特高壓輸電線路繼電保護特殊問題的研究

宋佳信

（國網內蒙古東部電力有限公司檢修分公司±800 千伏伊克昭換流站，內蒙古 鄂爾多斯 016200）

引言

特高壓輸電線路的接線是繼電保護的重要組成部分。鑒于特高壓輸電線路的特殊性，其繼電保護同樣存在許多問題。為了充分利用和發展特高壓技術，必須對其進行研究，以解決已發現和尚未發現的問題。這樣才能保障人民生活的正常運行，保證國民經濟的快速發展。

由于特高壓交流輸電線路一般承擔著兩大電網同步運行的連接任務,其重要性高于一般電壓等級的輸電線路,因此為了保證線路的正常可靠運行,必須配備兩套完全獨立的維電保護裝置。但是,每種繼電保護方法都存在自身特有的缺點,所以必須對繼電保護的配置方法進行研究,確定其保護配置的基本原則。

一、特高壓輸電線路繼電保護的重要性以及原理

隨著社會經濟的快速發展和工業化水平的不斷提高，電力需求也在不斷增長。高壓輸電技術已難以滿足未來電力需求。因此，特高壓輸電技術是我國電力工業發展的必然趨勢。應用特高壓輸電技術不僅可以滿足電力增長的需要，還可以減少電網投資，優化資源配置，降低線損，提高電網運行穩定性。特高壓輸電線路可以實現遠距離大容量傳輸，節約了線路走廊的成本。但在特高壓輸電線路的建設過程中，經常會遇到系統穩定性問題，繼電保護技術是保證特高壓輸電線路穩定運行的關鍵。因此，為了保證特高壓輸電線路的安全穩定運行，必須合理地采用特高壓繼電保護技術和措施。特高壓輸電線路整線任務是為了保證繼電保護的靈敏度和速度等級，使繼電保護具有足夠的選擇性和安全性，以實現其基本功能。

從繼電保護的原理看,在電力系統出現短路或線路故障燈問題時特高壓輸電線路的繼電保護可以結合電氣量的變動情況發揮功能,其中電氣量信息涵蓋電流、電壓、功率等參數。一般來說,不管是哪類參數發生變化,繼電保護功能都要做好測量、邏輯、執行三方面故障。確保電力系統的靈敏性,電網設備或線路出現短路現象時，可借由繼電保護整定，根據繼電保護對應保護的最小靈敏度系數，規定動作；若保證系統的選擇性，則可在線路發生故障時，規定動作。先由故障設備、線路自身切斷故障所在位置的線路流通并針對性解決相關問題,只有在自身無法應對時才會向其余的保護設備發出求助信號從而切斷故障。除此之外,繼電保護所表現出的速動性則指由于其在保護電力系統方面具有專業性特征,因此可以在需要執行保護指令時迅速反應,確保實時性。

二、特高壓輸電線路繼電保護的現狀

現代社會在不斷進步，經濟條件在不斷改善，人們對生活質量的要求也越來越高。隨著電網電壓水平的提高，電網的運行需要承擔大量的任務和巨大的壓力。但是，目前各國特高壓輸電線路建設都處于起步階段，只能低電壓運行，我國的前期研究雖然取得了一些成績，但也遇到了不少困難。研究結果表明：分布電容會產生較大的電容電壓，高頻元件短路時頻率與工頻非常接近，非周期元件短路時衰減常數很大，因此，要認識特高壓線路保護的現實意義，就必須從保護原理和保護可靠性兩方面論證和改進保護策略。

三、特高壓輸電線路繼電保護配置原則

（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，即兩套主要保護必須高度獨立，保護配置必須高度冗余。雙主保護需要從Ta 和TV 交流輸入，接線盒、電纜、直流電源、跨接線圈、保護屏和通信通道應完全分開，彼此獨立。上述任何一種情況都不包括100%的二元或近似準備金。此外，還應設置遠程備用和斷路器故障保護，以保證遠程備用的靈敏度。應采取措施，減少故障的發生，如雙母線分總成作業。

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立的直流母線。與此同時,兩套主保護需要各自接于各自的直流母線上來保證雙重化。并且,當某條直流母線/某套蓄電池組發生故障時,需要實現自動切換來保證持續供電。必須防止由于單條直流母線故障而引起相關保護的拒動作或誤動作。根據上所得要求和原則,特高壓交流輸電線的繼電保護必須配備兩套主保護,其中一套同時需要滿足快速切除全線故障并作為相鄰線路遠后備的功能。此外,在裝有單相自動重合闡的斷路器斷開后的非全相狀態下出現非全相震蕩時,必須至少有一套保護不誤動并可反映健全相故障。

（二）防止誤操作的保護

由于IC 保護系統硬件復雜度高，元件數量多，保護元件的可靠性將以拒動為主，拒動原因主要是線路故障或元件損壞。具有較高的單片機保護集成度，減少了電子元器件數量，降低了損壞概率和拒動概率，但一般情況下由于干擾造成的誤動。對于傳輸線來說，正常運行是一個長期的過程，經常會出現短時故障。因此保護誤動(長期狀態)比故障(短期狀態)更令人擔憂。此外，微機還可以對大量數字碼進行連續處理和傳輸。任意一個碼段，特別是高位碼段，在內部和外部干擾下進行處理和傳輸，將影響保護的正常運行。也就是說，高冗余度是確保繼電保護可靠運行的必要條件。

