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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750
2、kV或1000kV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
3、成熟。,天津大学继电保护实验室,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
4、保护和重合闸的动作时间和对并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：,1、线路两端跳闸的时间之差不能大于一定值，大约2周波，因此，一端跳闸时，要联跳对端； 2、单跳后单相重合闸时间除了要等潜供电弧熄灭，还要检测断开相上的电压或断路器触头两端的电压差不能大于允许值； 3、两套主保护和一套后备保护都要能快速切除线路上任一点故障，保证在任何时候都要有两套独立的快速保护；,天津大学继电保护实验室,4、两套主保护最好用不同原理的保护和通道 5、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； 6、单相重合不成功时，先切那端，后切那端决定于过电压
5、计算，预先规定好，一般应先切除系统容量小的一端； 7、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,8、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。两端合上后自动改为补偿线路全长电容电流的一半； 9、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,10、要充分利用通信通道提高保护和重
6、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。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,11、通信通道要有连续的监视以防干扰。为实现连续监视，对于载波通道可采用移频解除比锁式； 12、线路保护要控制并联电抗器的投、切。为了减少无功功率消耗，在输送额定功率时，并联电抗器可以不投入，但在线路故障时线
7、路保护跳闸时应起动并联电控器的自动装置，立即投入两端的并联电控器和消孤电控器。 13、并联电抗器在因内部故障而跳闸时，如果可能引起不允许的过电压，则应跳开本端线路断路器，并发信号跳对端线路断路器。根据过电压计算，确定正常运行或线路故障时，两端并联电控器的投切是否要通过通道同步进行。,天津大学继电保护实验室,14、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。 15、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
8、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,特高压长线路的特点 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,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
9、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1 线路内部无故障时的情况 图2 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,方法1：保护装置采集双回线两侧各
10、条线路的电压电流，采用六维模变换矩阵； 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,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 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 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,我校对三相重合闸在750kV输电线路上的应用进行了研究。分析了产生重合过电压的原因，对750kV线路三相重合闸操作进行
11、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。,在理论研究与EMTP仿真的基础上，对750kV线路两端继电保护跳闸时间的配合、三相重合闸的操作顺序、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,系统带空载长线运行时，线路末端电压 与电源电压 的关系为：,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。,天津大学继电保护实验室,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，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，再投入电源容量较小的一端。
12、,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,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。,750kV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。,俄罗斯规定750kV输电线允许的过电压为：1.3倍允许0.1s；1.4倍允许0.05s。,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,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：,电容效应、互感效应引起的健全相电压升高幅度在750kV系统内是不容忽视的。切除750kV线路不对称短路后的稳态过电压可达到1.5倍左右。,按照75
13、0kV输电线一般允许的过电压条件，线路绝缘只能承受不足0.05s的时间。,天津大学继电保护实验室,750kV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0.040.05s，以避免过电压造成绝缘损坏。,按照保护动作时间的离散值不应大于（0.010.0125）秒，断路器跳闸时间离散值也不应大于（0.010.0125）秒考虑，就要求保护动作时间小于0.020.025秒。亦即两端断路器跳闸时间最大差0.02秒，两端保护动作时间差也不大于0.02秒，两者加起来就是两端断路器切除故障的时间差不大于0.040.05秒。,天津大学继电保护实验室,3合闸引起的过电压,线路残压的极性和大小对合闸过电压
14、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产生最严重的合闸过电压。,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生很高的过电压。,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,根据典型的EHVUHV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：,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。,天津大学继电保护实验室,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，其大小与合闸时刻两端系统的初相角、线路残
15、压大小及其极性等因素有关。,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减时间。考虑到三相重合闸不同期动作等因素的影响，750kV输电线路两端的三相重合时间应差0.20.3s。,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,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，故单相重合时不会产生很高的重合过电压。,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，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显著的重合过电压。,天津大学继电保护
16、实验室,1.谐振过电压,并联电抗器在抑制电容效应的同时，应避免单相断开时出现危险的谐振过电压，以保证750kV输电线单相重合闸的应用。,带并联电抗器补偿的线路，在单相断开后的静电耦合回路,天津大学继电保护实验室,断开相上的工频恢复电压为 ：,当Xm=-2X0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，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。,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。,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,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。,由于小电抗器的生产分级标准化以及输电线路换位不完全的影响，小电抗不可能精确调谐，因此需要正确选择中性点小电抗的取值范围。,天津大学继电保护实验室,一般输电线路的并联电抗补偿为欠补偿方式，只有当 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出现串联谐振过电压
