500kV同杆双回线路保护的总体方案设计

2022-09-10

500kV同杆双回线主要应用于联络两个重要的系统, 理想的跳闸方式是在故障时只切除故障相, 非故障相保留下来继续运行, 最大限度地保持系统两端在重合闸周期内的联系, 并进行重合闸。而自适应重合闸的方式在按相顺序重合原则的基础上多加了无严重故障判据, 即首先判断故障是瞬时性故障 (非严重性故障) 还是永久性故障 (严重故障) , 如果是瞬时性故障, 则采取按相顺序重合, 如果是永久性故障, 直接三跳。

要实现这种方式, 需要综合两回线的运行信息, 以判别是否满足两异名相健全的条件。线路保护中含有母线的运行状况, 为取得另一回线的信息, 增加两回线保护之间的数字通信就可实现。当由于某种原因小于能得到邻线的信息时, 应能自动转为常规的单相重合闸, 此时保护的跳闸方式应自动更改为常规方式即两相故障三跳。同时, 应当避免同时重合于两相永久故障。本文就具体地研究同杆双回线路采用3/2断路器接线方式时, 保护的总体方案, 以及如何通过保护间的配合实现按相跳闸和自适应重合闸。

1 保护配置及功能

1.1 主、后备保护配置及功能

每回线路配置两套完整独立的线路保护, 以分相电流差动和零序电流差动构成快速主保护, 并且引入横差保护。应用于同杆双回线时, 电流差动保护对各种常规及跨线故障具有天然的选相能力。

另外, 对于小于通道的保护配置, 近端故障可在高速动作下进行诊断, 或进行正确地选相。全套后保护壳分为两部分, 一是快速距离I段保护;二是相间、接地距离延时II、III、Ⅳ段邻续方向过流。

保护装置中含有自适应的重合闸逻辑, 利用对侧及邻线线路保护信息, 进行重合闸判别。

保护装置与常规线路保护相比, 在运行时不仅要与对侧交换电气量信息, 还要与邻线保护交换自适应重合闸所必需的开关状态、保护合闸状态等系列开关信息。

1.2 主保护介绍

1.2.1 变特性差动保护

本差动保护方案基于线路两端同时刻的电流瞬时值, 差动保护实现任何时刻发生的区内金属性故障15ms内快速动作, 高阻故障、振荡中故障等弱故障可靠动作, 保护动作时可靠选相:抗区外饱和能力2.4ms, 完善的TA断线解决方案。

差动保护采用基于采样值差动、稳态量向量差动、故障分量差动、零序差动多种差动原理变特性的整体差动保护, 配合快速识别区内、外故障功能及虚拟制动电流法的抗饱和方案。

1.2.2 横差电流方向保护

横差保护作为主保护的一个补充, 在此不再做过多的介绍。

1.2.3 快速距离I段保护

距离I段保护采用多重级联滤波和短窗算法, 可实现的快速距离一段保护, 配合故障分量阻抗选相保证了距离I段的速动性和选择性;另保护可以根据另一回线的运行状态自适应的调整零序补偿系数以提高接地距离的保护范围并提高可靠性。

2 3/2断路器接线方式的保护配置

2.1 保护配置图

实现按相跳闸, 并且能够自适应重合, 需要线路保护与断路器保护的共同配合。为充分利用线路保护的信息, 重合闸的判别由线路保护装置进行, 线路保护发出分相重合起动命令, 断路器保护接到该命令后, 根据开关状态及与相邻开关的配合关系发出合闸命令, 见图1。

图1中各信号含义: (1) TA, TB, TC为两套线路保护分联的分相跳闸信号; (2) HA, HB, HC为两套线路保护并联的分相合闸信号; (3) 为两套线路保护并联的闭锁信号; (4) XHBS为先合闭锁信号, 先合开关保护用来通知后合开关是否可以经后合延时重合。 (5) ZSY为两套线路保护并联给开关保护的自适应重合闸状态信号, 当装置通信通道故障、T V断线、装置闭重等异常情况出现, 以满足自适应重合闸判别条件时, 该接点断开, 当两套线路保护的ZSY均断开时, 开关保护自动转为常规重合闸方式。

