水電站35 kV超短輸電線路保護配置的應用實例分析

姜美武（浙江省江山市峽口水庫管理局，浙江 江山 324100）

水電站35 kV超短輸電線路保護配置的應用實例分析

姜美武
（浙江省江山市峽口水庫管理局，浙江 江山 324100）

對水電站35 kV輸電線路保護常規配置及特點進行了分析，指出了這些保護在短線路的應用上存在局限性，推薦線路光纖縱差保護作為替代方案，并通過實際案例闡述了方案的可行性和優越性，對其他水電站同類型短線路具有借鑒作用。

水電站；超短線路；光纖縱差；保護；應用

1　前言

水電站35 kV電壓等級的輸電線路一般采用中性點不接地的運行方式，這種系統也稱為小接地電流系統。根據規程規定，線路應裝設反映相間短路，動作于跳開斷路器的相間短路保護和反映接地故障、動作于發信號的接地保護。

2　水電站35 kV輸電線路保護常規配置

2.1電流電壓保護

當輸電線路發生相間短路故障時，最主要的特征之一就是通過輸電線路的電流由負荷電流增大到短路電流。無時限電流速斷保護、帶時限電流速斷保護、定時限過電流保護3種保護裝置單獨設置時均不能滿足電力系統對保護的基本要求，組合在一起，構成線路的三段式電流保護或二段式電流保護后，便可保證對全線路實現迅速、可靠、有選擇性的保護。

三段式電流保護是目前水電站35 kV線路中采用最廣泛的保護配置方式。

輸電線路發生相間短路后，在電流增大的同時，還伴隨著電壓下降。因此，當采用電流保護不能滿足要求時，可利用電壓下降，或既利用電壓下降又利用電流增大現象構成的保護裝置，能解決一些靈敏度不滿足要求或保護范圍太小的問題。如：無時限電壓速斷保護、電流閉鎖電壓速斷保護、電流電壓連鎖速斷保護、低壓閉鎖定時限過電流保護等。

2.2距離保護

距離保護，是反映測量保護安裝處到故障點之間的線路阻抗Zd，并根據Zd大小決定是否動作的一種保護裝置。距離保護的動作行為反映保護安裝處到短路點距離的遠近，與電流保護相比，距離保護的性能受系統運行方式的影響較小。

2.3電流電壓保護和距離保護的局限性

2.3.1電流電壓保護的缺點

（1）如果線路較短，首末端短路時故障電流無明顯區別，一般只能靠時間來滿足選擇性，無法快速切除故障。

（2）隨著水電的發展，在許多水電站中也出現了一些電壓高、負荷重、距離長、參數變化大的輸電線路。這樣的輸電線路上采用電流電壓保護往往不能滿足靈敏度要求。比如，運行方式的改變，在某些情況下使無時限電流速斷保護的保護范圍變得很小甚至為零；長線路上的過流保護因為多級線路的配合往往具有較長的動作時間；重負荷的輸電線路上，最大負荷電流有可能接近線路末端的短路電流，從而導致保護裝置的靈敏度不滿足要求等。

2.3.2距離保護的缺點

當短線路發生故障時，由于線路本身阻抗較小，過渡電阻的存在必將引起測量阻抗的較大影響，很容易造成距離保護的超越和難以整定等問題。因此，當被保護線路的長度很短時，保護很可能沒有保護范圍。在電網實際運行中，距離Ⅰ段保護一般在5 km以上的線路中投運。

3　問題的提出

3.1電站基本情況

浙江某水電站，裝機容量為2×5 000 kW+2× 2 000 kW，總裝機容量為14 000 kW。電站采用一回35 kV線路送至附近變電所，輸電線路距離為0.94 km。與其他水電站相比，該電站輸電線路呈以下兩個特點：

（1）電站發電運行組合方式特別多，負荷變化特別大。電站最小運行方式為2 000 kW單機運行，最大運行方式為滿負荷14 000 kW運行。機組運行組合方式達8種之多，分別為：2 000 kW、4 000 kW、5000kW、7 000 kW、9 000 kW、10 000 kW、12 000 kW、14 000 kW等。

