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特高壓輸電線路保護研究

文檔作者：柴濟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		點擊數(shù)：	更新時間： 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特殊問題研究
柴濟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未來統(tǒng)一電網(wǎng)的骨架，與常規(guī)電壓等級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，線路長度長，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)運行特性明顯，常規(guī)距離保護測量阻抗與故障距離成正比這個理論
前提有可能不再成立，距離保護的精度將會受到影響；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)運行時候都有可能有較大的電容電流，這對分相電流差動保護有可能有較大的影響。特高壓線路這些新特
點對二次繼電保護提出了新的要求。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
等條件下相關電氣量的特點，同時對已經(jīng)得到成熟應用的相關輸電線路繼電保護原理所面臨的特殊問題進行了
討論，從而為交流1000kV輸電線路繼電保護裝置的研制和開發(fā)提供了相關的依據(jù)。
K關鍵詞習特高壓線路繼電保護故障分量過電壓
1 引言
為了加強電網(wǎng)的傳輸能力，實現(xiàn)“西電東輸、北電南送”和全國統(tǒng)一的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，中國將在已有的以
500kV超高壓輸電線路為骨架的電網(wǎng)基礎上建設750、1000kV交流特高壓輸電線路和±800kV特高壓直
流輸電線路[1]。中國國家電網(wǎng)公司已經(jīng)啟動了晉東南南陽荊門交流1000kV特高壓試驗示范工程，這是中
國即將出現(xiàn)的最高電壓等級交流輸電線路。
本文對晉東南南陽荊門1000kV輸電線路的繼電保護進行了研究，討論了示范工程繼電保護所面臨的
特殊問題，為示范工程以及未來的1000kV特高壓線路繼電保護提供了研發(fā)的依據(jù)。
2 1000kV輸電線路參數(shù)的特點
特高壓輸電線路單位電阻小，漏電導小、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，從而導致分布電容較大。表1列出了不同電壓
等級下每百公里的分布電容值。
表1 不同電壓等級每百公里線路分布電容
電壓等級(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各電壓等級下單位線路電抗與電阻的比值。可知特高壓輸電線路的單位電
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。同時，由于特高壓輸電線路相間距離
大，對地絕緣好，其漏電導在分析中可以忽略。
表2 各電壓等級輸電線路單位電阻電抗比
電壓等級(kV) 220 330 500 750 1000
xfR 3～3．5 6．84 10～13 20 35
二十一世紀輸配電技術的創(chuàng)新與發(fā)展——第六屆輸配電技術國際會議論文集
3特高壓線路的運行特性
特高壓輸電線路一般較長，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。——分別為輸電線路單位長度的電阻、電感、電導、電容；
Z一、7"／點間的輸電距離。由于并聯(lián)電抗器可以補償線路的對地電容，消除電容效應，在超、特高壓輸電線路上為了限制過電
壓，一般都裝設有一定容量的并聯(lián)電抗器。按照容量定義的并聯(lián)電抗器補償度為[4]
盧=墓一熹㈤
其中Qc為空載長線的無功功率，QI，為電抗器容量；Xu為并聯(lián)電抗器的大小，設全線的正序容抗
為Xc，。
4 1000kV輸電線路電氣量的特點
4．1分布電容電流
高壓長線的分布電容導致對地電容的增加，這是一個基本的電氣現(xiàn)象，在一般的高壓線路上，這個問
題并不嚴重，但是隨著電壓等級的增高，單位長度的分布電容相應增大(見表1)，同時電容電流就明顯
增大，表3列出了各電壓等級下每百公里的分布電容電流(有效值)。
表3 各電壓等級下的電容電流(每百公里)
電壓等級(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)，當線路的并聯(lián)電抗器不投人運行
的時候，波阻抗為242．5Q，每百公里的充電功率為533Mvar，自然功率為4546MW，傳送自然功率時候
每相的負荷電流為2500A，而每百公里的電容電流為253A，300km線路為759A，達到額定負荷電流的
30％左右。
在特高壓線路上，高補償度的并聯(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，未補償前的電容電流高達約920A，補償后降到約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。
二十一世紀輸配電技術的創(chuàng)新與發(fā)展——第六屆輸配電技術國際會議論文集
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
時問常數(shù)相對來說比較大，但是從附加非周期分量的幅值上看，
由于Xp較大，其幅值相對來說是比較小的。對于基本非周期分
量，表2中列出的是只考慮線路本身電阻電抗的比值，當故障發(fā)
生在發(fā)電機出口的時候，其衰減時間將會變得更長。與常規(guī)電壓
等級線路以及500、750kV線路相比，L／r值將會相對增大，所
以一般來說，1000kV系統(tǒng)中的暫態(tài)非周期分量的衰減時間比
較長。
圖3為示范工程RTDS仿真中距離晉東南保護63km處單相接地故障時晉東南側(cè)暫態(tài)電流圖以及頻譜
圖(2個周波)，可以看出此時衰減時間常數(shù)便已經(jīng)達到了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?shù)母哳l
分量。
對于特高壓線路，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
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)有關，當故障角為90。時
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)運行方式有關。圖4為分析計算的不同系統(tǒng)運行方式下的1000kV
特高壓輸電線路故障高頻諧波(距離工頻最近的一個)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，電流電壓當中的
諧波含量對基波分量的影響越大，相同的條件下，故障電
壓當中的諧波要比故障電流更加嚴重。
92
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7袋圖}方式
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短路距離(km)
