浅析110 kV线路保护的配置及原理

2013-10-16辉钱

机电信息 2013年6期

张辉钱怡

0 引言

随着计算机技术及光纤通信技术的发展，县级供电企业110 kV线路保护的配置也发生了变化，由原来的距离保护和零序保护的配置逐渐过渡到以光纤纵联保护为主保护的发展阶段。本文就110 kV线路保护配置情况和保护原理做一些分析。

1 110 kV线路保护的配置

110 kV线路保护的配置目前有2种：（1）三段式距离保护和四段式零序保护相互配合作为线路的保护，这2种保护本身具有主保护和后备保护的功能，存在的问题是它们瞬时动作的一段不能保护线路全长；（2）以光纤纵联差动保护作为主保护，能够瞬时动作于全线范围内的故障，以三段式距离保护和四段式零序保护作为后备保护，保证了全线范围内的快速性和可靠性。

2 三段式距离保护

2.1 距离保护的基本概念

根据系统短路时电压下降、电流增大的特性，可以设想，如果能使保护装置反映电压和电流的比值（譆/魳）而工作，则它势必比单一的电流或电压保护有更高的灵敏度，譆/魳是一个阻抗，系统正常工作时，保护装设处的电压为系统的额定电压譆，输电线路的电流为负荷电流魳，比值譆/魳基本上反映了负荷阻抗（输电线路的阻抗所占比重很小）。发生短路故障时，保护装设处母线的电压为残余电压譆cy，输电线路中流过短路电流为魳dl，这时的譆/魳显然反映了保护装设处到短路点的线路阻抗。短路点离得愈近，此阻抗愈小；离得愈远，则阻抗愈大。可见故障时譆/魳实质上反映了短路点到保护装设处之间的距离。

用于测量故障点至保护装设点之间阻抗（或距离）的继电器，称为阻抗继电器。系统正常工作时，阻抗继电器所测为负荷阻抗，不应动作，只有在发生短路而且短路点离保护装设处又比较近（即在其保护区内）时，阻抗继电器才动作。因此，它是一种反应参数降低而动作的继电器。由测量故障点距离的阻抗继电器而构成的保护装置，称为距离保护，亦称阻抗保护。

2.2 距离保护的时限特性

距离保护的动作时间t与故障点至保护装设处之间的距离Z（或阻抗Z）之间的关系，称为距离保护的时限特性。为了满足选择性和快速性的要求，目前广泛采用具有3个动作范围、3种动作时限的三段式时限特性。距离保护的第Ⅰ段作为主保护，保护线路的全长。但实际上，测量元件对本线路的末端故障和下一线路的始端故障是不可能区别出来的。如果要求第Ⅰ段的保护范围达到线路的全长，则在下一线路的始端短路时，就会造成无选择性动作。所以，瞬时动作的第Ⅰ段，不能保护线路的全长。考虑到阻抗继电器和互感器的误差，其保护范围一般只能达到线路全长的80%～85%，这是距离保护的一个严重缺点。距离保护的第Ⅱ段主要用来弥补第Ⅰ段的不足，保护线路末端15%～20%范围的故障。按照选择性的要求，其动作时限应比下一条线路距离Ⅰ段的高出一个Δt，而保护范围延伸至下一条线路的部分，应小于下一条线路距离Ⅰ段的保护区。距离Ⅱ段和下一线路距离Ⅰ段相配合的结果是其保护范围将延伸至下一线路始端的30%～40%处，动作时限为0.5 s。距离保护的第Ⅲ段一般用作下一条线路的保护或断路器拒动时的后备保护，同时也是本线路距离保护的第Ⅰ段和第Ⅱ段的后备。距离Ⅲ段的动作阻抗按小于正常运行时的最小负荷阻抗来整定，这样，在正常运行时是不会动作的。作为后备保护，在下一条线路末端短路时，距离Ⅲ段应有足够的灵敏度。因此，它的保护范围应包括本线路和下一线路的全部甚至更远，而它的动作时限则比下一线路距离Ⅲ段的时限还要高一个Δt。即Ⅰ段：0 s保护本线路的80%～85%。Ⅱ段：0.5 s保护本线路末端15%～20%至下一段线路首端的30%～40%的地方。Ⅲ段：保护本线路及下一段的全部甚至更远。

