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(hù)配置的應(yīng)用實(shí)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(hù)常規(guī)配置及特點(diǎn)進(jìn)行了分析，指出了這些保護(hù)在短線路的應(yīng)用上存在局限性，推薦線路光纖縱差保護(hù)作為替代方案，并通過實(shí)際案例闡述了方案的可行性和優(yōu)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(hù)；應(yīng)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(diǎn)不接地的運(yùn)行方式，這種系統(tǒng)也稱為小接地電流系統(tǒng)。根據(jù)規(guī)程規(guī)定，線路應(yīng)裝設(shè)反映相間短路，動作于跳開斷路器的相間短路保護(hù)和反映接地故障、動作于發(fā)信號的接地保護(hù)。

2　水電站35 kV輸電線路保護(hù)常規(guī)配置

2.1電流電壓保護(hù)

當(dāng)輸電線路發(fā)生相間短路故障時(shí)，最主要的特征之一就是通過輸電線路的電流由負(fù)荷電流增大到短路電流。無時(shí)限電流速斷保護(hù)、帶時(shí)限電流速斷保護(hù)、定時(shí)限過電流保護(hù)3種保護(hù)裝置單獨(dú)設(shè)置時(shí)均不能滿足電力系統(tǒng)對保護(hù)的基本要求，組合在一起，構(gòu)成線路的三段式電流保護(hù)或二段式電流保護(hù)后，便可保證對全線路實(shí)現(xiàn)迅速、可靠、有選擇性的保護(hù)。

三段式電流保護(hù)是目前水電站35 kV線路中采用最廣泛的保護(hù)配置方式。

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

2.2距離保護(hù)

距離保護(hù)，是反映測量保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)之間的線路阻抗Zd，并根據(jù)Zd大小決定是否動作的一種保護(hù)裝置。距離保護(hù)的動作行為反映保護(hù)安裝處到短路點(diǎn)距離的遠(yuǎn)近，與電流保護(hù)相比，距離保護(hù)的性能受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響較小。

2.3電流電壓保護(hù)和距離保護(hù)的局限性

2.3.1電流電壓保護(hù)的缺點(diǎn)

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

（2）隨著水電的發(fā)展，在許多水電站中也出現(xiàn)了一些電壓高、負(fù)荷重、距離長、參數(shù)變化大的輸電線路。這樣的輸電線路上采用電流電壓保護(hù)往往不能滿足靈敏度要求。比如，運(yùn)行方式的改變，在某些情況下使無時(shí)限電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍變得很小甚至為零；長線路上的過流保護(hù)因?yàn)槎嗉壘€路的配合往往具有較長的動作時(shí)間；重負(fù)荷的輸電線路上，最大負(fù)荷電流有可能接近線路末端的短路電流，從而導(dǎo)致保護(hù)裝置的靈敏度不滿足要求等。

2.3.2距離保護(hù)的缺點(diǎn)

當(dāng)短線路發(fā)生故障時(shí)，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(hù)的超越和難以整定等問題。因此，當(dāng)被保護(hù)線路的長度很短時(shí)，保護(hù)很可能沒有保護(hù)范圍。在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中，距離Ⅰ段保護(hù)一般在5 km以上的線路中投運(yùn)。

3　問題的提出

3.1電站基本情況

浙江某水電站，裝機(jī)容量為2×5 000 kW+2× 2 000 kW，總裝機(jī)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(gè)特點(diǎn)：

（1）電站發(fā)電運(yùn)行組合方式特別多，負(fù)荷變化特別大。電站最小運(yùn)行方式為2 000 kW單機(jī)運(yùn)行，最大運(yùn)行方式為滿負(fù)荷14 000 kW運(yùn)行。機(jī)組運(yùn)行組合方式達(dá)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(hù)配置極為困難。

由于電站運(yùn)行方式變化過大，如采用普通常規(guī)的電流電壓保護(hù)根本不能滿足要求，電站當(dāng)初投運(yùn)時(shí)沒有更好的辦法，只好按大、中、小3種運(yùn)行方式來進(jìn)行保護(hù)配置，由運(yùn)行人員根據(jù)實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行現(xiàn)地手動切換。這在實(shí)際運(yùn)用中帶來非常大的不便，①保護(hù)投切復(fù)雜化，給運(yùn)行人員增加了較大的工作量；②保護(hù)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(hù)，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(hù)在電站超短線路上的應(yīng)用實(shí)例分析

4.1改造理由

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

直到線路光纖縱差微機(jī)保護(hù)的推出，才解決了上述難題。

4.2線路光纖差動保護(hù)基本原理

變壓器的差動保護(hù)是變壓器的主保護(hù)，是按循環(huán)電流原理裝設(shè)的。主要用來保護(hù)雙繞組或三繞組變壓器繞組內(nèi)部及其引出線上發(fā)生的各種相間短路故障，同時(shí)也可以用來保護(hù)變壓器單相匝間短路故障。在繞組變壓器的兩側(cè)均裝設(shè)電流互感器，其二次側(cè)按循環(huán)電流法接線，即如果兩側(cè)電流互感器的同級性的端都朝向母線側(cè)，則將同級性端子相連，并在兩接線之間并聯(lián)接入電流繼電器。而線路差動保護(hù)通常指輸電線的縱聯(lián)保護(hù)，就是用某種通信通道將輸電線兩端的保護(hù)裝置縱向聯(lián)結(jié)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(nèi)還是在線路范圍外，從而決定是否切斷被保護(hù)線路。

