特高壓輸電線路繼電保護(hù)特殊問題的研究

宋佳信

（國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司±800 千伏伊克昭換流站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016200）

引言

特高壓輸電線路的接線是繼電保護(hù)的重要組成部分。鑒于特高壓輸電線路的特殊性，其繼電保護(hù)同樣存在許多問題。為了充分利用和發(fā)展特高壓技術(shù)，必須對(duì)其進(jìn)行研究，以解決已發(fā)現(xiàn)和尚未發(fā)現(xiàn)的問題。這樣才能保障人民生活的正常運(yùn)行，保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

由于特高壓交流輸電線路一般承擔(dān)著兩大電網(wǎng)同步運(yùn)行的連接任務(wù),其重要性高于一般電壓等級(jí)的輸電線路,因此為了保證線路的正?？煽窟\(yùn)行,必須配備兩套完全獨(dú)立的維電保護(hù)裝置。但是,每種繼電保護(hù)方法都存在自身特有的缺點(diǎn),所以必須對(duì)繼電保護(hù)的配置方法進(jìn)行研究,確定其保護(hù)配置的基本原則。

一、特高壓輸電線路繼電保護(hù)的重要性以及原理

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和工業(yè)化水平的不斷提高，電力需求也在不斷增長(zhǎng)。高壓輸電技術(shù)已難以滿足未來電力需求。因此，特高壓輸電技術(shù)是我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。應(yīng)用特高壓輸電技術(shù)不僅可以滿足電力增長(zhǎng)的需要，還可以減少電網(wǎng)投資，優(yōu)化資源配置，降低線損，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。特高壓輸電線路可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大容量傳輸，節(jié)約了線路走廊的成本。但在特高壓輸電線路的建設(shè)過程中，經(jīng)常會(huì)遇到系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，繼電保護(hù)技術(shù)是保證特高壓輸電線路穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，為了保證特高壓輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須合理地采用特高壓繼電保護(hù)技術(shù)和措施。特高壓輸電線路整線任務(wù)是為了保證繼電保護(hù)的靈敏度和速度等級(jí)，使繼電保護(hù)具有足夠的選擇性和安全性，以實(shí)現(xiàn)其基本功能。

從繼電保護(hù)的原理看,在電力系統(tǒng)出現(xiàn)短路或線路故障燈問題時(shí)特高壓輸電線路的繼電保護(hù)可以結(jié)合電氣量的變動(dòng)情況發(fā)揮功能,其中電氣量信息涵蓋電流、電壓、功率等參數(shù)。一般來說,不管是哪類參數(shù)發(fā)生變化,繼電保護(hù)功能都要做好測(cè)量、邏輯、執(zhí)行三方面故障。確保電力系統(tǒng)的靈敏性,電網(wǎng)設(shè)備或線路出現(xiàn)短路現(xiàn)象時(shí)，可借由繼電保護(hù)整定，根據(jù)繼電保護(hù)對(duì)應(yīng)保護(hù)的最小靈敏度系數(shù)，規(guī)定動(dòng)作；若保證系統(tǒng)的選擇性，則可在線路發(fā)生故障時(shí)，規(guī)定動(dòng)作。先由故障設(shè)備、線路自身切斷故障所在位置的線路流通并針對(duì)性解決相關(guān)問題,只有在自身無(wú)法應(yīng)對(duì)時(shí)才會(huì)向其余的保護(hù)設(shè)備發(fā)出求助信號(hào)從而切斷故障。除此之外,繼電保護(hù)所表現(xiàn)出的速動(dòng)性則指由于其在保護(hù)電力系統(tǒng)方面具有專業(yè)性特征,因此可以在需要執(zhí)行保護(hù)指令時(shí)迅速反應(yīng),確保實(shí)時(shí)性。

