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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211100RESEARCHONPROTECTIONRELAYFOR1000KVUHVACTRANSMISSIONLINENARIRelaysElectricCoLtd,Nanjing211100ABSTRACT:Ultra-highvoltage(UHV)transmissionlinewillbethemainframeofpowernetworkinChina.ComparingtonormalvoltageclassandEHV(Extra-highvoltage)transmissionline,1000kVlinehasmoredistributedcapacitance,longerdistanceandlargerproportionofreactanceandresistance,whichresultsinobvioustransientstatewhilefaultloadingoroperating.ThesecharactersofUHVtransmissionlinemaymakeaffectiononexistingprotectionrelay.Thispaperanalysesthecharactersoffaulttransientprocess,connectingunloadedline,highresistancegroundingthroughRTDS,anddiscussestheirinfluenceonUHVtransmissionlineprotectiontohelpdevelopingprotectionrelaydevice.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交流特高压输电线路和±800kV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。11000kV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。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Tab1Thewiringcapacitanceandthecurrentwithvariousvoltages(peronehundredkilometers)电压等级（kV）2203305007501000正序电容（uF）0.861.1131.231.361.397零序电容（uF）0.610.770.840.930.93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Tab2Theproportionofthereactanceandtheresistancewithvariousvoltages电压等级（kV）2203305007501000X/R3-3.56.8410-1320357继电保护与安全自动装置1201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。21000kV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）Tab3Thewiringcapacitancecurrentwith电压等级（kV）2203305007501000电容电流（A）3466111186253图１晋东南—南阳—荆州1000kV特高压输电线路Fig1TheUHVtransmissionlineofJindongan-Nanyang-Jingzhouvariousvoltages(peronehundredkilometers)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1000kV交流特高压电流示范工程（如图１）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Fig2SteadycapacitancecurrentofJingongnan-Nanyangtransmissionline（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Fig3Circulationcircuitofcurrentnon-periodiccomponent设电源电动势为sin()mEEtωθ=+，短路后并联电抗器端电压下降为sin()muUtωθ=+，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），Lr值将会相对增大，所以一般来说，12022006中国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Tab4Characteristicofcurrentnon-periodiccomponent参数幅值衰减时间常数大小Li222mErLω+Lr90θ≈为零，0θ≈最大pi()mmpEUX−12(//)ppLRRR+90θ≈最大，0θ≈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Fig4TransientcurrentofJindongnan（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）。图5晋东南暂态电流频谱图Fig5TransientcurrentspectrumofJingdongnan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6750kV、500kV系统电流频谱图Fig6Transientcurrentspectrumof500kVsystemand750kVsystem（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12032.4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。31000kV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Fig7ThecurrentwhilebrakingthelineofJingdongan-Nanyangwithoutanyload另外，1000kV暂态电流中非周期分量衰减时间常数较大，这对TA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，对特高压线路保护的数字滤