(shí)測(cè)電容電流（差動(dòng)電流高定值）。

4 750kV輸電線保護(hù)配置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

由于接入的開(kāi)入開(kāi)出量和模擬量相對(duì)較少，為此繼電保護(hù)裝置采用如圖1所示的4U背插式機(jī)箱結(jié)構(gòu)。

圖1 繼電器保護(hù)硬件模塊圖

如圖1所示，輸入的電流和電壓在經(jīng)過(guò)隔離互感器之后，成為小電壓信號(hào)，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，分給CPU（單片機(jī)）和DSP（高速數(shù)字信號(hào)處理芯片）。其中，DSP主要完成單片機(jī)獨(dú)立采樣、保護(hù)算法和出口邏輯、數(shù)字濾波等操作。在一個(gè)周期內(nèi)完成24點(diǎn)采樣，并完成全部算法；CPU負(fù)責(zé)后臺(tái)通信和人機(jī)界面交互；光端機(jī)實(shí)現(xiàn)縱聯(lián)相差動(dòng)保護(hù)。

根據(jù)電廠電抗器的現(xiàn)場(chǎng)接線方式，確定保護(hù)配置設(shè)計(jì)如圖2所示。

如圖2所示，750kV輸電系統(tǒng)的電抗器保護(hù)采用雙主、雙后備的保護(hù)配置原則，將電抗器的非電量保護(hù)和電量保護(hù)都集成在一套裝置中。主保護(hù)和后備保護(hù)公用一組TA、電量保護(hù)的跳閘出口、直流電源與非電量保護(hù)的跳閘出口、直流電源相互獨(dú)立。保護(hù)的配置包括16路非電量保護(hù)、零序過(guò)電流、零序比率差動(dòng)、差動(dòng)速斷、穩(wěn)態(tài)比率差動(dòng)、中性點(diǎn)過(guò)流等。同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)TV異常報(bào)警、差動(dòng)回路TA斷線、過(guò)負(fù)荷報(bào)警等警告。

圖2 電抗器保護(hù)配置

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的快速發(fā)展，電能的需求越來(lái)越多，大電網(wǎng)的需求也越來(lái)越多，電壓等級(jí)也會(huì)不斷升高，各種線路參數(shù)還將不斷發(fā)生改變，對(duì)高壓輸電線路的保護(hù)裝置要求也將提高。如何對(duì) 750kV高壓輸電線路進(jìn)行保護(hù)，將是我們必須長(zhǎng)期面對(duì)的問(wèn)題，也是我們不懈努力的目標(biāo)。

[1] 解慶東. 電氣繼電保護(hù)的常見(jiàn)故障及維修技術(shù)探討[J]. 中國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè), 2017, 4(3)： 63-69.

[2] 王兆靖. 繼電保護(hù)在自動(dòng)化配電網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)高新技術(shù)企業(yè), 2017, 2(3)： 51-54.

[3] 張飛, 吳蕾. 廣域繼電保護(hù)與傳統(tǒng)繼電保護(hù)的探究[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表, 2017, 1(3)： 24-26.

[4] 徐丙垠. 配電網(wǎng)繼電保護(hù)—一個(gè)被忽視的重要角色[J]. 供用電, 2017, 2(3)： 45-49.