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1、特高压交流输电线的继电保护和重合闸 天津大学 贺家李 郭征一、特高压交流输电线建设的必要性 1、大容量远距离电能的传输我国2003年底装机容量达到3.85亿kW，要赶上中等发达国家人均1kW的用电水平，还需要装机9亿kW，发电能源只能依靠西南、西北的水电资源和陕西、内蒙西部和山西的煤。9亿kW的电能要从西南、西北向华北、华东、华中输送，不建设特高压输电线（750kW、1000kW），是不大可能的，至少有一半要靠交流特高压输电。2、全国联网的需要 全国联网后整个电网的稳定性与各大区电网间故障时互相支援的能力有关，即各大区电网闸联络线交换功率愈大，即联系愈紧密，电网运行愈稳定，用750kV或100
2、0kV特高压输电线作大区电网间联络线有利于电网整体运行的稳定性。天津大学继电保护实验室二、特高压输电线的经济效益 输电线的自然功率与电压的平方成正比，与波阻抗成反比，下表中给出500kV、750kV和1150kV输电线典型的杆塔尺寸，线路参数、波阻抗和自然功率数据。天津大学继电保护实验室超高压和特高压输电线的主要参数对比 天津大学继电保护实验室 750kV线路的投资比500kV的投资最大多50%，但传输功率可大一倍多，因此具有巨大的经济效益。如果从三峡向华中、华东、华南采用750kV输电，三峡交流出线回数可少一半，投资可大大节约，而750kV输电技术，早在上世纪七十年代都已成熟。天津大学继电保
3、护实验室1000k V以上交流输电只有俄罗斯有运行经验，日本线路的距离短，一直降压运行，我们要建1000kV等级的输电线，前期研究工作可能赶不上电力发展的需要，而建设750kV电网有很多国家的经验，要容易的多。天津大学继电保护实验室三、交流特高压输电线对继电保护和重合闸的要求 由于特高压输电线分布电容大，线路长，绝缘子和设备耐过电压的裕度小，而过电压使绝缘子和设备损坏造成的停电和经济损失比系统失去稳定的经济损失要大得多，因而对继电保护和重合闸的要求首先是抑制由于故障切除、单相或三相重合闸造成的不能允许的过电压。各国对特高压线路过电压允许倍数和时间都有明确的规定。继电保护和重合闸的动作时间和对并
4、联电抗器的控制应能保证过电压不超过规定的范围和时间。对继电保护和重合闸的具体要求如下：n n1 1、线线路路两两端端跳跳闸闸的的时时间间之之差差不不能能大大于于一一定定值值，大约大约2 2周波，因此，一端跳闸时，要联跳对端；周波，因此，一端跳闸时，要联跳对端；n n2 2、单单跳跳后后单单相相重重合合闸闸时时间间除除了了要要等等潜潜供供电电弧弧熄熄灭灭，还还要要检检测测断断开开相相上上的的电电压压或或断断路路器器触触头头两端的电压差不能大于允许值；两端的电压差不能大于允许值；n n3 3、两两套套主主保保护护和和一一套套后后备备保保护护都都要要能能快快速速切切除除线线路路上上任任一一点点故故障
5、障，保保证证在在任任何何时时候候都都要要有有两套独立的快速保护；两套独立的快速保护；天津大学继电保护实验室 n n4、两套主保护最好用不同原理的保护和通道n n5、手动跳、合闸要半自动化，即一端手动，另一端通过通道远方控制；n n6、单相重合不成功时，先切那端，后切那端决定于过电压计算，预先规定好，一般应先切除系统容量小的一端；n n7、要加强保护的滤波性能。因特高压线路故障时电流电压中有较强的非工频分量；天津大学继电保护实验室n n8、加强电容电流的补偿。考虑到暂态电容电流的影响，应随着线路运行状态的改变自动改变补偿度。例如在单端空投或单端重合时要补偿1.4倍的线路全部电容电流。两端合上后自
