基于等传变原理的高压交流输电线路继电保护

基于等传变原理的高压交流输电线路继电保护

张永震 1 冀婉舒 2

内蒙古电力 ( 集团 ) 有限责任公司锡林郭勒电业局 内蒙古锡林浩特市 0 2 6000

摘要：高压线路自然功率大，波阻抗小，线路的分布电容电流将大幅度增加， 对于一般的高压和超高压线路来讲，问题并不严重，但对于高压交流线路而言，该问题可能是致命的。如何在这个电容电流存在的情况下保证继电保护快速正确地动作必须予以认真考虑

关键词：等传变原理；高压交流输电线路继电保护；

传统的行波差动保护由于其在理论上能够完全消除电容电流的影响，动作速度快，且不受过渡电阻的影响，可以从原理上解决传统的工频量保护所不能解决的理论和技术问题。但是，在实际特高压线路中，为补偿容性无功、消除特高压输电线路的电容效应以及限制工频过电压而引入的高压并联电抗器，会使传统的行波差动保护原理在特高压线路上不再成立。

一、等传变原理

根据行波差动电流的大小判断区内是否发生故障。实际三相输电系统中， 暂态分量的各相不独立，波过程的求解变的十分困难，因此把三相系统变换成独立模量，变换后的模量能正确反映电力系统的各种运行工况。由于对称分量变换存在复数， 计算起来较复杂， 影响保护动作速度，因此要在保护动作的可靠性和速度方面做出选择，这要视系统对保护的要求而定。作为求解静电场的有效方法，模拟电荷法是基于电磁场的唯一性定理，将电极表面连续分布的自由电荷或介质分界面上连续分布的束缚电荷用一组离散化的模拟电荷予以等值替代，再应用叠加原理，将离散的模拟电荷在空间所产生的场量叠加，即得原连续分布电荷所产生的空间电场分布。静态电场的数学模型可视为以电位函数为待求量的泊松方程或拉普拉斯方程的定解问题，但在实际工程问题中，电荷的分布情况往往是未知的，不能直接由给定的边界条件解出。由于特高压系统对保护的动作速度要求更为突出， 所以变换解耦，除了短路故障外，其他故障保护都能快速动作，而在发生短路故障时，可以借助系统的其他保护来切除故障，只是降低一些可靠性。此外，直流输电线路的网架结构从其原有只有两端系统，发展至今已具有多段系统；输电线路也逐渐从海底电缆发展为架空输电线路和电缆并存；而且，直流输电线路的输送功率、距离、电压等级以及可控性等指标均在逐渐提高。所以，研究直流输电线路的继电保护时必须考虑这些发展趋势。需要验证的是，广域范围下直流输电控制保护系统受通讯延时的影响， 并要注意结合送、受端电网稳定问题设计合适的故障响应策略，并可以结合送、受端潮流情况合理设计每一换流阀组输送功率的协调分配控制策略。

二、等传变原理的高压交流输电线路继电保护

1.行波差动保护动作的新方法。为适应电力系统对超高速保护的要求，继电保护原理由反应工频电气量转向反应故障发生初期的高频暂态量—行波，其中包含了大量的故障信息(如故障类型、故障位置及方向等)。传统的行波差动保护需要实时传输每个采样点到对端，如果采样率较高，虽然获得的行波信号特征比较全面，但传输量将非常大，不利于保护的速动性；而采样率较低时，虽然传输的信息量较少，但采集的行波信号将不再完整。对此，笔者利用方向电流行波波头部分较短时间内的积分作为特征值构成新的保护动作判据，系统正常运行只有系统发生故障时才会产生高频行波，系统正常时检测不到行波， 行波差动保护不会启动，据此可判断系统正常运行。提取先到达保护安装处的初始正向行波波头的积分为正向特征值，积分值偏差应很小，但实际上，偏差较大，且到达时刻相差时间小于根据这一区别，构成新的行波差动保护方案。按照行波差动保护基本由于系统内部短路点以及高压并联电抗器的存在，会使反向特征值与正向电流行波波头的积分差值很大，和系统正常运行、区外故障时有明显的区别。

