趙 杰 吳國棟

(國網(wǎng)甘肅省電力公司電力調(diào)度控制中心，甘肅 蘭州 730030)

雙回線送出水電站的繼電保護研究及改進

趙 杰 吳國棟

(國網(wǎng)甘肅省電力公司電力調(diào)度控制中心，甘肅 蘭州 730030)

為提高電力送出的可靠性，多數(shù)中小型水電站采用雙回輸電線路送出機組出力。在水電大發(fā)時，如果其中的一回線故障，將發(fā)生事故條件下的負荷轉(zhuǎn)移，造成未故障線路的相間距離保護Ⅲ段或線路過流保護動作，迫使水電站機組與系統(tǒng)解列，造成棄水事故。為解決采用雙回輸電線路送出的水電站運行問題，本文提出了通過加裝線路過負荷解列裝置防止事故情況下負荷轉(zhuǎn)移造成水電站解列的問題。

水電站；雙回線；繼電保護；改進

Research and Improvement of Relay Protection of Double-circuit Transmission Line for Hydropower Station

近年來，許多中小型水電站都采用雙回輸電線路與電網(wǎng)連接，這種雙回線路與電網(wǎng)相連的主接線方式提高了水電站的安全性，同時，也方便了線路檢修，適應(yīng)水電站系統(tǒng)運行方式的變化。因此，大多數(shù)中小型水電站都采用雙回路輸電線路送出機組出力。但是，在實際運行中卻發(fā)現(xiàn)：在流域水量豐富水電大發(fā)時，如果雙回線中的一條線路發(fā)生故障跳閘，故障線路上的送出負荷會轉(zhuǎn)移到非故障線路上，使非故障線上的負荷在事故期間突然增大，造成非故障線路的線路相間距離保護Ⅲ段測量阻抗變小、過電流保護測量電流增大，并達到相間距離保護Ⅲ段、過電流保護的動作定值，使非故障線路跳閘。在此期間，水電站一般按運行規(guī)程要求，水電機組要保持空載運行，水輪機空轉(zhuǎn)，有庫容的水電站要進行水量的調(diào)節(jié)，無調(diào)節(jié)能力的水電站(如徑流式電站)可能要提閘棄水，以保住發(fā)電設(shè)備。直到機組按調(diào)度下達的調(diào)度命令重新并網(wǎng)后，水電站才能穩(wěn)定運行。

針對上述問題，本文在分析雙回線水電站繼電保護原理與設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過加裝線路過負荷解列裝置，利用繼電保護裝置和線路過負荷解列裝置的動作配合，解決雙回線發(fā)生一回線故障引起另一回非故障線路跳閘而導(dǎo)致的水電站解列及棄水事故問題。

1 雙回線送出水電站事故負荷轉(zhuǎn)移條件下保護動作行為分析

按規(guī)程規(guī)定[1]，線路L1和L2配置有線路快速保護(一般為分相電流差動保護)、三段式相間(接地)距離保護、四段式零序保護、三段式過電流保護的微機繼電保護裝置，電流方向由水電站流向電網(wǎng)(圖1為一典型的采用雙回線方式送出的中小型110kV水電站的電網(wǎng)主接線示意圖)，I1max、Z1為線路L1的最大負荷電流和線路阻抗，I2max、Z2為線路L2的最大負荷電流和線路阻抗。

圖1 典型雙回線送出水電站電網(wǎng)主接線

下面將著重分析雙回線路系統(tǒng)運行時，在線路L2的fk點發(fā)生故障并跳開的期間，故障線路負荷轉(zhuǎn)移到線路L1時，L1線路保護所受影響及動作行為。

1.1 分相(分線)電流縱差保護

分相(分線)電流差動保護是指按相比較線路兩側(cè)電流的幅值及相位，如果兩側(cè)的電流和值的絕對值超過動作值時，線路兩側(cè)同時按相切除故障[2]。如圖2所示，I1M和I2M為正常運行方式下，從水電站母線流向線路的電流，I1N和I2N為流向系統(tǒng)110kV母線的電流。

圖2 分相差動保護原理

分相電流差動保護動作條件為：ICD=|IM+IN|>IDZ(分相電流差動保護動作定值)。如圖1在L2的fk點故障跳閘情況下，由圖2線路L1水電站母線流向線路的電流為I1M+I2M，此時L1對端的分相差動保護測量電流為I1N+I2N方向為從110kV系統(tǒng)母線流向電網(wǎng)系統(tǒng)，由于正常運行時線路首端末端電流基本相等(I1M≈I1N，I2M≈I2N)，因此，I1M+I2M與I1N+I2N，方向相反大小相同，線路L1保護動作電流ICD=|(I1M+I2M)+(I1N+I2N)|≈0

1.2 線路四段式零序電流保護

線路零序電流保護以零序電流的大小作為保護動作的條件[3]，具備接線簡單、選擇性好、靈敏度高等優(yōu)點，因此在水電站送出線路中得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用[4]。

