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特高壓輸電線路保護(hù)研究

文檔作者：柴濟(jì)民鄭玉平張哲李園園吳通華趙青春劉革明文檔來源：南京南瑞繼保電氣有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年07月12日
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交流丑000肽V犄高壓輸咆線路繼咆保護(hù)特殊問題研究
柴濟(jì)民鄭玉平張哲李園園吳通華趙青春劉革明
(南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211100)
臣摘要衛(wèi)交流1000kV特高壓輸電線路是我國(guó)未來統(tǒng)一電網(wǎng)的骨架，與常規(guī)電壓等級(jí)線路以及超高壓輸電線路
相比，1000kV特高壓輸電線路電氣量和運(yùn)行特性都有其特殊性。1000kV輸電線路分布電容大，單位電感電阻
比值較大，線路長(zhǎng)度長(zhǎng)，在發(fā)生故障或者系統(tǒng)操作等條件下特高壓輸電系統(tǒng)將呈現(xiàn)出相對(duì)更為明顯的暫態(tài)過程；
lOOOkV線路輸電距離較大，線路的分布參數(shù)運(yùn)行特性明顯，常規(guī)距離保護(hù)測(cè)量阻抗與故障距離成正比這個(gè)理論
前提有可能不再成立，距離保護(hù)的精度將會(huì)受到影響；lOOOkV特高壓線路分布電容較大，無論在暫態(tài)過程還是
穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)候都有可能有較大的電容電流，這對(duì)分相電流差動(dòng)保護(hù)有可能有較大的影響。特高壓線路這些新特
點(diǎn)對(duì)二次繼電保護(hù)提出了新的要求。本文分析了1000kV特高壓輸電線路在故障暫態(tài)過程、空載合閘、高阻接地
等條件下相關(guān)電氣量的特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)已經(jīng)得到成熟應(yīng)用的相關(guān)輸電線路繼電保護(hù)原理所面臨的特殊問題進(jìn)行了
討論，從而為交流1000kV輸電線路繼電保護(hù)裝置的研制和開發(fā)提供了相關(guān)的依據(jù)。
K關(guān)鍵詞習(xí)特高壓線路繼電保護(hù)故障分量過電壓
1 引言
為了加強(qiáng)電網(wǎng)的傳輸能力，實(shí)現(xiàn)“西電東輸、北電南送”和全國(guó)統(tǒng)一的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，中國(guó)將在已有的以
500kV超高壓輸電線路為骨架的電網(wǎng)基礎(chǔ)上建設(shè)750、1000kV交流特高壓輸電線路和±800kV特高壓直
流輸電線路[1]。中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司已經(jīng)啟動(dòng)了晉東南南陽荊門交流1000kV特高壓試驗(yàn)示范工程，這是中
國(guó)即將出現(xiàn)的最高電壓等級(jí)交流輸電線路。
本文對(duì)晉東南南陽荊門1000kV輸電線路的繼電保護(hù)進(jìn)行了研究，討論了示范工程繼電保護(hù)所面臨的
特殊問題，為示范工程以及未來的1000kV特高壓線路繼電保護(hù)提供了研發(fā)的依據(jù)。
2 1000kV輸電線路參數(shù)的特點(diǎn)
特高壓輸電線路單位電阻小，漏電導(dǎo)小、分布電容大[z’3]。為了提高特高壓輸電線路的傳輸能力，減
小其電壓損耗和能量損耗，提高輸電線的自然功率，特高壓線路多采用分裂導(dǎo)線(750kV常用4～6根，
1000kV常用8～12根)，加之特高壓輸電線路輸電距離長(zhǎng)，從而導(dǎo)致分布電容較大。表1列出了不同電壓
等級(jí)下每百公里的分布電容值。