6、动改为补偿线路全长电容电流的一半；n n9、要提高保护的可靠性。特高压输电线作为大区系统间的联络线或大功率输电线，线路回路数不会很多，其保护应以防护误动（安全性）为主。发跳闸命令前要经过双重判断，即采用双跳闸通道，“与”门输出；天津大学继电保护实验室n n10、要充分利用通信通道提高保护和重合闸动作的可靠性。例如保护动作带延时时发信号闭锁对端快速重合闸。一端欠范围保护（距离一段、相电流速断、零序电流速断）动作时发远方跳闸信号或允许信号加速对端保护。而当一端开关偷跳或保护误动（例如一套保护发跳闸令而其它两套未起动）时，发信号闭锁对端保护。在一端区内故障保护动作而断路器拒跳时，发信号跳对端断路器。
7、在一端重合闸动作而断路器拒合时发信号闭锁对端快速重合闸。天津大学继电保护实验室n n1111、通通信信通通道道要要有有连连续续的的监监视视以以防防干干扰扰。为为实实现现连连续监视，对于载波通道可采用移频解除比锁式；续监视，对于载波通道可采用移频解除比锁式；n n1212、线线路路保保护护要要控控制制并并联联电电抗抗器器的的投投、切切。为为了了减减少少无无功功功功率率消消耗耗，在在输输送送额额定定功功率率时时，并并联联电电抗抗器器可可以以不不投投入入，但但在在线线路路故故障障时时线线路路保保护护跳跳闸闸时时应应起起动动并并联联电电控控器器的的自自动动装装置置，立立即即投投入入两两端端的的并并联联
8、电电控控器器和和消孤电控器。消孤电控器。n n1313、并并联联电电抗抗器器在在因因内内部部故故障障而而跳跳闸闸时时，如如果果可可能能引引起起不不允允许许的的过过电电压压，则则应应跳跳开开本本端端线线路路断断路路器器，并并发发信信号号跳跳对对端端线线路路断断路路器器。根根据据过过电电压压计计算算，确确定定正正常常运运行行或或线线路路故故障障时时，两两端端并并联联电电控控器器的的投投切切是是否否要要通过通道同步进行。通过通道同步进行。天津大学继电保护实验室n n14、根据过电压计算确定线路保护动作跳闸时是否要同时投入加速放电（放电电压较低）的避雷器，防止过电压和加速断开相放电以缩短自动重合闸延时
9、。n n15、在多段特高压线路串联的情况下，一段线路故障被切除，根据过电压计算确定是否对非故障线路要采取防止过电压措施。同时，要计算发电机带长线空载运行对发电机是否有危险，如果有，也要采取措施，例如在非故障线路末端投入适当整定的放电的避雷器。天津大学继电保护实验室四、特高压长线路分相电流差动保护新原理 1、研究背景n n特高压长线路的特点n n传统差动保护用在特高压长线路易受分布电容电流的影响，目前没有很好的解决办法天津大学继电保护实验室2、新原理的理论基础n n贝瑞隆模型是一种比较精确的输电线路模型，它反映了输电线路内部无故障时（包括稳态运行和区外故障）两端电压电流之间的关系，而线路内部故障
10、时，这种关系被破坏。本原理即是利用这一差别区分线路内部和外部故障，构成两种新的差动保护原理。这两种新的保护原理自动地考虑了电容电流的影响，不再需要进行电容电流的补偿。天津大学继电保护实验室3、贝瑞隆模型简介天津大学继电保护实验室4、计算方法和保护判据侧侧天津大学继电保护实验室图图1 1 线路内部无故障时的情况线路内部无故障时的情况 图图2 2 线路内部有故障时的情况线路内部有故障时的情况 天津大学继电保护实验室5、新原理的扩展6、保护各相动作量与故障点短路电流之间的关系天津大学继电保护实验室 都为实数，与故障点到参考点之间的距离以及线路参数有关参考点选择为线路中点时不同故障点所对应的天津大学继
11、电保护实验室参考点选择为线路中点时不同故障点所对应的天津大学继电保护实验室7、保护判据天津大学继电保护实验室8、扩展后的原理在双回线路上的应用n n方法1：保护装置采集双回线两侧各条线路的电压电流，采用六维模变换矩阵；n n方法2：保护装置采集被保护的一回线路两侧的电压、电流和另一回线路两侧的零序电压、电流，并采用四维模变换矩阵；天津大学继电保护实验室9、对该保护原理的评价n n从原理上消除了外部故障时分布电容电流对差动保护的影响n n被比较的是同一点的电流，有相似的特性，因此对滤波算法要求不高n n该原理唯一的缺点是需要线路两侧的电压量。但是用在长线路时传统差动保护为了补偿电容电流也需要电压
