双回线送出水电站的继电保护研究及改进

赵 杰 吴国栋

(国网甘肃省电力公司电力调度控制中心，甘肃 兰州 730030)

双回线送出水电站的继电保护研究及改进

赵 杰 吴国栋

(国网甘肃省电力公司电力调度控制中心，甘肃 兰州 730030)

为提高电力送出的可靠性，多数中小型水电站采用双回输电线路送出机组出力。在水电大发时，如果其中的一回线故障，将发生事故条件下的负荷转移，造成未故障线路的相间距离保护Ⅲ段或线路过流保护动作，迫使水电站机组与系统解列，造成弃水事故。为解决采用双回输电线路送出的水电站运行问题，本文提出了通过加装线路过负荷解列装置防止事故情况下负荷转移造成水电站解列的问题。

水电站；双回线；继电保护；改进

Research and Improvement of Relay Protection of Double-circuit Transmission Line for Hydropower Station

近年来，许多中小型水电站都采用双回输电线路与电网连接，这种双回线路与电网相连的主接线方式提高了水电站的安全性，同时，也方便了线路检修，适应水电站系统运行方式的变化。因此，大多数中小型水电站都采用双回路输电线路送出机组出力。但是，在实际运行中却发现：在流域水量丰富水电大发时，如果双回线中的一条线路发生故障跳闸，故障线路上的送出负荷会转移到非故障线路上，使非故障线上的负荷在事故期间突然增大，造成非故障线路的线路相间距离保护Ⅲ段测量阻抗变小、过电流保护测量电流增大，并达到相间距离保护Ⅲ段、过电流保护的动作定值，使非故障线路跳闸。在此期间，水电站一般按运行规程要求，水电机组要保持空载运行，水轮机空转，有库容的水电站要进行水量的调节，无调节能力的水电站(如径流式电站)可能要提闸弃水，以保住发电设备。直到机组按调度下达的调度命令重新并网后，水电站才能稳定运行。

针对上述问题，本文在分析双回线水电站继电保护原理与设计的基础上，通过加装线路过负荷解列装置，利用继电保护装置和线路过负荷解列装置的动作配合，解决双回线发生一回线故障引起另一回非故障线路跳闸而导致的水电站解列及弃水事故问题。

1 双回线送出水电站事故负荷转移条件下保护动作行为分析

按规程规定[1]，线路L1和L2配置有线路快速保护(一般为分相电流差动保护)、三段式相间(接地)距离保护、四段式零序保护、三段式过电流保护的微机继电保护装置，电流方向由水电站流向电网(图1为一典型的采用双回线方式送出的中小型110kV水电站的电网主接线示意图)，I1max、Z1为线路L1的最大负荷电流和线路阻抗，I2max、Z2为线路L2的最大负荷电流和线路阻抗。

图1 典型双回线送出水电站电网主接线

下面将着重分析双回线路系统运行时，在线路L2的fk点发生故障并跳开的期间，故障线路负荷转移到线路L1时，L1线路保护所受影响及动作行为。

1.1 分相(分线)电流纵差保护

分相(分线)电流差动保护是指按相比较线路两侧电流的幅值及相位，如果两侧的电流和值的绝对值超过动作值时，线路两侧同时按相切除故障[2]。如图2所示，I1M和I2M为正常运行方式下，从水电站母线流向线路的电流，I1N和I2N为流向系统110kV母线的电流。

图2 分相差动保护原理

分相电流差动保护动作条件为：ICD=|IM+IN|>IDZ(分相电流差动保护动作定值)。如图1在L2的fk点故障跳闸情况下，由图2线路L1水电站母线流向线路的电流为I1M+I2M，此时L1对端的分相差动保护测量电流为I1N+I2N方向为从110kV系统母线流向电网系统，由于正常运行时线路首端末端电流基本相等(I1M≈I1N，I2M≈I2N)，因此，I1M+I2M与I1N+I2N，方向相反大小相同，线路L1保护动作电流ICD=|(I1M+I2M)+(I1N+I2N)|≈0

1.2 线路四段式零序电流保护

线路零序电流保护以零序电流的大小作为保护动作的条件[3]，具备接线简单、选择性好、灵敏度高等优点，因此在水电站送出线路中得到了相当广泛的应用[4]。

当图1中L2的fk点发生故障并跳开的期间，由于线路L1负荷电流具备三相平衡的特点，线路L1中不会产生零序分量，因此，在故障情况下负荷转移至正常线路L1时，线路L1无零序电流分量存在，故零序电流保护不受影响，不会动作。

