水电站35 kV超短输电线路保护配置的应用实例分析

姜美武（浙江省江山市峡口水库管理局，浙江 江山 324100）

水电站35 kV超短输电线路保护配置的应用实例分析

姜美武
（浙江省江山市峡口水库管理局，浙江 江山 324100）

对水电站35 kV输电线路保护常规配置及特点进行了分析，指出了这些保护在短线路的应用上存在局限性，推荐线路光纤纵差保护作为替代方案，并通过实际案例阐述了方案的可行性和优越性，对其他水电站同类型短线路具有借鉴作用。

水电站；超短线路；光纤纵差；保护；应用

1　前言

水电站35 kV电压等级的输电线路一般采用中性点不接地的运行方式，这种系统也称为小接地电流系统。根据规程规定，线路应装设反映相间短路，动作于跳开断路器的相间短路保护和反映接地故障、动作于发信号的接地保护。

2　水电站35 kV输电线路保护常规配置

2.1电流电压保护

当输电线路发生相间短路故障时，最主要的特征之一就是通过输电线路的电流由负荷电流增大到短路电流。无时限电流速断保护、带时限电流速断保护、定时限过电流保护3种保护装置单独设置时均不能满足电力系统对保护的基本要求，组合在一起，构成线路的三段式电流保护或二段式电流保护后，便可保证对全线路实现迅速、可靠、有选择性的保护。

三段式电流保护是目前水电站35 kV线路中采用最广泛的保护配置方式。

输电线路发生相间短路后，在电流增大的同时，还伴随着电压下降。因此，当采用电流保护不能满足要求时，可利用电压下降，或既利用电压下降又利用电流增大现象构成的保护装置，能解决一些灵敏度不满足要求或保护范围太小的问题。如：无时限电压速断保护、电流闭锁电压速断保护、电流电压连锁速断保护、低压闭锁定时限过电流保护等。

2.2距离保护

距离保护，是反映测量保护安装处到故障点之间的线路阻抗Zd，并根据Zd大小决定是否动作的一种保护装置。距离保护的动作行为反映保护安装处到短路点距离的远近，与电流保护相比，距离保护的性能受系统运行方式的影响较小。

2.3电流电压保护和距离保护的局限性

2.3.1电流电压保护的缺点

（1）如果线路较短，首末端短路时故障电流无明显区别，一般只能靠时间来满足选择性，无法快速切除故障。

（2）随着水电的发展，在许多水电站中也出现了一些电压高、负荷重、距离长、参数变化大的输电线路。这样的输电线路上采用电流电压保护往往不能满足灵敏度要求。比如，运行方式的改变，在某些情况下使无时限电流速断保护的保护范围变得很小甚至为零；长线路上的过流保护因为多级线路的配合往往具有较长的动作时间；重负荷的输电线路上，最大负荷电流有可能接近线路末端的短路电流，从而导致保护装置的灵敏度不满足要求等。

2.3.2距离保护的缺点

当短线路发生故障时，由于线路本身阻抗较小，过渡电阻的存在必将引起测量阻抗的较大影响，很容易造成距离保护的超越和难以整定等问题。因此，当被保护线路的长度很短时，保护很可能没有保护范围。在电网实际运行中，距离Ⅰ段保护一般在5 km以上的线路中投运。

3　问题的提出

3.1电站基本情况

浙江某水电站，装机容量为2×5 000 kW+2× 2 000 kW，总装机容量为14 000 kW。电站采用一回35 kV线路送至附近变电所，输电线路距离为0.94 km。与其他水电站相比，该电站输电线路呈以下两个特点：

（1）电站发电运行组合方式特别多，负荷变化特别大。电站最小运行方式为2 000 kW单机运行，最大运行方式为满负荷14 000 kW运行。机组运行组合方式达8种之多，分别为：2 000 kW、4 000 kW、5000kW、7 000 kW、9 000 kW、10 000 kW、12 000 kW、14 000 kW等。

