常見 220kV 高頻縱聯(lián)保護(hù)拒動(dòng)分析

李霄 李璐

摘 要：通過對(duì)一次保護(hù)動(dòng)作行為分析，發(fā)現(xiàn)光差保護(hù)和高頻縱聯(lián)保護(hù)作為線路主保護(hù)這一配置方案下高頻保護(hù)因延時(shí)而“拒動(dòng)”的現(xiàn)象，進(jìn)而以南瑞 RCS-902A 保護(hù)為例，對(duì)高頻縱聯(lián)保護(hù)在故障情況下的動(dòng)作延時(shí)進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究。建議在有條件的情況下，線路主保護(hù)避免采用此類保護(hù)配置方案。

關(guān)鍵詞：220kV；高頻保護(hù)；拒動(dòng)分析

1.引言

近年來，隨著光纖通道的逐步建立完善，以光纖為通道介質(zhì)，交換兩側(cè)電流信息的光纖差動(dòng)保護(hù)得到越來越廣泛的應(yīng)用。從光纖差動(dòng)原理及多年的使用經(jīng)驗(yàn)來看，光纖差動(dòng)保護(hù)有著區(qū)內(nèi)故障判別準(zhǔn)確靈敏、動(dòng)作速度快、光設(shè)備及光通道相對(duì)簡單可靠等無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，光差保護(hù)大有替代高頻縱聯(lián)保護(hù)作為線路主保護(hù)的趨勢。但目前由于種種原因，如無雙路由的光纜通道、旁路帶路問題等等，在不少實(shí)際應(yīng)用中采用了一套光差保護(hù)和一套高頻保護(hù)共同作為線路主保護(hù)的方案。然而這兩種不同原理保護(hù)動(dòng)作速度有時(shí)相差較大，從而出現(xiàn)了高頻保護(hù)“拒動(dòng)”的問題。本文結(jié)合一次故障中保護(hù)的動(dòng)作行為予以分析。

2.高頻保護(hù)的工作原理

2.1工作原理

高頻保護(hù)是以輸電線載波通道作為通信通道的縱聯(lián)保護(hù)。高頻保護(hù)廣泛應(yīng)用于高壓和超高壓輸電線路，是比較成熟和完善的一種無時(shí)限快速原理保護(hù)。其基本原理是利用輸電線路本身構(gòu)成一高頻（載波）電流的通道，將線路兩端的電流相位（或功率方向）轉(zhuǎn)化為高頻信號(hào)，將此信號(hào)送至對(duì)端，進(jìn)行比較，以區(qū)分保護(hù)范圍內(nèi)部和外部的故障。由于它不反應(yīng)于被保護(hù)輸電線范圍以外的故障，在定值選擇上也無需與下一條線路相配合，故可不帶動(dòng)作延時(shí)。

為了實(shí)現(xiàn)高頻保護(hù)，必須解決利用輸電線路作為高頻通道的問題。利用輸電線路作為傳輸媒質(zhì)，具有一定程度的安全性和可靠性，過去是我國電力調(diào)度和繼電保護(hù)最普遍使用的通道。對(duì)繼電保護(hù)來說分專用和復(fù)用通道兩種：專用通道一般為閉鎖式，用相—地耦合；復(fù)用通道一般為允許式，采用相—相耦合。

利用“導(dǎo)線――大地”作為高頻通道是最經(jīng)濟(jì)的方案，因?yàn)樗恍枰谝幌嗑€路上裝設(shè)構(gòu)成通道的設(shè)備，目前在我國得到了廣泛的應(yīng)用。它的缺點(diǎn)是高頻信號(hào)的衰耗和受到的干擾都比較大。 輸電線路高頻保護(hù)所用的載波通道，其簡單構(gòu)成如圖1所示，其構(gòu)成包括阻波器、結(jié)合電容器、連接濾波器、高頻電纜和高頻收發(fā)信機(jī)。