1.3 线路三段式相间距离保护

距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离(或阻抗)，并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。该装置的主要元件为距离(阻抗)继电器，它可根据其端子上所加的电压和电流测知保护安装处至短路点间的阻抗值。阻抗元件的阻抗值是接入该元件的电压与电流的比值：U/I=Z，也就是短路点至保护安装处的阻抗值。因此线路的保护测量阻抗值与线路的电流有密切关系[3]。

在线路L2故障情况下负荷转移至正常线路L1时，由于线路L1电流发生了较大变化，会引起线路L1测量阻抗变小。由于整定原则条件规定[6-7]，将会对相间距离三段的动作行为有较大影响，在某些大负荷情况下可能引起线路L1相间距离保护三段误动作。

1.4 三段式电流保护

三段式电流保护反应的基本特征量是流过线路的电流，即通过电流大小来判断保护动作与否。三段式电流保护一般由电流速断、延时电流速断、过电流组成，构成三段式保护阶梯特性。对于35kV水电站送出线路，规程规定必须配置电流速断保护作为线路的主保护，同时配置其余段作为后备保护[5]。

由于电流速断、延时电流速断电流整定值较大，在大负荷方式下，图1线路L2故障时，线路L1的电流为(I1max+I2max)，此电流与电流速断、延时电流速断电流整定值相比较小，电流速断、延时电流速断不会动作，但由于三段式电流保护整定原则规定[6]，过电流保护段受负荷电流影响较大，在L2故障情况下，负荷转移至正常线路L1时，电流发生了较大的变化，线路L1过电流保护段存在误动可能。

2 相间距离三段、过电流保护段受事故负荷转移影响分析

在故障情况下负荷转移至正常线路时，分相电流差动保护及线路零序电流保护不受影响，可保证保护动作的可靠性，但相间距离保护和过流保护会受到影响，以下进行详细分析。

2.1 相间距离三段保护

当系统正常运行时，线路L1相间距离保护Ⅲ段定值为[6]

(1)

式中Kk——可靠系数,Kk≤0.7;

ZFH——线路L1最小负荷阻抗。

ZFH通过以下计算获得：

(2)

式中Un——电网的额定相电压；

I1max——线路L1的最大负荷电流。

相间距离三段保护段动作时间设为TⅢ。

当图1中线路L2的fk点发生相间短路故障时，线路L2水电站侧与系统侧保护将动作跳开线路两侧开关切除故障。在水电站侧保护动作跳开本侧开关等待重合闸动作的时间内，线路L2的负荷电流I2将瞬间转移到线路L1上，L1上的负荷电流将增加为：I1max+I2max，线路L1水电站侧距离保护三段的测量阻抗(ZC)将发生很大变化。

(3)

一般情况下I1max≈I2max，用式(1)-式(2)：

=0.13 Un/I1max>0

即ZL1,Ⅲ>ZC，从此结果看出线路L1的距离保护Ⅲ段测量阻抗ZC已进入相间距离三段保护范围，达到动作值，如果线路L2开关重合失败，线路L1相间距离保护Ⅲ段经TⅢ延时动作跳开线路L1水电站侧开关，造成电厂与电网解列。

2.2 过流三段保护

线路L1的阶段式电流保护的过流保护定值为[6]

(4)

式中,Kk≥1.2 为可靠系数，Kf为返回系数，I1max线路L1的最大负荷电流，过流保护动作时间设为tⅢ。

同理，当图1中线路L2的fk点发生相间短路故障时，线路L2的负荷电流I2将瞬间转移到线路L1上，L1上的负荷电流将增加为I1max+I1max，线路L1水电站侧过流保护感受到的电流值IC都将发生很大变化。 一般情况下I1max≈I1max，在上述故障期间，过流保护感受到的电流值为

(5)

用式(5)-式(4)：

即IC>IDZ,Ⅲ，故障期间过流保护感受到的电流IC已大于线路L1保护的过流保护定值，具备动作条件。同样如果线路L2开关重合失败，线路L1过流保护经tⅢ延时动作跳开线路L1水电站侧开关，造成解列事故的发生。

当水电站线路配置的微机保护有距离功能、过电流功能时，都可能在上述电网主接线方式下，发生由于一回线故障而引起另一回线跳闸，进而将水电电源解列的事故。

3 防止水电站解列方案研究与比较

3.1 限制线路电流方案

采用双回输电线路送出的中小型水电站运行存在这种由于在线路事故N-1情况下，引起的水电站解列、弃水等情况，其根本原因还是故障期间故障线路负荷转移到非故障线路。为解决这一问题，许多水电站在水电大发时，通过限制机组处理，使每回线路按最大电流的一半运行，即将线路L1、L2的电流降为0.5I1max、0.5I2max运行，当其中的L2线故障时，L1线的总电流0.5I1max+0.5I2max≈I1max。采用这种方法虽然解决了一回线故障引起的水电站解列弃水的问题，提高了运行的安全性，但同时也限制了机组的发电出力，极大地影响了水电站的经济效益。