表1 不同電壓等級(jí)每百公里線路分布電容
電壓等級(jí)(kV) 220 330 500 750 1000
正序電容(肚F) O．86 1．113 1．23 1．36 1．397
零序電容(“F) O．61 O．77 O．84 O．93 O．93
表2列出了220～1000kV各電壓等級(jí)下單位線路電抗與電阻的比值?？芍馗邏狠旊娋€路的單位電
感與單位電阻的比值明顯增大，這又是特高壓輸電線路的一大特點(diǎn)。同時(shí)，由于特高壓輸電線路相間距離
大，對(duì)地絕緣好，其漏電導(dǎo)在分析中可以忽略。
表2 各電壓等級(jí)輸電線路單位電阻電抗比
電壓等級(jí)(kV) 220 330 500 750 1000
xfR 3～3．5 6．84 10～13 20 35
二十一世紀(jì)輸配電技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展——第六屆輸配電技術(shù)國(guó)際會(huì)議論文集
3特高壓線路的運(yùn)行特性
特高壓輸電線路一般較長(zhǎng)，電壓電流的傳送呈現(xiàn)明顯的波特性‘2’3]，各電氣量如圖1的系統(tǒng)圖所示，
其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方程(暫不考慮并聯(lián)電抗器)為
o O
U1一U2ch(71)+工2Z。sh(彬)
k f2c蝴，+知∥， q’
』。土上，；
n———一
贏。l ’量：= J
玩}j規(guī)，
)
u{
式中U1、工。——線路首端(優(yōu)端)電壓、電流； 圖1 1000kV輸電線路圖
U 2、J 2——扎處電壓、電流； r輸電線路的傳輸常數(shù)，)，一口+j口一√(R，+j∞L，)(G，+jcuC，)；
Zc一輸電線路的波阻抗，Zc一√籌器；
尺，、L。、G，、C?！謩e為輸電線路單位長(zhǎng)度的電阻、電感、電導(dǎo)、電容；
Z一、7"／點(diǎn)間的輸電距離。由于并聯(lián)電抗器可以補(bǔ)償線路的對(duì)地電容，消除電容效應(yīng)，在超、特高壓輸電線路上為了限制過電
壓，一般都裝設(shè)有一定容量的并聯(lián)電抗器。按照容量定義的并聯(lián)電抗器補(bǔ)償度為[4]
盧=墓一熹㈤
其中Qc為空載長(zhǎng)線的無功功率，QI，為電抗器容量；Xu為并聯(lián)電抗器的大小，設(shè)全線的正序容抗
為Xc，。
4 1000kV輸電線路電氣量的特點(diǎn)
4．1分布電容電流
高壓長(zhǎng)線的分布電容導(dǎo)致對(duì)地電容的增加，這是一個(gè)基本的電氣現(xiàn)象，在一般的高壓線路上，這個(gè)問
題并不嚴(yán)重，但是隨著電壓等級(jí)的增高，單位長(zhǎng)度的分布電容相應(yīng)增大(見表1)，同時(shí)電容電流就明顯
增大，表3列出了各電壓等級(jí)下每百公里的分布電容電流(有效值)。
表3 各電壓等級(jí)下的電容電流(每百公里)
電壓等級(jí)(kV) 220 330 500 750 1000
電容電流(A) 34 66 111 186 253
根據(jù)晉東南南陽荊f-j 1000kV交流特高壓電流示范工程的線路參數(shù)，當(dāng)線路的并聯(lián)電抗器不投人運(yùn)行
的時(shí)候，波阻抗為242．5Q，每百公里的充電功率為533Mvar，自然功率為4546MW，傳送自然功率時(shí)候
每相的負(fù)荷電流為2500A，而每百公里的電容電流為253A，300km線路為759A，達(dá)到額定負(fù)荷電流的
30％左右。
在特高壓線路上，高補(bǔ)償度的并聯(lián)電抗器的接人大大削弱了線路分布電容的作用，使得穩(wěn)態(tài)電容電流
下降了很多。以晉東南南陽線路為例，未補(bǔ)償前的電容電流高達(dá)約920A，補(bǔ)償后降到約80A左右。
4．2非周期分量
在故障和操作后，為了維持線路上的電感元件上的電氣量不突變，產(chǎn)生了衰減的非周期分量。具體來
說，特高壓線路上的非周期分量分為兩類[5]：一是輸電線路自身電感產(chǎn)生的非周期分量，為基本非周期分