2.2系統(tǒng)構(gòu)成

1.阻波器

阻波器是由一電感線圈與可變電容器并聯(lián)組成的回路。由其并聯(lián)后的阻抗 Z 與頻率的關(guān)系可以看出，當(dāng)并聯(lián)諧振時(shí)，它所呈現(xiàn)的阻抗最大。利用這一特性做成的阻波器，需使其諧振頻率為所用的載波頻率。這樣，高頻信號(hào)就被限制在被保護(hù)輸電線路的范圍以內(nèi)，而不能穿越到相鄰線路上去。但對(duì) 50 周的工頻電流而言，阻波器僅呈現(xiàn)電感線圈的阻抗，數(shù)值很?。s為 0.04Ω 左右），并不影響它的傳輸。

2.結(jié)合電容器

結(jié)合電容器與連接濾過器共同配合，將載波信號(hào)傳遞至輸電線路，同時(shí)使高頻收發(fā)信機(jī)與工頻高壓線路絕緣。由于結(jié)合電容器對(duì)于工頻電流呈現(xiàn)極大的阻抗，故由它所導(dǎo)致的工頻泄漏電流極小。

3.連接濾波器

連接濾波器由一個(gè)可調(diào)節(jié)的空心變壓器及連接至高頻電纜一側(cè)的電容器組成。 結(jié)合電容器與連接濾波器共同組成一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)的“帶通濾波器”，使所需頻帶的高頻電流能夠通過。 帶通濾波器從線路一側(cè)看入的阻抗與輸電線路的波阻抗（約為 400Ω）匹配，而從電纜一側(cè)看入的阻抗，則應(yīng)與高頻電纜的波阻抗（約為 100Ω）相匹配。這樣，就可以避免高頻信號(hào)的電磁波在傳送過程中發(fā)生反射，因而減少高頻能量的附加衰耗。 并聯(lián)在連接濾波器兩側(cè)的接地刀閘 6，是當(dāng)檢修連接濾波器時(shí)，作為結(jié)合電容器的下面一極接地之用。

4. 高頻電纜

高頻電纜采用同軸電纜，早期阻抗為 100Ω，近年按通信標(biāo)準(zhǔn)采用 75Ω，一是減少衰耗二是減少干擾。

5.高頻收、發(fā)信機(jī)

發(fā)信機(jī)部分系由繼電保護(hù)來控制，通常都是在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)部分起動(dòng)之后它才發(fā)出信號(hào)，但有時(shí)也可以采用長期發(fā)信故障時(shí)停信或改變信號(hào)頻率的方式。由發(fā)信機(jī)發(fā)出的信號(hào)，通過高頻通道送到對(duì)端的收信機(jī)中，也可為自己的收信機(jī)所接收，高頻收信機(jī)接收由本端和對(duì)端所發(fā)送的高頻信號(hào)，經(jīng)過比較判斷之后，再動(dòng)作于繼電保護(hù)，使之跳閘或?qū)⑺]鎖。

高頻通道的工作方式可以分為經(jīng)常無高頻電流（即所謂故障時(shí)發(fā)信）和經(jīng)常有高頻電流（即所謂長期發(fā)信）兩種方式。 在這兩種工作方式中，以其傳送的信號(hào)性質(zhì)為準(zhǔn)，又可以分為傳送閉鎖信號(hào)、允許信號(hào)和跳閘信號(hào)三種類型。 所謂閉鎖信號(hào)就是指：“收不到這種信號(hào)是高頻保護(hù)動(dòng)作跳閘的必要條件”。結(jié)合高頻保護(hù)的原理來看，就是當(dāng)外部故障時(shí)，由一端的保護(hù)發(fā)出高頻閉鎖信號(hào)，將兩端的保護(hù)閉鎖，而當(dāng)內(nèi)部故障時(shí)，兩端均不發(fā)因而也收不到閉鎖信號(hào)，保護(hù)即可動(dòng)作于跳閘。 所謂允許信號(hào)則是指：“收到這種信號(hào)是高頻保護(hù)動(dòng)作跳閘的必要條件”。因此，當(dāng)內(nèi)部故障時(shí)，兩端保護(hù)應(yīng)同時(shí)向?qū)Χ税l(fā)出允許信號(hào)，使保護(hù)裝置能夠動(dòng)作于跳閘。而當(dāng)外部故障時(shí)，則因近故障點(diǎn)端不發(fā)允許信號(hào)，故對(duì)端保護(hù)不能跳閘。近故障點(diǎn)的一端則因判別故障方向的元件不動(dòng)作，也不能跳閘。 至于傳送跳閘信號(hào)的方式，就是指：“收到這種信號(hào)是保護(hù)動(dòng)作于跳閘的充分而必要的條件”。實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)時(shí)，實(shí)際上是利用裝設(shè)在每一端的電流速斷、距離 I段或零序電流速斷等保護(hù)，當(dāng)其保護(hù)范圍內(nèi)部故障而動(dòng)作于跳閘的同時(shí)，還向?qū)Χ税l(fā)出跳閘信號(hào)，可以不經(jīng)過其它控制元件而直接使對(duì)端的斷路器跳閘。采用這種工作方式時(shí)，兩端保護(hù)的構(gòu)成比較簡單，無需互相配合，但是必須要求每端發(fā)送跳閘信號(hào)保護(hù)的動(dòng)作范圍小于線路的全長，而兩端保護(hù)動(dòng)作范圍之和應(yīng)大于線路的全長。前者是為了保證動(dòng)作的選擇性，而后者則是為了保證全線上任一點(diǎn)故障的快速切除。