3.2 加装线路过负荷解列装置方案

3.2.1 线路过负荷解列装置

线路过负荷解列装置是一种典型的安全自动装置，它以正常运行时线路的电流、功率等作为动作判据，当线路电流、功率大于它的预设定值时，该装置就地或通过传输装置切除与线路输送功率有关的负荷或发电机组，以保证线路在允许的工况条件下运行[4]。

3.2.2 利用过负荷解列装置防止事故负荷转移引起误动方案

根据对过负荷解列装置原理及功能的分析，可采用过负荷解列装置和继电保护协同联动，利用继电保护装置和线路过负荷解列装置的动作配合解决双回线中一回线发生故障引起非故障线路跳闸，造成水电站解列及弃水事故的问题(原理见图3)。

图3 加装过负荷解列方案

在水电站侧加装过负荷解列装置JL，装置将线路L1、L2的电流、电压、两个出线开关的跳闸位置开关量、水电站运行机组F1～Fn等机组的出力电流量也采入装置内，装置实时监测线路、运行机组的电压、电流和功率值等数值。在过负荷解列装置投入运行后，线路L1、L2可满负荷I1max、I2max运行，当线路L2的fk点发生故障时，线路过负荷解列装置通过对运行发电机组的出力电流进行快速计算，在快于线路L1距离保护Ⅲ段动作时间TⅢ和过流保护动作时间tⅢ前，按已制定切除机组的策略切除部分运行发电机组，切除机组的总电流不小于I2max，使运行的线路L1负荷电流保持在I1max的左右。由于线路过负荷解列装置在距离保护Ⅲ段和过流保护时间动作前已将部分机组切除，线路L1距离保护Ⅲ段的测量阻抗、过流保护感受的电流值都是在I1max条件下的，未达到保护定值，因此，线路L1两侧线路保护不可能跳闸，避免了水电机组和电网解列事故的发生，同时也可以使线路满载运行。

4 结 语

在采用双回输电线路送出的中小型水电站运行中，通过加装线路过负荷解列装置可以有效避免由一回线故障引起的负荷装置造成的水电机组与电力系统解列事故。在实际运行中，采用这种方法，不但投资少，而且由于送出线路可满载运行，提高了水电站的经济效益。但是，这种方法对线路过负荷解列装置安全运行的要求很高，装置不能长期退出，为此，部分水电站配置了双套解列装置以提高运行的安全性。虽然这样增加了投资，但与增加一次线路和线路降负荷运行相比，双套配置也是值得的。

[1] Q/GDW 421—2010 电网稳定自动装置技术规范[S].北京：中国电力出版社，2010.

[2] 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京：中国电力出版社，2001:2-7.

[3] 朱声石.高压继电保护原理与技术[M].北京：中国电力出版社，2005:128-167.

[4] 杨冠城.电力系统自动装置原理[M].北京：中国电力出版社，2000:166-178.

[5] Q/GDW 11420—2015 省级以上电网继电把保护一体化整定计算技术规范[S].北京：中国电力出版社，2015:4-5.

[6] DL/T 584—2007 3kV～110kV 电网继电保护装置运行整定规程[S].北京：中国电力出版社，2007:10-19.

[7] DL/T 559—2007 220kV～750kV 电网继电保护装置运行整定规程[S].北京：中国电力出版社，2007:25-29.

ZHAO Jie, WU Guodong

(ElectricPowerDispatchingandControlCenterofGansuProvincialElectricPowerCompany,

Lanzhou730030,China)

In order to improve the reliability of power transmission, most of the small and medium sized hydropower station use double-circuit transmission lines to sent out unit output. When the hydroelectric power is on, if one of the lines fails, the load transfer under accident conditions will occur. Result in non-fault line phase distance protection Ⅲ or line over-current protection action and force the hydropower station unit and the system sectionalizing, resulting in abandoned water accident. In order to solve the problem of the operation of the hydropower station with double circuit transmission lines, this paper puts forward the problem of preventing the disconnection of the hydropower station caused by the load transfer under the accident situation by installing the line overloading sectionalizing device.

hydropower station; double line; relay protection; improvement

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.02.011

TV73

A

1673-8241(2017)02- 0052- 04

水电站技术