淺析110 kV線路保護的配置及原理

張 輝錢 怡

0 引言

隨著計算機技術及光纖通信技術的發展，縣級供電企業110 kV線路保護的配置也發生了變化，由原來的距離保護和零序保護的配置逐漸過渡到以光纖縱聯保護為主保護的發展階段。本文就110 kV線路保護配置情況和保護原理做一些分析。

1 110 kV線路保護的配置

110 kV線路保護的配置目前有2種：（1）三段式距離保護和四段式零序保護相互配合作為線路的保護，這2種保護本身具有主保護和后備保護的功能，存在的問題是它們瞬時動作的一段不能保護線路全長；（2）以光纖縱聯差動保護作為主保護，能夠瞬時動作于全線范圍內的故障，以三段式距離保護和四段式零序保護作為后備保護，保證了全線范圍內的快速性和可靠性。

2 三段式距離保護

2.1 距離保護的基本概念

根據系統短路時電壓下降、電流增大的特性，可以設想，如果能使保護裝置反映電壓和電流的比值（譆/魳）而工作，則它勢必比單一的電流或電壓保護有更高的靈敏度，譆/魳是一個阻抗，系統正常工作時，保護裝設處的電壓為系統的額定電壓譆，輸電線路的電流為負荷電流魳，比值譆/魳基本上反映了負荷阻抗（輸電線路的阻抗所占比重很?。?。發生短路故障時，保護裝設處母線的電壓為殘余電壓譆cy，輸電線路中流過短路電流為魳dl，這時的譆/魳顯然反映了保護裝設處到短路點的線路阻抗。短路點離得愈近，此阻抗愈??；離得愈遠，則阻抗愈大?？梢姽收蠒r譆/魳實質上反映了短路點到保護裝設處之間的距離。

用于測量故障點至保護裝設點之間阻抗（或距離）的繼電器，稱為阻抗繼電器。系統正常工作時，阻抗繼電器所測為負荷阻抗，不應動作，只有在發生短路而且短路點離保護裝設處又比較近（即在其保護區內）時，阻抗繼電器才動作。因此，它是一種反應參數降低而動作的繼電器。由測量故障點距離的阻抗繼電器而構成的保護裝置，稱為距離保護，亦稱阻抗保護。

2.2 距離保護的時限特性

距離保護的動作時間t與故障點至保護裝設處之間的距離Z（或阻抗Z）之間的關系，稱為距離保護的時限特性。為了滿足選擇性和快速性的要求，目前廣泛采用具有3個動作范圍、3種動作時限的三段式時限特性。距離保護的第Ⅰ段作為主保護，保護線路的全長。但實際上，測量元件對本線路的末端故障和下一線路的始端故障是不可能區別出來的。如果要求第Ⅰ段的保護范圍達到線路的全長，則在下一線路的始端短路時，就會造成無選擇性動作。所以，瞬時動作的第Ⅰ段，不能保護線路的全長。考慮到阻抗繼電器和互感器的誤差，其保護范圍一般只能達到線路全長的80%～85%，這是距離保護的一個嚴重缺點。距離保護的第Ⅱ段主要用來彌補第Ⅰ段的不足，保護線路末端15%～20%范圍的故障。按照選擇性的要求，其動作時限應比下一條線路距離Ⅰ段的高出一個Δt，而保護范圍延伸至下一條線路的部分，應小于下一條線路距離Ⅰ段的保護區。距離Ⅱ段和下一線路距離Ⅰ段相配合的結果是其保護范圍將延伸至下一線路始端的30%～40%處，動作時限為0.5 s。距離保護的第Ⅲ段一般用作下一條線路的保護或斷路器拒動時的后備保護，同時也是本線路距離保護的第Ⅰ段和第Ⅱ段的后備。距離Ⅲ段的動作阻抗按小于正常運行時的最小負荷阻抗來整定，這樣，在正常運行時是不會動作的。作為后備保護，在下一條線路末端短路時，距離Ⅲ段應有足夠的靈敏度。因此，它的保護范圍應包括本線路和下一線路的全部甚至更遠，而它的動作時限則比下一線路距離Ⅲ段的時限還要高一個Δt。即Ⅰ段：0 s保護本線路的80%～85%。Ⅱ段：0.5 s保護本線路末端15%～20%至下一段線路首端的30%～40%的地方。Ⅲ段：保護本線路及下一段的全部甚至更遠。

3 四段式零序保護

我國110 kV及以上電壓等級的電網均采用大接地電流系統，中性點直接接地，發生單相接地故障時，接地相對地電壓為0，其他兩相對地電壓不變，三相電壓不平衡，三相電壓相量和不為0，產生了零序電壓；接地相產生很大短路電流，其余兩相為正常負荷電流（忽略負荷電流時為0），三相電流相量和不為0，產生了零序電流。所以產生零序電壓和零序電流是中性點直接接系統發生接地故障時最顯著的特點。通過獲取接地故障時產生的零序分量構成專門的接地保護，稱為零序保護。

