特高压输电线路继电保护特殊问题的研究

2021-11-30宋佳信

魅力中国 2021年29期

宋佳信

（国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司±800 千伏伊克昭换流站，内蒙古鄂尔多斯 016200）

引言

特高压输电线路的接线是继电保护的重要组成部分。鉴于特高压输电线路的特殊性，其继电保护同样存在许多问题。为了充分利用和发展特高压技术，必须对其进行研究，以解决已发现和尚未发现的问题。这样才能保障人民生活的正常运行，保证国民经济的快速发展。

由于特高压交流输电线路一般承担着两大电网同步运行的连接任务,其重要性高于一般电压等级的输电线路,因此为了保证线路的正常可靠运行,必须配备两套完全独立的维电保护装置。但是,每种继电保护方法都存在自身特有的缺点,所以必须对继电保护的配置方法进行研究,确定其保护配置的基本原则。

一、特高压输电线路继电保护的重要性以及原理

随着社会经济的快速发展和工业化水平的不断提高，电力需求也在不断增长。高压输电技术已难以满足未来电力需求。因此，特高压输电技术是我国电力工业发展的必然趋势。应用特高压输电技术不仅可以满足电力增长的需要，还可以减少电网投资，优化资源配置，降低线损，提高电网运行稳定性。特高压输电线路可以实现远距离大容量传输，节约了线路走廊的成本。但在特高压输电线路的建设过程中，经常会遇到系统稳定性问题，继电保护技术是保证特高压输电线路稳定运行的关键。因此，为了保证特高压输电线路的安全稳定运行，必须合理地采用特高压继电保护技术和措施。特高压输电线路整线任务是为了保证继电保护的灵敏度和速度等级，使继电保护具有足够的选择性和安全性，以实现其基本功能。

从继电保护的原理看,在电力系统出现短路或线路故障灯问题时特高压输电线路的继电保护可以结合电气量的变动情况发挥功能,其中电气量信息涵盖电流、电压、功率等参数。一般来说,不管是哪类参数发生变化,继电保护功能都要做好测量、逻辑、执行三方面故障。确保电力系统的灵敏性,电网设备或线路出现短路现象时，可借由继电保护整定，根据继电保护对应保护的最小灵敏度系数，规定动作；若保证系统的选择性，则可在线路发生故障时，规定动作。先由故障设备、线路自身切断故障所在位置的线路流通并针对性解决相关问题,只有在自身无法应对时才会向其余的保护设备发出求助信号从而切断故障。除此之外,继电保护所表现出的速动性则指由于其在保护电力系统方面具有专业性特征,因此可以在需要执行保护指令时迅速反应,确保实时性。

二、特高压输电线路继电保护的现状

现代社会在不断进步，经济条件在不断改善，人们对生活质量的要求也越来越高。随着电网电压水平的提高，电网的运行需要承担大量的任务和巨大的压力。但是，目前各国特高压输电线路建设都处于起步阶段，只能低电压运行，我国的前期研究虽然取得了一些成绩，但也遇到了不少困难。研究结果表明：分布电容会产生较大的电容电压，高频元件短路时频率与工频非常接近，非周期元件短路时衰减常数很大，因此，要认识特高压线路保护的现实意义，就必须从保护原理和保护可靠性两方面论证和改进保护策略。

三、特高压输电线路继电保护配置原则

（一）不同原理的完全双重化

特高压交流输电线路的保护配置原则与特高压输电线路相似，但要求更高。其要求是保证完全、100%双备、近备，即两套主要保护必须高度独立，保护配置必须高度冗余。双主保护需要从Ta 和TV 交流输入，接线盒、电缆、直流电源、跨接线圈、保护屏和通信通道应完全分开，彼此独立。上述任何一种情况都不包括100%的二元或近似准备金。此外，还应设置远程备用和断路器故障保护，以保证远程备用的灵敏度。应采取措施，减少故障的发生，如双母线分总成作业。

直流电源也需要双重化,意思是要配备两套蓄电池或者两条独立的直流母线。与此同时,两套主保护需要各自接于各自的直流母线上来保证双重化。并且,当某条直流母线/某套蓄电池组发生故障时,需要实现自动切换来保证持续供电。必须防止由于单条直流母线故障而引起相关保护的拒动作或误动作。根据上所得要求和原则,特高压交流输电线的继电保护必须配备两套主保护,其中一套同时需要满足快速切除全线故障并作为相邻线路远后备的功能。此外,在装有单相自动重合阐的断路器断开后的非全相状态下出现非全相震荡时,必须至少有一套保护不误动并可反映健全相故障。

