750kV输电线路继电保护原理综述_秦文萍

第1期(总第137期)
2007年2月
山　西　电　力
SHANXI EL ECTRIC POWER
No 11(Ser 1137)
Feb 12007
750kV 输电线路继电保护原理综述
秦文萍1,肖　莹2,王晋川2
(11太原理工大学电气与动力工程学院,山西太原　030024;21山西电力科学研究院,山西太原　030001)
摘要:介绍了750kV 输电线路的特点及其对继电保护的影响,讨论了特高压输电线路主保护的
工作原理,通过对各种原理的比较分析,阐明了各自的优缺点和适用性,并对未来研究的发展方向进行了探讨。

关键词:750kV 输电线路;继电保护;原理中图分类号:TM773 文献标识码:A 文章编号:167120320(2007)0120009203
收稿日期:2006208230,修回日期:2006212215
作者简介:秦文萍(19722),女,山西新绛人,1995年毕业于太
原工业大学电力系统及自动化专业,讲师;肖　莹(19732),女,重庆人,1995年毕业于太原工业大学电力系统及自动化专业,高级工程师;
王晋川(19642),男,四川南充人,1985年毕业于太原工业大学电力分院电力系统及自动化专业,高级工程师。

0　引言
输电线的输送能力与其额定电压的平方成正比,与波阻抗成反比。

只从电压方面考虑,750kV 输电线的自然功率就比500kV 输电线大1倍多,不同电压等级下的自然输送功率见表1。

再考虑到750kV 输电线的波阻抗小于500kV 输电线的波阻抗,其自然功率将更高。

但从建设投资看,750kV 输电线的投资比500kV 输电线投资的增长
不到半倍,故有显著的经济效益和技术优势[1]。

我
国地域辽阔、人口众多、资源丰富,但人口和能源分布极不平衡。

要充分利用西部能源和东部的工业基础有效、快速地发展经济,特高压输电线是不可或缺的。

我国目前正在进行特高压输电系统的研究和建设,于2005年9月在西北建成的官亭至兰州东1401708km 长的750kV 输电线路即是其中的一部分。

与500kV 超高压输电线路相比,750kV 输电线路的输送容量更大、线路距离更长、系统短路容量更大,因而对线路继电保护的要求也就更高。

表1　不同电压等级下的自然输送功率
电压等级/kV
自然功率/MW
220120330360500900750
2300　
1　750kV 输电线路的特点
111　线路过电压[2]
750kV 有关技术标准按额定电压750kV ,最
高运行电压800kV ,工频过电压水平按母线、线路侧分别为113,114倍的最高工作相电压考虑。

在电网接线完整的情况下,750kV 线路开断点线路侧工频过电压不超过113倍,母线侧不超过112倍。

与一般高压输电线不同,特高压输电线继电保护的任务首先是保证不产生不能允许的过电压,其次是保证系统稳定。

因为特高压输电线绝缘子短时间能承受过电压的裕度较小,当过电压使线路绝缘子击穿时,更换绝缘子停电造成的经济损失远大于系统稳定破坏造成的损失。

为了保证过电压不超过允许值,特高压输电线路允许一端投入另一端断开的时间远小于两端保护相继动作切除故障的时间。

所以,特高压输电线上发生任何故障时必须以最短时间从两端同时切除故障,不能允许两端保护相继动作切除故障。

因此,对于特高压输电线要求有两套不同原理的能快速切除各种故障的主保护,另有一套能通过通道传送跳闸信号或允许跳闸信号的后备保护,以保证在负荷状态和任何故障情况下从两
端三相切除的时间差不大于40～50ms (准确数字应通过过电压计算确定)。

其中考虑两端保护动作的时间差约20ms 以及两端断路器断开时间之差约20ms 。

两套主保护必须从TA ,TV 交流输入、直
流电源到跳闸线圈完全独立。

与此同时,自动重合闸与保护的配合方式对保护配置的整体性能有很大影响。

对于特高压输电
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综述与专论
线,为了防止操作过电压,应将两端断路器切除的
时间差限制在40～50ms 以下,而重合也要有一定的时间差(具体数值应根据过电压计算确定)。