（2）輸電線路超短，從電站到變電所只有0.94 km。

3.2存在的問題

由于上述特殊情況，使得該電站線路保護配置極為困難。

由于電站運行方式變化過大，如采用普通常規的電流電壓保護根本不能滿足要求，電站當初投運時沒有更好的辦法，只好按大、中、小3種運行方式來進行保護配置，由運行人員根據實際負荷進行現地手動切換。這在實際運用中帶來非常大的不便，①保護投切復雜化，給運行人員增加了較大的工作量；②保護切換方式過于繁瑣，極易引起誤操作，給電站埋下較大的安全隱患。

同樣，如果選用距離保護，則會因短線路超越引起的誤動和難以整定等問題而無法滿足要求。

4　線路光纖縱差保護在電站超短線路上的應用實例分析

4.1改造理由

鑒于前述電流電壓保護及距離保護的缺點，該電站一直缺乏一套適合于短線路、性能完善的保護裝置，來解決保護方式復雜、整定困難、保護裝置超越等問題。

直到線路光纖縱差微機保護的推出，才解決了上述難題。

4.2線路光纖差動保護基本原理

變壓器的差動保護是變壓器的主保護，是按循環電流原理裝設的。主要用來保護雙繞組或三繞組變壓器繞組內部及其引出線上發生的各種相間短路故障，同時也可以用來保護變壓器單相匝間短路故障。在繞組變壓器的兩側均裝設電流互感器，其二次側按循環電流法接線，即如果兩側電流互感器的同級性的端都朝向母線側，則將同級性端子相連，并在兩接線之間并聯接入電流繼電器。而線路差動保護通常指輸電線的縱聯保護，就是用某種通信通道將輸電線兩端的保護裝置縱向聯結起來，將各端的電氣量（電流、功率的方向等）傳送到對端，將兩端的電氣量比較，以判斷故障在本線路范圍內還是在線路范圍外，從而決定是否切斷被保護線路。

4.3廠家的選擇

通過對國內幾個主要保護廠家的綜合比較及其在同類型電站的應用情況比較，最后選擇了某保護廠家的RCS-9613CS線路光纖縱差保護測控裝置。

4.4RCS-9613CS線路光纖縱差保護測控裝置簡介

4.4.1概述

RCS-9613CS是適用于110 kV以下電壓等級的非直接接地系統或小電阻接地系統中的線路光纖縱差和電流保護及測控裝置，可組屏安裝，也可在開關柜就地安裝。

裝置采用基于DSP技術的硬件平臺，全封閉機箱，硬件電路采用后插拔式的插件式結構，強弱電分離。CPU電路板采用4層板，表面貼裝技術，提高了裝置的可靠性。

4.4.2保護配置和功能

該保護裝置具有以下功能：

（1）光纖分相電流縱差保護。

（2）三段可經復壓和方向閉鎖的過流保護。

（3）三段零序過流保護。

（4）過流加速保護和零序加速保護（零序電流可自產也可外加）。

（5）過負荷功能（報警或者跳閘）。

（6）低周減載功能。

（7）三相一次重合閘。

（8）小電流接地選線功能（必須采用外加零序電流）。

（9）大電流閉鎖功能。

（10）出口組態功能。

（11）獨立的操作回路。

4.4.3軟件工作原理

4.4.3.1光纖縱差保護原理

縱差保護采用分相電流差動。差動方程為：

其中：I˙MΦ為本側三相電流，I˙NΦ為對側三相電流。

動作曲線如圖1所示。

圖1　

裝置光通信系統本身具有通信誤碼檢測，當誤碼超過一定值時，裝置將發通道故障信號，并閉鎖差動保護，一旦通信恢復，差動保護將自動投入。

4.4.3.2其他功能配置及原理

（1）斷線判別及處理：裝置設有延時和瞬時兩種CT斷線報警功能。

（2）過流保護：該裝置設三段過流保護，各段有獨立的電流定值和時間定值以及控制字。各段可獨立選擇是否經復壓（負序電壓和低電壓）閉鎖、是否經方向閉鎖。方向元件的靈敏角為45°，采用90°接線方式。方向元件和電流元件接成按相啟動方式。方向元件帶有記憶功能，可消除近處三相短路時方向元件的死區。