12、量天津大学继电保护实验室五.三相重合闸在750kV输电线路上的应用 n n我校对三相重合闸在我校对三相重合闸在750kV750kV输电线路上的应用进输电线路上的应用进行了研究行了研究。分析了产生重合过电压的原因，对分析了产生重合过电压的原因，对750kV750kV线路三相重合闸操作进行了可行性分析与线路三相重合闸操作进行了可行性分析与比较，指出单相接地故障采用三相重合闸的缺点。比较，指出单相接地故障采用三相重合闸的缺点。n n在理论研究与在理论研究与EMTPEMTP仿真的基础上，对仿真的基础上，对750kV750kV线线路两端继电保护跳闸时间的配合、三相重合闸的路两端继电保护跳闸时间的配合、三
13、相重合闸的操作顺序、时间配合提出了具体的方案。操作顺序、时间配合提出了具体的方案。天津大学继电保护实验室1.空载长线的电容效应与计划性跳合闸操作 n n系统带空载长线运行时，线路末端电压系统带空载长线运行时，线路末端电压 与与电源电压电源电压 的关系为：的关系为：n n 为末端工频电压升高系数。计算可知，电为末端工频电压升高系数。计算可知，电源容量越小，工频电压升高越严重。源容量越小，工频电压升高越严重。天津大学继电保护实验室n n为避免双端电源线路上严重的工频电压升高，在为避免双端电源线路上严重的工频电压升高，在手动切除线路时，应先断开电源容量较小的一端，手动切除线路时，应先断开电源容量较小
14、的一端，后断开电源容量较大的一端；相反的，在投入输后断开电源容量较大的一端；相反的，在投入输电线路时，应先投入电源容量较大的一端，再投电线路时，应先投入电源容量较大的一端，再投入电源容量较小的一端。入电源容量较小的一端。天津大学继电保护实验室2.线路两端保护跳闸时间差的要求 n n当线路上发生不对称短路故障时，短路电流的当线路上发生不对称短路故障时，短路电流的互感会使健全相出现工频电压升高。互感会使健全相出现工频电压升高。n n750kV750kV输电线能承受的稳态过电压倍数和允许输电线能承受的稳态过电压倍数和允许时间决定了线路单端断开状态的允许历时长短。时间决定了线路单端断开状态的允许历时长
15、短。n n俄罗斯规定俄罗斯规定750kV750kV输电线允许的过电压为：输电线允许的过电压为：1.31.3倍允许倍允许0.1s0.1s；1.41.4倍允许倍允许0.05s0.05s。为不对称故障引起的电压升高系数。为不对称故障引起的电压升高系数。天津大学继电保护实验室n n双端供电的线路上出现不对称短路而一侧断开双端供电的线路上出现不对称短路而一侧断开时，单端电源对故障线路供电。健全相电压为：时，单端电源对故障线路供电。健全相电压为：n n电容效应、互感效应引起的健全相电压升高幅度电容效应、互感效应引起的健全相电压升高幅度在在750kV750kV系统内是不容忽视的。切除系统内是不容忽视的。切除
16、750kV750kV线路线路不对称短路后的稳态过电压可达到不对称短路后的稳态过电压可达到1.51.5倍左右。倍左右。n n按照按照750kV750kV输电线一般允许的过电压条件，线输电线一般允许的过电压条件，线路绝缘只能承受不足路绝缘只能承受不足0.05s0.05s的时间。的时间。天津大学继电保护实验室n n750kV750kV输电线路两端断路器切除故障的时间差输电线路两端断路器切除故障的时间差应该尽量短，一般要小于应该尽量短，一般要小于0.040.040.05s0.05s，以避免，以避免过电压造成绝缘损坏。过电压造成绝缘损坏。n n按照保护动作时间的离散值不应大于按照保护动作时间的离散值不应
17、大于（0.010.010.01250.0125）秒，断路器跳闸时间离散值也不应大）秒，断路器跳闸时间离散值也不应大于于（0.010.010.01250.0125）秒考虑，就要求保护动作）秒考虑，就要求保护动作时间小于时间小于0.020.020.0250.025秒。亦即两端断路器跳闸秒。亦即两端断路器跳闸时间最大差时间最大差0.020.02秒，两端保护动作时间差也不秒，两端保护动作时间差也不大于大于0.020.02秒，秒，两者加起来就是两端断路器切除两者加起来就是两端断路器切除故障的时间差不大于故障的时间差不大于0.040.040.050.05秒。秒。天津大学继电保护实验室3合闸引起的过电压n