（三）自動重合閘配合與保護裝置

自動重合閘是保證線路安全運行的重要環節。繼電保護的方法有很多種。不同的配合方式對繼電保護性能有不同的影響。對于特高壓交流線路，減少兩側斷路器的時差，可限制運行過電壓，一般可控制在40～50ms，同樣，必須規定自動重合閘的最大時差。為確保兩端接線的時間不超過規定，特高壓輸電線路中斷路器的接線應采用半自動方式。

（四）并聯反應器的原理及安裝

雙重反應器的轉換應根據操作進行。但是斷路器斷開后，必須立即啟動并聯電抗器，以防止過電壓和消弧。為了提高并聯電抗器的可靠性，必須對其進行特殊的保護，并聯電抗器與消弧電抗器同樣適用。并聯式和消弧式電抗器應經常保持安全運行。滅弧電抗器發生故障時，應同時發出跳動信號和保護啟動信號，以便在發生故障時能夠迅速地將其投入并聯電抗器和滅弧電抗器。此外，反應器的下一動作電流需要通過單相自動重合閘來判斷。防弧開關合閘時，如果電流在互感器上，表明變壓器防弧工作正常，那么就應該立即縮短防弧開關合閘時間。

（五）斷路器失靈保護

特高壓輸電線路上的斷路器與一般輸電線路一樣，需要設置故障保護裝置，防止發生故障。但是，由于特高壓輸電線路傳輸距離長，其故障保護啟動元件的靈敏度較低。特別是在將本線保護作為下一級線路保護的遠距離備份時，要求下一級線路末端出現故障時，當線路拒動、本線開關拒跳時，故障保護的啟動元件應有足夠的靈敏度。對于高靈敏度的要求也決定了故障保護應采用多點啟動原則。

四、特高壓輸電保護算法的研究

目前輸電線路上繼電保護裝置廣泛采用的是基于工頻電氣量的，而光纖通信技術以及硬件的快速發展為基于暫態電氣量的繼電保護提供了有力的技術支持。無論是基于工頻量還是暫態量的繼電保護，繼電保護算法均是實現保護環節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，且特高壓輸電在聯網系統中具有特殊地位，繼電保護算法的作用變得更加重要。因此，對特高壓輸電保護算法的研究一直是國內外電力工作者的研究重點之一。

（一）特高壓輸電電流差動保護算法

電流差動保護原理自19 世紀初提出以來，便被廣泛應用于電力系統繼電保護中。我國第一條特高壓輸電線路的主保護之一就是采用電流差動縱聯保護原理。電流差動保護原理具有絕對的選擇性，且基本不受過渡電阻的影響，同時不受系統運行方式變化和系統振蕩的影響。隨著特高壓輸電線路的發展，電流差動保護遇到了新的問題和挑戰，將其用于特高壓長距離輸電線路繼電保護時，線路分布電容電流的影響已不能忽略。在保證區內故障保護靈敏可靠動作的同時，還需要正常運行和區外故障時保護可靠不動作。電容電流補償算法基本消除了分布電容電流對電流差動保護的影響，為提高電容電流補償的精確度以及自適應能力，對補償算法的改進措施逐漸被提出。

（二）特高壓輸電線路的暫態過程分析

特高壓輸電線路發生故障時暫態過程非常嚴重，目前實際應用的傅氏算法計算測量阻抗時誤差較大，更容易造成距離保護的暫態超越。距離保護通常采用濾波或者延時的方法來防止暫態超越，傳統的距離保護方案在特高壓系統中應用時勢必會出現問題，容易導致正向區外故障時測量阻抗落入整定范圍的持續時間超過時間繼電器定值，造成保護無法躲過超越而誤動；目前有學者通過理論推導和數值計算對特高壓輸電線路故障時的暫態特征進行了研究，在得到暫態噪聲分量的各頻率成分特性及其相互關系的基礎上，提出了一種直觀的估計特高壓輸電線路故障暫態特征的估算方法，能較準確的對暫態特征進行定量分析，為更好的認識暫態過程和論文后續研究保護特性及濾波算法提供基礎。

（三）Prony 算法在電力系統信號分析中的應用

暫態保護的難點在于算法的使用，隨著提取電力系統暫態信號算法的逐步發展，對研究自適應重合閘的故障選相環節和故障性質辨識是一個質的突破。目前分析暫態信號的方法有數學形態學、希爾伯特-黃變換、相關分析法、小波算法和Prony 算法等以及上述算法的各種改進算法。Prony 算法具有準確提取信號頻率、幅值、相位以及衰減因子的能力，這是其它算法無法做到的。且Prony 算法需求的數據少，計算量小，對電力系統中的高階信號也非常適用。

（四）特高壓交流輸電線路其他保護原理的研究

1.距離保護

距離保護是電力系統輸電線路中應用最廣泛的保護原理之一，在超、特高壓遠距離輸電線路上廣泛釆用距離保護作為線路的后備保護，有的線路還釆用距離縱聯保護作為超、特高壓線路的主保護。

2.行波保護

由于特高壓輸電線路是聯合系統或全國統一電網的骨架，故其對繼電保護裝置的性能和可靠性要求極高。基本思想是：正向行波由線路一端經時間傳播至線路另一端變成其波形幾乎不變，工頻量電流差動保護相比，行波差動保護使用了比較完整的行波故障信息，動作迅速，不受分布電容電流的影響。

結束語

總而言之，隨著電力需求的不斷增加，高壓輸電線路已經很難滿足當今社會的用電需求。這種特性使得特高壓輸電線路的應用越來越廣泛，繼電保護是特高壓輸電線路穩定運行的關鍵環節，因此對特高壓輸電線路繼電保護技術及措施進行分析具有重要意義。