750 kV输电线路系统特性对线路保护的影响

李君宏，陈海军

（宁夏超高压分公司 宁夏 银川 750011）

750 kV输电线路[1]具有传输容量大、输送距离远、经济效益好的特点，但同时也存在线路分布电容大、故障时高频分量丰富、直流分周期分量衰减缓慢等影响线路继电保护工作的因素。通过分析750 kV输电线路的电容电流、暂态过程对线路电流差动保护以及距离保护的影响。有助于750 kV输电线路保护的研究，同时对750 kV输电线路保护运行分析提供了依据。

1 750 kV系统特性

为提高750 kV输电线路的传输能力，减小其电压损耗和能量损耗，使其达到最佳运行状态和最大经济效益，必须尽可能地减小输电线路单位长度的电阻和电感，减小漏电导，增大电容。750 kV系统输电线都采用多根分裂导线构成相线。750 kV线路常采用4～6根分裂导线。这种结构对线路参数有很大影响，进而使750 kV系统具有了一些有别于超高压和高压系统的电气特征。

为了补偿长距离线路的分布电容，750 kV线路两端一般装设有并联电抗器。并联电抗器能限制过电压，减小单相重合闸过程中的潜供电流，同时也有助于平衡轻负荷时的线路无功功率。但是，由于750 kV输电线所装设的并联电抗器，在故障时会引起电感电容谐振，从而会产生数值大、衰减慢的非周期分量，给保护带来不利的影响。具体分析有以下几点。

1.1 线路分布电容产生较大的电容电流

众所周知，输电线路的相与相和相与地之间都存在分布电容，对于750 kV系统的输电线路，由于采用了分裂导线，线路感抗减小，分布电容增大。

由表1可以看出：随着输电线路电压等级的提高，线路正序分布电容也在增加，相应线路的电容电流也有所增加，对于500 kV输电线路，线路电容电流约为111/百公里，而对于750 kV输电线路，电容电流可达到约193/百公里。另外，由表1还可以看出，随着输电线路电压等级的提高，线路的阻抗角也在提高，对于500 kV输电线路，正序阻抗角为86°，而对于750 kV输电线路.正序阻抗角提高到了87.4°。这只是稳态运行情况下的电容电流，在故障或重合闸时，暂态充放电电流将要增大数倍。尤其是在暂态状态下电压中有很多高频分量，电容电流与频率成正比，将会产生更大的高频电容电流，这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，影响电流差动的正确工作。

1.2 线路分布电容引起的暂态过程和产生的高频振荡

输电线路的相与相和相与地之间都存在着分布电容，对超高压长线路由于采用了分裂导线，线路的感抗减少，分布电容增大，线路较长则更使分布电容的等值容抗大大减小。分布电容在暂态过程中将引起各种高频自由振荡分量，在稳态过程中将使输电线路中的电流、电压的大小和相位都产生严重的畸变，尤其是当线路的负荷电流和短路电源较小时，这种影响更为严重。在短路发生后，由于电容影响，电流电压波形发生了严重畸变，两端电流有较大的偏移。

表1 各电压等级架空线路的容抗和电容电流的参考值（/100 km）（2）Tab.1 Distributed capacitance and the currentwith various voltages （per one hundred kilometers）

750 kV系统长距离输电线路的分布电容对短路电流的暂态过程会产生很大影响。线路分布电容对暂态过程的影响必须按分布参数进行短路计算。

在故障或重合闸时分布电容引起的暂态过程和产生的高频振荡使工频分量的波形产生畸变，甚至在同一周波里多次过零，这对于相位比较式的保护是不利的。高频分量的大小与短路发生时刻有关，但并不为零。因此必须考虑如何有效地滤除故障时由于分布电容引起的高频分量。

1.3 采用并联电抗器导致短路电流中含大成分的非周期分量

750 kV输电线一般要求采用并联电抗器以吸收无功功率，以改善电网无功功率分布及沿线电压分布，降低线路损耗，提高输电效率；在系统操作和故障时，限制系统工频过电压和操作过电压；并且可以降低发电机功率因数，提高系统并联运行的稳定性。

由于并联电抗中所储存的磁能在短路时释放所产生的非周期分量在一点的条件下同时流向线路两端，因此在外部短路时，流入线路两端继电保护装置的非周期分量电流可能数值不等。这就对分相电流差动保护带来了新的问题。同时，短路时刻一次系统较大的非周期分量，使电流互感器更容易饱和，对电流差动保护影响很大。

1.4 线路时间常数大导致短路电流中的非周期分量衰减缓慢

在大容量电厂高压母线附近短路时，750 kV系统衰减时间常数可达100 ms或更大，各电压等级线路本身的衰减时间常数如图2所示。

表2 不同电压等级线路本身的衰减时间常数Tab.2 The attenuation constantwith various voltages

2 750 kV对线路保护的影响及解决方案[3]

