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1、交流 1000kV 特高压输电线路继电保护的研究 柴济民，郑玉平，李园园 南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211100 RESEARCH ON PROTECTION RELAY FOR 1000KV UHV AC TRANSMISSION LINE NARI Relays Electric Co Ltd,Nanjing 211100 ABSTRACT:Ultra-high voltage(UHV)transmission line will be the main frame of power network in China.Comparing to normal voltage c
2、lass and EHV(Extra-high voltage)transmission line,1000kV line has more distributed capacitance,longer distance and larger proportion of reactance and resistance,which results in obvious transient state while fault loading or operating.These characters of UHV transmission line may make affection on e
3、xisting protection relay.This paper analyses the characters of fault transient process,connecting unloaded line,high resistance grounding through RTDS,and discusses their influence on UHV transmission line protection to help developing protection relay device.摘要：交流特高压输电线路是我国未来统一电网的骨架。与常规电压等级线路以及超高压输
4、电线路相比，1000kV 输电线路分布电容大，单位电感电阻比大，线路长度长；在故障、操作等条件下特高压系统呈现出相对更明显的暂态过程，从而对二次继电保护提出了新的挑战。本文通过理论分析以及 RTDS 仿真，分析了 1000kV 特高压输电线路在故障暂态过程、空载合闸、高阻接地等条件下相关电气量的特点；对继电保护所面临的特殊问题进行了讨论，从而为 1000kV输电线路继电保护的研制和开发提供了依据。关键词：继电保护；特高压输电线路 引言 为了加强电网的传输能力，实现“西电东输、北电南送”和全国统一的网架结构，我国将在已有的以500kV 超高压输电线路为骨架的电网基础上建设750kV、1000kV
5、 交流特高压输电线路和800 kV 特高压直流输电线路1。国家电网公司已经启动了晋东南南阳荆州 1000kV 交流特高压试验示范工程2，这是我国即将出现的最高电压等级交流输电线路。本文在已经建设的西北 750kV 输电线路继电保护的基础上，通过 RTDS 实时仿真系统对晋荆 1000kV 输电线路的继电保护进行了研究，讨论了示范工程继电保护所面临的特殊问题，为晋荆示范工程以及未来的1000kV 特高压线路继电保护提供了研发的依据。1 1000kV 输电线路参数的特点 为了提高特高压输电线路的传输能力，减小其电压损耗和能量损耗，提高输电线的自然功率。特高压输电线路单位电阻小，漏电导小、分布电容大
6、。特高压线路多采用分裂导线（750kV 常用 4-6 根，1000kV常用 8-12 根），加之特高压输电线路输电距离长，从而导致分布电容较大。表 1 列出了不同电压等级下每百公里的分布电容值。表 1 不同电压等级下每百公里线路分布电容 Tab1 The wiring capacitance and the current with various voltages(per one hundred kilometers)电压等级（kV）220 330 500 750 1000 正序电容（uF）0.86 1.113 1.23 1.36 1.397 零序电容（uF）0.61 0.77 0.84 0
7、.93 0.93 表 2 列出了 220kV-1000kV 各电压等级下单位线路电抗与电阻的比值。可知特高压输电线路的单位电感与单位电阻的比值明显增大，这又是特高压输电线路的一大特点。同时，由于特高压输电线路相间距离大，对地绝缘好，其漏电导在分析中可以忽略。表 2 各电压等级输电线路单位电阻电抗比 Tab 2 The proportion of the reactance and the resistance with various voltages 电压等级（kV）220 330 500 750 1000 X/R 3-3.5 6.84 10-13 20 35 7 继电保护与安全自动装置 1
