輸電線路繼電保護問題研究

康驥

摘 要：輸電線路擔負著傳送電能、聯系系統和用戶的重要任務，是電力系統的重要元件，但是在組成電力系統的各部分中，它的運行條件最為惡劣，發生事故的概率也比其他設備高得多，經常發生暫時性故障，它們的繼電保護尤其重要。文章主要針對輸電線路故障產生原因、輸電線路常用繼電保護方式和輸電線路繼電保護的新進展進行了研究。

關鍵詞：輸電線路；故障原因；繼電保護；發展趨勢

中圖分類號：TM773 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）21-0081-02

繼電保護是維護電力系統的重要手段之一，對于保障電力系統的正常運行有著非常重要的作用。隨著對電力技術的發展及對電網繼電保護的不斷研究，電網繼電保護有了新的發展，并逐步走向成熟。作為電網安全穩定運行的第一道防線，繼電保護時刻都發揮著至關重要的作用。

1 輸電線路故障原因分析

凡是需要電能的地方就要架設輸電線路，輸電線路所經路段地形復雜多樣，而且覆蓋的地域廣闊會受到各種因素的影響。受自然條件、設備及人為因素影響，輸電線路可能會發生各種各樣的故障，主要有雷擊跳閘故障、線路覆冰、風偏閃絡故障、鳥害故障等自然故障，外力破壞造成的導線的斷股、損傷和閃絡燒傷故障和員工誤操作產生的故障等。

1.1 雷擊跳閘故障

輸電線路覆蓋區域廣闊、運行情況復雜、數量眾多，而且一般地處曠野，在這些空曠的區域，輸電塔和輸電線一般是最高的建筑，極有可能遭受雷擊。在雷雨季節，無論是架空線上受到雷電感應或是雷電直接擊中避雷線、輸電線路都將在輸電線路上產生雷擊過電壓。若線路的絕緣水平太低或防雷保護措施不力，就會發生各種形式的雷擊跳閘故障。

雷擊事故雖然與雷擊線路原因有較大關系，但設備的缺陷、線路的布置也極有可能加劇雷擊事故的危害。導致輸電線路雷擊跳閘故障的具體原因有以下幾點：①線路位于雷擊活動強烈區。雷電是雷擊事故的最直接原因，如果線路處于雷擊活動強烈區，可能會使輸電線路遭受雷電的重復打擊。②線路絕緣水平低。線路絕緣是雷擊時的第一層保障，絕緣水平不夠將直接增加線路受雷電打擊時發生故障的概率。③線路布置不合理。避雷線布置不當，保護角偏大時，會發生避雷線失效，讓雷直接擊到導線上。此外，當輸電線路互相交叉或跨越電壓較低線路時，如果不能保證上下兩根導線的垂直距離也可能由于兩根線路的電勢差而發生交叉點閃絡現象。

1.2 外力破壞跳閘故障

近年來，隨著電網的不斷發展，輸電線路所經區域擴大，安全運行也面臨著更多的問題。除了前面提到的雷擊等自然原因外，外力破壞也嚴重威脅著輸電線路的安全運行。

輸電線路外力破壞主要來源有以下幾種：①違章施工作業。施工企業的管理還不健全，為了追求快速完成工程，施工企業對輸電線路的保護不會也不可能面面俱到，導致挖斷電纜、撞斷桿塔的事故時有發生，不僅對電力部門造成了損失，也埋下了施工安全隱患。②違章建筑、超高樹木。違章建筑和樹障威脅著電力線路的安全運行。一些單位和個人違反國家法律法規，擅自在電力設施保護區內違章建房，違章種樹。當輸電線和房屋、樹木之間的距離達不到安全距離要求時，輸電線路就會放電造成跳閘故障，給電力系統可靠性帶來了很大的不確定因素，并對周圍的建筑、設備或人員構成危害。

1.3 人為原因故障

雖然目前電力系統的自動化水平越來越高，但為了確保其穩定性，工作人員仍然具有手動控制電網部分線路的權限。如果發生誤判斷而導致錯誤操作時也將可能給電力系統造成很大危害。

2 常用輸電線路繼電保護及其評價

2.1 電流保護

由于電流速斷不能保護線路全長，限時電流速斷不能作為相鄰設備的后備保護，為了保證迅速有選擇的切除故障，常將電流速斷、限時電流速斷和過電流保護組合在一起，構成三段式電流保護，這里所說的電流保護就是三段式電流保護。實際應用中，可以只采用速斷加過電流保護，或限時速斷加過電流保護，也可以三種保護同時使用。

2.1.1 電流保護動作過程

如圖1所示是一個典型的單電源電路，線路中保護1，2，3，4相互配合構成三段式電流保護。每段線路的Ⅱ段電流保護都和下一段線路的Ⅰ斷電流保護相互配合，并有0.5 s左右的延時。Ⅲ段電流保護和下一段電路的Ⅲ段電流保護配合，延時0.5～1 s。

