康驥

摘 要：輸電線路擔(dān)負(fù)著傳送電能、聯(lián)系系統(tǒng)和用戶的重要任務(wù)，是電力系統(tǒng)的重要元件，但是在組成電力系統(tǒng)的各部分中，它的運(yùn)行條件最為惡劣，發(fā)生事故的概率也比其他設(shè)備高得多，經(jīng)常發(fā)生暫時(shí)性故障，它們的繼電保護(hù)尤其重要。文章主要針對(duì)輸電線路故障產(chǎn)生原因、輸電線路常用繼電保護(hù)方式和輸電線路繼電保護(hù)的新進(jìn)展進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：輸電線路；故障原因；繼電保護(hù)；發(fā)展趨勢

中圖分類號(hào)：TM773 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2013）21-0081-02

繼電保護(hù)是維護(hù)電力系統(tǒng)的重要手段之一，對(duì)于保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著非常重要的作用。隨著對(duì)電力技術(shù)的發(fā)展及對(duì)電網(wǎng)繼電保護(hù)的不斷研究，電網(wǎng)繼電保護(hù)有了新的發(fā)展，并逐步走向成熟。作為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線，繼電保護(hù)時(shí)刻都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

1 輸電線路故障原因分析

凡是需要電能的地方就要架設(shè)輸電線路，輸電線路所經(jīng)路段地形復(fù)雜多樣，而且覆蓋的地域廣闊會(huì)受到各種因素的影響。受自然條件、設(shè)備及人為因素影響，輸電線路可能會(huì)發(fā)生各種各樣的故障，主要有雷擊跳閘故障、線路覆冰、風(fēng)偏閃絡(luò)故障、鳥害故障等自然故障，外力破壞造成的導(dǎo)線的斷股、損傷和閃絡(luò)燒傷故障和員工誤操作產(chǎn)生的故障等。

1.1 雷擊跳閘故障

輸電線路覆蓋區(qū)域廣闊、運(yùn)行情況復(fù)雜、數(shù)量眾多，而且一般地處曠野，在這些空曠的區(qū)域，輸電塔和輸電線一般是最高的建筑，極有可能遭受雷擊。在雷雨季節(jié)，無論是架空線上受到雷電感應(yīng)或是雷電直接擊中避雷線、輸電線路都將在輸電線路上產(chǎn)生雷擊過電壓。若線路的絕緣水平太低或防雷保護(hù)措施不力，就會(huì)發(fā)生各種形式的雷擊跳閘故障。

雷擊事故雖然與雷擊線路原因有較大關(guān)系，但設(shè)備的缺陷、線路的布置也極有可能加劇雷擊事故的危害。導(dǎo)致輸電線路雷擊跳閘故障的具體原因有以下幾點(diǎn)：①線路位于雷擊活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)。雷電是雷擊事故的最直接原因，如果線路處于雷擊活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)，可能會(huì)使輸電線路遭受雷電的重復(fù)打擊。②線路絕緣水平低。線路絕緣是雷擊時(shí)的第一層保障，絕緣水平不夠?qū)⒅苯釉黾泳€路受雷電打擊時(shí)發(fā)生故障的概率。③線路布置不合理。避雷線布置不當(dāng)，保護(hù)角偏大時(shí)，會(huì)發(fā)生避雷線失效，讓雷直接擊到導(dǎo)線上。此外，當(dāng)輸電線路互相交叉或跨越電壓較低線路時(shí)，如果不能保證上下兩根導(dǎo)線的垂直距離也可能由于兩根線路的電勢差而發(fā)生交叉點(diǎn)閃絡(luò)現(xiàn)象。

1.2 外力破壞跳閘故障

近年來，隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，輸電線路所經(jīng)區(qū)域擴(kuò)大，安全運(yùn)行也面臨著更多的問題。除了前面提到的雷擊等自然原因外，外力破壞也嚴(yán)重威脅著輸電線路的安全運(yùn)行。

輸電線路外力破壞主要來源有以下幾種：①違章施工作業(yè)。施工企業(yè)的管理還不健全，為了追求快速完成工程，施工企業(yè)對(duì)輸電線路的保護(hù)不會(huì)也不可能面面俱到，導(dǎo)致挖斷電纜、撞斷桿塔的事故時(shí)有發(fā)生，不僅對(duì)電力部門造成了損失，也埋下了施工安全隱患。②違章建筑、超高樹木。違章建筑和樹障威脅著電力線路的安全運(yùn)行。一些單位和個(gè)人違反國家法律法規(guī)，擅自在電力設(shè)施保護(hù)區(qū)內(nèi)違章建房，違章種樹。當(dāng)輸電線和房屋、樹木之間的距離達(dá)不到安全距離要求時(shí)，輸電線路就會(huì)放電造成跳閘故障，給電力系統(tǒng)可靠性帶來了很大的不確定因素，并對(duì)周圍的建筑、設(shè)備或人員構(gòu)成危害。