根據(jù)傳送的高頻信號(hào)的性質(zhì)和保護(hù)的原理，在電網(wǎng)中常采用高頻閉鎖式（允許式）方向（距離）保護(hù)，而比較兩側(cè)電流相位的相差保護(hù)很少采用。 高頻閉鎖式保護(hù)這種保護(hù)的工作原理是利用非故障線路的一端發(fā)出閉鎖該線路兩端保護(hù)的高頻信號(hào)，而對(duì)于故障線路兩端則不需要發(fā)出高頻信號(hào)使保護(hù)動(dòng)作于跳閘，這樣就可以保證在內(nèi)部故障并伴隨有通道的破壞時(shí)（例如通道所在的一相接地或是斷線），保護(hù)裝置仍然能夠正確地動(dòng)作，這是它的主要優(yōu)點(diǎn)，也是這種高頻信號(hào)工作方式得到廣泛應(yīng)用的主要原因之一。該原理需要靈敏度不同的起信元件和停信元件，靈敏度較高得起動(dòng)元件只用來起動(dòng)高頻收發(fā)信機(jī)以發(fā)出閉鎖信號(hào)，而靈敏度較低的起動(dòng)元件動(dòng)作后，準(zhǔn)備好跳閘的回路。除了高頻通道外，影響保護(hù)性能的主要因素是方向元件的選取。 此外，對(duì)于這種工作方式，當(dāng)外部故障時(shí)在遠(yuǎn)離故障點(diǎn)一端的保護(hù)，為了等待對(duì)端發(fā)來的高頻閉鎖信號(hào)，還必須要求低靈敏度起動(dòng)元件帶一定的延時(shí)，這就降低了整套保護(hù)的動(dòng)作速度。