過流Ⅰ段和過流Ⅱ段固定為定時限保護；過流Ⅲ段可以經控制字選擇是定時限還是反時限，反時限特性沿用國際電工委員會（IEC255-4）和英國標準規范（BS142.1996）的規定，采用下列3個標準特性方程以供選擇。

（3）零序保護（接地保護）：當裝置用于不接地或小電流接地系統，接地故障時的零序電流很小時，可以用接地試跳的功能來隔離故障。當裝置用于小電阻接地系統，接地零序電流相對較大時，可以用直接跳閘方法來隔離故障。

（4）過負荷保護：裝置設一段獨立的過負荷保護，過負荷保護可以經控制字選擇是報警還是跳閘。過負荷出口跳閘后閉鎖重合閘。

（5）加速保護：裝置設一段過流加速保護和一段零序加速保護。重合閘加速可選擇是重合閘前加速還是重合閘后加速。

（6）低周保護：裝置設一段經低電壓閉鎖及頻率滑差閉鎖的低周保護，可選擇在頻率下降超過滑差閉鎖定值時是否閉鎖低周保護。

（7）重合閘：裝置提供三相一次重合閘功能，其起動方式有不對應起動和保護起動兩種。重合閘方式包括不檢、檢線路無壓、檢同期3種。

（8）遠傳遠跳：當本側收到對側的遠跳信號且本側定值中跳閘出口矩陣相應位為“1”時，本側裝置出口跳閘；若定值中跳閘出口矩陣相應位為“0”時，則為遠傳遙信。

（9）跳閘邏輯矩陣：裝置各保護跳閘方式采用整定方式，即哪個保護動作，跳何開關可以按需自由整定。RCS-9613CS標準配置提供2組跳閘出口。

（10）過流閉鎖保護：保護裝置設置了大電流閉鎖保護動作的功能，用于斷路器開斷容量不足或現場為FC回路的情況。

（11）裝置自檢：當裝置檢測到本身硬件的故障，發出裝置閉鎖信號，同時閉鎖裝置（BSJ繼電器返回）。硬件故障包括：定值出錯、RAM故障、ROM故障、電源故障、出口回路故障、AD芯片故障、CPLD故障等。

（12）裝置運行告警：當裝置檢測到下列狀況時，發運行異常信號（BJJ繼電器動作）：光纖通訊中斷、兩側采樣失步、光纖數據異常、TWJ異常、線路電壓報警、頻率異常、PT斷線、控制回路斷線、接地報警、過負荷報警、零序Ⅲ段報警、彈簧未儲能、差流異常、CT斷線等。

（13）遙控、遙測、遙信功能：遙控功能主要有3種：正常遙控跳閘，正常遙控合閘，接地選線遙控跳合閘。

（14）對時功能：裝置具備軟件對時和硬件對時功能。硬件對時為秒脈沖對時或者IRIG-B碼對時，裝置自動識別。

4.5保護裝置運行情況

4.5.1基本運行情況

該裝置于2014年投入運行，兩年來動作正確率100％，未產生誤動等情況，系統各項功能完整，運行維護方便，具有投資省、可靠性高等優點，完全滿足線路保護所要求的快速性、可靠性、靈敏性和選擇性等要求，大大提高了該電站線路運行的安全性。

4.5.2存在不足之處

（1）光纖作為繼電保護的通道，必須確保完好，一旦中斷，則失去線路主保護；

（2）當裝置誤碼率較高時，可能導致保護固有動作時間加長；

（3）因為裝置分別裝在電站和變電所兩側，因此給安裝、調試、維護等帶來一定的不便。

5　結束語

本案例的成功應用表明，對于水電站35 kV輸配電短線路來說，當常規的電流電壓保護及距離保護難以滿足保護的選擇性、靈敏性等要求時，可以優先考慮采用線路光纖縱差保護，案例具有一定的借鑒及推廣作用。

［1］RCS-9600CS系列工業電氣保護測控裝置技術說明書［Z］.

TM773

B

1672-5387（2016）05-0004-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.05.002

2016-03-29

姜美武（1971-），男，高級工程師，從事水電站管理和技術工作。