常见 220kV 高频纵联保护拒动分析

李霄 李璐

摘 要：通过对一次保护动作行为分析，发现光差保护和高频纵联保护作为线路主保护这一配置方案下高频保护因延时而“拒动”的现象，进而以南瑞 RCS-902A 保护为例，对高频纵联保护在故障情况下的动作延时进行了详细的分析研究。建议在有条件的情况下，线路主保护避免采用此类保护配置方案。

關键词：220kV；高频保护；拒动分析

1.引言

近年来，随着光纤通道的逐步建立完善，以光纤为通道介质，交换两侧电流信息的光纤差动保护得到越来越广泛的应用。从光纤差动原理及多年的使用经验来看，光纤差动保护有着区内故障判别准确灵敏、动作速度快、光设备及光通道相对简单可靠等无可比拟的优点，光差保护大有替代高频纵联保护作为线路主保护的趋势。但目前由于种种原因，如无双路由的光缆通道、旁路带路问题等等，在不少实际应用中采用了一套光差保护和一套高频保护共同作为线路主保护的方案。然而这两种不同原理保护动作速度有时相差较大，从而出现了高频保护“拒动”的问题。本文结合一次故障中保护的动作行为予以分析。

2.高频保护的工作原理

2.1工作原理

高频保护是以输电线载波通道作为通信通道的纵联保护。高频保护广泛应用于高压和超高压输电线路，是比较成熟和完善的一种无时限快速原理保护。其基本原理是利用输电线路本身构成一高频（载波）电流的通道，将线路两端的电流相位（或功率方向）转化为高频信号，将此信号送至对端，进行比较，以区分保护范围内部和外部的故障。由于它不反应于被保护输电线范围以外的故障，在定值选择上也无需与下一条线路相配合，故可不带动作延时。

为了实现高频保护，必须解决利用输电线路作为高频通道的问题。利用输电线路作为传输媒质，具有一定程度的安全性和可靠性，过去是我国电力调度和继电保护最普遍使用的通道。对继电保护来说分专用和复用通道两种：专用通道一般为闭锁式，用相—地耦合；复用通道一般为允许式，采用相—相耦合。

利用“导线――大地”作为高频通道是最经济的方案，因为它只需要在一相线路上装设构成通道的设备，目前在我国得到了广泛的应用。它的缺点是高频信号的衰耗和受到的干扰都比较大。 输电线路高频保护所用的载波通道，其简单构成如图1所示，其构成包括阻波器、结合电容器、连接滤波器、高频电缆和高频收发信机。

2.2系统构成

1.阻波器

阻波器是由一电感线圈与可变电容器并联组成的回路。由其并联后的阻抗 Z 与频率的关系可以看出，当并联谐振时，它所呈现的阻抗最大。利用这一特性做成的阻波器，需使其谐振频率为所用的载波频率。这样，高频信号就被限制在被保护输电线路的范围以内，而不能穿越到相邻线路上去。但对 50 周的工频电流而言，阻波器仅呈现电感线圈的阻抗，数值很小（约为 0.04Ω 左右），并不影响它的传输。

2.结合电容器

结合电容器与连接滤过器共同配合，将载波信号传递至输电线路，同时使高频收发信机与工频高压线路绝缘。由于结合电容器对于工频电流呈现极大的阻抗，故由它所导致的工频泄漏电流极小。

3.连接滤波器

连接滤波器由一个可调节的空心变压器及连接至高频电缆一侧的电容器组成。 结合电容器与连接滤波器共同组成一个四端网络的“带通滤波器”，使所需频带的高频电流能够通过。 带通滤波器从线路一侧看入的阻抗与输电线路的波阻抗（约为 400Ω）匹配，而从电缆一侧看入的阻抗，则应与高频电缆的波阻抗（约为 100Ω）相匹配。这样，就可以避免高频信号的电磁波在传送过程中发生反射，因而减少高频能量的附加衰耗。 并联在连接滤波器两侧的接地刀闸 6，是当检修连接滤波器时，作为结合电容器的下面一极接地之用。

4. 高频电缆

高频电缆采用同轴电缆，早期阻抗为 100Ω，近年按通信标准采用 75Ω，一是减少衰耗二是减少干扰。

5.高频收、发信机

发信机部分系由继电保护来控制，通常都是在电力系统发生故障时，保护部分起动之后它才发出信号，但有时也可以采用长期发信故障时停信或改变信号频率的方式。由发信机发出的信号，通过高频通道送到对端的收信机中，也可为自己的收信机所接收，高频收信机接收由本端和对端所发送的高频信号，经过比较判断之后，再动作于继电保护，使之跳闸或将它闭锁。