2.由于高压并联电抗器的存在，系统正常运行、区外故障时有较大的暂态不平衡差流， 采用该方法，可以有效地躲过暂态不平衡差流，而且文中采用两个门槛值以获取保护动作阀值，保护动作更加可靠。采集到行波后，方向电流行波波头的积分计算时间很短，只需将信息传送到对端的线路传输时间和本端的计算判别时间，不必等行波的来回折反射，且方法简单，因而保护动作速度较传统行波差动保护更快。该方法对采样频率、通信系统及计算机技术没有过高的要求， 能够在现有的技术条件下实现，具有较高的实用价值。对输电线路工频电场有较大影响，其影响是先减小后增加，工频电场的变化率随着斜坡角度增加而增大，斜坡角度不太大时，斜坡不会使输电走廊宽度增加。特高压单回交流输电线路下方离地1． 5 m处电磁场强度均满足国家相关标准的要求，不会对地面人员产生危害。在高压直流输电线路中，一旦并联电抗器发生故障，其线路会发出相应的命令，启动自动保护装置，此时，并联电抗器就可以充分的发挥出其作用， 若故障超过了高压直流输电线路允许的标准，则需要及时的将两侧断路器断开。通常情况下， 高压直流输电线路中自动重合闸主要包括三相重合闸、单相重合闸与快速重合闸集中模式，具体选择哪一种模式，还需要根据具体的过电压水平进行分析，为了防止过电压操作情况的发生， 在非全相情况下过电压倍数在允许标准范围时，可以使用单相重合闸，若超过标准范围，就需要使用三相重合闸。在进行设置时，需要充分的考虑到线路两端的时间间隔与重合顺序，将其控制在标准范围内。

3.常用的继电保护技术。微分欠压保护是一种基于电压幅值水平与电压微分数值的保护措施， 兼具主保护与后备保护的功能， 在现阶段下，SIEMENS 方案与ABB 方案检测的对象都是输电线路的电压水平与电压微分。其中，后者上升延时为20ms，在电压变化率上升沿宽度未达到标准的情况下，就能够起到后备保护作用，但是其耐过渡电阻能力并不理想。微分电压保护动作的可靠性与灵敏度要优于行波保护，但是动作速度则不如行波保护，两者都存在着灵敏度不理想、整定依据不足、耐过渡电阻能力较差的问题。低电压保护是高压直流输电线路的常用后备继电保护，主要依靠对电压幅值的检测来实现保护工作， 根据保护对象的不同， 低电压保护包括极控低电压保护措施与线路低电压保护措施，其中，前者保护定值低于后者，前者在线路发生故障时会闭锁故障极， 后者在开展保护动作时会启动线路重启程序。低电压保护的设计简单，但是缺乏科学、系统的整定依据，难以帮助技术人员判断故障的具体类型，动作速度较慢。纵联电流差动保护模式使用双端电气量，选择性较好，但是该种保护模式在故障发生较长的时间后才能够做出保护措施，因此，只能够用于高阻故障的诊断与切除中。由于各类因素的影响， 现阶段使用的差动保护也未联系到电压变化过程与电容电流问题，很容易出现误动，虽然电流差动保护装置有着动作速度快以及灵敏度高的优势， 但是这种优势却未在高压直流输电线路中充分的发挥出来，性能还有待提升。

总的来说， 高压直流线路的优势导致其对于继电保护工作也提出了更高的要求。继电保护不仅要满足传统的保护要求，还需要对线路过电压产生限制，提升设备与系统运行的稳定性与安全性，就现阶段来看，虽然我国的高压直流输电线路已经得到了广泛的使用， 但是其继电保护技术还存在着各类问题，缺乏科学、系统的整定依据，灵敏度不高，还需要开展进一步的研究，相信在不久的将来，高压直流输电线路继电保护技术定可以得到跨越式的发展。

参考文献：

［1］姚桂芳，陆家榆，邵方殷．特高压等级输电的电磁环境研究[J]．中国电力，2017，38(6)：24-27．

[2]邓本飞．天广高压直流输电线路保护系统综述[J]．电力系统保护与控制，2018，36（19）：71~74．

[3]齐文静.影响超高压输电线路保护的主要因素[J].电气时代，2016：104~105.