常見 220kV 高頻縱聯保護拒動分析

李霄 李璐

摘 要：通過對一次保護動作行為分析，發現光差保護和高頻縱聯保護作為線路主保護這一配置方案下高頻保護因延時而“拒動”的現象，進而以南瑞 RCS-902A 保護為例，對高頻縱聯保護在故障情況下的動作延時進行了詳細的分析研究。建議在有條件的情況下，線路主保護避免采用此類保護配置方案。

關鍵詞：220kV；高頻保護；拒動分析

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，交換兩側電流信息的光纖差動保護得到越來越廣泛的應用。從光纖差動原理及多年的使用經驗來看，光纖差動保護有著區內故障判別準確靈敏、動作速度快、光設備及光通道相對簡單可靠等無可比擬的優點，光差保護大有替代高頻縱聯保護作為線路主保護的趨勢。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，在不少實際應用中采用了一套光差保護和一套高頻保護共同作為線路主保護的方案。然而這兩種不同原理保護動作速度有時相差較大，從而出現了高頻保護“拒動”的問題。本文結合一次故障中保護的動作行為予以分析。

2.高頻保護的工作原理

2.1工作原理

高頻保護是以輸電線載波通道作為通信通道的縱聯保護。高頻保護廣泛應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限快速原理保護。其基本原理是利用輸電線路本身構成一高頻（載波）電流的通道，將線路兩端的電流相位（或功率方向）轉化為高頻信號，將此信號送至對端，進行比較，以區分保護范圍內部和外部的故障。由于它不反應于被保護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，故可不帶動作延時。

為了實現高頻保護，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，具有一定程度的安全性和可靠性，過去是我國電力調度和繼電保護最普遍使用的通道。對繼電保護來說分專用和復用通道兩種：專用通道一般為閉鎖式，用相—地耦合；復用通道一般為允許式，采用相—相耦合。

利用“導線――大地”作為高頻通道是最經濟的方案，因為它只需要在一相線路上裝設構成通道的設備，目前在我國得到了廣泛的應用。它的缺點是高頻信號的衰耗和受到的干擾都比較大。 輸電線路高頻保護所用的載波通道，其簡單構成如圖1所示，其構成包括阻波器、結合電容器、連接濾波器、高頻電纜和高頻收發信機。

2.2系統構成

1.阻波器

阻波器是由一電感線圈與可變電容器并聯組成的回路。由其并聯后的阻抗 Z 與頻率的關系可以看出，當并聯諧振時，它所呈現的阻抗最大。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，高頻信號就被限制在被保護輸電線路的范圍以內，而不能穿越到相鄰線路上去。但對 50 周的工頻電流而言，阻波器僅呈現電感線圈的阻抗，數值很小（約為 0.04Ω 左右），并不影響它的傳輸。

2.結合電容器

結合電容器與連接濾過器共同配合，將載波信號傳遞至輸電線路，同時使高頻收發信機與工頻高壓線路絕緣。由于結合電容器對于工頻電流呈現極大的阻抗，故由它所導致的工頻泄漏電流極小。

3.連接濾波器

連接濾波器由一個可調節的空心變壓器及連接至高頻電纜一側的電容器組成。 結合電容器與連接濾波器共同組成一個四端網絡的“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，而從電纜一側看入的阻抗，則應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的電磁波在傳送過程中發生反射，因而減少高頻能量的附加衰耗。 并聯在連接濾波器兩側的接地刀閘 6，是當檢修連接濾波器時，作為結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，近年按通信標準采用 75Ω，一是減少衰耗二是減少干擾。

5.高頻收、發信機

發信機部分系由繼電保護來控制，通常都是在電力系統發生故障時，保護部分起動之后它才發出信號，但有時也可以采用長期發信故障時停信或改變信號頻率的方式。由發信機發出的信號，通過高頻通道送到對端的收信機中，也可為自己的收信機所接收，高頻收信機接收由本端和對端所發送的高頻信號，經過比較判斷之后，再動作于繼電保護，使之跳閘或將它閉鎖。

高頻通道的工作方式可以分為經常無高頻電流（即所謂故障時發信）和經常有高頻電流（即所謂長期發信）兩種方式。 在這兩種工作方式中，以其傳送的信號性質為準，又可以分為傳送閉鎖信號、允許信號和跳閘信號三種類型。 所謂閉鎖信號就是指：“收不到這種信號是高頻保護動作跳閘的必要條件”。結合高頻保護的原理來看，就是當外部故障時，由一端的保護發出高頻閉鎖信號，將兩端的保護閉鎖，而當內部故障時，兩端均不發因而也收不到閉鎖信號，保護即可動作于跳閘。 所謂允許信號則是指：“收到這種信號是高頻保護動作跳閘的必要條件”。因此，當內部故障時，兩端保護應同時向對端發出允許信號，使保護裝置能夠動作于跳閘。而當外部故障時，則因近故障點端不發允許信號，故對端保護不能跳閘。近故障點的一端則因判別故障方向的元件不動作，也不能跳閘。 至于傳送跳閘信號的方式，就是指：“收到這種信號是保護動作于跳閘的充分而必要的條件”。實現這種保護時，實際上是利用裝設在每一端的電流速斷、距離 I段或零序電流速斷等保護，當其保護范圍內部故障而動作于跳閘的同時，還向對端發出跳閘信號，可以不經過其它控制元件而直接使對端的斷路器跳閘。采用這種工作方式時，兩端保護的構成比較簡單，無需互相配合，但是必須要求每端發送跳閘信號保護的動作范圍小于線路的全長，而兩端保護動作范圍之和應大于線路的全長。前者是為了保證動作的選擇性，而后者則是為了保證全線上任一點故障的快速切除。

