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特高壓交流輸電線路的保護與控制

文檔作者：喬大雁1 秦曉輝1 馮慶東2 文檔來源： 1. 華北電力大學 2. 中國電力科學研究院		點擊數：	更新時間： 2025年09月05日
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特高壓交流輸電線路的保護與控制
喬大雁1，秦曉輝1，馮慶東2
（1. 華北電力大學，北京市 100031；2. 中國電力科學研究院 ，北京市 100085）
摘 要： 文章對國外1000kV特高壓(UHV)輸電線路繼電保護與監控系統的配置（如1000kV線路保護、母線保護、變壓
護、交流過電壓保護、數據采集和控制單元、光學電壓互感器的信號處理單元等）及其系統特征進行了詳細分析。在此基礎
出我國1000kV特高壓輸電線路繼電保護與監控系統的研究、設計和開發思路。
關鍵詞： 電力系統；輸電線路；特高壓；繼電保護；監控系統
中圖分類號： TM721;TM773
目前，我國已形成由東北、西北、華北、華東、華中和南方電網互聯而發展起來的大區電網。隨著大型水
火電及核電基地的建設，必然會形成對遠距離、大容量超高壓及特高壓(UHV)輸電的需求。
在已投入運行的電網中，我國直流最高電壓等級為±500kV，交流最高電壓等級為750kV。隨著全國電網互
目前正在規劃、研究、探討直流±800kV、交流1000kV及以上電壓等級的特高壓電網的建設。本文對國外特高壓
電技術，特別是1000kV特高壓輸電線路保護與監控系統的配置、系統特征進行了研究，并在此基礎上提出了我
1000kV特高壓輸電線路保護與監控系統的研究、設計和開發思路。
1 系統配置
從國外情況看，日本東京電力公司、三菱、日立和東芝電氣聯合開發的1000kV保護與控制系統，目前正在
電力公司的SHIN－HARUNA變電站運行。其線路保護主要采用了改進的電容電流補償算法和新開發的具有高速接
關和電弧抑制技術的多相重合閘技術；母線保護主要采用了基于線性變換技術的電流互感器。
在1000kV電壓等級設備投入運行前，必須解決許多保護和控制方面的問題。這些問題包括：由于電容電流
大和導線直徑的增加，在發生故障時的暫態過程中出現的低次諧波、交流過電壓以及持續時間更長的非周期分
等。日本東京電力公司、三菱、日立和東芝電氣聯合研制開發的1000kV線路保護與控制系統已解決了上述問題
1000kV線路的保護與控制系統配置圖如圖1所示。它包括1000kV線路保護、母線保護、變壓器保護、交流過電壓
護、數據采集和控制單元、光學電壓互感器的信號處理單元等。
在母線保護系統里，主要是通過光纖LAN網把主單元和間隔層單元連接在一起。主單元執行保護功能，間隔
元監測電流互感器的輸出和開關狀態，并執行斷路器的跳閘功能。
在控制系統里，光纖LAN網把每個制造商的控制終端、操作支持單元以及自動錄波器連接起來。系統支持設
制、設備狀態監測、儀表和故障指示功能。
2 系統特征
2.1 線路保護
由于1000kV線路的電容電流比超高壓的電容電流大，為了躲過這個電流，差動電流的閾值就要增大，這使
的靈敏度會下降。為了解決此問題，就必須改善電容電流的補償算法。該線路保護還開發了更加復雜的重合閘
能。
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到目前為止，電容電流的補償算法中，將線路每端的電壓量都用來計算它們之間的充電電流。而且這些值
地用來進行補償。在這種算法里，在電壓互感器二次側開路的情況下，每相的最大誤差電流是充電電容電流的
倍，這樣要使電流差動保護的靈敏度必須降低，以防止1000kV保護發生誤動。可以采用本地電壓量來計算充電
流，再進行50%的補償，然后把電流數據傳到對端。這種方法可以成功地把誤差減小一半，因此滿足了故障檢測
度的要求。
由于系統充電容量增大，來自健全相的巨大的感應電壓將會使自動重合閘保護在自動重合閘過程中出現二
弧時間延遲的情況，從而阻止了在1s的時間間隔內實現重合閘。設計過程中通過在系統內加入高速接地開關解
此問題。故障相兩端的高速接地開關在斷路器跳閘后會迅速動作合上，熄滅二次電弧，然后接地開關打開，隨
路器重合。
2.2 母線保護
由于1000kV系統故障電流中長期存在的非周期分量會導致電磁式電流互感器飽和，并可能引發電流差動保
動，所以應采用一種抗飽和的線性變換電流互感器來解決此問題。因為線性電流互感器有著和空氣相同的磁導
并且激磁阻抗較低，所以應選用高二次阻抗。
圖1 1000kV線路的保護與控制系統配置
由于電流互感器二次側的輸出電流和一次側的輸入電流成正比，故不會產生飽和，且當二次側開路時也不
生高電壓。但是，電流互感器輸出電流中的諧波成分也會與一次側輸入電流成比例地增加。因為輸出取決于一
的差動電流，所以二次電壓與頻率成比例并且相位超前90°。
在開發過程中，可以對一易于產生諧波的電力系統故障電流的波形進行仿真，并且校驗繼電保護的正確性
用的方法是在一個傳輸線模型上設定一故障，可以發現保護能夠有效地抵抗低次諧波而正確動作。最后，使用