18、n线路残压的极性和大小对合闸过电压幅值影响很线路残压的极性和大小对合闸过电压幅值影响很大，在线路残压与电源电压极性相反时刻合闸将大，在线路残压与电源电压极性相反时刻合闸将产生最严重的合闸过电压。产生最严重的合闸过电压。n n线路上发生单相故障情况下，断路器三相跳闸后线路上发生单相故障情况下，断路器三相跳闸后健全相留有很高的残压，继之以三相重合时易产健全相留有很高的残压，继之以三相重合时易产生很高的过电压。生很高的过电压。n n因此在单相故障时采用单相重合可以大大限制操因此在单相故障时采用单相重合可以大大限制操作过电压，其前提是避免采用单相重合闸造成故作过电压，其前提是避免采用单相重合闸造成故障
19、断开相出现危险的谐振过电压。障断开相出现危险的谐振过电压。天津大学继电保护实验室n n根据典型的根据典型的EHVEHVUHVUHV输电线路参数，可近似输电线路参数，可近似计算出自由基频分量的衰减时间常数如下表：计算出自由基频分量的衰减时间常数如下表：线路电压等级（kV）50076511001500（ms）148175387413n n合闸过电压是工频分量与多个谐波分量的叠加，合闸过电压是工频分量与多个谐波分量的叠加，其自由分量呈衰减趋势。其自由分量呈衰减趋势。天津大学继电保护实验室n n线路首合端重合时会产生合闸过电压，另一侧线路首合端重合时会产生合闸过电压，另一侧重合可能进一步产生过电压，其
20、大小与合闸时重合可能进一步产生过电压，其大小与合闸时刻两端系统的初相角、线路残压大小及其极性刻两端系统的初相角、线路残压大小及其极性等因素有关。等因素有关。n n为避免后重合一侧危险的重合过电压，后重合为避免后重合一侧危险的重合过电压，后重合一侧的重合时间应该计及对侧重合过电压的衰一侧的重合时间应该计及对侧重合过电压的衰减时间。考虑到三相重合闸不同期动作等因素减时间。考虑到三相重合闸不同期动作等因素的影响，的影响，750kV750kV输电线路两端的三相重合时间输电线路两端的三相重合时间应差应差0.20.20.3s0.3s。天津大学继电保护实验室六 单相重合闸在750kV输电线路上的应用 n n
21、当单相接地故障为永久性故障时，保护切除故当单相接地故障为永久性故障时，保护切除故障相后，该相残余电荷通过故障点完全释放，障相后，该相残余电荷通过故障点完全释放，故单相重合时不会产生很高的重合过电压。故单相重合时不会产生很高的重合过电压。n n当单相瞬时性接地故障时，故障消失后，健全当单相瞬时性接地故障时，故障消失后，健全相的耦合作用将使故障相产生一定的恢复电压，相的耦合作用将使故障相产生一定的恢复电压，只要并联电抗补偿度远离谐振点，故障相残压只要并联电抗补偿度远离谐振点，故障相残压就相对较小，应用单相自动重合闸就不会产生就相对较小，应用单相自动重合闸就不会产生显著的重合过电压。显著的重合过电压
22、。天津大学继电保护实验室1.谐振过电压 n n并并联电联电抗器在抑制抗器在抑制电电容效容效应应的同的同时时，应避免应避免单相断开时出现危险的单相断开时出现危险的谐谐振振过电压过电压，以保证，以保证750kV750kV输电线单相重合闸的应用。输电线单相重合闸的应用。带并联电抗带并联电抗器补偿的线器补偿的线路，在单相路，在单相断开后的静断开后的静电耦合回路电耦合回路天津大学继电保护实验室n n断开相上的工频恢复电压为断开相上的工频恢复电压为 ：n n当当X Xm m=-2=-2X X0 0时电路将发生串联谐振，断开相将出时电路将发生串联谐振，断开相将出现较高电压，当该过电压倍数大于一定值时，现较高