（二）防止误操作的保护

由于IC 保护系统硬件复杂度高，元件数量多，保护元件的可靠性将以拒动为主，拒动原因主要是线路故障或元件损坏。具有较高的单片机保护集成度，减少了电子元器件数量，降低了损坏概率和拒动概率，但一般情况下由于干扰造成的误动。对于传输线来说，正常运行是一个长期的过程，经常会出现短时故障。因此保护误动(长期状态)比故障(短期状态)更令人担忧。此外，微机还可以对大量数字码进行连续处理和传输。任意一个码段，特别是高位码段，在内部和外部干扰下进行处理和传输，将影响保护的正常运行。也就是说，高冗余度是确保继电保护可靠运行的必要条件。

（三）自动重合闸配合与保护装置

自动重合闸是保证线路安全运行的重要环节。继电保护的方法有很多种。不同的配合方式对继电保护性能有不同的影响。对于特高压交流线路，减少两侧断路器的时差，可限制运行过电压，一般可控制在40～50ms，同样，必须规定自动重合闸的最大时差。为确保两端接线的时间不超过规定，特高压输电线路中断路器的接线应采用半自动方式。

（四）并联反应器的原理及安装

双重反应器的转换应根据操作进行。但是断路器断开后，必须立即启动并联电抗器，以防止过电压和消弧。为了提高并联电抗器的可靠性，必须对其进行特殊的保护，并联电抗器与消弧电抗器同样适用。并联式和消弧式电抗器应经常保持安全运行。灭弧电抗器发生故障时，应同时发出跳动信号和保护启动信号，以便在发生故障时能够迅速地将其投入并联电抗器和灭弧电抗器。此外，反应器的下一动作电流需要通过单相自动重合闸来判断。防弧开关合闸时，如果电流在互感器上，表明变压器防弧工作正常，那么就应该立即缩短防弧开关合闸时间。

（五）断路器失灵保护

特高压输电线路上的断路器与一般输电线路一样，需要设置故障保护装置，防止发生故障。但是，由于特高压输电线路传输距离长，其故障保护启动元件的灵敏度较低。特别是在将本线保护作为下一级线路保护的远距离备份时，要求下一级线路末端出现故障时，当线路拒动、本线开关拒跳时，故障保护的启动元件应有足够的灵敏度。对于高灵敏度的要求也决定了故障保护应采用多点启动原则。

四、特高压输电保护算法的研究

目前输电线路上继电保护装置广泛采用的是基于工频电气量的，而光纤通信技术以及硬件的快速发展为基于暂态电气量的继电保护提供了有力的技术支持。无论是基于工频量还是暂态量的继电保护，继电保护算法均是实现保护环节中不可或缺的一部分。特高压输电线路的电气特性不同于其他电压等级，且特高压输电在联网系统中具有特殊地位，继电保护算法的作用变得更加重要。因此，对特高压输电保护算法的研究一直是国内外电力工作者的研究重点之一。

（一）特高压输电电流差动保护算法

电流差动保护原理自19 世纪初提出以来，便被广泛应用于电力系统继电保护中。我国第一条特高压输电线路的主保护之一就是采用电流差动纵联保护原理。电流差动保护原理具有绝对的选择性，且基本不受过渡电阻的影响，同时不受系统运行方式变化和系统振荡的影响。随着特高压输电线路的发展，电流差动保护遇到了新的问题和挑战，将其用于特高压长距离输电线路继电保护时，线路分布电容电流的影响已不能忽略。在保证区内故障保护灵敏可靠动作的同时，还需要正常运行和区外故障时保护可靠不动作。电容电流补偿算法基本消除了分布电容电流对电流差动保护的影响，为提高电容电流补偿的精确度以及自适应能力，对补偿算法的改进措施逐渐被提出。

（二）特高压输电线路的暂态过程分析

特高压输电线路发生故障时暂态过程非常严重，目前实际应用的傅氏算法计算测量阻抗时误差较大，更容易造成距离保护的暂态超越。距离保护通常采用滤波或者延时的方法来防止暂态超越，传统的距离保护方案在特高压系统中应用时势必会出现问题，容易导致正向区外故障时测量阻抗落入整定范围的持续时间超过时间继电器定值，造成保护无法躲过超越而误动；目前有学者通过理论推导和数值计算对特高压输电线路故障时的暂态特征进行了研究，在得到暂态噪声分量的各频率成分特性及其相互关系的基础上，提出了一种直观的估计特高压输电线路故障暂态特征的估算方法，能较准确的对暂态特征进行定量分析，为更好的认识暂态过程和论文后续研究保护特性及滤波算法提供基础。

（三）Prony 算法在电力系统信号分析中的应用

暂态保护的难点在于算法的使用，随着提取电力系统暂态信号算法的逐步发展，对研究自适应重合闸的故障选相环节和故障性质辨识是一个质的突破。目前分析暂态信号的方法有数学形态学、希尔伯特-黄变换、相关分析法、小波算法和Prony 算法等以及上述算法的各种改进算法。Prony 算法具有准确提取信号频率、幅值、相位以及衰减因子的能力，这是其它算法无法做到的。且Prony 算法需求的数据少，计算量小，对电力系统中的高阶信号也非常适用。