输电线的投入和切除都应该是半自动的。

例如投入时从一端(应预先经过过电压计算,先投入产生过电压小的一端)手动投入,同时通过通道自动启动对端的同期并列装置进行同期投入。

在手动切除时也是从一端手动切除,同时通过通道传送跳闸信号切除另一端。

在故障跳闸后的自动重合闸和重合闸不成功时的二次跳闸,也应按一定的顺序进行。

特高压输电线在两相运行状态下也可能产生较高的过电压。

如果经过过电压计算在非全相状态下产生的过电压倍数(考虑到故障相切除时的暂态过电压)大于一定值时则不允许采用单相重合闸,只能是三跳三合。

对于允许采用单相重合闸的线路,两端重合的顺序和时间间隔要预先通过过电压计算来确定。

对于单相重合不成功时切除其它两相的顺序和时间间隔也要预先通过过电压计算来确定。

112　线路的分布电容[3]为了使750kV 线路达到最佳运行状态和提高传输能力,需尽可能减少输电线路单位长度的电阻和电感,减少漏电导,增大电容。

为此,750kV 输电线路通常采用6分裂导线。

与500kV 输电线路相比,导线的等效直径增大、阻抗下降、阻抗角增大、传输功率增大、相对相以及相对地之间的分布电容增大、线路的电容电流也增大。

对于500kV 输电线路,线路电容电流约为110A/100km ,而对于750kV 输电线路,电容电流可达(190～200A )/100km ,而传送自然功率时电流约为1700A 。

由于分布电容电流的影响,线路两侧电流的幅值、相角都会有很大改变。

电容电流的存在,对某些差动原理的保护有严重影响。

在负荷电流较小时,直接影响差动保护的灵敏度和可靠性,在经大过渡电阻接地时更容易造成保护拒动,所以需要采用并联电抗器等电容电流补偿措施来提高这些差动保护的可靠性和灵敏性。

此外,分布电容在暂态过程中还将引起电感、电容的谐振和各种高频自由振荡分量,在稳态过程中将引起电压电流相位和幅值严重畸变,谐波含量最大可达50%。

当线路负荷比较小、发生接地短路且过渡电阻较大时,波形畸变就更严重。

由于等值容抗大小与频率成反比,在高频分量作用下使相应等值容抗变小。

在长线末端故障电流中含有的高频分量很大,经分析其高频谐波分量主要为2到4次谐波和11到13次谐波。

谐波的存在对距离保护的精确计算影响很大,易造成距离保护稳态超越,尤其是2到4次谐波,与基波频率接近,应采取专门的带阻滤波器来滤除。

113　故障时衰减缓慢的非周期分量[4]在750kV 特高压输电线路中,由于线路感抗小、阻抗角大,衰减时间常数大且线路中一般接有并联电抗器,导致线路发生故障时,电流在短路瞬间不能突变而产生很大的衰减非周期分量,且衰减非常缓慢,在大容量发电机出口短路时衰减时间常数可达150～200ms 。

长时间的衰减非周期分量,容易造成距离Ⅰ段暂态超越,也会造成95%距离Ⅰ段动作时间过长。

同时,由于短路电流大而易引起TA 暂态饱和。

不仅在首次区外故障时易造成TA 饱和,在区外永久性故障,下级线路重合到故障时,由于TA 带有剩磁,更容易引起本线TA 饱和。

这就要求线路保护装置采用的TA 在大短路电流下能正确传变,不能出现暂态饱和及稳态饱和,同时保护装置对小电流(011I n )及大电流均应能正确反应。

114　过渡电阻[5]
在750kV 特高压输电线路中,允许过渡电阻高达400Ω。

由于750kV 特高压输电线路一般较长,在线路末端故障经400Ω电阻接地时,零序电压很小,就会出现在末端故障经大电阻短路时,零序电流较大,而零序电压很小甚至为零的情况。

由于零序电压很低,无法根据电压区分正常状态还是接地故障,此时零序方向保护无法进行准确判别,从而使零序方向保护距动。

纵联方向、纵联距离原理为主保护的线路保护对高阻接地故障采用纵联零序原理时,应考虑长线末端故障经400Ω大过渡电阻短路时零序电压很小,不能判别方向的情况。

2　750kV 输电线路的主保护工作原理
目前比较成熟的、在我国有运行经验的、可以作为主保护的纵联保护原理有:工频变化量方向保护、负序方向保护、分相电流差动保护、距离方向保护和相电压补偿式方向保护等。