零序保護通常采用四段式保護，零序Ⅰ段的動作電流整定時應考慮如下因素：（1）應躲過被保護線路末端發生接地故障時可能出現的最大不平衡電流；（2）還應躲過由于三相斷路觸頭不同時合閘所出現的最大零序電流；（3）當保護中采用單相或綜合自動重合閘時，還應考慮到非全相運行時電力系統發生振蕩情況下產生的巨大零序電流。按條件（1）和（2）確定的零序Ⅰ段為靈敏零序Ⅰ段，按條件（3）確定的零序Ⅰ段為不靈敏的零序Ⅰ段，在自動重合閘裝置動作時自動閉鎖靈敏零序Ⅰ段，投入不靈敏零序Ⅰ段。零序Ⅰ段只能保護線路的一部分。

零序Ⅱ段的動作電流應和相鄰下一線路零序Ⅰ段保護動作值相配合，動作時限應比相鄰下一線路零序Ⅰ段時限長一個時限級差，零序Ⅱ段能保護線路全長。零序Ⅲ段即零序過電流保護與相間短路的過電流保護相似，用作本線路接地故障的近后備和相鄰下一線路接地故障的遠后備。動作電流應按躲過相鄰下一線路相間短路時流過本保護的最大不平衡電流來確定。動作時限也是按階梯形時限配合原則確定。零序Ⅳ段作為相鄰線路的遠后備，并且保證在本線路末端經特大過渡電阻接地時，保護仍有足夠的靈敏度。

4 光纖縱聯差動保護

4.1 光纖縱聯保護的引入

前面分析的距離、零序保護，其瞬時動作的Ⅰ段都不能保護線路的全長，要在全線范圍內快速切除故障，必須在首尾兩端發生聯系，即縱的方向上發生聯系，這樣就構成了線路的縱聯保護。光纖縱聯差動保護是利用光導纖維作為通信通道來比較兩側電流的保護裝置，兩側保護對本側的電流進行采樣，濾波后轉換為數字量，通過光纖通道送至對側，各側保護根據本側和對側電流計算差動電流，根據結果判別區內還是區外故障，區內故障時瞬時動作，切除故障，區外故障時，制動保護。

4.2 光纖通道的特點

光纖縱聯保護目前之所以能夠在110 kV線路上得到廣泛應用，一方面因為它能夠瞬時動作，并能夠保護線路全長，另外其光纖通道具有以下優點：（1）通信容量大。一根光纖可同時傳送150萬路電話或幾千路彩色電視信號。（2）抗干擾能力強。玻璃材料是絕緣介質，不受強電場和雷電的干擾。（3）原料資源豐富。二氧化硅在土層中含量約50%。（4）線路架設方便。質量輕、體積小，光纜可以在各種地形條件下敷設，架設十分方便，將光纖通信線路與電力線路結合在一起建設，更加方便快捷。

4.3 保護原理

保護裝置對電流互感器二次側的電流經交流采樣、模數轉換后，保護CPU單元對信號進行濾波處理，并將濾波后的電流數字量傳送給通信CPU單元，同時保護CPU單元也將接收通信CPU經同步調整后的對側電流數字量，并與本側電流數字量進行比較判斷決定是否發出口命令。通信CPU單元的作用是將本側的數字量經并/串轉換后將信號傳向對側，并接收對側的數字量，經串/并轉換，同時根據兩側的信息進行電流的同步調整。其動作判據如式（1）（2），兩式同時滿足時即可跳閘。

式（1）為基本判據，ICD表示線路電容電流或者定值。式（2）為主判據，具有制動特性，制動量隨兩側電流大小、相位而改變。區內故障時，若Im=In，則制動量為0，動作最靈敏，區外故障，Im=-In，制動量≥動作量，保護可靠不動作。

光纖縱聯差動保護原理簡單，不受系統振蕩、線路串補電容、平行互感、系統非全相運行、單側電源運行方式的影響，差動保護本身具有選相能力，保護動作速度快，最適合作為主保護。

5 結語

110 kV線路在縣級供電企業中已成為主供電網絡，而其保護配置分為2種情況，在目前的網絡中都有應用，用戶可根據網絡以及經濟情況進行選擇。作為變電運行人員和繼電保護人員一定要掌握其原理和應用，在發生故障時快速進行處理，這樣才能保證電網的安全可靠運行。

［1］鄭志磊.110 kV線路保護配置［J］.科技傳播，2010（8）

［2］馬燕.淺談光纖在繼電保護中的應用［J］.神州，2011（29）