8、201 另外，为了限制过电压，在特高压输电线路上两端一般都装设了容量较大的并联电抗器。在一些线路特别长的场合，其中部也可能装设并联电抗器。2 1000kV 输电线路电气量的特点 2.1 分布电容电流 高压长线的分布电容导致对地电容的增加，这是一个基本的电气现象，在一般的高压线路上，这个问题并不严重，但是随着电压等级的增高，单位长度的分布电容相应增大（如表 1），同时电容电流就明显增大，表 3列出了各电压等级下每百公里的分布电容电流(有效值)。表 3 各电压等级下的分布电容电流（每百公里）Tab3 The wiring capacitance current with 电压等级（kV）220 3
9、30 500 750 1000 电容电流（A）34 66 111 186 253 图 晋东南南阳荆州 1000kV 特高压输电线路 Fig 1 The UHV transmission line of Jindongan-Nanyang-Jingzhou various voltages(per one hundred kilometers)晋 东 南荆 门SR4SR3SR2SR1南 阳 开 关 站BRK4BRK3BRK2BRK1低 压 电 抗 器Z21000KV线 路1000KV线 路华 中 500kV电 网 等 值华 北 500kV电 网 等 值低 压 电 抗 器Z1 根据晋东南南阳荆州
10、1000kV 交流特高压电流示范工程（如图）的线路参数，当线路的并联电抗器不投入运行的时候，波阻抗为 242.5 欧姆，每百公里的充电功率为 533 兆伏安，自然功率为 4546 兆瓦，传送自然功率时候每相的负荷电流为 2500A，而每百公里的电容电流为 253A，300km 线路为 759A，达到额定负荷电流的 30%左右。在特高压线路上，高补偿度的并联电抗器的接入大大削弱了线路分布电容的作用，以晋东南南阳荆州线路为例，线路两端和中部均架设并联高抗后（83.5%补偿度），线路的稳态电容电流值大大下降。图 2 为并联电抗器补偿前后最大运行方式下晋东南南阳线路稳态电容电流。2.2 非周期分量 在
11、故障和操作后，为了维持线路上的电感元件上的电气量不突变，产生了衰减的非周期分量。具体来说，特高压线路上的非周期分量分为两类3：一是输电线路自身电感产生的非周期分量，称为基本非周期分量LI；一是并联电抗器产生的附加非周期分量pI。以三相故障为例，二者的流通图如图 3 所示。图 2 晋东南南阳稳态电容电流 Fig 2 Steady capacitance current of Jingongnan-Nanyang transmission line（a）补偿前电容电流；（b）补偿后电容电流 （a）（b）图 3 非周期分量流通图 Fig 3 Circulation circuit of curren
12、t non-periodic component 设电源电动势为sin()mEEt=+，短路后并联电抗器端电压下降为sin()muUt=+，对于Li和pi的相关讨论见表 4。由于并联高抗的pX数值较大，所以附加非周期分量的衰减时间常数相对来说比较大，但是从附加非周期分量的幅值上看，由于pX较大，其幅值相对来说是比较小的。对于基本非周期分量，表 4 中列出的是只考虑线路本身电阻电抗的衰减时间常数，当故障发生在发电机出口的时候，其衰减时间将会变得更长。与常规电压等级线路以及 500kV、750kV 线路相比，由前述的线路分析（如表 2），L r值将会相对增大，所以一般来说，1202 2006 中国
13、电机工程学会年会论文集河南郑州 1000kV 系统中的暂态非周期分量的衰减时间比较长。表 4 非周期分量的特点 Tab 4 Characteristic of current non-periodic component 参数 幅值 衰减时间常数 大小 Li 222mErL+L r 90?为零，0?最大 pi()mmpEUX 12(/)ppLRRR+90?最大，0?为零 图 4 为示范工程 RTDS 仿真中距离晋东南保护63km 处单相接地故障时晋东南侧暂态电流图以及频谱图（两个周波），可以看出此时衰减时间常数便已经达到了 110ms 左右,并且大小还要大于基频分量。图 4 晋东南暂态电流图
14、Fig 4 Transient current of Jindongnan（a）暂态电流波形图；（b）暂态电流频谱图 （a）（b）2.3 高频分量 在故障、空载合闸、区外故障切除和重合闸等暂态过程中分布电容引起的暂态电流中含有相当的高频分量。对于特高压线路，故障电流中除有一很大的衰减直流分量外，还存在非整次高频分量4，其大小与短路发生时刻有关，而频率比超高压系统产生的高频分量更加接近工频。理论分析4表明：该非整次高频分量的频率是随短路点变化的，短路点距离保护越远，该频率越接近工频。图5为示范工程晋东南南阳线路在南阳侧发生单相接地故障的时候晋东南侧测量到的故障相电流频谱图（故障后 2 个周波）。