二、特高壓輸電線路繼電保護(hù)的現(xiàn)狀

現(xiàn)代社會(huì)在不斷進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)條件在不斷改善，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求也越來越高。隨著電網(wǎng)電壓水平的提高，電網(wǎng)的運(yùn)行需要承擔(dān)大量的任務(wù)和巨大的壓力。但是，目前各國(guó)特高壓輸電線路建設(shè)都處于起步階段，只能低電壓運(yùn)行，我國(guó)的前期研究雖然取得了一些成績(jī)，但也遇到了不少困難。研究結(jié)果表明：分布電容會(huì)產(chǎn)生較大的電容電壓，高頻元件短路時(shí)頻率與工頻非常接近，非周期元件短路時(shí)衰減常數(shù)很大，因此，要認(rèn)識(shí)特高壓線路保護(hù)的現(xiàn)實(shí)意義，就必須從保護(hù)原理和保護(hù)可靠性兩方面論證和改進(jìn)保護(hù)策略。

三、特高壓輸電線路繼電保護(hù)配置原則

（一）不同原理的完全雙重化

特高壓交流輸電線路的保護(hù)配置原則與特高壓輸電線路相似，但要求更高。其要求是保證完全、100%雙備、近備，即兩套主要保護(hù)必須高度獨(dú)立，保護(hù)配置必須高度冗余。雙主保護(hù)需要從Ta 和TV 交流輸入，接線盒、電纜、直流電源、跨接線圈、保護(hù)屏和通信通道應(yīng)完全分開，彼此獨(dú)立。上述任何一種情況都不包括100%的二元或近似準(zhǔn)備金。此外，還應(yīng)設(shè)置遠(yuǎn)程備用和斷路器故障保護(hù)，以保證遠(yuǎn)程備用的靈敏度。應(yīng)采取措施，減少故障的發(fā)生，如雙母線分總成作業(yè)。

直流電源也需要雙重化,意思是要配備兩套蓄電池或者兩條獨(dú)立的直流母線。與此同時(shí),兩套主保護(hù)需要各自接于各自的直流母線上來保證雙重化。并且,當(dāng)某條直流母線/某套蓄電池組發(fā)生故障時(shí),需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換來保證持續(xù)供電。必須防止由于單條直流母線故障而引起相關(guān)保護(hù)的拒動(dòng)作或誤動(dòng)作。根據(jù)上所得要求和原則,特高壓交流輸電線的繼電保護(hù)必須配備兩套主保護(hù),其中一套同時(shí)需要滿足快速切除全線故障并作為相鄰線路遠(yuǎn)后備的功能。此外,在裝有單相自動(dòng)重合闡的斷路器斷開后的非全相狀態(tài)下出現(xiàn)非全相震蕩時(shí),必須至少有一套保護(hù)不誤動(dòng)并可反映健全相故障。

（二）防止誤操作的保護(hù)

由于IC 保護(hù)系統(tǒng)硬件復(fù)雜度高，元件數(shù)量多，保護(hù)元件的可靠性將以拒動(dòng)為主，拒動(dòng)原因主要是線路故障或元件損壞。具有較高的單片機(jī)保護(hù)集成度，減少了電子元器件數(shù)量，降低了損壞概率和拒動(dòng)概率，但一般情況下由于干擾造成的誤動(dòng)。對(duì)于傳輸線來說，正常運(yùn)行是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)短時(shí)故障。因此保護(hù)誤動(dòng)(長(zhǎng)期狀態(tài))比故障(短期狀態(tài))更令人擔(dān)憂。此外，微機(jī)還可以對(duì)大量數(shù)字碼進(jìn)行連續(xù)處理和傳輸。任意一個(gè)碼段，特別是高位碼段，在內(nèi)部和外部干擾下進(jìn)行處理和傳輸，將影響保護(hù)的正常運(yùn)行。也就是說，高冗余度是確保繼電保護(hù)可靠運(yùn)行的必要條件。

（三）自動(dòng)重合閘配合與保護(hù)裝置

自動(dòng)重合閘是保證線路安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。繼電保護(hù)的方法有很多種。不同的配合方式對(duì)繼電保護(hù)性能有不同的影響。對(duì)于特高壓交流線路，減少兩側(cè)斷路器的時(shí)差，可限制運(yùn)行過電壓，一般可控制在40～50ms，同樣，必須規(guī)定自動(dòng)重合閘的最大時(shí)差。為確保兩端接線的時(shí)間不超過規(guī)定，特高壓輸電線路中斷路器的接線應(yīng)采用半自動(dòng)方式。