量工。；一是并聯(lián)電抗器產(chǎn)生的附加非周期分量j。。以三相故障為例，二者的流通圖見圖2。
二十一世紀(jì)輸配電技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展——第六屆輸配電技術(shù)國(guó)際會(huì)議論文集
圖2非周期分量流通圖
由于并聯(lián)高抗的X。數(shù)值較大，所以附加非周期分量的衰減
時(shí)問常數(shù)相對(duì)來說比較大，但是從附加非周期分量的幅值上看，
由于Xp較大，其幅值相對(duì)來說是比較小的。對(duì)于基本非周期分
量，表2中列出的是只考慮線路本身電阻電抗的比值，當(dāng)故障發(fā)
生在發(fā)電機(jī)出口的時(shí)候，其衰減時(shí)間將會(huì)變得更長(zhǎng)。與常規(guī)電壓
等級(jí)線路以及500、750kV線路相比，L／r值將會(huì)相對(duì)增大，所
以一般來說，1000kV系統(tǒng)中的暫態(tài)非周期分量的衰減時(shí)間比
較長(zhǎng)。
圖3為示范工程RTDS仿真中距離晉東南保護(hù)63km處單相接地故障時(shí)晉東南側(cè)暫態(tài)電流圖以及頻譜
圖(2個(gè)周波)，可以看出此時(shí)衰減時(shí)間常數(shù)便已經(jīng)達(dá)到了110ms左右，并且大小還要大于基頻分量。
●
一
一l
(b)
圖3昔東甫暫態(tài)電流圖
(a)暫態(tài)電流波形圖；(b)暫態(tài)電流頻譜圖
4．3高頻分量
在故障、空載合閘、區(qū)外故障切除和重合閘等暫態(tài)過程中分布電容引起的暫態(tài)電流中含有相當(dāng)?shù)母哳l
分量。
對(duì)于特高壓線路，故障電流中除有一很大的衰減直流分量外，還存在非整次高頻分量嘲，故障電壓當(dāng)
中也含有較大的高頻分量。故障高頻分量的初始值與短路角(以電壓角為基準(zhǔn))有關(guān)，當(dāng)故障角為90。時(shí)
候，高頻分量的初始值最大。
高頻諧波的頻率與故障距離和系統(tǒng)運(yùn)行方式有關(guān)。圖4為分析計(jì)算的不同系統(tǒng)運(yùn)行方式下的1000kV
特高壓輸電線路故障高頻諧波(距離工頻最近的一個(gè))的頻率隨故障距離的變化圖。
從圖中可以看到，系統(tǒng)方式越小，故障距離越大，高
頻諧波頻率越接近于工頻。
圖5列出了不同的運(yùn)行方式下，故障較為90。的三相故
障后電壓諧波的初始值和電流初始值的大小變化圖。
圖5中Kuz。為電壓諧波初始值和額定電壓的比值；K皿
為電壓諧波初始值和故障穩(wěn)態(tài)基波電壓大小的比值；K；。為
電流諧波初始值和穩(wěn)態(tài)基波電流大小的比值。這三個(gè)參數(shù)
均是來衡量諧波的大小。
從圖5中可以看到，故障距離越遠(yuǎn)，電流電壓當(dāng)中的
諧波含量對(duì)基波分量的影響越大，相同的條件下，故障電
壓當(dāng)中的諧波要比故障電流更加嚴(yán)重。
92
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7袋圖}方式
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圖4高頻頻率變化圖
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小方式下高頻分量變化圖
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瞳由輩喜苧警竺竺譬妻璺苧要態(tài)特征明顯，故障電流當(dāng)中含有較為豐富的非周期分量和高頻諧波分量，故
障電壓當(dāng)中含有較大的高頻諧波，這些因素均對(duì)相關(guān)繼電保護(hù)的性能提出了較高的要求!?一一“一’”
^h岜竺相皇鎏耋銎堡簍是磬：．譬高壓線路首選的主保護(hù)原理。差動(dòng)保護(hù)主要面臨的問題是較大的電容電流
竺鬈嬰二妻正蘭苧墨黧曼外警譬時(shí)線路兩邊電流之和不為零。實(shí)際上與超高壓線路相比，由于最高三嘉三