高频通道的工作方式可以分为经常无高频电流（即所谓故障时发信）和经常有高频电流（即所谓长期发信）两种方式。 在这两种工作方式中，以其传送的信号性质为准，又可以分为传送闭锁信号、允许信号和跳闸信号三种类型。 所谓闭锁信号就是指：“收不到这种信号是高频保护动作跳闸的必要条件”。结合高频保护的原理来看，就是当外部故障时，由一端的保护发出高频闭锁信号，将两端的保护闭锁，而当内部故障时，两端均不发因而也收不到闭锁信号，保护即可动作于跳闸。 所谓允许信号则是指：“收到这种信号是高频保护动作跳闸的必要条件”。因此，当内部故障时，两端保护应同时向对端发出允许信号，使保护装置能够动作于跳闸。而当外部故障时，则因近故障点端不发允许信号，故对端保护不能跳闸。近故障点的一端则因判别故障方向的元件不动作，也不能跳闸。 至于传送跳闸信号的方式，就是指：“收到这种信号是保护动作于跳闸的充分而必要的条件”。实现这种保护时，实际上是利用装设在每一端的电流速断、距离 I段或零序电流速断等保护，当其保护范围内部故障而动作于跳闸的同时，还向对端发出跳闸信号，可以不经过其它控制元件而直接使对端的断路器跳闸。采用这种工作方式时，两端保护的构成比较简单，无需互相配合，但是必须要求每端发送跳闸信号保护的动作范围小于线路的全长，而两端保护动作范围之和应大于线路的全长。前者是为了保证动作的选择性，而后者则是为了保证全线上任一点故障的快速切除。

根据传送的高频信号的性质和保护的原理，在电网中常采用高频闭锁式（允许式）方向（距离）保护，而比较两侧电流相位的相差保护很少采用。 高频闭锁式保护这种保护的工作原理是利用非故障线路的一端发出闭锁该线路两端保护的高频信号，而对于故障线路两端则不需要发出高频信号使保护动作于跳闸，这样就可以保证在内部故障并伴随有通道的破坏时（例如通道所在的一相接地或是断线），保护装置仍然能够正确地动作，这是它的主要优点，也是这种高频信号工作方式得到广泛应用的主要原因之一。该原理需要灵敏度不同的起信元件和停信元件，灵敏度较高得起动元件只用来起动高频收发信机以发出闭锁信号，而灵敏度较低的起动元件动作后，准备好跳闸的回路。除了高频通道外，影响保护性能的主要因素是方向元件的选取。 此外，对于这种工作方式，当外部故障时在远离故障点一端的保护，为了等待对端发来的高频闭锁信号，还必须要求低灵敏度起动元件带一定的延时，这就降低了整套保护的动作速度。

高频允许式保护在功率方向为正的一端向对端发送允许信号，此时每端的收信机只能接收对端的信号而不能接收自身的信号。每端的保护必须在方向元件动作，同时又收到对端的允许信号之后，才能动作于跳闸，显然只有故障线路的保护符合这个条件。对非故障线路而言，一端是方向元件动作，收不到允许信号，而另一端是收到了允许信号但方向元件不动作，因此都不能跳闸。当方向元件由距离元件承担时，其构成方式有 2 种：由距离保护Ⅰ段动作键控发讯的叫欠范围允许式（PUTT），由距离保护Ⅱ或Ⅲ段键控发讯的叫超范围允许式（POTT）。应当指出，以往的成套距离保护，附加适当的逻辑就构成纵联保护，在微机保护中，由单独的 CPU 构成独立完整的纵联保护。通常采用复用载波机构成允许式保护，一般采用键控移频的方式。正常运行时，收信机经常收到对端发送的频率为 f G 的监频信号，其功率较小，用以监视高频通道的完好性。当正向区内发生故障时，对端方向元件动作，键控发信机停发 f G 的信号而改发频率为 f T 的跳频（或称移频）信号，其功率提升，收信机收到此信号后即允许本端保护跳闸。允许式保护在区内故障时，必须要求收到对端的信号才能动作，因此就会遇到高频信号通过故障点时衰耗增大的问题，这是它的一个主要缺点。最严重的情况是区内故障伴随有通道破坏，例如发生三相接地短路等，造成允许信号衰减过大甚至完全送不过去，并将引起保护的拒动。通常通道按相-相耦合方式，对于不对称短路，一般信号可能过，只有三相接地短路，难以通过。