（2）输电线路超短，从电站到变电所只有0.94 km。

3.2存在的问题

由于上述特殊情况，使得该电站线路保护配置极为困难。

由于电站运行方式变化过大，如采用普通常规的电流电压保护根本不能满足要求，电站当初投运时没有更好的办法，只好按大、中、小3种运行方式来进行保护配置，由运行人员根据实际负荷进行现地手动切换。这在实际运用中带来非常大的不便，①保护投切复杂化，给运行人员增加了较大的工作量；②保护切换方式过于繁琐，极易引起误操作，给电站埋下较大的安全隐患。

同样，如果选用距离保护，则会因短线路超越引起的误动和难以整定等问题而无法满足要求。

4　线路光纤纵差保护在电站超短线路上的应用实例分析

4.1改造理由

鉴于前述电流电压保护及距离保护的缺点，该电站一直缺乏一套适合于短线路、性能完善的保护装置，来解决保护方式复杂、整定困难、保护装置超越等问题。

直到线路光纤纵差微机保护的推出，才解决了上述难题。

4.2线路光纤差动保护基本原理

变压器的差动保护是变压器的主保护，是按循环电流原理装设的。主要用来保护双绕组或三绕组变压器绕组内部及其引出线上发生的各种相间短路故障，同时也可以用来保护变压器单相匝间短路故障。在绕组变压器的两侧均装设电流互感器，其二次侧按循环电流法接线，即如果两侧电流互感器的同级性的端都朝向母线侧，则将同级性端子相连，并在两接线之间并联接入电流继电器。而线路差动保护通常指输电线的纵联保护，就是用某种通信通道将输电线两端的保护装置纵向联结起来，将各端的电气量（电流、功率的方向等）传送到对端，将两端的电气量比较，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围外，从而决定是否切断被保护线路。

4.3厂家的选择

通过对国内几个主要保护厂家的综合比较及其在同类型电站的应用情况比较，最后选择了某保护厂家的RCS-9613CS线路光纤纵差保护测控装置。

4.4RCS-9613CS线路光纤纵差保护测控装置简介

4.4.1概述

RCS-9613CS是适用于110 kV以下电压等级的非直接接地系统或小电阻接地系统中的线路光纤纵差和电流保护及测控装置，可组屏安装，也可在开关柜就地安装。

装置采用基于DSP技术的硬件平台，全封闭机箱，硬件电路采用后插拔式的插件式结构，强弱电分离。CPU电路板采用4层板，表面贴装技术，提高了装置的可靠性。

4.4.2保护配置和功能

该保护装置具有以下功能：

（1）光纤分相电流纵差保护。

（2）三段可经复压和方向闭锁的过流保护。

（3）三段零序过流保护。

（4）过流加速保护和零序加速保护（零序电流可自产也可外加）。

（5）过负荷功能（报警或者跳闸）。

（6）低周减载功能。

（7）三相一次重合闸。

（8）小电流接地选线功能（必须采用外加零序电流）。

（9）大电流闭锁功能。

（10）出口组态功能。

（11）独立的操作回路。

4.4.3软件工作原理

4.4.3.1光纤纵差保护原理

纵差保护采用分相电流差动。差动方程为：

其中：I˙MΦ为本侧三相电流，I˙NΦ为对侧三相电流。

动作曲线如图1所示。

图1　

装置光通信系统本身具有通信误码检测，当误码超过一定值时，装置将发通道故障信号，并闭锁差动保护，一旦通信恢复，差动保护将自动投入。

4.4.3.2其他功能配置及原理

（1）断线判别及处理：装置设有延时和瞬时两种CT断线报警功能。

（2）过流保护：该装置设三段过流保护，各段有独立的电流定值和时间定值以及控制字。各段可独立选择是否经复压（负序电压和低电压）闭锁、是否经方向闭锁。方向元件的灵敏角为45°，采用90°接线方式。方向元件和电流元件接成按相启动方式。方向元件带有记忆功能，可消除近处三相短路时方向元件的死区。