750 kV输电线的继电保护也是建立在继电保护基本原理之上，是由高压和超高压输电线继电保护技术发展起来的。

由于750 kV输电线是联合系统或全国统一电网的骨架，其安全可靠运行对于全系统的安全可靠运行起着决定性作用，故对继电保护的性能和可靠性要求极高。因此，与一般高压和超高压线路相比，750 kV系统的保护装置在整体上和更高的水平上满足“四性”（速动性、灵敏性、选择性、可靠性）要求。

输电线路分相电流差动保护目前已广泛应用于我国750 kV输电系统中，分相电流差动保护是分别将线路两端的各相电流相量进行比较，从而判断是否在输电线路上发生了短路故障，由于电容电流的存在，使得正常运行状态下线路两端的电流不再平衡，从而出现差电流，当线路长度为500 km时，线路的电容电流约为960 A，约占线路自然电流的55%.在不采取任何措施的情况下，若要保护不致误动，则必须抬高保护的差动定值门槛，但如此又会降低保护的灵敏性。接入高压并联电抗器，可以补偿一部分电容电流，减小电容电流对电流差动保护的影响。但是，当线路较长时，线路中仍会有较大的电容电流，此电容电流仍然会在电流差动保护中产生差电流，从而影响到保护的正常运行。为此，除了高压并联电抗器外，在保护装置内部，也必须采取电容电流补偿的方法，以减小电容电流的影响。

750 kV线路由于阻抗角增大，因此衰减时间常数也变大，在线路发生短路故障时，因电流在短路瞬间不能突变而产生很大的衰减直流分量，且衰减的非常缓慢，由于短路电流大且含有非常缓慢的衰减直流分量，很容易引起电流互感器的暂态饱和，电流互感器发生暂态饱和后，对一次电流的传变将发生失真，从而影响电流差动保护动作的正确性[4]。

同时，如上所分析750 kV系统中有别于较低电压等级的电气特征，给继电保护提出了更新的要求。

2.1 保护动作的快速性和可靠性

由于750 kV输电线在电力系统中所处地位的重要性和巨大的经济效益，对保证其安全可靠运行的继电保护的快速性和可靠性提出了极高的要求。因此750 kV输电线上发生任何故障时必须在最短时间切除故障，同时在正常运行及区外故障时可靠不动。

工频变化量距离元件为欠范围整定的距离元件，不依赖于通道的配合，在近处故障时正确选相，以特高速跳闸。工频变化量距离元件的主要特点：1）动作速度快，现场有3 ms动作出口的记录；2）有明确的方向性；3）不反应系统振荡；4）适用于串补线路；5）过渡电阻能力强。

2.2 分布电容所产生的电容电流对保护的影响

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。但是，750 kV输电线路往往要承担远距离大容量的电力输送，较长的线路更使分布电容的等值容抗大大减小，导致电容电流进一步增大。电容电流将使输电线路中的电流和电压的大小和相位都产生严重的畸变，给保护带来不利的影响。由分布电容产生的电容电流对分相电流差动影响较大，在电容电流较大的场合（例如长度大于200 km的750线路），不加电容电流补偿措施的分相电流差动保护可能无法满足灵敏度的要求。

750 kV输电线路正常运行状态两侧电流大小基本相等，但方向不相反，两者的和即为电容电流。这对以比较线路两侧电流为基础的纵联差动保护产生较大影响，因在不计电容电流时，当系统正常运行或区外故障时，线路两侧电流大小相等，方向相反，差流为零，这是差动保护的基础。当计及线路分布电容后，正常运行或区外故障时，线路两侧电流和为该线线路上的电容电流。

目前常用的数字式分相电流差动保护动作判据为：

式中：I˙m和I˙n分别表示线路 M 侧和 N 侧的电流相量，I˙zd为定值；K 为制动系数（0＜K＜1）。

式（1）为辅助跳闸判据；主要用于防止线路空投或空载情况下装置因某种原因误起动。（此时（2）式满足跳闸条件），式（2）为主判据，两式同时满足时差动元件动作。

差动保护的灵敏度还与线路的分布电容电流有关，辅助判据式（1）中的定值Izd是按躲过线路分布电容电流整定的，当电压等级高，线路较长时，电容电流可能很大，高定值的Izd必然会降低保护灵敏度 （如区内故障时保护过渡电阻的能力）。另外，差动保护的灵敏度与制动系数K有关，显然K值越小灵敏度越高，但降低k值必然导致区外故障防卫能力的下降，因此通过降低制动系数来提高差动保护的灵敏度是不可取的。