1.3 人為原因故障

雖然目前電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平越來越高，但為了確保其穩(wěn)定性，工作人員仍然具有手動(dòng)控制電網(wǎng)部分線路的權(quán)限。如果發(fā)生誤判斷而導(dǎo)致錯(cuò)誤操作時(shí)也將可能給電力系統(tǒng)造成很大危害。

2 常用輸電線路繼電保護(hù)及其評(píng)價(jià)

2.1 電流保護(hù)

由于電流速斷不能保護(hù)線路全長，限時(shí)電流速斷不能作為相鄰設(shè)備的后備保護(hù)，為了保證迅速有選擇的切除故障，常將電流速斷、限時(shí)電流速斷和過電流保護(hù)組合在一起，構(gòu)成三段式電流保護(hù)，這里所說的電流保護(hù)就是三段式電流保護(hù)。實(shí)際應(yīng)用中，可以只采用速斷加過電流保護(hù)，或限時(shí)速斷加過電流保護(hù)，也可以三種保護(hù)同時(shí)使用。

2.1.1 電流保護(hù)動(dòng)作過程

如圖1所示是一個(gè)典型的單電源電路，線路中保護(hù)1，2，3，4相互配合構(gòu)成三段式電流保護(hù)。每段線路的Ⅱ段電流保護(hù)都和下一段線路的Ⅰ斷電流保護(hù)相互配合，并有0.5 s左右的延時(shí)。Ⅲ段電流保護(hù)和下一段電路的Ⅲ段電流保護(hù)配合，延時(shí)0.5～1 s。

當(dāng)電路發(fā)生故障或者出現(xiàn)過負(fù)荷等異常、危急用電用戶生命財(cái)產(chǎn)安全情況時(shí)，繼電保護(hù)是通過有時(shí)限和無時(shí)限等動(dòng)作來進(jìn)行輸電線路安全保護(hù)的，在極短的時(shí)間內(nèi)做出根據(jù)線路反映的信號(hào)做出相應(yīng)的跳閘動(dòng)作，以保證用戶用電的安全。例如，電路中CD段發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)首先由保護(hù)2動(dòng)作，如果保護(hù)2失靈或斷路器拒動(dòng)則應(yīng)延時(shí)0.5 s或1 s啟動(dòng)保護(hù)3，這樣就能保證保護(hù)2正常工作時(shí)，保護(hù)3不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。

2.1.2 電流保護(hù)評(píng)價(jià)

階段式電流保護(hù)裝置簡單，保護(hù)接線、調(diào)試和整定計(jì)算都因其較簡單而不易出錯(cuò)，因此可靠性比較高。無限時(shí)電波速斷保護(hù)的選擇性靠動(dòng)作電流來保證，帶時(shí)限電流速斷保護(hù)和過電流保護(hù)的選擇性則由動(dòng)作時(shí)限來保證。由這3種電流保護(hù)組合成階段式電流保護(hù)用于單側(cè)電源電網(wǎng)能保證選擇性，而在多電源網(wǎng)絡(luò)或單電源環(huán)網(wǎng)，一般很難滿足選擇性的要求。

此外，電流保護(hù)也存在其他問題，如無時(shí)限電流速斷不能保護(hù)線路全長，其保護(hù)范圍和帶時(shí)限電流速斷保護(hù)的靈敏度受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響較大。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行方式變化很大時(shí)，往往不能滿足靈敏度要求。過電流保護(hù)作為本線路的后備保護(hù)，一般情況下能滿足要求，但在長重負(fù)荷線路上，因線路最大負(fù)荷電流與線路末端最小短路電流接近，也往往難以保證靈敏度要求。

2.2 橫縱聯(lián)差動(dòng)繼電保護(hù)

在現(xiàn)代的高壓（220 kV及以上）輸電系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，在很多情況下都要求保護(hù)能無延時(shí)地切除被保護(hù)線路任何點(diǎn)的故障。前面介紹的電流保護(hù)并不能滿足這個(gè)要求，為了解決這一問題就必須采用新的保護(hù)原理——差動(dòng)保護(hù)。