这几种原理各有优缺点,现分析如下。

211　工频变化量方向纵联保护[6]
工频变化量方向纵联保护可反应全相和非全相状态下的各种故障,不受负荷电流、系统振荡等因素的影响且动作速度很快,已在我国500kV 和220kV 输电线路上取得成功的运行经验。

其主要缺点与所有利用故障分量的保护一样,是只能反应故障的初始瞬间,不能反应故障的全过程。

其次,其灵敏度与系统运行方式(保护背后系统阻抗)有
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2007年第1期
综述与专论
关,有一定程度的不确定性,但是作为方向元件,灵敏度总是能够保证的。

因此,这种保护原理作为特高压输电线的主保护没有问题。

212　负序方向纵联保护[1]
负序方向纵联保护具有悠久的历史和丰富的运行经验。

负序分量存在于故障的全过程,因此负序方向纵联保护可以可靠地反应不对称故障的全过程,不受振荡的影响。

但其主要缺点是被认为“不能可靠反应三相短路”。

在集成电路式和非微机保护中,负序分量用模拟电路(负序过滤器)提取,由于三相短路初始瞬间出现的不对称和负序过滤器电路有一定的滤除高频分量的能力等原因,负序方向保护也可反应三相对称短路。

对于如三相地线未拆除等固定的三相短路则靠后备距离保护反应。

但这个方法可能不适合于微机保护。

因为微机保护中的数字负序过滤器很难在三相短路初始瞬间数个毫秒的不对称期间内正确地滤出负序分量,因而很难捕捉到三相短路初始瞬间的不对称短路。

但如果给负序功率方向元件配以正序故障分量方向元件或相电流相电压突变量方向元件专门反应三相短路,可以构成一种完善的纵联保护。

负序方向纵联保护的另一缺点是在非全相状态下再故障时不能可靠动作。

综上所述,负序功率方向(也可辅以零序功率方向)配以正序突变量方向或相电流电压突变量方向的纵联保护在理论上和实践上都是比较成熟的,应是特高压输电线主保护的待选方案之一。

213　分相电流差动纵联保护[7]
分相电流差动纵联保护从原理上是最理想的保护方式,具有绝对的选择性,不受系统振荡的影响,不受运行方式的影响,受过渡电阻的影响小,本身具有选相功能。

但由于特高压线路分布电容电流的影响,将使线路区外故障时两端电流的波形、幅值和相位都发生严重畸变,影响电流差动的正常工作。

因此欲采用分相电流差动保护原理时,应采取补偿电容电流的措施。

对于微机保护可研究补偿电容电流的算法,尤其是补偿暂态电容电流的算法。

在不采取电容电流补偿措施的情况下,分相电流差动保护可能只能用在200km以下的线路,其电容电流可达到自然功率电流的20%左右,外部故障时所产生的不平衡电流还可用定值躲过。

214　距离纵联保护[7]
距离纵联保护优点很多,有丰富的运行经验。

其主要优点是可以兼作主保护和下一级线路的远后备保护,保护范围基本固定(若不考虑过渡电阻影响),不受系统运行方式变化影响,根据线路情况和保护目标可以采用各种不同的动作特性等。

但其缺点是受系统振荡影响很大,必须采用复杂的影响保护动作可靠性的振荡闭锁措施;受过渡电阻影响保护范围可能缩短或伸长;另外,方向性特性(动作特性通过原点)不能可靠反应保护安装处的故障;受线路串补电容影响可能使动作范围大大缩短;电压回路断线可能造成立即误动作,必须采用高速的电压回路断线闭锁措施等。

此外,用于特高压输电线时必须按分布参数整定,使得保护定值不能直接反应保护范围的长度,保护整定复杂、精度降低,线路保护Ⅰ段的动作范围要留有较大的裕度。

按照距离保护的以上特点,可配以远方跳闸信号,作为特高压输电线的独立后备保护较好。

215　相电压补偿式方向纵联保护[1]
相电压补偿式方向纵联保护主要优点是可反应全相状态下各种故障和非全相状态下除两相接地外的其他各种故障的全过程,在合理整定条件下不受全相状态和非全相状态下系统振荡的影响,在反方向的各种故障包括经各种过渡电阻故障的情况下有很强的方向性。