过流Ⅰ段和过流Ⅱ段固定为定时限保护；过流Ⅲ段可以经控制字选择是定时限还是反时限，反时限特性沿用国际电工委员会（IEC255-4）和英国标准规范（BS142.1996）的规定，采用下列3个标准特性方程以供选择。

（3）零序保护（接地保护）：当装置用于不接地或小电流接地系统，接地故障时的零序电流很小时，可以用接地试跳的功能来隔离故障。当装置用于小电阻接地系统，接地零序电流相对较大时，可以用直接跳闸方法来隔离故障。

（4）过负荷保护：装置设一段独立的过负荷保护，过负荷保护可以经控制字选择是报警还是跳闸。过负荷出口跳闸后闭锁重合闸。

（5）加速保护：装置设一段过流加速保护和一段零序加速保护。重合闸加速可选择是重合闸前加速还是重合闸后加速。

（6）低周保护：装置设一段经低电压闭锁及频率滑差闭锁的低周保护，可选择在频率下降超过滑差闭锁定值时是否闭锁低周保护。

（7）重合闸：装置提供三相一次重合闸功能，其起动方式有不对应起动和保护起动两种。重合闸方式包括不检、检线路无压、检同期3种。

（8）远传远跳：当本侧收到对侧的远跳信号且本侧定值中跳闸出口矩阵相应位为“1”时，本侧装置出口跳闸；若定值中跳闸出口矩阵相应位为“0”时，则为远传遥信。

（9）跳闸逻辑矩阵：装置各保护跳闸方式采用整定方式，即哪个保护动作，跳何开关可以按需自由整定。RCS-9613CS标准配置提供2组跳闸出口。

（10）过流闭锁保护：保护装置设置了大电流闭锁保护动作的功能，用于断路器开断容量不足或现场为FC回路的情况。

（11）装置自检：当装置检测到本身硬件的故障，发出装置闭锁信号，同时闭锁装置（BSJ继电器返回）。硬件故障包括：定值出错、RAM故障、ROM故障、电源故障、出口回路故障、AD芯片故障、CPLD故障等。

（12）装置运行告警：当装置检测到下列状况时，发运行异常信号（BJJ继电器动作）：光纤通讯中断、两侧采样失步、光纤数据异常、TWJ异常、线路电压报警、频率异常、PT断线、控制回路断线、接地报警、过负荷报警、零序Ⅲ段报警、弹簧未储能、差流异常、CT断线等。

（13）遥控、遥测、遥信功能：遥控功能主要有3种：正常遥控跳闸，正常遥控合闸，接地选线遥控跳合闸。

（14）对时功能：装置具备软件对时和硬件对时功能。硬件对时为秒脉冲对时或者IRIG-B码对时，装置自动识别。

4.5保护装置运行情况

4.5.1基本运行情况

该装置于2014年投入运行，两年来动作正确率100％，未产生误动等情况，系统各项功能完整，运行维护方便，具有投资省、可靠性高等优点，完全满足线路保护所要求的快速性、可靠性、灵敏性和选择性等要求，大大提高了该电站线路运行的安全性。

4.5.2存在不足之处

（1）光纤作为继电保护的通道，必须确保完好，一旦中断，则失去线路主保护；

（2）当装置误码率较高时，可能导致保护固有动作时间加长；

（3）因为装置分别装在电站和变电所两侧，因此给安装、调试、维护等带来一定的不便。

5　结束语

本案例的成功应用表明，对于水电站35 kV输配电短线路来说，当常规的电流电压保护及距离保护难以满足保护的选择性、灵敏性等要求时，可以优先考虑采用线路光纤纵差保护，案例具有一定的借鉴及推广作用。

［1］RCS-9600CS系列工业电气保护测控装置技术说明书［Z］.

TM773

B

1672-5387（2016）05-0004-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.05.002

2016-03-29

姜美武（1971-），男，高级工程师，从事水电站管理和技术工作。