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220kV终端线路保护的整定分析


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第32卷   第20期 2004年10月16日

继 电 器              Vol. 32   No. 20              Oct. 16 , 2004 RELAY

220 kV 终端线路保护的整定分析
王 莉 , 苏忠阳
( 广州供电分公司调度中心 , 广东 广州 510620)

摘要 : 综合考虑了电网结构 、 系统稳定 、 供电可靠等诸多因素 ,阐述合理选择 220 kV 主网终端线路重合闸方 式和终端变电站主变中性点接地方式的意义 ,提出终端并列双回线路的后备延时保护段注重考虑双回线内 部故障时的选择性的可实施性及必要性 ,并详述具体的整定方法 。 关键词 : 终端 ;   线路 ;   重合闸 ;   中性点 ;   整定计算 中图分类号 : TM773     文献标识码 : B     文章编号 : 100324897 (2004) 2020046204

0  引言
随着 500 kV 网架日益形成 ,220 kV 电网将逐步 解环 ,部分 220 kV 变电站已经伸入负荷中心以终端 站运行 。这些 220 kV 站通常由双回并列或单回终 端线路供电 ,这种供电方式下的线路保护的整定计 算有别于环网运行方式 ,主要有以下几点 : 线路重合 闸方式的选择 、 终端变电站接地方式的选择 、 终端双 回线后备保护整定原则的取舍 、 弱馈功能设置等 ,对 这些问题的深入探讨将有利于提高 220 kV 终端变 电站的安全运行水平 。

三重 ,倘若地区电源容量较小 ,那么合理的解列点选 择应该是地区电源的并网线路 , 可能导致一些用户 失去电源 。如图 1 ,220 kV 变电站 M 通过终端线路 MN 向变电站 N 供电 ,N 站 110 kV 侧有地区电源 。 线路 MN 故障 ,N 侧保护动作后不跳自身线路开关 而是切除 110 kV 母联或地区电源的 110 kV 并网线 路 。当然也可以加长系统侧线路保护重合闸时间 , 在地区电源机组解列后系统侧检无压重合 。

1  220 kV 终端线路重合闸方式的选择
根据 《220 kV ~ 500 kV 电网继电保护装置运行 ( 以下简称 ) ,重合闸方式的选择应 整定规程》 《规程》 综合考虑电网结构 、 系统稳定要求 、 电力设备承受能 力和继电保护的可靠性 。不带地区电源的主网终端 线路 ,一般选用三相重合闸方式 ; 带地区电源的主网 终端线路 ,一般选用解列三相重合闸或综合重合闸 方式 。由于系统稳定的要求 ,220 kV 线路 ( 包括终 端线路) 已经不允许线路发生多相故障时再重合 。 220 kV 主网中线路已经普遍采用特殊三重 ( 单相故 障三跳三重 ,多相故障三跳不重合) 或单相重合闸方 式 。这里只需讨论架空线路单相接地故障保护跳闸 并重合成功的问题 。 1. 1   不带地区电源的主网终端线路 不论单回还是双回线路 , 其特点是仅有一个电 源 ,不存在非同期合闸问题 ,线路两侧都采用三相重 合闸 、 非同期方式 。 1. 2   带地区电源的主网终端线路重合闸方式的选择 1. 2. 1   解列三相重合闸 带地区电源的单回主网终端线路可以采用解列
图1  带地区电源的 220 kV 终端变电站电网接线示意图
Fig. 1   Diagram of 220 kV terminal substation ′ s network with local power supply

1. 2. 2   单相重合闸 220 kV 终端线路一般线路短 , 运行电压低 , 潜

供电流的问题可以不考虑 , 适宜采用单相重合闸 。 从避免变压器非全相运行的观点可能会反对终端线 路采用单重 , 曾经有过单回线路供 220 kV 终端站 , 线路单相跳闸后的非全相过程中 , 中性点不直接接 地变压器零序保护动作出口跳闸 。但根据文献 [ 5 ] , 即使变压器中性点不接地 ,非全相期间中性点 U0 = E/ 2 , 也达不到间隙工频放电电压值 。若终端站有 一台变压器中性点直接接地 , 则不接地变压器中性 点电位在非全相期间显然不会超过 E/ 2 。若采用单 相重合闸 ,除 220 kV 线路外 ,110 kV 零序保护在非 全相期间不误动的问题也必须考虑 。若线路保护不 具备弱电源端选相功能 , 要考虑单相故障负荷侧因 选不出相三跳不重合 。当然不论采用何种重合闸方 式 ,为保证同杆双回线在发生跨线故障时的正确选
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相 ,线路需选用分相电流差动纵联保护或具有分相 命令的纵联保护 。 1. 2. 3   特殊三相重合闸 带地区电源的双回主网终端线路若选择特殊三 重 ,在单回线路向终端变电站供电时 ( 或同杆双回线 路同时故障) ,线路故障两侧跳开 , 电源侧检无压成 功后 ,负荷侧无法检同期重合 ( 此时地区电源可能已 经解列或与系统不同步 ) 。大多数情形线路两侧跳 闸后 ,地区系统多因功率缺额而导致低频 、 低压等解 列装置动作切机 。系统侧重合成功后 , 负荷侧可检 母线无压线路有压重合 ( 说明地区电源已经解列且 系统侧重合成功 ) , 目前保护装置还不具备此项功 能 。检母线无压线路有压重合方式可与检无压 、 同 期方式结合使用 ,带地区电源的单 、 双回主网终端线 路都适用 。线路故障两侧都投跳闸 , 系统侧检无压 重合后 ,弱电侧检同期或检母线无压线路有压重合 。 为确保弱电侧重合成功 , 地区电源侧需设置合理的 解列装置并在重合闸整组复归时间内使机组解列 , 此方式下重合闸的整组复归时间也要合理延长确保 重合成功 。 若检母线无压线路有压重合方式识别能作为特 殊三重方式的有益补充 ,带和不带地区电源的单 、 双 回终端线路 ,重合闸方式都可采用特殊三重 。采用 三重方式除了简化零序电流保护的整定计算 , 对于 双回线路还能充分发挥零序电流保护纵序动作的优 越性能 。 1. 2. 4   保护启动重合闸停用后保留不对应启动重 合闸的设想 220 kV 电网中电缆线路日趋增多 , 交联电缆的 绝缘击穿都是永久性故障因而保护跳闸后不再重 合 。电缆线路重合闸停用意味着保护启动和不对应 启动重合闸都退出 , 那么开关偷跳也不能重合 。电 网因不允许长期非全相运行已经投入了三相不一致 保护经短延时跳闸 , 保留不对应启动重合闸显然可 以提高终端线路的供电可靠性 。