（四）并聯(lián)反應(yīng)器的原理及安裝

雙重反應(yīng)器的轉(zhuǎn)換應(yīng)根據(jù)操作進(jìn)行。但是斷路器斷開后，必須立即啟動(dòng)并聯(lián)電抗器，以防止過電壓和消弧。為了提高并聯(lián)電抗器的可靠性，必須對(duì)其進(jìn)行特殊的保護(hù)，并聯(lián)電抗器與消弧電抗器同樣適用。并聯(lián)式和消弧式電抗器應(yīng)經(jīng)常保持安全運(yùn)行。滅弧電抗器發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)同時(shí)發(fā)出跳動(dòng)信號(hào)和保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)，以便在發(fā)生故障時(shí)能夠迅速地將其投入并聯(lián)電抗器和滅弧電抗器。此外，反應(yīng)器的下一動(dòng)作電流需要通過單相自動(dòng)重合閘來判斷。防弧開關(guān)合閘時(shí)，如果電流在互感器上，表明變壓器防弧工作正常，那么就應(yīng)該立即縮短防弧開關(guān)合閘時(shí)間。

（五）斷路器失靈保護(hù)

特高壓輸電線路上的斷路器與一般輸電線路一樣，需要設(shè)置故障保護(hù)裝置，防止發(fā)生故障。但是，由于特高壓輸電線路傳輸距離長(zhǎng)，其故障保護(hù)啟動(dòng)元件的靈敏度較低。特別是在將本線保護(hù)作為下一級(jí)線路保護(hù)的遠(yuǎn)距離備份時(shí)，要求下一級(jí)線路末端出現(xiàn)故障時(shí)，當(dāng)線路拒動(dòng)、本線開關(guān)拒跳時(shí)，故障保護(hù)的啟動(dòng)元件應(yīng)有足夠的靈敏度。對(duì)于高靈敏度的要求也決定了故障保護(hù)應(yīng)采用多點(diǎn)啟動(dòng)原則。

四、特高壓輸電保護(hù)算法的研究

目前輸電線路上繼電保護(hù)裝置廣泛采用的是基于工頻電氣量的，而光纖通信技術(shù)以及硬件的快速發(fā)展為基于暫態(tài)電氣量的繼電保護(hù)提供了有力的技術(shù)支持。無(wú)論是基于工頻量還是暫態(tài)量的繼電保護(hù)，繼電保護(hù)算法均是實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)節(jié)中不可或缺的一部分。特高壓輸電線路的電氣特性不同于其他電壓等級(jí)，且特高壓輸電在聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中具有特殊地位，繼電保護(hù)算法的作用變得更加重要。因此，對(duì)特高壓輸電保護(hù)算法的研究一直是國(guó)內(nèi)外電力工作者的研究重點(diǎn)之一。

（一）特高壓輸電電流差動(dòng)保護(hù)算法

電流差動(dòng)保護(hù)原理自19 世紀(jì)初提出以來，便被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中。我國(guó)第一條特高壓輸電線路的主保護(hù)之一就是采用電流差動(dòng)縱聯(lián)保護(hù)原理。電流差動(dòng)保護(hù)原理具有絕對(duì)的選擇性，且基本不受過渡電阻的影響，同時(shí)不受系統(tǒng)運(yùn)行方式變化和系統(tǒng)振蕩的影響。隨著特高壓輸電線路的發(fā)展，電流差動(dòng)保護(hù)遇到了新的問題和挑戰(zhàn)，將其用于特高壓長(zhǎng)距離輸電線路繼電保護(hù)時(shí)，線路分布電容電流的影響已不能忽略。在保證區(qū)內(nèi)故障保護(hù)靈敏可靠動(dòng)作的同時(shí)，還需要正常運(yùn)行和區(qū)外故障時(shí)保護(hù)可靠不動(dòng)作。電容電流補(bǔ)償算法基本消除了分布電容電流對(duì)電流差動(dòng)保護(hù)的影響，為提高電容電流補(bǔ)償?shù)木_度以及自適應(yīng)能力，對(duì)補(bǔ)償算法的改進(jìn)措施逐漸被提出。