高頻允許式保護(hù)在功率方向?yàn)檎囊欢讼驅(qū)Χ税l(fā)送允許信號(hào)，此時(shí)每端的收信機(jī)只能接收對(duì)端的信號(hào)而不能接收自身的信號(hào)。每端的保護(hù)必須在方向元件動(dòng)作，同時(shí)又收到對(duì)端的允許信號(hào)之后，才能動(dòng)作于跳閘，顯然只有故障線路的保護(hù)符合這個(gè)條件。對(duì)非故障線路而言，一端是方向元件動(dòng)作，收不到允許信號(hào)，而另一端是收到了允許信號(hào)但方向元件不動(dòng)作，因此都不能跳閘。當(dāng)方向元件由距離元件承擔(dān)時(shí)，其構(gòu)成方式有 2 種：由距離保護(hù)Ⅰ段動(dòng)作鍵控發(fā)訊的叫欠范圍允許式（PUTT），由距離保護(hù)Ⅱ或Ⅲ段鍵控發(fā)訊的叫超范圍允許式（POTT）。應(yīng)當(dāng)指出，以往的成套距離保護(hù)，附加適當(dāng)?shù)倪壿嬀蜆?gòu)成縱聯(lián)保護(hù)，在微機(jī)保護(hù)中，由單獨(dú)的 CPU 構(gòu)成獨(dú)立完整的縱聯(lián)保護(hù)。通常采用復(fù)用載波機(jī)構(gòu)成允許式保護(hù)，一般采用鍵控移頻的方式。正常運(yùn)行時(shí)，收信機(jī)經(jīng)常收到對(duì)端發(fā)送的頻率為 f G 的監(jiān)頻信號(hào)，其功率較小，用以監(jiān)視高頻通道的完好性。當(dāng)正向區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，對(duì)端方向元件動(dòng)作，鍵控發(fā)信機(jī)停發(fā) f G 的信號(hào)而改發(fā)頻率為 f T 的跳頻（或稱移頻）信號(hào)，其功率提升，收信機(jī)收到此信號(hào)后即允許本端保護(hù)跳閘。允許式保護(hù)在區(qū)內(nèi)故障時(shí)，必須要求收到對(duì)端的信號(hào)才能動(dòng)作，因此就會(huì)遇到高頻信號(hào)通過故障點(diǎn)時(shí)衰耗增大的問題，這是它的一個(gè)主要缺點(diǎn)。最嚴(yán)重的情況是區(qū)內(nèi)故障伴隨有通道破壞，例如發(fā)生三相接地短路等，造成允許信號(hào)衰減過大甚至完全送不過去，并將引起保護(hù)的拒動(dòng)。通常通道按相-相耦合方式，對(duì)于不對(duì)稱短路，一般信號(hào)可能過，只有三相接地短路，難以通過。

3.保護(hù)動(dòng)作過程

2017 年 1 月 18 日 13 時(shí) 41 分，某 220 k V 線路發(fā)生一起 A 相經(jīng)過渡電阻接地的線路故障。此線路兩側(cè)配置的是四方 CSC-103B 光纖差動(dòng)保護(hù)與南瑞RCS-902A 高頻縱聯(lián)閉鎖式保護(hù)。從南瑞保護(hù)裝置的錄波圖（圖3）上可看出，這是一起特殊的發(fā)展性接地故障，A 相故障電流逐漸增大。故障發(fā)生后，RCS-902A 高頻保護(hù)正確起動(dòng)、發(fā)信并停信，在起動(dòng)約 40 ms 后對(duì)側(cè)也已停信，然而此后保護(hù)并未動(dòng)作出口。錄波圖反映，故障相 A 相斷路器已于 45 ms時(shí)刻跳閘，故障電流消失。在 CSC-103B 保護(hù)報(bào)文中表明，光纖差動(dòng)已經(jīng)先動(dòng)作跳閘將故障切除，此后 902A 高頻保護(hù)也隨之返回。由于冬季該線路走廊環(huán)境惡劣，在此后一段時(shí)間曾多次發(fā)生故障，保護(hù)動(dòng)作行為也與之類似，引起了我們的重視。

4.高頻保護(hù)動(dòng)作延時(shí)分析

902A 高頻保護(hù)“拒動(dòng)”情況發(fā)生后，我們對(duì)該套保護(hù)進(jìn)行了試驗(yàn)檢查。通過模擬多次的同類型故障試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在多數(shù)情況下光差保護(hù)要略快于高頻保護(hù)動(dòng)作出口。若兩套保護(hù)動(dòng)作時(shí)間差過大，光差保護(hù)動(dòng)作后故障量消失，高頻保護(hù)確實(shí)有不動(dòng)作的情況。