3 四段式零序保护

我国110 kV及以上电压等级的电网均采用大接地电流系统，中性点直接接地，发生单相接地故障时，接地相对地电压为0，其他两相对地电压不变，三相电压不平衡，三相电压相量和不为0，产生了零序电压；接地相产生很大短路电流，其余两相为正常负荷电流（忽略负荷电流时为0），三相电流相量和不为0，产生了零序电流。所以产生零序电压和零序电流是中性点直接接系统发生接地故障时最显著的特点。通过获取接地故障时产生的零序分量构成专门的接地保护，称为零序保护。

零序保护通常采用四段式保护，零序Ⅰ段的动作电流整定时应考虑如下因素：（1）应躲过被保护线路末端发生接地故障时可能出现的最大不平衡电流；（2）还应躲过由于三相断路触头不同时合闸所出现的最大零序电流；（3）当保护中采用单相或综合自动重合闸时，还应考虑到非全相运行时电力系统发生振荡情况下产生的巨大零序电流。按条件（1）和（2）确定的零序Ⅰ段为灵敏零序Ⅰ段，按条件（3）确定的零序Ⅰ段为不灵敏的零序Ⅰ段，在自动重合闸装置动作时自动闭锁灵敏零序Ⅰ段，投入不灵敏零序Ⅰ段。零序Ⅰ段只能保护线路的一部分。

零序Ⅱ段的动作电流应和相邻下一线路零序Ⅰ段保护动作值相配合，动作时限应比相邻下一线路零序Ⅰ段时限长一个时限级差，零序Ⅱ段能保护线路全长。零序Ⅲ段即零序过电流保护与相间短路的过电流保护相似，用作本线路接地故障的近后备和相邻下一线路接地故障的远后备。动作电流应按躲过相邻下一线路相间短路时流过本保护的最大不平衡电流来确定。动作时限也是按阶梯形时限配合原则确定。零序Ⅳ段作为相邻线路的远后备，并且保证在本线路末端经特大过渡电阻接地时，保护仍有足够的灵敏度。

4 光纤纵联差动保护

4.1 光纤纵联保护的引入

前面分析的距离、零序保护，其瞬时动作的Ⅰ段都不能保护线路的全长，要在全线范围内快速切除故障，必须在首尾两端发生联系，即纵的方向上发生联系，这样就构成了线路的纵联保护。光纤纵联差动保护是利用光导纤维作为通信通道来比较两侧电流的保护装置，两侧保护对本侧的电流进行采样，滤波后转换为数字量，通过光纤通道送至对侧，各侧保护根据本侧和对侧电流计算差动电流，根据结果判别区内还是区外故障，区内故障时瞬时动作，切除故障，区外故障时，制动保护。

4.2 光纤通道的特点

光纤纵联保护目前之所以能够在110 kV线路上得到广泛应用，一方面因为它能够瞬时动作，并能够保护线路全长，另外其光纤通道具有以下优点：（1）通信容量大。一根光纤可同时传送150万路电话或几千路彩色电视信号。（2）抗干扰能力强。玻璃材料是绝缘介质，不受强电场和雷电的干扰。（3）原料资源丰富。二氧化硅在土层中含量约50%。（4）线路架设方便。质量轻、体积小，光缆可以在各种地形条件下敷设，架设十分方便，将光纤通信线路与电力线路结合在一起建设，更加方便快捷。

4.3 保护原理

保护装置对电流互感器二次侧的电流经交流采样、模数转换后，保护CPU单元对信号进行滤波处理，并将滤波后的电流数字量传送给通信CPU单元，同时保护CPU单元也将接收通信CPU经同步调整后的对侧电流数字量，并与本侧电流数字量进行比较判断决定是否发出口命令。通信CPU单元的作用是将本侧的数字量经并/串转换后将信号传向对侧，并接收对侧的数字量，经串/并转换，同时根据两侧的信息进行电流的同步调整。其动作判据如式（1）（2），两式同时满足时即可跳闸。