4.3廠家的選擇

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

4.4RCS-9613CS線路光纖縱差保護(hù)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(tǒng)或小電阻接地系統(tǒng)中的線路光纖縱差和電流保護(hù)及測控裝置，可組屏安裝，也可在開關(guān)柜就地安裝。

裝置采用基于DSP技術(shù)的硬件平臺，全封閉機(jī)箱，硬件電路采用后插拔式的插件式結(jié)構(gòu)，強(qiáng)弱電分離。CPU電路板采用4層板，表面貼裝技術(shù)，提高了裝置的可靠性。

4.4.2保護(hù)配置和功能

該保護(hù)裝置具有以下功能：

（1）光纖分相電流縱差保護(hù)。

（2）三段可經(jīng)復(fù)壓和方向閉鎖的過流保護(hù)。

（3）三段零序過流保護(hù)。

（4）過流加速保護(hù)和零序加速保護(hù)（零序電流可自產(chǎn)也可外加）。

（5）過負(fù)荷功能（報(bào)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(tài)功能。

（11）獨(dú)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(hù)原理

縱差保護(hù)采用分相電流差動。差動方程為：

其中：I˙MΦ為本側(cè)三相電流，I˙NΦ為對側(cè)三相電流。

動作曲線如圖1所示。

圖1　

裝置光通信系統(tǒng)本身具有通信誤碼檢測，當(dāng)誤碼超過一定值時(shí)，裝置將發(fā)通道故障信號，并閉鎖差動保護(hù)，一旦通信恢復(fù)，差動保護(hù)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(shè)有延時(shí)和瞬時(shí)兩種CT斷線報(bào)警功能。

（2）過流保護(hù)：該裝置設(shè)三段過流保護(hù)，各段有獨(dú)立的電流定值和時(shí)間定值以及控制字。各段可獨(dú)立選擇是否經(jīng)復(fù)壓（負(fù)序電壓和低電壓）閉鎖、是否經(jīng)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(shí)方向元件的死區(qū)。

過流Ⅰ段和過流Ⅱ段固定為定時(shí)限保護(hù)；過流Ⅲ段可以經(jīng)控制字選擇是定時(shí)限還是反時(shí)限，反時(shí)限特性沿用國際電工委員會（IEC255-4）和英國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（BS142.1996）的規(guī)定，采用下列3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)特性方程以供選擇。

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

（4）過負(fù)荷保護(hù)：裝置設(shè)一段獨(dú)立的過負(fù)荷保護(hù)，過負(fù)荷保護(hù)可以經(jīng)控制字選擇是報(bào)警還是跳閘。過負(fù)荷出口跳閘后閉鎖重合閘。

（5）加速保護(hù)：裝置設(shè)一段過流加速保護(hù)和一段零序加速保護(hù)。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(hù)：裝置設(shè)一段經(jīng)低電壓閉鎖及頻率滑差閉鎖的低周保護(hù)，可選擇在頻率下降超過滑差閉鎖定值時(shí)是否閉鎖低周保護(hù)。

（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(yīng)起動和保護(hù)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(yuǎn)傳遠(yuǎn)跳：當(dāng)本側(cè)收到對側(cè)的遠(yuǎn)跳信號且本側(cè)定值中跳閘出口矩陣相應(yīng)位為“1”時(shí)，本側(cè)裝置出口跳閘；若定值中跳閘出口矩陣相應(yīng)位為“0”時(shí)，則為遠(yuǎn)傳遙信。

（9）跳閘邏輯矩陣：裝置各保護(hù)跳閘方式采用整定方式，即哪個(gè)保護(hù)動作，跳何開關(guān)可以按需自由整定。RCS-9613CS標(biāo)準(zhǔn)配置提供2組跳閘出口。

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

（11）裝置自檢：當(dāng)裝置檢測到本身硬件的故障，發(fā)出裝置閉鎖信號，同時(shí)閉鎖裝置（BSJ繼電器返回）。硬件故障包括：定值出錯(cuò)、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(yùn)行告警：當(dāng)裝置檢測到下列狀況時(shí)，發(fā)運(yùn)行異常信號（BJJ繼電器動作）：光纖通訊中斷、兩側(cè)采樣失步、光纖數(shù)據(jù)異常、TWJ異常、線路電壓報(bào)警、頻率異常、PT斷線、控制回路斷線、接地報(bào)警、過負(fù)荷報(bào)警、零序Ⅲ段報(bào)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(shí)功能：裝置具備軟件對時(shí)和硬件對時(shí)功能。硬件對時(shí)為秒脈沖對時(shí)或者IRIG-B碼對時(shí)，裝置自動識別。

4.5保護(hù)裝置運(yùn)行情況

4.5.1基本運(yùn)行情況

該裝置于2014年投入運(yùn)行，兩年來動作正確率100％，未產(chǎn)生誤動等情況，系統(tǒng)各項(xiàng)功能完整，運(yùn)行維護(hù)方便，具有投資省、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足線路保護(hù)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(yùn)行的安全性。

4.5.2存在不足之處

（1）光纖作為繼電保護(hù)的通道，必須確保完好，一旦中斷，則失去線路主保護(hù)；

（2）當(dāng)裝置誤碼率較高時(shí)，可能導(dǎo)致保護(hù)固有動作時(shí)間加長；

（3）因?yàn)檠b置分別裝在電站和變電所兩側(cè)，因此給安裝、調(diào)試、維護(hù)等帶來一定的不便。

5　結(jié)束語

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

［1］RCS-9600CS系列工業(yè)電氣保護(hù)測控裝置技術(shù)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(shù)工作。