（二）特高壓輸電線路的暫態(tài)過程分析

特高壓輸電線路發(fā)生故障時(shí)暫態(tài)過程非常嚴(yán)重，目前實(shí)際應(yīng)用的傅氏算法計(jì)算測(cè)量阻抗時(shí)誤差較大，更容易造成距離保護(hù)的暫態(tài)超越。距離保護(hù)通常采用濾波或者延時(shí)的方法來防止暫態(tài)超越，傳統(tǒng)的距離保護(hù)方案在特高壓系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)問題，容易導(dǎo)致正向區(qū)外故障時(shí)測(cè)量阻抗落入整定范圍的持續(xù)時(shí)間超過時(shí)間繼電器定值，造成保護(hù)無(wú)法躲過超越而誤動(dòng)；目前有學(xué)者通過理論推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算對(duì)特高壓輸電線路故障時(shí)的暫態(tài)特征進(jìn)行了研究，在得到暫態(tài)噪聲分量的各頻率成分特性及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了一種直觀的估計(jì)特高壓輸電線路故障暫態(tài)特征的估算方法，能較準(zhǔn)確的對(duì)暫態(tài)特征進(jìn)行定量分析，為更好的認(rèn)識(shí)暫態(tài)過程和論文后續(xù)研究保護(hù)特性及濾波算法提供基礎(chǔ)。

（三）Prony 算法在電力系統(tǒng)信號(hào)分析中的應(yīng)用

暫態(tài)保護(hù)的難點(diǎn)在于算法的使用，隨著提取電力系統(tǒng)暫態(tài)信號(hào)算法的逐步發(fā)展，對(duì)研究自適應(yīng)重合閘的故障選相環(huán)節(jié)和故障性質(zhì)辨識(shí)是一個(gè)質(zhì)的突破。目前分析暫態(tài)信號(hào)的方法有數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、希爾伯特-黃變換、相關(guān)分析法、小波算法和Prony 算法等以及上述算法的各種改進(jìn)算法。Prony 算法具有準(zhǔn)確提取信號(hào)頻率、幅值、相位以及衰減因子的能力，這是其它算法無(wú)法做到的。且Prony 算法需求的數(shù)據(jù)少，計(jì)算量小，對(duì)電力系統(tǒng)中的高階信號(hào)也非常適用。

（四）特高壓交流輸電線路其他保護(hù)原理的研究

1.距離保護(hù)

距離保護(hù)是電力系統(tǒng)輸電線路中應(yīng)用最廣泛的保護(hù)原理之一，在超、特高壓遠(yuǎn)距離輸電線路上廣泛釆用距離保護(hù)作為線路的后備保護(hù)，有的線路還釆用距離縱聯(lián)保護(hù)作為超、特高壓線路的主保護(hù)。

2.行波保護(hù)

由于特高壓輸電線路是聯(lián)合系統(tǒng)或全國(guó)統(tǒng)一電網(wǎng)的骨架，故其對(duì)繼電保護(hù)裝置的性能和可靠性要求極高?；舅枷胧牵赫蛐胁ㄓ删€路一端經(jīng)時(shí)間傳播至線路另一端變成其波形幾乎不變，工頻量電流差動(dòng)保護(hù)相比，行波差動(dòng)保護(hù)使用了比較完整的行波故障信息，動(dòng)作迅速，不受分布電容電流的影響。

結(jié)束語(yǔ)

總而言之，隨著電力需求的不斷增加，高壓輸電線路已經(jīng)很難滿足當(dāng)今社會(huì)的用電需求。這種特性使得特高壓輸電線路的應(yīng)用越來越廣泛，繼電保護(hù)是特高壓輸電線路穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此對(duì)特高壓輸電線路繼電保護(hù)技術(shù)及措施進(jìn)行分析具有重要意義。