當(dāng)圖1中L2的fk點發(fā)生故障并跳開的期間，由于線路L1負荷電流具備三相平衡的特點，線路L1中不會產(chǎn)生零序分量，因此，在故障情況下負荷轉(zhuǎn)移至正常線路L1時，線路L1無零序電流分量存在，故零序電流保護不受影響，不會動作。

1.3 線路三段式相間距離保護

距離保護是反應(yīng)故障點至保護安裝地點之間的距離(或阻抗)，并根據(jù)距離的遠近而確定動作時間的一種保護裝置。該裝置的主要元件為距離(阻抗)繼電器，它可根據(jù)其端子上所加的電壓和電流測知保護安裝處至短路點間的阻抗值。阻抗元件的阻抗值是接入該元件的電壓與電流的比值：U/I=Z，也就是短路點至保護安裝處的阻抗值。因此線路的保護測量阻抗值與線路的電流有密切關(guān)系[3]。

在線路L2故障情況下負荷轉(zhuǎn)移至正常線路L1時，由于線路L1電流發(fā)生了較大變化，會引起線路L1測量阻抗變小。由于整定原則條件規(guī)定[6-7]，將會對相間距離三段的動作行為有較大影響，在某些大負荷情況下可能引起線路L1相間距離保護三段誤動作。

1.4 三段式電流保護

三段式電流保護反應(yīng)的基本特征量是流過線路的電流，即通過電流大小來判斷保護動作與否。三段式電流保護一般由電流速斷、延時電流速斷、過電流組成，構(gòu)成三段式保護階梯特性。對于35kV水電站送出線路，規(guī)程規(guī)定必須配置電流速斷保護作為線路的主保護，同時配置其余段作為后備保護[5]。

由于電流速斷、延時電流速斷電流整定值較大，在大負荷方式下，圖1線路L2故障時，線路L1的電流為(I1max+I2max)，此電流與電流速斷、延時電流速斷電流整定值相比較小，電流速斷、延時電流速斷不會動作，但由于三段式電流保護整定原則規(guī)定[6]，過電流保護段受負荷電流影響較大，在L2故障情況下，負荷轉(zhuǎn)移至正常線路L1時，電流發(fā)生了較大的變化，線路L1過電流保護段存在誤動可能。

2 相間距離三段、過電流保護段受事故負荷轉(zhuǎn)移影響分析

在故障情況下負荷轉(zhuǎn)移至正常線路時，分相電流差動保護及線路零序電流保護不受影響，可保證保護動作的可靠性，但相間距離保護和過流保護會受到影響，以下進行詳細分析。

2.1 相間距離三段保護

當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，線路L1相間距離保護Ⅲ段定值為[6]

(1)

式中Kk——可靠系數(shù),Kk≤0.7;

ZFH——線路L1最小負荷阻抗。

ZFH通過以下計算獲得：

(2)

式中Un——電網(wǎng)的額定相電壓；

I1max——線路L1的最大負荷電流。

相間距離三段保護段動作時間設(shè)為TⅢ。

當(dāng)圖1中線路L2的fk點發(fā)生相間短路故障時，線路L2水電站側(cè)與系統(tǒng)側(cè)保護將動作跳開線路兩側(cè)開關(guān)切除故障。在水電站側(cè)保護動作跳開本側(cè)開關(guān)等待重合閘動作的時間內(nèi)，線路L2的負荷電流I2將瞬間轉(zhuǎn)移到線路L1上，L1上的負荷電流將增加為：I1max+I2max，線路L1水電站側(cè)距離保護三段的測量阻抗(ZC)將發(fā)生很大變化。

(3)

一般情況下I1max≈I2max，用式(1)-式(2)：

=0.13 Un/I1max>0

即ZL1,Ⅲ>ZC，從此結(jié)果看出線路L1的距離保護Ⅲ段測量阻抗ZC已進入相間距離三段保護范圍，達到動作值，如果線路L2開關(guān)重合失敗，線路L1相間距離保護Ⅲ段經(jīng)TⅢ延時動作跳開線路L1水電站側(cè)開關(guān)，造成電廠與電網(wǎng)解列。

2.2 過流三段保護

線路L1的階段式電流保護的過流保護定值為[6]

(4)

式中,Kk≥1.2 為可靠系數(shù)，Kf為返回系數(shù)，I1max線路L1的最大負荷電流，過流保護動作時間設(shè)為tⅢ。

同理，當(dāng)圖1中線路L2的fk點發(fā)生相間短路故障時，線路L2的負荷電流I2將瞬間轉(zhuǎn)移到線路L1上，L1上的負荷電流將增加為I1max+I1max，線路L1水電站側(cè)過流保護感受到的電流值IC都將發(fā)生很大變化。 一般情況下I1max≈I1max，在上述故障期間，過流保護感受到的電流值為

(5)

用式(5)-式(4)：

即IC>IDZ,Ⅲ，故障期間過流保護感受到的電流IC已大于線路L1保護的過流保護定值，具備動作條件。同樣如果線路L2開關(guān)重合失敗，線路L1過流保護經(jīng)tⅢ延時動作跳開線路L1水電站側(cè)開關(guān)，造成解列事故的發(fā)生。