經(jīng)過對(duì)高頻縱聯(lián)保護(hù)原理的深入分析，發(fā)現(xiàn)高頻保護(hù)有以下的固有延時(shí)：a.高頻信號(hào)傳輸延時(shí)：高頻通道上的加工設(shè)備復(fù)雜，加工環(huán)節(jié)較多，其中除了高頻信號(hào)在通道上傳導(dǎo)延時(shí)外，還有收發(fā)信機(jī)的信號(hào)處理延時(shí)及保護(hù)和收發(fā)信機(jī)接口的延時(shí)。而光差保護(hù)通道相對(duì)簡單，尤其是在光纖直連方式下，兩側(cè)兩套光纖保護(hù)無任何中間環(huán)節(jié)。b.高頻抗干擾延時(shí)：在許多高頻保護(hù)的軟件邏輯中，為了防止高頻通道上產(chǎn)生干擾信號(hào)導(dǎo)致保護(hù)錯(cuò)判造成拒動(dòng)誤動(dòng)，都采用了延時(shí)的方法。如在RCS-902A高頻保護(hù)中，就有“起動(dòng)元件動(dòng)作后，收信8ms后才允許正方向元件投入工作”，“區(qū)內(nèi)故障時(shí)，正方向元件動(dòng)作而反方向元件不動(dòng)作，兩側(cè)均停信，經(jīng)8 ms延時(shí)縱聯(lián)保護(hù)出口”等延時(shí)邏輯。而光纖通道抗干擾性能本身較強(qiáng)，同時(shí)軟件處理時(shí)也能夠?qū)鬏數(shù)臄?shù)字信號(hào)有校驗(yàn)防誤功能，在抗干擾上無過多的延時(shí)。 c.縱聯(lián)延時(shí)：在線路末端故障時(shí)，近故障一側(cè)故障量大，一旦超出定值，很快即能完成保護(hù)的起動(dòng)、發(fā)信、停信過程，遠(yuǎn)故障一側(cè)由于故障量相對(duì)較小，靈敏度不足，起動(dòng)、發(fā)信、停信過程慢。而高頻閉鎖式縱聯(lián)保護(hù)原理需雙側(cè)均停信后才可能動(dòng)作出口?？v聯(lián)延時(shí)在經(jīng)過渡電阻故障或發(fā)展性故障情況下更為明顯。d.其它情況延時(shí)：在高頻保護(hù)裝置中還設(shè)有功率倒方向延時(shí)回路。此回路是為了防止區(qū)外故障后，在斷合開關(guān)的過程中，故障功率方向出現(xiàn)倒方向，短時(shí)出現(xiàn)一側(cè)正方向元件未返回，另一側(cè)正方向元件已動(dòng)作而出現(xiàn)瞬時(shí)誤動(dòng)而設(shè)置。為了避免這種情況，902A保護(hù)采取了當(dāng)連續(xù)收信40 ms以后，方向比較保護(hù)延時(shí)25 ms動(dòng)作的邏輯。 通過高頻保護(hù)和光差保護(hù)兩者原理的比較，以上除“縱聯(lián)延時(shí)”外，高頻保護(hù)的延時(shí)都相對(duì)較長，導(dǎo)致其動(dòng)作速度慢。

5.結(jié)語

在采用一套光差保護(hù)、一套高頻保護(hù)作為線路雙主保護(hù)的配置下，若高頻保護(hù)正常完好運(yùn)行，高頻保護(hù)僅僅是動(dòng)作速度較光差保護(hù)稍慢，仍然可以作為線路主保護(hù)運(yùn)行。但在故障發(fā)生后對(duì)保護(hù)的故障動(dòng)作行為分析和運(yùn)行評(píng)價(jià)時(shí)，卻帶來了一些問題。如怎樣判斷高頻保護(hù)是延時(shí)導(dǎo)致的拒動(dòng)還是保護(hù)異常導(dǎo)致的拒動(dòng)，保護(hù)人員在真正的拒動(dòng)時(shí)不至于疏忽大意；在保護(hù)運(yùn)行評(píng)價(jià)時(shí)如何對(duì)此類情況進(jìn)行評(píng)價(jià)等等。

光差保護(hù)和高頻保護(hù)作為不同原理的線路主保護(hù)是一種過渡性的配置。鑒于當(dāng)前新建變電站一般都不采用旁路接線方式和光纖網(wǎng)逐步建立完善、光通道的雙重化得以實(shí)現(xiàn)，制約光差保護(hù)在實(shí)際中應(yīng)用的不利因素越來越少，這樣的過渡配置方案也會(huì)相應(yīng)減少。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳衍.電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信應(yīng)用層協(xié)議.北京：水利電力出版社，2017

[2]朱義勇.電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化文件匯編. 上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2016

[3]關(guān)于地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用功能實(shí)施的基礎(chǔ)條件和開展步驟的幾點(diǎn)意見. 北京：水利電力出版社，2007

[4]于而鏗.電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì).北京：水利電力出版社，2015

[5]山東魯能積成電子公司.PAS技術(shù)說明書