2.2.1 差動(dòng)保護(hù)原理

差動(dòng)保護(hù)是利用基爾霍夫電流定理工作的，當(dāng)輸電線路正常工作或區(qū)外故障時(shí)，則流入輸電線路的電流和流出電流相等，差動(dòng)繼電器不動(dòng)作。當(dāng)本級(jí)輸電線路內(nèi)部故障時(shí)，兩側(cè)（或三側(cè)）向故障點(diǎn)提供短路電流，差動(dòng)保護(hù)感受到的二次電流和的正比于故障點(diǎn)電流，差動(dòng)繼電器動(dòng)作。

如圖2所示，如果內(nèi)部發(fā)生故障，流入繼電器的電流等于短路點(diǎn)的總電流。即：Ij=I2'-I2"，當(dāng)流入繼電器的電流大于動(dòng)作電流，保護(hù)動(dòng)作斷路器跳閘。發(fā)生外部故障或正常運(yùn)行時(shí)，I2'=I2"，流入繼電器的電流為0，差動(dòng)保護(hù)不動(dòng)作。

2.2.2 橫縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)評(píng)價(jià)

按照接線方式的不同，差動(dòng)保護(hù)又可以分成縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)和橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)兩大類。下面對(duì)它們的主要特點(diǎn)進(jìn)行具體分析。

①縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)評(píng)價(jià)?？v聯(lián)差動(dòng)保護(hù)是通過比較線路兩端電流的大小和相位來判斷區(qū)內(nèi)或區(qū)外故障，因此該保護(hù)比起單從裝設(shè)保護(hù)的一側(cè)觀察故障現(xiàn)象的電流保護(hù)和距離保護(hù)來說，在選擇性、靈敏性以及快速性上都具有后者無可比擬的性能。在原理上保證了縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)在外部發(fā)生故障時(shí)不會(huì)動(dòng)作，具有明確的選擇性。在采用措施減少不平衡電流對(duì)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的影響下，使保護(hù)的靈敏度大大提高?？v聯(lián)差動(dòng)保護(hù)能做到全線速動(dòng)。但是，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的投資成本相對(duì)較高，不適合應(yīng)用于長距離的輸電線路中，只有在輸電線路上其他保護(hù)不能滿足要求時(shí)，線路長度不超過允許范圍情況下，才考慮采用縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。

②橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)評(píng)價(jià)。在雙回線路中，使用橫聯(lián)繼電保護(hù)能對(duì)發(fā)生故障的線路進(jìn)行及時(shí)、快速地切斷，保證輸電線路的安全性，而且接線的工序也比較簡潔，技術(shù)要求比較低，優(yōu)勢十分明顯，但是缺點(diǎn)也十分突出，橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)是均存在相繼動(dòng)作區(qū)，如在相繼動(dòng)作區(qū)將橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)運(yùn)用在單回線路中的主保護(hù)或雙回線的后備保護(hù)，除了雙回線原本配置的繼電保護(hù)外，還要在此基礎(chǔ)上配置一套三段式的電流或距離保護(hù)，這樣一來，安全保護(hù)的成本也會(huì)增多，不利于提高電力企業(yè)的生產(chǎn)效率。

3 輸電線路繼電保護(hù)新進(jìn)展

3.1 網(wǎng)絡(luò)化

利用站內(nèi)和電網(wǎng)信息共享，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)主保護(hù)和后備保護(hù)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)配置，解決單元保護(hù)由于信息不完備及電壓靈敏度不足帶來主保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)的問題，同時(shí)提高后備保護(hù)的動(dòng)作性能。取消后備保護(hù)的定值，實(shí)現(xiàn)后備保護(hù)的在線整定以及網(wǎng)絡(luò)化。

3.2 智能化

通過參數(shù)識(shí)別和電網(wǎng)信息共享，及時(shí)跟蹤系統(tǒng)的工作狀態(tài)，多種保護(hù)原理配合工作，通過保護(hù)原理自適應(yīng)、保護(hù)動(dòng)作特性自適應(yīng)，使繼電保護(hù)始終工作在性能最佳的狀態(tài)。

3.3 保護(hù)、控制、測量、通信一體化

智能電網(wǎng)為繼電保護(hù)的發(fā)展提供良好的硬件環(huán)境，繼電保護(hù)將向著保護(hù)、控制、測量以及通信一體化方向發(fā)展。

4 結(jié) 語

對(duì)規(guī)模越來越大的輸電網(wǎng)絡(luò)和輸電線路來說，如何保證其在輸電的過程中電力運(yùn)行的安全以及個(gè)人、企業(yè)的安全、放心用電是值得我們重視的。繼電保護(hù)是確保輸電線路安全可靠運(yùn)行的重要保障，因此研究人員還需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)繼電保護(hù)的研究。

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