也可按照多相补偿的原理作为下一级线路的后备保护。

其缺点是在单相接地时允许过渡电阻的能力较差,其次是动作时间需要23ms左右。

这种保护原理可作为第二主保护,或作为非全相状态下的保护,专门用以反应单相重合闸周期中的故障。

此外,目前还出现了完全不受电容电流影响的基于贝瑞隆模型的差动保护,包括分相电流差动和相位差动的原理[7]。

综上所述,建议作为特高压输电线路的第一主保护采用工频变化量方向纵联保护原理,作为第二主保护可采用负序方向和零序方向结合的纵联保护或相电压补偿式纵联保护原理,作为非全相状态下的保护可采用相电压补偿式纵联保护。

对于220km以下的特高压输电线可采用分相电流差动保护作为第二主保护。

对于以上各种保护都要深入研究特高压输电线路电容电流的影响和通道(载波、光纤通道)的紧密配合,充分发挥通道作用,以满足特高压输电线路防止过电压和保证保护灵敏性、选择性、可靠性等问题。

作为特高压输电线路的后备保护可采用距离保护。

要根据实际情况选择不同的动作特性,并充分利用微机保护容易实现任何特性的优点,使得距离保护各不同功能的保护段都具有最优的动作特性,充分发挥其功能。

(下转第30页)
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　2007年2月 秦文萍,等:750kV输电线路继电保护原理综述
分析与探讨个深井,加1个142m 深的旧机井,在不连架空接地线的情况下,接地电阻值为01313Ω,满足电算值水平接地网加24根60m 斜接地极夏季接地电阻01332Ω的要求。

6　结论
a )在高土壤电阻率及不能用常规方法埋设接
地装置的地区,采用深井接地与主接地网并联是一
种有效降低接地电阻的方法。

尤其在有地下含水层的地方,接地体可深入穿透水层,这时降阻效果将更好。

将接地系统向纵深方向发展是提高高土壤电阻率地区及城区地网安全性的重要措施[1]。

b )增加垂直接地极能有效地降低发变电站接地系统的接地电阻,但布置的垂直接地极根数达到一定数量时,降阻效果将趋于饱和[1]。

c )增设垂直接地极对于降低接触电位差和跨
步电位差具有非常显著的作用。

垂直极的引入,降
低了地电位升(GPR ),而接触及跨步电位差均与GPR 有着直接的关系[1]。

d )接地系统总的接地电阻并不是垂直极与水平网的接地电阻的简单并联,存在一个屏蔽系统,垂直极的根数越多,屏蔽系数越大。

e )深井接地不受气候、季节条件的影响;深井接地除了降阻以外,还可以克服场地窄小的缺点。

参考文献:
[1]　曾嵘,何金良,高延庆,孙为民,屠幼萍.垂直接地极对接
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2001,41(3):25227,31.
R esearch on E arth Screen Design of Xinzhou 500kV Substation
GU O Tian 2lan ,WANG H ong 2feng ,YANG Xiao 2guang
(Shanxi Electric Exploration and Design Institute ,T aiyu an ,Shanxi 030001,China)
Abstract :Xinzhou 500kV substation is built on the ground with the shingle and gneissic granite.The geological condition is worse ,and the soil resistance is high.It is the first time to do the ground system design of the super 2high voltage substation under such geological condition in Shanxi province.In order to make the design more reasonable ,this paper discusses and analyses the method of burying earth poles in the deep well to reduce the ground resistance ,touch potential difference and step potential difference.
K ey w ords :grounding device ;ground resistance ;touch potential difference ;step potential difference
(上接第11页)
3　结论
本文结合电力工业与国民经济的发展趋势,综
合阐述了750kV 特高压输电线路的特点和主保护的工作原理,使得读者能更全面的理解这一领域的相关问题,为进一步深入研究奠定基础。

参考文献:
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Summary of the R elay Protection Principle for 750kV T ransmission Line
QIN Wen 2ping 1,XIAO Ying 2,WANG Jin 2chuan 2
(11College of Electrical &Pow er E ngineering of TUT,T aiyuan ,Shanxi 030024,China ;
21Shanxi Electric Pow er R esearch Institute ,T aiyuan ,Shanxi 030001,China)
Abstract :This paper introduces the features of the 750kV transmission lines and its influence on relay protection ,and discusses kinds of main protection principle for the ultra 2high voltage transmission line ,and then analyses the relative merits by comparison ,thus probes into the development direction of the U HV transmission line protection in the f uture.
K ey w ords :750kV transmission line ;relay protection ;principle
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03・ 跨步电位差 山　西　电　力
2007年第1期。