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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短路距離(km)
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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
障電壓當中含有較大的高頻諧波，這些因素均對相關繼電保護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原理。差動保護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線路兩邊電流之和不為零。實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有并聯(lián)電抗器，并且高抗的補償度很大(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償。分布電容對差動保護的主要影響是相關操秸磊最嵩：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)差動保護的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保護的靈敏度。
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凈c警㈤；
求出各個電容的電流后，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)計算的電容電量對于正常運行、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)分量都可以進行較
好的補償，從而提高了差動保護的靈敏度。
圖6線路11型等效電路
*B。套竺妻壓竺竺±烹j蘭設了并聯(lián)電抗器，因此需要補償?shù)碾娙蓦娏鳛槭?3)的電容電流減去并聯(lián)電
抗器的電流。關于時域電容電流補償方法對暫態(tài)電容電流的詳細解決方案詳見參考文最品_；jl：『。““叭屯
5．2距離保護一
茸。畝竺寰竺護蘭誓喜案釜路圭主要面臨兩個問題，首先是特高壓系統(tǒng)故障分量含有較為嚴重的非周期分量
和高零拿曼，容易造成距離保護的暫態(tài)超越，因此必須加強特高壓繼電保護的濾波措施。
～““““8
悱曰皇要霎苧：：竺亭譬堂堂可能較長，分布參數(shù)特性明顯，因此常規(guī)距離保護的理論前提受到了挑戰(zhàn)，也
就是不能再簡單的認為測量阻抗與故障距離成正比關系。
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92,
二十一世紀輸配電技術的創(chuàng)新與發(fā)展——第六屆輸配電技術國際會議論文集
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)距離保護的保護范圍在較長的特
高壓線路上可能有所縮小。而實際上，由于限制工頻過電壓的需要，特高壓線路兩端裝設有并聯(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，可以基本認為常規(guī)距離保護的理論前提
在特高壓線路上依然是成立的，也就是常規(guī)距離保護的范圍仍然得到了保證。關于這個問題的詳細分析詳
見參考文獻E83。
5．3特高壓線路保護需要注意的過電壓問題
過電壓是特高壓線路一個較為核心的問題，特高壓輸電系統(tǒng)的設計和運行均要符合相關的過電壓要
求。同時輸電線路保護直接控制特高壓斷路器的跳合閘操作，因此其動作機制也間接的對過電壓起到
影響。
從電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓的角度來看，繼電保護所要注意過電壓問題有兩個，首先是線路的自動重合閘
必須注意的合閘過電壓。與實際運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該首選單相重合閘。
輸電線路繼電保護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，因此線路保護的動作機制應在滿足繼電保護的要求下盡量對工頻過電壓
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使得的線路末端電壓升
高；不對稱故障時非故障相電壓升高；突然甩負荷引起的工頻過電壓。一般來說工頻過電壓與輸電線路的
長度和系統(tǒng)運行方式有關，線路越長、系統(tǒng)運行方式越小，可能出現(xiàn)的過電壓越嚴重。
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償度的并聯(lián)電抗器對分布電容進行補償，
采用并聯(lián)電抗器補償后，由于電容效應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
器中性點直接接地，使得不對稱故障時候系統(tǒng)零序等值阻抗和正序等值阻抗比變小，不對稱故障后非故障
相電壓升高得并不嚴重。因此在合理的一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)情況下，由于單個原因產(chǎn)生的過電壓并不嚴重。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，此時即使采用了較高補償
度的并聯(lián)電抗器也可能會出現(xiàn)較高的工頻過電壓。通過對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：重負荷時線路受電側(cè)近處發(fā)生不對稱故障受電側(cè)三相跳閘而送電側(cè)保護拒動，那
么非故障相上就相當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三跳，則直接發(fā)聯(lián)跳信
號給對端，避免對端可能會帶長特高壓線路運行產(chǎn)生的工頻過電壓。繼電保護采用聯(lián)動跳閘的方法，對一
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)的安全運行。
6 總結(jié)
本文對交流1000kV特高壓輸電線路的特點、運行特性和故障暫態(tài)電氣進行了分析；對特高壓輸電線
路的繼電保護所面臨的新問題進行了分析研究，并提出了相應的解決方案，為1000kV特高壓輸電線路裝
置的研制開發(fā)提供了依據(jù)。
參考文獻
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Es]柴濟民，鄭玉平，吳通華．交流1000kV特高壓距離保護特殊問題．電力系統(tǒng)自動化，2007．31(12)：55—61．
作者簡介
柴濟民，男，1983年生，碩士，從事電力系統(tǒng)繼電保護的研究開發(fā)工作。
鄭玉平，男，1964年生，博士，教授級高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護的研究開發(fā)工作。
張哲，男，1973年生，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護的研究開發(fā)工作。
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