23、电压，当该过电压倍数大于一定值时，线路绝缘子将不能承受该电压。这种情况下绝线路绝缘子将不能承受该电压。这种情况下绝对不允许采用单相重合闸，只能是三跳三合。对不允许采用单相重合闸，只能是三跳三合。n n采用并联电抗器带中性点小电抗的补偿方式采用并联电抗器带中性点小电抗的补偿方式可以限制该谐振过电压。可以限制该谐振过电压。天津大学继电保护实验室2.并联电抗器中性点小电抗的选择 n n一般中性点小电抗的取值按对相间电容近似全一般中性点小电抗的取值按对相间电容近似全补偿设计，其值取决于线路参数和并联补偿度。补偿设计，其值取决于线路参数和并联补偿度。n n由于小由于小电电抗器的生抗器的生产产分分级标级标
24、准化以及准化以及输电线输电线路路换换位不完全的影响，小位不完全的影响，小电电抗不可能精确抗不可能精确调谐调谐，因此需要正确因此需要正确选择选择中性点小中性点小电电抗的取抗的取值值范范围围。天津大学继电保护实验室n n一般输电线路的并联电抗补偿为欠补偿方式，一般输电线路的并联电抗补偿为欠补偿方式，只有当只有当 时，相间阻抗和相时，相间阻抗和相对地阻抗才都呈容性，断开相电压才可避免对地阻抗才都呈容性，断开相电压才可避免出现串联谐振过电压，有效限制断开相电压出现串联谐振过电压，有效限制断开相电压大小，抑制潜供电流。大小，抑制潜供电流。n n使相间阻抗出现谐振的中性点小电抗取值使相间阻抗出现谐振的中性
25、点小电抗取值为为 ，使相对地阻抗出现谐振的中性点，使相对地阻抗出现谐振的中性点小电抗取值为小电抗取值为 。天津大学继电保护实验室3750kV输电线单相重合闸方案 n n750kV750kV线路一般都带有并联电抗器补偿，在线线路一般都带有并联电抗器补偿，在线路发生单相瞬时性故障并断开后，线路电容路发生单相瞬时性故障并断开后，线路电容与并联电抗之间的电磁能量振荡使得断开相与并联电抗之间的电磁能量振荡使得断开相恢复电压由自由分量与工频分量叠加而成，恢复电压由自由分量与工频分量叠加而成，其幅值随时间变化，即恢复电压的拍频特性。其幅值随时间变化，即恢复电压的拍频特性。（1 1）单相瞬时性故障恢复电压的分
26、析）单相瞬时性故障恢复电压的分析 天津大学继电保护实验室n n以某以某750kV750kV线路为例，在不同的并联电抗器补线路为例，在不同的并联电抗器补偿度条件下，计算得到单相重合闸期间恢复电偿度条件下，计算得到单相重合闸期间恢复电压中的自由分量的频率如下表所示：压中的自由分量的频率如下表所示：并联补偿度()6065707580859095自由分量频率(Hz)37.339.140.842.544.145.647.148.6天津大学继电保护实验室n n恢复电压中自由分量的衰减时间常数一般在恢复电压中自由分量的衰减时间常数一般在1s1s左右，因此拍频振荡特性在单相重合闸期间内左右，因此拍频振荡特性在
27、单相重合闸期间内始终存在。始终存在。单相瞬时性故障的单相瞬时性故障的EMTPEMTP仿真电压波形仿真电压波形额定电压峰值为额定电压峰值为天津大学继电保护实验室(2)(2)单相重合闸新方案单相重合闸新方案 n n 在在单单相相瞬瞬时时性性故故障障情情况况下下重重合合时时，电电源源电电势势与与断断开开相相恢恢复复电电压压之之间间的的电电压压差差对对合合闸闸过过电电压压有有重重大大影影响响，为为尽尽可可能能减减小小重重合合过过电电压压，应应使使合闸时两触头间的电压差最小。合闸时两触头间的电压差最小。n n 重重合合闸闸装装置置实实时时监监测测拍拍频频恢恢复复电电压压幅幅值值包包络络线线的的变变化化，
28、要要避避免免在在拍拍频频电电压压包包络络线线的的最最大大值值时时合合闸闸，即即在在其其最最小小值值时时合合闸闸。在在750kV750kV输输电电线线路路上上，这这种种自自适适应应重重合合闸闸与与判判断断瞬瞬时时性性或或永永久性故障的自适应重合闸同样重要。久性故障的自适应重合闸同样重要。天津大学继电保护实验室谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH