李君宏，陳海軍

（寧夏超高壓分公司 寧夏 銀川 750011）

750 kV輸電線路[1]具有傳輸容量大、輸送距離遠、經(jīng)濟效益好的特點，但同時也存在線路分布電容大、故障時高頻分量豐富、直流分周期分量衰減緩慢等影響線路繼電保護工作的因素。通過分析750 kV輸電線路的電容電流、暫態(tài)過程對線路電流差動保護以及距離保護的影響。有助于750 kV輸電線路保護的研究，同時對750 kV輸電線路保護運行分析提供了依據(jù)。

1 750 kV系統(tǒng)特性

為提高750 kV輸電線路的傳輸能力，減小其電壓損耗和能量損耗，使其達到最佳運行狀態(tài)和最大經(jīng)濟效益，必須盡可能地減小輸電線路單位長度的電阻和電感，減小漏電導(dǎo)，增大電容。750 kV系統(tǒng)輸電線都采用多根分裂導(dǎo)線構(gòu)成相線。750 kV線路常采用4～6根分裂導(dǎo)線。這種結(jié)構(gòu)對線路參數(shù)有很大影響，進而使750 kV系統(tǒng)具有了一些有別于超高壓和高壓系統(tǒng)的電氣特征。

為了補償長距離線路的分布電容，750 kV線路兩端一般裝設(shè)有并聯(lián)電抗器。并聯(lián)電抗器能限制過電壓，減小單相重合閘過程中的潛供電流，同時也有助于平衡輕負荷時的線路無功功率。但是，由于750 kV輸電線所裝設(shè)的并聯(lián)電抗器，在故障時會引起電感電容諧振，從而會產(chǎn)生數(shù)值大、衰減慢的非周期分量，給保護帶來不利的影響。具體分析有以下幾點。

1.1 線路分布電容產(chǎn)生較大的電容電流

眾所周知，輸電線路的相與相和相與地之間都存在分布電容，對于750 kV系統(tǒng)的輸電線路，由于采用了分裂導(dǎo)線，線路感抗減小，分布電容增大。

由表1可以看出：隨著輸電線路電壓等級的提高，線路正序分布電容也在增加，相應(yīng)線路的電容電流也有所增加，對于500 kV輸電線路，線路電容電流約為111/百公里，而對于750 kV輸電線路，電容電流可達到約193/百公里。另外，由表1還可以看出，隨著輸電線路電壓等級的提高，線路的阻抗角也在提高，對于500 kV輸電線路，正序阻抗角為86°，而對于750 kV輸電線路.正序阻抗角提高到了87.4°。這只是穩(wěn)態(tài)運行情況下的電容電流，在故障或重合閘時，暫態(tài)充放電電流將要增大數(shù)倍。尤其是在暫態(tài)狀態(tài)下電壓中有很多高頻分量，電容電流與頻率成正比，將會產(chǎn)生更大的高頻電容電流，這將使線路區(qū)外故障時兩端電流的波形、幅值和相位都發(fā)生嚴重畸變，影響電流差動的正確工作。

1.2 線路分布電容引起的暫態(tài)過程和產(chǎn)生的高頻振蕩

輸電線路的相與相和相與地之間都存在著分布電容，對超高壓長線路由于采用了分裂導(dǎo)線，線路的感抗減少，分布電容增大，線路較長則更使分布電容的等值容抗大大減小。分布電容在暫態(tài)過程中將引起各種高頻自由振蕩分量，在穩(wěn)態(tài)過程中將使輸電線路中的電流、電壓的大小和相位都產(chǎn)生嚴重的畸變，尤其是當線路的負荷電流和短路電源較小時，這種影響更為嚴重。在短路發(fā)生后，由于電容影響，電流電壓波形發(fā)生了嚴重畸變，兩端電流有較大的偏移。

表1 各電壓等級架空線路的容抗和電容電流的參考值（/100 km）（2）Tab.1 Distributed capacitance and the currentwith various voltages （per one hundred kilometers）

750 kV系統(tǒng)長距離輸電線路的分布電容對短路電流的暫態(tài)過程會產(chǎn)生很大影響。線路分布電容對暫態(tài)過程的影響必須按分布參數(shù)進行短路計算。

在故障或重合閘時分布電容引起的暫態(tài)過程和產(chǎn)生的高頻振蕩使工頻分量的波形產(chǎn)生畸變，甚至在同一周波里多次過零，這對于相位比較式的保護是不利的。高頻分量的大小與短路發(fā)生時刻有關(guān)，但并不為零。因此必須考慮如何有效地濾除故障時由于分布電容引起的高頻分量。

1.3 采用并聯(lián)電抗器導(dǎo)致短路電流中含大成分的非周期分量

750 kV輸電線一般要求采用并聯(lián)電抗器以吸收無功功率，以改善電網(wǎng)無功功率分布及沿線電壓分布，降低線路損耗，提高輸電效率；在系統(tǒng)操作和故障時，限制系統(tǒng)工頻過電壓和操作過電壓；并且可以降低發(fā)電機功率因數(shù)，提高系統(tǒng)并聯(lián)運行的穩(wěn)定性。

由于并聯(lián)電抗中所儲存的磁能在短路時釋放所產(chǎn)生的非周期分量在一點的條件下同時流向線路兩端，因此在外部短路時，流入線路兩端繼電保護裝置的非周期分量電流可能數(shù)值不等。這就對分相電流差動保護帶來了新的問題。同時，短路時刻一次系統(tǒng)較大的非周期分量，使電流互感器更容易飽和，對電流差動保護影響很大。

1.4 線路時間常數(shù)大導(dǎo)致短路電流中的非周期分量衰減緩慢

在大容量電廠高壓母線附近短路時，750 kV系統(tǒng)衰減時間常數(shù)可達100 ms或更大，各電壓等級線路本身的衰減時間常數(shù)如圖2所示。

表2 不同電壓等級線路本身的衰減時間常數(shù)Tab.2 The attenuation constantwith various voltages

2 750 kV對線路保護的影響及解決方案[3]

750 kV輸電線的繼電保護也是建立在繼電保護基本原理之上，是由高壓和超高壓輸電線繼電保護技術(shù)發(fā)展起來的。

由于750 kV輸電線是聯(lián)合系統(tǒng)或全國統(tǒng)一電網(wǎng)的骨架，其安全可靠運行對于全系統(tǒng)的安全可靠運行起著決定性作用，故對繼電保護的性能和可靠性要求極高。因此，與一般高壓和超高壓線路相比，750 kV系統(tǒng)的保護裝置在整體上和更高的水平上滿足“四性”（速動性、靈敏性、選擇性、可靠性）要求。

輸電線路分相電流差動保護目前已廣泛應(yīng)用于我國750 kV輸電系統(tǒng)中，分相電流差動保護是分別將線路兩端的各相電流相量進行比較，從而判斷是否在輸電線路上發(fā)生了短路故障，由于電容電流的存在，使得正常運行狀態(tài)下線路兩端的電流不再平衡，從而出現(xiàn)差電流，當線路長度為500 km時，線路的電容電流約為960 A，約占線路自然電流的55%.在不采取任何措施的情況下，若要保護不致誤動，則必須抬高保護的差動定值門檻，但如此又會降低保護的靈敏性。接入高壓并聯(lián)電抗器，可以補償一部分電容電流，減小電容電流對電流差動保護的影響。但是，當線路較長時，線路中仍會有較大的電容電流，此電容電流仍然會在電流差動保護中產(chǎn)生差電流，從而影響到保護的正常運行。為此，除了高壓并聯(lián)電抗器外，在保護裝置內(nèi)部，也必須采取電容電流補償?shù)姆椒?，以減小電容電流的影響。

750 kV線路由于阻抗角增大，因此衰減時間常數(shù)也變大，在線路發(fā)生短路故障時，因電流在短路瞬間不能突變而產(chǎn)生很大的衰減直流分量，且衰減的非常緩慢，由于短路電流大且含有非常緩慢的衰減直流分量，很容易引起電流互感器的暫態(tài)飽和，電流互感器發(fā)生暫態(tài)飽和后，對一次電流的傳變將發(fā)生失真，從而影響電流差動保護動作的正確性[4]。

同時，如上所分析750 kV系統(tǒng)中有別于較低電壓等級的電氣特征，給繼電保護提出了更新的要求。

2.1 保護動作的快速性和可靠性

由于750 kV輸電線在電力系統(tǒng)中所處地位的重要性和巨大的經(jīng)濟效益，對保證其安全可靠運行的繼電保護的快速性和可靠性提出了極高的要求。因此750 kV輸電線上發(fā)生任何故障時必須在最短時間切除故障，同時在正常運行及區(qū)外故障時可靠不動。

工頻變化量距離元件為欠范圍整定的距離元件，不依賴于通道的配合，在近處故障時正確選相，以特高速跳閘。工頻變化量距離元件的主要特點：1）動作速度快，現(xiàn)場有3 ms動作出口的記錄；2）有明確的方向性；3）不反應(yīng)系統(tǒng)振蕩；4）適用于串補線路；5）過渡電阻能力強。

2.2 分布電容所產(chǎn)生的電容電流對保護的影響

分相電流差動縱聯(lián)保護從原理上是最理想的保護方式，具有絕對的選擇性，不受系統(tǒng)振蕩的影響，不受運行方式的影響，受過渡電阻的影響小，本身具有選相功能。但是，750 kV輸電線路往往要承擔遠距離大容量的電力輸送，較長的線路更使分布電容的等值容抗大大減小，導(dǎo)致電容電流進一步增大。電容電流將使輸電線路中的電流和電壓的大小和相位都產(chǎn)生嚴重的畸變，給保護帶來不利的影響。由分布電容產(chǎn)生的電容電流對分相電流差動影響較大，在電容電流較大的場合（例如長度大于200 km的750線路），不加電容電流補償措施的分相電流差動保護可能無法滿足靈敏度的要求。

750 kV輸電線路正常運行狀態(tài)兩側(cè)電流大小基本相等，但方向不相反，兩者的和即為電容電流。這對以比較線路兩側(cè)電流為基礎(chǔ)的縱聯(lián)差動保護產(chǎn)生較大影響，因在不計電容電流時，當系統(tǒng)正常運行或區(qū)外故障時，線路兩側(cè)電流大小相等，方向相反，差流為零，這是差動保護的基礎(chǔ)。當計及線路分布電容后，正常運行或區(qū)外故障時，線路兩側(cè)電流和為該線線路上的電容電流。

目前常用的數(shù)字式分相電流差動保護動作判據(jù)為：

式中：I˙m和I˙n分別表示線路 M 側(cè)和 N 側(cè)的電流相量，I˙zd為定值；K 為制動系數(shù)（0＜K＜1）。

式（1）為輔助跳閘判據(jù)；主要用于防止線路空投或空載情況下裝置因某種原因誤起動。（此時（2）式滿足跳閘條件），式（2）為主判據(jù)，兩式同時滿足時差動元件動作。

差動保護的靈敏度還與線路的分布電容電流有關(guān)，輔助判據(jù)式（1）中的定值Izd是按躲過線路分布電容電流整定的，當電壓等級高，線路較長時，電容電流可能很大，高定值的Izd必然會降低保護靈敏度 （如區(qū)內(nèi)故障時保護過渡電阻的能力）。另外，差動保護的靈敏度與制動系數(shù)K有關(guān)，顯然K值越小靈敏度越高，但降低k值必然導(dǎo)致區(qū)外故障防衛(wèi)能力的下降，因此通過降低制動系數(shù)來提高差動保護的靈敏度是不可取的。

目前，繼電保護技術(shù)規(guī)程要求允許過渡電阻值為如表3所示。

表3 繼電保護技術(shù)規(guī)程要求各電壓等級允許過渡電阻Tab.3 Protective relaying technique to allow transition resistance

當實際系統(tǒng)輸電線路發(fā)生經(jīng)過渡電阻接地短路時，線路保護能可靠動作。750 kV線路正序容抗約為2 000 Ω/100 km，對于400 km線路經(jīng)500 Ω過渡電阻接地，差動電流最多為1 225 A，相當于1.5倍的電容電流。如果將門檻抬高到1.5倍的電容電流，差動保護在經(jīng)500 Ω過渡電阻接地時就不能滿足靈敏度的要求。為此，在抬高動作門檻的同時也必須對電容電流進行補償。

2.3 短路過程中高頻分量對繼電保護的影響[5-6]

暫態(tài)過程中出現(xiàn)的高頻分量使電流波形產(chǎn)生畸變，而對于相位比較式的保護，電流的波形將直接影響繼電器的動作。波形的半波寬度和瞬時值過零的時刻對繼電器的動作影響最大。高頻分量電流在短路處（近故障點）很大，在遠離故障點的保護安裝處的高頻分量則較小。