苧簍望霎蕁二竺妻苧凳竺孽登裝設(shè)有并聯(lián)電抗器，并且高抗的補(bǔ)償度很大(80％&amp;amp;芏了，薪&amp;amp;磊塞高茗蕓
曼鎏耋堂圭已譬簍慧凳亭誓蘭行了較大的補(bǔ)償。分布電容對(duì)差動(dòng)保護(hù)的主要影響是相關(guān)操秸磊最嵩：言篡
塑妻享皇鎏=：。型竺蘭竺望孝堂烹閘和區(qū)外故障的切除，在暫態(tài)過程當(dāng)中分布電容產(chǎn)生了箍尖葫藩≤茗蕊‘
竺使詈星二簍變妻窆嘗鎏望牢?竺方法，傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)的f]檻值還是必須提得很高桌蒜≤薔基苫；姜占描茹
響，但提高門檻值降低了差動(dòng)保護(hù)的靈敏度。
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凈c警㈤；
求出各個(gè)電容的電流后，即可求得線路各相的電容電。
流。由于不同頻率的電容電壓、電流都存在式(3)，按照
式(3)計(jì)算的電容電量對(duì)于正常運(yùn)行、空載合閘和區(qū)外故
障切除等情況下的電容電流穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)分量都可以進(jìn)行較
好的補(bǔ)償，從而提高了差動(dòng)保護(hù)的靈敏度。
圖6線路11型等效電路
*B。套竺妻壓竺竺±烹j蘭設(shè)了并聯(lián)電抗器，因此需要補(bǔ)償?shù)碾娙蓦娏鳛槭?3)的電容電流減去并聯(lián)電
抗器的電流。關(guān)于時(shí)域電容電流補(bǔ)償方法對(duì)暫態(tài)電容電流的詳細(xì)解決方案詳見參考文最品_；jl：『?！啊鞍韧?
5．2距離保護(hù)一
茸。畝竺寰竺護(hù)蘭誓喜案釜路圭主要面臨兩個(gè)問題，首先是特高壓系統(tǒng)故障分量含有較為嚴(yán)重的非周期分量
和高零拿曼，容易造成距離保護(hù)的暫態(tài)超越，因此必須加強(qiáng)特高壓繼電保護(hù)的濾波措施。
～““““8
悱曰皇要霎苧：：竺亭譬堂堂可能較長(zhǎng)，分布參數(shù)特性明顯，因此常規(guī)距離保護(hù)的理論前提受到了挑戰(zhàn)，也
就是不能再簡(jiǎn)單的認(rèn)為測(cè)量阻抗與故障距離成正比關(guān)系。
一???“’。
92,
二十一世紀(jì)輸配電技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展——第六屆輸配電技術(shù)國(guó)際會(huì)議論文集
理論分析和仿真研究的結(jié)果均表明，由于分布參數(shù)特性的影響，常規(guī)距離保護(hù)的保護(hù)范圍在較長(zhǎng)的特
高壓線路上可能有所縮小。而實(shí)際上，由于限制工頻過電壓的需要，特高壓線路兩端裝設(shè)有并聯(lián)電抗器，
研究表明：并聯(lián)高抗的接入降低了分布電容帶來的分布參數(shù)特性，可以基本認(rèn)為常規(guī)距離保護(hù)的理論前提
在特高壓線路上依然是成立的，也就是常規(guī)距離保護(hù)的范圍仍然得到了保證。關(guān)于這個(gè)問題的詳細(xì)分析詳
見參考文獻(xiàn)E83。
5．3特高壓線路保護(hù)需要注意的過電壓?jiǎn)栴}
過電壓是特高壓線路一個(gè)較為核心的問題，特高壓輸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行均要符合相關(guān)的過電壓要
求。同時(shí)輸電線路保護(hù)直接控制特高壓斷路器的跳合閘操作，因此其動(dòng)作機(jī)制也間接的對(duì)過電壓起到
影響。
從電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓的角度來看，繼電保護(hù)所要注意過電壓?jiǎn)栴}有兩個(gè)，首先是線路的自動(dòng)重合閘
必須注意的合閘過電壓。與實(shí)際運(yùn)行的超高壓線路的重合閘方式一樣，由于單相故障采用三相重合閘容易