3.保护动作过程

2017 年 1 月 18 日 13 时 41 分，某 220 k V 线路发生一起 A 相经过渡电阻接地的线路故障。此线路两侧配置的是四方 CSC-103B 光纤差动保护与南瑞RCS-902A 高频纵联闭锁式保护。从南瑞保护装置的录波图（图3）上可看出，这是一起特殊的发展性接地故障，A 相故障电流逐渐增大。故障发生后，RCS-902A 高频保护正确起动、发信并停信，在起动约 40 ms 后对侧也已停信，然而此后保护并未动作出口。录波图反映，故障相 A 相断路器已于 45 ms时刻跳闸，故障电流消失。在 CSC-103B 保护报文中表明，光纤差动已经先动作跳闸将故障切除，此后 902A 高频保护也随之返回。由于冬季该线路走廊环境恶劣，在此后一段时间曾多次发生故障，保护动作行为也与之类似，引起了我们的重视。

4.高频保护动作延时分析

902A 高频保护“拒动”情况发生后，我们对该套保护进行了试验检查。通过模拟多次的同类型故障试验对比，发现在多数情况下光差保护要略快于高频保护动作出口。若两套保护动作时间差过大，光差保护动作后故障量消失，高频保护确实有不动作的情况。

经过对高频纵联保护原理的深入分析，发现高频保护有以下的固有延时：a.高频信号传输延时：高频通道上的加工设备复杂，加工环节较多，其中除了高频信号在通道上传导延时外，还有收发信机的信号处理延时及保护和收发信机接口的延时。而光差保护通道相对简单，尤其是在光纤直连方式下，两侧两套光纤保护无任何中间环节。b.高频抗干扰延时：在许多高频保护的软件逻辑中，为了防止高频通道上产生干扰信号导致保护错判造成拒动误动，都采用了延时的方法。如在RCS-902A高频保护中，就有“起动元件动作后，收信8ms后才允许正方向元件投入工作”，“区内故障时，正方向元件动作而反方向元件不动作，两侧均停信，经8 ms延时纵联保护出口”等延时逻辑。而光纤通道抗干扰性能本身较强，同时软件处理时也能够对传输的数字信号有校验防误功能，在抗干扰上无过多的延时。 c.纵联延时：在线路末端故障时，近故障一侧故障量大，一旦超出定值，很快即能完成保护的起动、发信、停信过程，远故障一侧由于故障量相对较小，灵敏度不足，起动、发信、停信过程慢。而高频闭锁式纵联保护原理需双侧均停信后才可能动作出口。纵联延时在经过渡电阻故障或发展性故障情况下更为明显。d.其它情况延时：在高频保护装置中还设有功率倒方向延时回路。此回路是为了防止区外故障后，在断合开关的过程中，故障功率方向出现倒方向，短时出现一侧正方向元件未返回，另一侧正方向元件已动作而出现瞬时误动而设置。为了避免这种情况，902A保护采取了当连续收信40 ms以后，方向比较保护延时25 ms动作的逻辑。 通过高频保护和光差保护两者原理的比较，以上除“纵联延时”外，高频保护的延时都相对较长，导致其动作速度慢。

5.结语

在采用一套光差保护、一套高频保护作为线路双主保护的配置下，若高频保护正常完好运行，高频保护仅仅是动作速度较光差保护稍慢，仍然可以作为线路主保护运行。但在故障发生后对保护的故障动作行为分析和运行评价时，却带来了一些问题。如怎样判断高频保护是延时导致的拒动还是保护异常导致的拒动，保护人员在真正的拒动时不至于疏忽大意；在保护运行评价时如何对此类情况进行评价等等。

光差保护和高频保护作为不同原理的线路主保护是一种过渡性的配置。鉴于当前新建变电站一般都不采用旁路接线方式和光纤网逐步建立完善、光通道的双重化得以实现，制约光差保護在实际中应用的不利因素越来越少，这样的过渡配置方案也会相应减少。

参考文献：

[1]陈衍.电力系统实时数据通信应用层协议.北京：水利电力出版社，2017

[2]朱义勇.电网调度自动化文件汇编. 上海：上海科学技术文献出版社，2016

[3]关于地区电网调度自动化系统应用功能实施的基础条件和开展步骤的几点意见. 北京：水利电力出版社，2007

[4]于而铿.电力系统状态估计.北京：水利电力出版社，2015

[5]山东鲁能积成电子公司.PAS技术说明书