當電路發生故障或者出現過負荷等異常、危急用電用戶生命財產安全情況時，繼電保護是通過有時限和無時限等動作來進行輸電線路安全保護的，在極短的時間內做出根據線路反映的信號做出相應的跳閘動作，以保證用戶用電的安全。例如，電路中CD段發生故障時，應首先由保護2動作，如果保護2失靈或斷路器拒動則應延時0.5 s或1 s啟動保護3，這樣就能保證保護2正常工作時，保護3不會發生誤動。

2.1.2 電流保護評價

階段式電流保護裝置簡單，保護接線、調試和整定計算都因其較簡單而不易出錯，因此可靠性比較高。無限時電波速斷保護的選擇性靠動作電流來保證，帶時限電流速斷保護和過電流保護的選擇性則由動作時限來保證。由這3種電流保護組合成階段式電流保護用于單側電源電網能保證選擇性，而在多電源網絡或單電源環網，一般很難滿足選擇性的要求。

此外，電流保護也存在其他問題，如無時限電流速斷不能保護線路全長，其保護范圍和帶時限電流速斷保護的靈敏度受系統運行方式的影響較大。當系統運行方式變化很大時，往往不能滿足靈敏度要求。過電流保護作為本線路的后備保護，一般情況下能滿足要求，但在長重負荷線路上，因線路最大負荷電流與線路末端最小短路電流接近，也往往難以保證靈敏度要求。

2.2 橫縱聯差動繼電保護

在現代的高壓（220 kV及以上）輸電系統中，為了保證系統運行的穩定性，在很多情況下都要求保護能無延時地切除被保護線路任何點的故障。前面介紹的電流保護并不能滿足這個要求，為了解決這一問題就必須采用新的保護原理——差動保護。

2.2.1 差動保護原理

差動保護是利用基爾霍夫電流定理工作的，當輸電線路正常工作或區外故障時，則流入輸電線路的電流和流出電流相等，差動繼電器不動作。當本級輸電線路內部故障時，兩側（或三側）向故障點提供短路電流，差動保護感受到的二次電流和的正比于故障點電流，差動繼電器動作。

如圖2所示，如果內部發生故障，流入繼電器的電流等于短路點的總電流。即：Ij=I2'-I2"，當流入繼電器的電流大于動作電流，保護動作斷路器跳閘。發生外部故障或正常運行時，I2'=I2"，流入繼電器的電流為0，差動保護不動作。

2.2.2 橫縱聯差動保護評價

按照接線方式的不同，差動保護又可以分成縱聯差動保護和橫聯差動保護兩大類。下面對它們的主要特點進行具體分析。

①縱聯差動保護評價。縱聯差動保護是通過比較線路兩端電流的大小和相位來判斷區內或區外故障，因此該保護比起單從裝設保護的一側觀察故障現象的電流保護和距離保護來說，在選擇性、靈敏性以及快速性上都具有后者無可比擬的性能。在原理上保證了縱聯差動保護在外部發生故障時不會動作，具有明確的選擇性。在采用措施減少不平衡電流對縱聯差動保護的影響下，使保護的靈敏度大大提高。縱聯差動保護能做到全線速動。但是，縱聯差動保護的投資成本相對較高，不適合應用于長距離的輸電線路中，只有在輸電線路上其他保護不能滿足要求時，線路長度不超過允許范圍情況下，才考慮采用縱聯差動保護。

②橫聯差動保護評價。在雙回線路中，使用橫聯繼電保護能對發生故障的線路進行及時、快速地切斷，保證輸電線路的安全性，而且接線的工序也比較簡潔，技術要求比較低，優勢十分明顯，但是缺點也十分突出，橫聯差動保護是均存在相繼動作區，如在相繼動作區將橫聯差動保護運用在單回線路中的主保護或雙回線的后備保護，除了雙回線原本配置的繼電保護外，還要在此基礎上配置一套三段式的電流或距離保護，這樣一來，安全保護的成本也會增多，不利于提高電力企業的生產效率。

3 輸電線路繼電保護新進展

3.1 網絡化

利用站內和電網信息共享，實現站內主保護和后備保護的統一協調配置，解決單元保護由于信息不完備及電壓靈敏度不足帶來主保護誤動和拒動的問題，同時提高后備保護的動作性能。取消后備保護的定值，實現后備保護的在線整定以及網絡化。

3.2 智能化

通過參數識別和電網信息共享，及時跟蹤系統的工作狀態，多種保護原理配合工作，通過保護原理自適應、保護動作特性自適應，使繼電保護始終工作在性能最佳的狀態。

3.3 保護、控制、測量、通信一體化

智能電網為繼電保護的發展提供良好的硬件環境，繼電保護將向著保護、控制、測量以及通信一體化方向發展。

4 結 語

對規模越來越大的輸電網絡和輸電線路來說，如何保證其在輸電的過程中電力運行的安全以及個人、企業的安全、放心用電是值得我們重視的。繼電保護是確保輸電線路安全可靠運行的重要保障，因此研究人員還需進一步加強對繼電保護的研究。

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