在非故障上產(chǎn)生較大的操作過電壓，因此特高壓線路更應(yīng)該首選單相重合閘。
輸電線路繼電保護(hù)另外所要注意的是特高壓系統(tǒng)的工頻過電壓。與超高壓線路相比，特高壓線路絕緣
水平要求允許的過電壓裕度更小，因此線路保護(hù)的動(dòng)作機(jī)制應(yīng)在滿足繼電保護(hù)的要求下盡量對(duì)工頻過電壓
起到優(yōu)化作用。輸電線路的工頻過電壓產(chǎn)生的原因有三類：空載線路的電容效應(yīng)使得的線路末端電壓升
高；不對(duì)稱故障時(shí)非故障相電壓升高；突然甩負(fù)荷引起的工頻過電壓。一般來說工頻過電壓與輸電線路的
長(zhǎng)度和系統(tǒng)運(yùn)行方式有關(guān)，線路越長(zhǎng)、系統(tǒng)運(yùn)行方式越小，可能出現(xiàn)的過電壓越嚴(yán)重。
解決工頻過電壓的有效手段是在特高壓線路兩端采用較高補(bǔ)償度的并聯(lián)電抗器對(duì)分布電容進(jìn)行補(bǔ)償，
采用并聯(lián)電抗器補(bǔ)償后，由于電容效應(yīng)帶來的容升電壓便得到了很好的抑制。另外，由于特高壓系統(tǒng)變壓
器中性點(diǎn)直接接地，使得不對(duì)稱故障時(shí)候系統(tǒng)零序等值阻抗和正序等值阻抗比變小，不對(duì)稱故障后非故障
相電壓升高得并不嚴(yán)重。因此在合理的一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)情況下，由于單個(gè)原因產(chǎn)生的過電壓并不嚴(yán)重。但在
一些特殊情況下，在線路的某一相上可能三種產(chǎn)生工頻過電壓的原因都疊加上，此時(shí)即使采用了較高補(bǔ)償
度的并聯(lián)電抗器也可能會(huì)出現(xiàn)較高的工頻過電壓。通過對(duì)晉東南一南陽一荊門特高壓線路的研究，產(chǎn)生較
大工頻過電壓的條件是：重負(fù)荷時(shí)線路受電側(cè)近處發(fā)生不對(duì)稱故障受電側(cè)三相跳閘而送電側(cè)保護(hù)拒動(dòng)，那
么非故障相上就相當(dāng)于三種工頻過電壓的條件疊加，尤其在送電側(cè)較弱的情況下非故障相的工頻過電壓就
更加嚴(yán)重。
解決這種產(chǎn)生工頻過電壓的方法是采用聯(lián)跳方案，也就是說如果某端線路保護(hù)三跳，則直接發(fā)聯(lián)跳信
號(hào)給對(duì)端，避免對(duì)端可能會(huì)帶長(zhǎng)特高壓線路運(yùn)行產(chǎn)生的工頻過電壓。繼電保護(hù)采用聯(lián)動(dòng)跳閘的方法，對(duì)一
次系統(tǒng)的工頻過電壓起到了后備優(yōu)化降低的作用，有利于特高壓系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
6 總結(jié)
本文對(duì)交流1000kV特高壓輸電線路的特點(diǎn)、運(yùn)行特性和故障暫態(tài)電氣進(jìn)行了分析；對(duì)特高壓輸電線
路的繼電保護(hù)所面臨的新問題進(jìn)行了分析研究，并提出了相應(yīng)的解決方案，為1000kV特高壓輸電線路裝
置的研制開發(fā)提供了依據(jù)。
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作者簡(jiǎn)介
柴濟(jì)民，男，1983年生，碩士，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的研究開發(fā)工作。
鄭玉平，男，1964年生，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的研究開發(fā)工作。
張哲，男，1973年生，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的研究開發(fā)工作。
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