實際系統(tǒng)中高頻分量衰減比較快，高頻電氣量一般在最初半個周期內(nèi)可能改變波形的極性。但是現(xiàn)在的線路保護動作速度很快，速動元件（如工頻變化量阻抗，工頻變化量方向等）都工作在短路后的暫態(tài)過程的1～2個周波內(nèi)。高頻分量所導(dǎo)致的電流波形畸變，甚至在1周波內(nèi)多次過零，對于相位比較式的保護，有可能造成錯誤的判別。

通常意義上的方波積分比相器如圖1所示。

圖1 方波積分比相器示意圖Fig.1 Square wave integral phase drawing

圖1中被比較的兩個交流量A和B分別通過方波形成回路1和2輸出代表A、B正半波極性的矩形脈沖，與門“3”在A、B極性同時為正時有輸出。時間元件“T4”測量“與3”輸出脈沖的寬度也就是A、B極性同時為正的時間。

在短路暫態(tài)過程中的高頻分量使波形畸變，使方波變碎，使比相器延緩動作，因此對于比相式的保護，如何有效地濾除高頻分量，同時要求濾波器的數(shù)據(jù)窗不能過長，否則仍然會影響動作速度。

由于超高壓線路保護要求保護快速動作切除故障，所以在某些場合采用半波算法，以提高保護的動作速度，半波算法和全波算法的不同在于它只需要半個周波的時間窗，由于只使用半個周波的數(shù)據(jù)，半波算法受到高頻分量的影響比全波算法更為嚴重，而且半波算法不能濾除偶次諧波，受短路暫態(tài)過程的影響更為嚴重。在濾波方案設(shè)計中充分考慮了短路暫態(tài)中高頻分量的影響。在硬件上首先經(jīng)低通濾波板進行模擬濾波，濾去高頻分量。

另外主保護采用五點數(shù)字濾波濾除高頻分量，后備保護采用傅氏濾波濾除高頻分量。在此基礎(chǔ)上，變化量保護由于本身的算法，可以大大降低高頻分量的影響。另外，在保護的算法中，也充分考慮了剩余雜波的干擾，例如浮動門坎的設(shè)置，判據(jù)裕度的考慮等[3]。

2.4 短路過程中非周期分量對保護的影響

750 kV輸電線路所裝設(shè)的并聯(lián)電抗器導(dǎo)致短路電流中含有較大成分的非周期分量，同時750 kV輸電線路的電阻與電抗之比遠小于高壓和超高壓線路，時間常數(shù)大，非周期分量衰減非常緩慢。

750 kV線路在故障過程中，一次側(cè)產(chǎn)生的大成分的非周期分量會導(dǎo)致電流互感器磁芯的飽和度增高，使得互感器的傳變特性變差，導(dǎo)致電流互感器更易飽和，給電流差動元件帶來不利影響[7]。

同時，緩慢衰減的非周期分量對于保護算法產(chǎn)生影響，從而影響保護的動作精度，甚至引起誤動。

短路暫態(tài)過程中的非周期分量，將使經(jīng)方波形成回路的方波波形變寬或變窄。將造成誤動或延緩動作。

由此可見，非周期分量將造成保護動作邊界不明確，在保護中必須設(shè)計可靠的濾波硬件回路及數(shù)字錄波器。同時，半波算法受到衰減直流分量的影響較全波傅氏算法更加嚴重。

2.5 對距離保護的影響

750 kV線路由于減小了線路感抗，增加了分布電容，因而在發(fā)生故障時其高頻分量更加豐富，其中比較突出的是2到4次諧波和11到13次諧波[1]。這些諧波的存在，對距離保護的精確計算影響很大，容易造成距離保護的暫態(tài)超越，使距離保護的暫態(tài)超越范圍擴大。另一方面，750 kV線路故障時較慢的衰減直流分量也會使距離保護的暫態(tài)超越范圍擴大。

3 結(jié) 論

本文分析了750 kV特高壓輸電線路的電容電流、暫態(tài)過程、過渡電阻、空載合閘充電、重負荷及空載、大短路電流等主要特殊問題。綜合闡述了750 kV超高壓輸電線路的系統(tǒng)特性對線路縱聯(lián)差動保護、距離保護都有嚴重影響及解決方案，使得讀者能更全面的理解這一領(lǐng)域的相關(guān)問題。

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