勵磁的線性變換電流互感器，并設置區內和區外故障，以確定保護動作的正確性。
2.3 變壓器保護
1000kV變壓器的繼電保護需要成功區分變壓器故障電流與勵磁涌流（后者含有大量的低次諧波分量），并
夠適應由于電壓等級和變壓器容量提高而帶來的故障電流減小情況。可通過在2個箱體之間安放電流比較繼電器
高壓側、中壓側和低壓側裝設電流差動繼電器來解決這一問題。1000kV變壓器的構造和保護用電流互感器的安
置如圖2所示。
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圖2 1000kV變壓器和保護用電流互感器配置圖
當串聯繞組、并聯繞組或低壓繞組發生相間故障時，在2個箱體之間會產生不平衡電流。因為正常負荷電流
磁涌流時，2個箱體之間的電流都是平衡的，所以通過比較并行繞組之間的電流就能確認故障。這種方法可以提
電保護的靈敏性。
當發生接地故障時，高壓側、中壓側和低壓側的電流之和不再為零，而會出現差動電流，這對于檢測接地
有很高的靈敏性。
低壓側三角形接線電路里的勵磁電流和端部短路往往是發生相間故障的標志。所以在低壓側三角形接線電
安裝了電流差動保護。開發方法是設計1000kV變壓器的模型，并且在一條線路模型上校驗其保護的行為。通過
仿真發現，當高壓側和中壓側出現空載合閘的勵磁涌流時，不會引起保護誤動作。而且當改變合閘時間，或為
不平衡涌流而把勵磁電流改變約30%時，均不會引起保護誤動作。
2.4 交流過電壓保護
在開發過程中，可以通過開發一種可以檢測避雷器放電電流的算法和高速聯跳功能以構成交流過電壓保護
檢測到避雷器的放電電流時，本端的斷路器跳開，狀態信息被傳到遠端，這樣當發生過電壓故障時，遠端的斷
也會執行高速跳閘功能。當避雷器的累計電流達到一特定的限值時，主保護便動作；當檢測到一很大的過電流
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則主保護產生瞬時動作。
避雷器的放電電流波形是三角形波的，并且保護的動作定值由平均電流來確定。且此平均電流與以2ms為基
角波相對應。
在切除負荷產生過電壓而引起閃絡和健全相電壓升高時，從產生過電壓到避雷器被擊穿所用的時間最短。
生接地故障后，90ms時避雷器將被擊穿，所以線路斷路器必須在80ms內跳開。
2.5 系統保護
系統保護的目的是保護電力系統免受各種故障的損害，并且以最小的開斷數量來保持系統的運行。其保護
在1000kV電力系統更嚴格的性能約束下完全滿足這些要求。
3 特高壓輸電系統繼電保護需要解決的問題
(1) 特高壓變電站設備的電磁兼容研究。開展繼電保護裝置抗擾度性能研究，研制具有很強的抗電磁騷擾
力、可靠穩定的繼電保護裝置軟硬件平臺。
(2) 1000kV電網動態模擬（簡稱動模）及試驗系統的建立。研究保護原理、保護設備、必要的試驗檢測手
工具；研究確定1000kV電網動模的模型和合理參數，為電磁暫態仿真、數字動模系統和傳統動模系統的改進和
提供條件。
(3) 1000kV特高壓輸電系統電氣特性仿真。進行特高壓輸電示范工程電磁暫態的數字仿真和1000kV長距離
線路的仿真。研究內容包括：系統操作過電壓及其特點，并聯電抗器和串聯補償電容的影響，變壓器的過壓過
磁，分布電容的影響，互感器暫態特性的影響，故障切除時間與系統穩定、過電壓的關系。
(4) 制定1000kV電力系統繼電保護技術規范。制定規范的目的主要是為1000kV保護裝置的研制、試驗、檢
供科學依據。
(5) 電子式互感器的研究和工程應用。開展電子式互感器的研究，有利于實現電氣設備緊湊化、模塊化和
化，發揮電子式互感器在絕緣性能和暫態響應等方面的優異性能，促進特高壓系統繼電保護技術的改進和發展
特高壓變電站繼電保護與監控系統可以收集較為齊全的數據和信息；利用計算機的高速計算能力和判斷功
可以方便地監視和控制變電站內各種設備的運行和操作情況。特高壓變電站繼電保護與監控系統應具有設備、
作、監視的微機化（包括信息數字化內容），結構分布分層化，通信網絡光纜化及運行智能化、自律化的特征
的出現為特高壓變電站實現智能化，擴大監控范圍，以及實現安全可靠、優質經濟運行提供了現代化手段和基
證。
特高壓輸變電繼電保護與監控系統將依賴于計算機技術和現代通信技術的發展，它應從全局出發，對變電
次系統進行優化設計，能夠滿足特高壓變電站所需的更高要求，應代表變電站技術發展的一種新潮流。
4 結束語
通過一段時間的運行考驗，日本1000kV特高壓輸電線路繼電保護與控制系統的運行穩定可靠。其系統配置
究、設計和開發方法值得我們參考和借鑒。
收稿日期： 2005－10－08
作者簡介：
喬大雁（1982－），女，碩士研究生，主要從事電力系統及自動化方面的研究工作；
秦曉輝（1979－），男，博士研究生，研究方向為電力系統微機保護及電力系統穩定性控制；
馮慶東（1964－），男，博士，高級工程師，IEEE會員，主要從事電力系統及自動化方面的研究工作。
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