2.2 线路保护动作流程

如图1, 为实现自适应重合闸功能, 需要本线对侧及邻线的信息, 线路保护与本线对侧交换如下信息 (仅列举为实现自适应重合闸功能所需要交换的信息) :“分相跳闸信号”、“分相位置信号”、“分相准备重合信号” (哪一相或两相重合起动经整定延时且判别出无严重故障) 。两侧的“分相准备重合信号”相或, 即为本线哪一相或两相准备重合, 并与邻线交换该“分相准备重合信号”, 因此任一线路保护均可知道两回线哪些相准备重合, 即可按重合顺序对断路器保护发“合闸信号”。此外, “分相准备重合信号”还是重合顺序中下一组重合相的启动信号, 只有当重合顺序中前一组重合相重合成功后, 撤回该相的“准备重合信号”, 下一组才能开始重合。如果本线跳开相又有电流, 表明该相已合上, 撤回该相“准备重合信号”;如果本线跳开相有压 (大于0.8Un) 超过100ms且满足“相间不接地非永久性故障判据”, 表明该相是瞬时性故障重合成功, 撤回该相“准备合闸信号”, 若本侧未发该相“合闸信号” (是对侧重合引起电压恢复) , 则立即发该相“合闸信号”;如果本侧三跳或收到对侧三跳信号或三相位置跳开信号, 则放电, 撤回本线“准备重合信号”。如由于某种原因线路保护不能获取邻线或对侧信息, 则按常规单相重合闸发“合闸信号”。

3 断路器保护

断路器保护一般要具备有线路充电保护、断路器失灵保护、母线死区保护、断路器三相不一致保护等功能。

3.1 线路充电保护

当要将停运的线路重新投入运行时, 通常只先合一侧的断路器来向线路充电, 从合一侧断路器到线路电压建立稳定这段时间内, 如果发生故障, 线路保护是不能对线路起到可靠保护作用的, 为了更可靠地切除被充电线路上的故障, 应投入线路充电保护, 而充电良好后应及时退出。下面分析充电保护的投入、启动、动作条件。

充电保护的投入:为了保证线路在重合闸时充电保护可靠退出, 可设一个计数器, 只有在计数器满后充电保护才允许投入。下列任一条件满足使充电计数器满: (1) 断路器三相均在跳闸位置超过20秒; (2) 断路器三相均在跳闸位置且有“手合”开入。

充电保护的启动:断路器任一相 (或三相) 跳位返回时启动充电保护。

充电保护的动作:充电保护由两段过流段构成。充电保护启动后, 不断计算三相电流, 任一相电流大于I段整定值, 则经固定短延时20ms出口跳闸;任一相电流大于II段整定值, 则经整定的延时出口跳闸;否则经500ms延时 (充电完成, 电压稳定建立) 充电保护自动退出。

3.2 断路器失灵保护

如果线路保护发出跳闸信号, 而断路器失灵拒动, 则需要断路器失灵保护来避免这种情况的发生。失灵保护一般分两级跳闸, 当失灵保护收到跳闸信号时, 先联跳本断路器, 再判断本断路器是否失灵, 若本断路器失灵, 则跳开相关断路器。另外失灵保护可设一个延时联跳三相控制字, 若该控制字选择为有效, 则失灵保护在瞬时联跳本断路器故障相后, 在失灵保护出口前经整定的延时联跳本断路器三相。

失灵保护的启动:失灵保护设三个启动元件。 (1) 相电流突变量启动; (2) 零序电流辅助启动; (3) 其他保护三相跳闸信号启动。 (该启动元件可由控制字选择投入。当控制字选择为有效, 本断路器保护装置收到外部保护三相跳闸信号时, 失灵保护在相电流突变量和零序电流辅助启动未启动的情况下启动, 进入失灵保护的故障处理程序。)