15、图 5 晋东南暂态电流频谱图 Fig 5 Transient current spectrum of Jingdongnan 同时在相同的故障角和短路点距离长度的故障条件下对 750kV 系统和 500kV 系统进行暂态电流分析，其高频分量的频率（750kV 约为 350Hz、500kV约为 370Hz）均高于 1000kV 线路（250Hz 左右），表明 1000kV 线路分布电容带来的高频分量频率离基波更近，影响更严重。图 6 750kV、500kV 系统电流频谱图 Fig 6 Transient current spectrum of 500kV system and 750 kV sy
16、stem（a）750kV 系统暂态电流频谱图；（b）500kV 系统暂态电流频谱图 （a）（b）7 继电保护与安全自动装置 1203 2.4 高阻接地故障 1000kV 输电线路的允许过渡电阻较大（最大可达 600 欧姆），加之线路长度又比较长，这样高阻接地故障的时候故障分量的数值就比较小，这样对继电保护的精度就有可能产生影响。3 1000kV 线路继电保护特殊问题 3.1 差动保护 由前述关于电容电流的分析，电容电流的存在将影响到分相差动保护的灵敏度，虽然在并联电抗器的补偿下，稳态的电容电流不是太大，但实际上在空载合闸、区外故障及切除、重合闸等暂态过程中，暂态电容电流将要增加数倍（如图 7
17、为带有并联高抗的晋南线空充电流波形图），因为在暂态状态下电压中含有很多高频分量，电容电流与频率成正比，将产生更大的高频电容电流，这将使线路两端的电流电压波形发生严重畸变，尤其是当线路的负荷电流和短路电源较小时，这种影响更为严重。在短路发生后，由于电容影响，电流电压波形发生了严重畸变，两端电流有较大的偏移。必须研究对暂态电容电流的有效处理方法。图 7 晋南线空充电流图 Fig 7 The current while braking the line of Jingdongan-Nanyang without any load 另外，1000kV 暂态电流中非周期分量衰减时间常数较大，这对 TA
18、的暂态过程是不利的。对于线路长并且没有采用 3/2 接线的特高压线路，由于暂态量的数值不是很大，所以 TA 饱和问题并不是很严重，应该说，短特高压线路上这个问题应该予以注意。3.2 距离保护 由前述的分析，暂态非周期分量衰减时间长，可能对保护算法产生影响，容易导致距离保护的暂态超越。暂态中的高频分量波形产生了畸变，半波宽度、波形过零点都有影响，严重时候可能会使 1 周波内波形多次过零点，这样无疑会对采用比相式判据的保护有影响（包括方向高频）。而对于方波积分比相器，这种影响肯定会延缓比相器的动作时间，造成比相式距离保护的动作时间变长。衰减缓慢的非周期分量和更加接近基频的高频分量，对特高压线路保护
19、的数字滤波尤其是短数据窗的滤波算法提出了要求。3.3 零序方向过流保护 高阻接地故障时候，互感器二次侧电气量的数值较小。以示范工程中为例（TA 变比 4000:1，TV 变比10000:1），在最小运行方式下晋东南侧设置 600 欧姆高阻接地故障，南阳侧测量到的稳态电气量有效值如表 5 所示。表 5 高阻接地南阳电气量二次有效值 Tab 5 Secondary electricity effective value of Nanyang while high resistance grounding 测量点 故障点 南阳 A 相电流/A 0.1025 B 相电流/A 0.0062 C 相电流/
20、A 0.0449 零序03U/V 7.921 零序03I/A 0.0530 正序1U/V 63.07 正序1I/A 0.045 负序2U/V 3.394 晋 东 南 负序2I/A 0.0433 从表 5 中可以看出，高阻接地故障的时候，二次零序电流值非常之小，这样在就对零序方向判据造成很大的困难，在误差的影响下有可能出现误判的情况，严重的时候零序启动元件都有可能无法动作。4 结论 本文在 500kV、750kV 的基础上，结合示范工程的系统参数，通过 RTDS 仿真，对交流 1000kV 输电线路的电气量进行了分析。重点考察了非周期分量、高频分量以及高阻接地故障电气量的特点。在电气量分析的基础
21、上，本文讨论了现有的保护原理在1000kV线路上面临的新的问题，为相关线路保护的研发提供了依据。1204 2006 中国电机工程学会年会论文集河南郑州 参考文献 1刘振亚主编.特高压电网.中国经济出版社.2005 2国家电网公司.交流特高压试验示范工程二次系统研究用关键参数与边界条件（第一版）.2006 年 2 月 3朱声石主编.高压电网继电保护原理与技术（第三版）.中国电力出版社.2004 4 750kV 及特高压输电线路暂态电流特征及其对保护的影响 李永丽、李杨第十届全国继电保护和控制学术研讨会.2005 作者简介：柴济民（1983），男，硕士研究生，目前从事特高压线路继电保护的研究；chaijmnari- 郑玉平（1964），男，博士，教授级高级工程师，从事电力系统继电保护的研究、开发工作 李园园（1974），女，硕士，工程师，主要从事电力系统继电保护的研究、开发工作