目前，继电保护技术规程要求允许过渡电阻值为如表3所示。

表3 继电保护技术规程要求各电压等级允许过渡电阻Tab.3 Protective relaying technique to allow transition resistance

当实际系统输电线路发生经过渡电阻接地短路时，线路保护能可靠动作。750 kV线路正序容抗约为2 000 Ω/100 km，对于400 km线路经500 Ω过渡电阻接地，差动电流最多为1 225 A，相当于1.5倍的电容电流。如果将门槛抬高到1.5倍的电容电流，差动保护在经500 Ω过渡电阻接地时就不能满足灵敏度的要求。为此，在抬高动作门槛的同时也必须对电容电流进行补偿。

2.3 短路过程中高频分量对继电保护的影响[5-6]

暂态过程中出现的高频分量使电流波形产生畸变，而对于相位比较式的保护，电流的波形将直接影响继电器的动作。波形的半波宽度和瞬时值过零的时刻对继电器的动作影响最大。高频分量电流在短路处（近故障点）很大，在远离故障点的保护安装处的高频分量则较小。

实际系统中高频分量衰减比较快，高频电气量一般在最初半个周期内可能改变波形的极性。但是现在的线路保护动作速度很快，速动元件（如工频变化量阻抗，工频变化量方向等）都工作在短路后的暂态过程的1～2个周波内。高频分量所导致的电流波形畸变，甚至在1周波内多次过零，对于相位比较式的保护，有可能造成错误的判别。

通常意义上的方波积分比相器如图1所示。

图1 方波积分比相器示意图Fig.1 Square wave integral phase drawing

图1中被比较的两个交流量A和B分别通过方波形成回路1和2输出代表A、B正半波极性的矩形脉冲，与门“3”在A、B极性同时为正时有输出。时间元件“T4”测量“与3”输出脉冲的宽度也就是A、B极性同时为正的时间。

在短路暂态过程中的高频分量使波形畸变，使方波变碎，使比相器延缓动作，因此对于比相式的保护，如何有效地滤除高频分量，同时要求滤波器的数据窗不能过长，否则仍然会影响动作速度。

由于超高压线路保护要求保护快速动作切除故障，所以在某些场合采用半波算法，以提高保护的动作速度，半波算法和全波算法的不同在于它只需要半个周波的时间窗，由于只使用半个周波的数据，半波算法受到高频分量的影响比全波算法更为严重，而且半波算法不能滤除偶次谐波，受短路暂态过程的影响更为严重。在滤波方案设计中充分考虑了短路暂态中高频分量的影响。在硬件上首先经低通滤波板进行模拟滤波，滤去高频分量。

另外主保护采用五点数字滤波滤除高频分量，后备保护采用傅氏滤波滤除高频分量。在此基础上，变化量保护由于本身的算法，可以大大降低高频分量的影响。另外，在保护的算法中，也充分考虑了剩余杂波的干扰，例如浮动门坎的设置，判据裕度的考虑等[3]。

2.4 短路过程中非周期分量对保护的影响

750 kV输电线路所装设的并联电抗器导致短路电流中含有较大成分的非周期分量，同时750 kV输电线路的电阻与电抗之比远小于高压和超高压线路，时间常数大，非周期分量衰减非常缓慢。

750 kV线路在故障过程中，一次侧产生的大成分的非周期分量会导致电流互感器磁芯的饱和度增高，使得互感器的传变特性变差，导致电流互感器更易饱和，给电流差动元件带来不利影响[7]。

同时，缓慢衰减的非周期分量对于保护算法产生影响，从而影响保护的动作精度，甚至引起误动。

短路暂态过程中的非周期分量，将使经方波形成回路的方波波形变宽或变窄。将造成误动或延缓动作。

由此可见，非周期分量将造成保护动作边界不明确，在保护中必须设计可靠的滤波硬件回路及数字录波器。同时，半波算法受到衰减直流分量的影响较全波傅氏算法更加严重。

2.5 对距离保护的影响

750 kV线路由于减小了线路感抗，增加了分布电容，因而在发生故障时其高频分量更加丰富，其中比较突出的是2到4次谐波和11到13次谐波[1]。这些谐波的存在，对距离保护的精确计算影响很大，容易造成距离保护的暂态超越，使距离保护的暂态超越范围扩大。另一方面，750 kV线路故障时较慢的衰减直流分量也会使距离保护的暂态超越范围扩大。

3 结 论

本文分析了750 kV特高压输电线路的电容电流、暂态过程、过渡电阻、空载合闸充电、重负荷及空载、大短路电流等主要特殊问题。综合阐述了750 kV超高压输电线路的系统特性对线路纵联差动保护、距离保护都有严重影响及解决方案，使得读者能更全面的理解这一领域的相关问题。

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