失灵保护动作: (1) 收到单相跳闸信号及该相电流元件均不返回时, 经失灵出口延时, 断路器失灵保护动作, 切除与该断路器相关的所有元件; (2) 收到三相跳闸信号及任一相电流元件均不返回时, 经失灵出口延时, 断路器失灵保护动作, 切除与该断路器相关的所有元件; (3) 在启动元件动作的前提下, 失灵保护已瞬时沟通三相且任一相电流元件均不返回时, 经失灵出口延时, 断路器失灵保护动作, 切除与该断路器相关的所有元件。

失灵保护可由控制字选择经复合电压闭锁, 当控制字选择为有效时, 只有在断路器保护装置检测到故障相电压小于定值, 或零序电压 (负序电压) 大于定值时, 失灵保护才允许出口。当本装置检测到PT回路断线时, 不论失灵保护经复合电压闭锁控制字是否选择为有效, 失灵保护都不再受复合电压闭锁。但复合电压的整定值要线路末端短路时有足够的灵敏度。

3.3 母线死区保护

母线死区保护是为了保护母线侧CT与断路器之间的死区而设置的, 断路器与电流互感器之间的故障如图2所示。

当短路故障发生在K1 (或K2) 点时, 故障点处于线路保护区外, 但在母线差动保护的动作区内。母线差动保护动作跳开1DL (或3DL) , 但此时故障并没有消除, 应由1DL (或3DL) 的死区保护将2DL跳开, 同时启动远方跳闸装置, 跳开线路L-I (或L-II) 对侧断路器。

若满足以下条件, 死区保护经短延时跳开所有相关断路器 (其启动回路和出口回路与失灵保护完全相同) : (1) 有三相跳闸信号开入; (2) 有三相跳位开入; (3) 任一相电流大于失灵电流整定值。

3.4 断路器三相不一致保护

当线路正常运行或停运时, 断路器的三相应为一致处于合闸或跳闸状态, 若有的相处于合闸状态有的相处于跳位, 则称该断路器三相不一致。三相不一致保护就是用来跳开处于三相不一致状态的断路器。

三相不一致保护的启动:当断路器保护三个跳位开入不一致并且有断路器三相不一致开入启动三相不一致保护。断路器三相不一致开入来自操作箱中的断路器三相不一致触点。

三相不一致保护的动作条件:三相不一致保护设置一个可经控制字投退的电流元件, 即零序电流元件。若该元件投入, 当三相不一致保护启动, 且零序电流元件动作, 三相不一致保护经延时出口跳开处于不一致状态的断路器, 并闭锁重合闸;若该元件不投入, 三相不一致保护经延时出口跳开处于不一致状态的断路器。

由于双回线保护采取按相跳闸和自适应重合闸的方式, 在故障时只跳故障相并按相重合, 则在跳开故障相到重合成功 (失败则三跳) 这段时间内, 断路器是处于三相不一致状态的。因此三相不一致保护还需设置一个经重合闸闭锁的控制字。若该控制字投入, 重合闸启动即闭锁三相不一致保护, 直至重合闸返回。若该控制字不投入, 三相不一致的出口延时的整定值应大于重合闸的出口延时。

4 结语

输电线路是电力系统最重要的组成部分之一。随着全国电网建设进入了以超高压、远距离、大容量为标志的新阶段, 为了充分发挥线路传输电力的能力, 提高单位线路走廊宽度下的输电容量, 超高压、远距离、大容量的输电线路越来越多的采用同杆双回线的输电方式。因此研究获取保护性能更佳、可靠性更高且适用于同杆双回线的线路保护就成为一个重要的任务。本文给出了保护的总体方案, 介绍了主保护和后备保护的构成、断路器保护的各项基本功能。为了实现按相跳闸与自适应重合闸, 具体研究了3/2断路器接线方式下, 线路保护与断路器保护之间如何配合, 为双回线新型保护装置的研制提供了理论基础。

摘要：介绍了500kV同杆双回线保护的配置及其功能, 对3/2断路器接线方式下保护的总体方案进行了研究, 以及如何通过线路保护和断路器保护之间的配合, 来实现按相跳闸与自适应重合闸, 为双回线保护装置的研制提供了理论基础。

关键词：同杆双回,线路保护,方案设计