當(dāng)水電站線路配置的微機保護有距離功能、過電流功能時，都可能在上述電網(wǎng)主接線方式下，發(fā)生由于一回線故障而引起另一回線跳閘，進而將水電電源解列的事故。

3 防止水電站解列方案研究與比較

3.1 限制線路電流方案

采用雙回輸電線路送出的中小型水電站運行存在這種由于在線路事故N-1情況下，引起的水電站解列、棄水等情況，其根本原因還是故障期間故障線路負荷轉(zhuǎn)移到非故障線路。為解決這一問題，許多水電站在水電大發(fā)時，通過限制機組處理，使每回線路按最大電流的一半運行，即將線路L1、L2的電流降為0.5I1max、0.5I2max運行，當(dāng)其中的L2線故障時，L1線的總電流0.5I1max+0.5I2max≈I1max。采用這種方法雖然解決了一回線故障引起的水電站解列棄水的問題，提高了運行的安全性，但同時也限制了機組的發(fā)電出力，極大地影響了水電站的經(jīng)濟效益。

3.2 加裝線路過負荷解列裝置方案

3.2.1 線路過負荷解列裝置

線路過負荷解列裝置是一種典型的安全自動裝置，它以正常運行時線路的電流、功率等作為動作判據(jù)，當(dāng)線路電流、功率大于它的預(yù)設(shè)定值時，該裝置就地或通過傳輸裝置切除與線路輸送功率有關(guān)的負荷或發(fā)電機組，以保證線路在允許的工況條件下運行[4]。

3.2.2 利用過負荷解列裝置防止事故負荷轉(zhuǎn)移引起誤動方案

根據(jù)對過負荷解列裝置原理及功能的分析，可采用過負荷解列裝置和繼電保護協(xié)同聯(lián)動，利用繼電保護裝置和線路過負荷解列裝置的動作配合解決雙回線中一回線發(fā)生故障引起非故障線路跳閘，造成水電站解列及棄水事故的問題(原理見圖3)。

圖3 加裝過負荷解列方案

在水電站側(cè)加裝過負荷解列裝置JL，裝置將線路L1、L2的電流、電壓、兩個出線開關(guān)的跳閘位置開關(guān)量、水電站運行機組F1～Fn等機組的出力電流量也采入裝置內(nèi)，裝置實時監(jiān)測線路、運行機組的電壓、電流和功率值等數(shù)值。在過負荷解列裝置投入運行后，線路L1、L2可滿負荷I1max、I2max運行，當(dāng)線路L2的fk點發(fā)生故障時，線路過負荷解列裝置通過對運行發(fā)電機組的出力電流進行快速計算，在快于線路L1距離保護Ⅲ段動作時間TⅢ和過流保護動作時間tⅢ前，按已制定切除機組的策略切除部分運行發(fā)電機組，切除機組的總電流不小于I2max，使運行的線路L1負荷電流保持在I1max的左右。由于線路過負荷解列裝置在距離保護Ⅲ段和過流保護時間動作前已將部分機組切除，線路L1距離保護Ⅲ段的測量阻抗、過流保護感受的電流值都是在I1max條件下的，未達到保護定值，因此，線路L1兩側(cè)線路保護不可能跳閘，避免了水電機組和電網(wǎng)解列事故的發(fā)生，同時也可以使線路滿載運行。

4 結(jié) 語

在采用雙回輸電線路送出的中小型水電站運行中，通過加裝線路過負荷解列裝置可以有效避免由一回線故障引起的負荷裝置造成的水電機組與電力系統(tǒng)解列事故。在實際運行中，采用這種方法，不但投資少，而且由于送出線路可滿載運行，提高了水電站的經(jīng)濟效益。但是，這種方法對線路過負荷解列裝置安全運行的要求很高，裝置不能長期退出，為此，部分水電站配置了雙套解列裝置以提高運行的安全性。雖然這樣增加了投資，但與增加一次線路和線路降負荷運行相比，雙套配置也是值得的。

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ZHAO Jie, WU Guodong

(ElectricPowerDispatchingandControlCenterofGansuProvincialElectricPowerCompany,

Lanzhou730030,China)

In order to improve the reliability of power transmission, most of the small and medium sized hydropower station use double-circuit transmission lines to sent out unit output. When the hydroelectric power is on, if one of the lines fails, the load transfer under accident conditions will occur. Result in non-fault line phase distance protection Ⅲ or line over-current protection action and force the hydropower station unit and the system sectionalizing, resulting in abandoned water accident. In order to solve the problem of the operation of the hydropower station with double circuit transmission lines, this paper puts forward the problem of preventing the disconnection of the hydropower station caused by the load transfer under the accident situation by installing the line overloading sectionalizing device.

hydropower station; double line; relay protection; improvement

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.02.011

TV73

A

1673-8241(2017)02- 0052- 04

水電站技術(shù)