根據傳送的高頻信號的性質和保護的原理，在電網中常采用高頻閉鎖式（允許式）方向（距離）保護，而比較兩側電流相位的相差保護很少采用。 高頻閉鎖式保護這種保護的工作原理是利用非故障線路的一端發出閉鎖該線路兩端保護的高頻信號，而對于故障線路兩端則不需要發出高頻信號使保護動作于跳閘，這樣就可以保證在內部故障并伴隨有通道的破壞時（例如通道所在的一相接地或是斷線），保護裝置仍然能夠正確地動作，這是它的主要優點，也是這種高頻信號工作方式得到廣泛應用的主要原因之一。該原理需要靈敏度不同的起信元件和停信元件，靈敏度較高得起動元件只用來起動高頻收發信機以發出閉鎖信號，而靈敏度較低的起動元件動作后，準備好跳閘的回路。除了高頻通道外，影響保護性能的主要因素是方向元件的選取。 此外，對于這種工作方式，當外部故障時在遠離故障點一端的保護，為了等待對端發來的高頻閉鎖信號，還必須要求低靈敏度起動元件帶一定的延時，這就降低了整套保護的動作速度。

高頻允許式保護在功率方向為正的一端向對端發送允許信號，此時每端的收信機只能接收對端的信號而不能接收自身的信號。每端的保護必須在方向元件動作，同時又收到對端的允許信號之后，才能動作于跳閘，顯然只有故障線路的保護符合這個條件。對非故障線路而言，一端是方向元件動作，收不到允許信號，而另一端是收到了允許信號但方向元件不動作，因此都不能跳閘。當方向元件由距離元件承擔時，其構成方式有 2 種：由距離保護Ⅰ段動作鍵控發訊的叫欠范圍允許式（PUTT），由距離保護Ⅱ或Ⅲ段鍵控發訊的叫超范圍允許式（POTT）。應當指出，以往的成套距離保護，附加適當的邏輯就構成縱聯保護，在微機保護中，由單獨的 CPU 構成獨立完整的縱聯保護。通常采用復用載波機構成允許式保護，一般采用鍵控移頻的方式。正常運行時，收信機經常收到對端發送的頻率為 f G 的監頻信號，其功率較小，用以監視高頻通道的完好性。當正向區內發生故障時，對端方向元件動作，鍵控發信機停發 f G 的信號而改發頻率為 f T 的跳頻（或稱移頻）信號，其功率提升，收信機收到此信號后即允許本端保護跳閘。允許式保護在區內故障時，必須要求收到對端的信號才能動作，因此就會遇到高頻信號通過故障點時衰耗增大的問題，這是它的一個主要缺點。最嚴重的情況是區內故障伴隨有通道破壞，例如發生三相接地短路等，造成允許信號衰減過大甚至完全送不過去，并將引起保護的拒動。通常通道按相-相耦合方式，對于不對稱短路，一般信號可能過，只有三相接地短路，難以通過。

3.保護動作過程

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

4.高頻保護動作延時分析

902A 高頻保護“拒動”情況發生后，我們對該套保護進行了試驗檢查。通過模擬多次的同類型故障試驗對比，發現在多數情況下光差保護要略快于高頻保護動作出口。若兩套保護動作時間差過大，光差保護動作后故障量消失，高頻保護確實有不動作的情況。

經過對高頻縱聯保護原理的深入分析，發現高頻保護有以下的固有延時：a.高頻信號傳輸延時：高頻通道上的加工設備復雜，加工環節較多，其中除了高頻信號在通道上傳導延時外，還有收發信機的信號處理延時及保護和收發信機接口的延時。而光差保護通道相對簡單，尤其是在光纖直連方式下，兩側兩套光纖保護無任何中間環節。b.高頻抗干擾延時：在許多高頻保護的軟件邏輯中，為了防止高頻通道上產生干擾信號導致保護錯判造成拒動誤動，都采用了延時的方法。如在RCS-902A高頻保護中，就有“起動元件動作后，收信8ms后才允許正方向元件投入工作”，“區內故障時，正方向元件動作而反方向元件不動作，兩側均停信，經8 ms延時縱聯保護出口”等延時邏輯。而光纖通道抗干擾性能本身較強，同時軟件處理時也能夠對傳輸的數字信號有校驗防誤功能，在抗干擾上無過多的延時。 c.縱聯延時：在線路末端故障時，近故障一側故障量大，一旦超出定值，很快即能完成保護的起動、發信、停信過程，遠故障一側由于故障量相對較小，靈敏度不足，起動、發信、停信過程慢。而高頻閉鎖式縱聯保護原理需雙側均停信后才可能動作出口。縱聯延時在經過渡電阻故障或發展性故障情況下更為明顯。d.其它情況延時：在高頻保護裝置中還設有功率倒方向延時回路。此回路是為了防止區外故障后，在斷合開關的過程中，故障功率方向出現倒方向，短時出現一側正方向元件未返回，另一側正方向元件已動作而出現瞬時誤動而設置。為了避免這種情況，902A保護采取了當連續收信40 ms以后，方向比較保護延時25 ms動作的邏輯。 通過高頻保護和光差保護兩者原理的比較，以上除“縱聯延時”外，高頻保護的延時都相對較長，導致其動作速度慢。

5.結語

在采用一套光差保護、一套高頻保護作為線路雙主保護的配置下，若高頻保護正常完好運行，高頻保護僅僅是動作速度較光差保護稍慢，仍然可以作為線路主保護運行。但在故障發生后對保護的故障動作行為分析和運行評價時，卻帶來了一些問題。如怎樣判斷高頻保護是延時導致的拒動還是保護異常導致的拒動，保護人員在真正的拒動時不至于疏忽大意；在保護運行評價時如何對此類情況進行評價等等。

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

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