变压器中性点绝缘水平要比相线端低 ,220 kV 变压 器中性点的绝缘大多是 110 kV 等级 ,因而中性点上 加装了避雷器和间隙来保护 。电网单相接地引起的 中性点电位升高的稳态值 U0 =
x 0 / x1

2 + x0 / x 1 x 点直接接地电网中 x 0 / x 1 一般不超过 3 , 因此 U0 的

U , 在中性

极限值将为 0 . 6 Ux = 76 kV 。 显然 ,若中 、 低压侧无地区电源的变电站 , 如果 不采用单相重合闸 ,其中性点可以不接地运行 ,以简 化零序电流保护的整定计算 。过去终端变电站也选 择一台变压器中性点直接接地是为了纵联保护的需 要 ,线路故障时 ,弱电侧零序电流方向元件能灵敏的 动作保证强电侧快速跳闸 。 2. 2   中、 低压侧有地区电源的变压器高压侧中性点 接地方式选择 若中 、 低压侧有地区电源的变电站 ,选择一台变 压器高 、 中压侧中性点直接接地运行 。

3  终端线路保护整定计算
3. 1   终端单回线路的整定计算

2  220 kV 终端变电站变压器高压侧中性点

接地方式选择
   变压器中性点接地方式选择的总原则是 , 首先 按变压器的绝缘要求确定是否需要接地 , 其次尽量 保持变电站零序阻抗基本不变 。 2. 1   中、 低压侧无地区电源的变压器高压侧中性点 接地方式选择 目前 220 kV 系统中变压器还是分级绝缘的 ,即

终端单回线路系统侧距离 、 零序保护定值整定 ) 计算没有特别的要求 , 不在此赘述 。若距离 Ⅱ( Ⅲ 段采用了躲变压器其它侧母线故障整定 , 尤其针对 短线路 ,为防止接地距离超越 ,可靠系数应经过验算 取安全的数值 ( 接地距离元件补偿系数和圆特性距 离保护的灵敏角仍按照线路参数整定) 。 不带地区电源的终端单回线路 , 在选择了终端 变电站变压器高压侧中性点不直接接地运行后 , 负 荷侧建议纵联保护投入但不出口跳闸 、 距离和零序 后备保护退出 。区内故障系统侧跳闸后故障点已经 消失 ,负荷侧纵联保护必须投入弱馈功能确保系统 侧能够跳闸 。若为线路 — 变压器组接线 , 也可不装 设纵联保护 ,定值整定考虑距离 、 零序 Ⅰ 段对全线故 障有足够灵敏度 。 3. 2   终端双回线路的整定计算 220 kV 线路保护配置双套保护 《规程》 , 也允许 双回线的后备延时保护段之间对双回线对内部故障 的整定配合无选择性 ( 选择性依赖纵联保护保证 ) 。 这里举例说明认为 220 kV 双回线后备保护与相邻 线路的配合比双回线内部故障时的配合还要重要的 原因 。发生如图 2 所示的 PM 甲线线路故障 , 若故 障线路纵联保护未能及时或不能切除故障的情况 下 ,最坏的后果就是 PM 甲 、 乙线同时跳闸 ; 否则 ,除 故障线路外 ,MN 甲 、 乙线也会越级跳闸 ,若变电站 P
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继电器
N 站甲 、 乙线距离 、 零序保护按通常的整定原则

和 M 之间是单回线则可能导致 M 站全站失压 。数 字通道等技术的运用 、 微机保护性能的日益完善使 得纵联保护性能不断提高 , 可以不考虑双回线对内 部故障的整定配合的选择性 , 但终端双回线路后备 延时保护段之间在保证区外故障不误动的情况下也 能实现对内部故障的选择性 ,只需整定计算时做一些 细节处理 ,下面分有无地区电源两种情况详述。

应该考虑和 M 站的其它出线保护配合 。实际的情 况是 ,很多时候地区电源机组容量有限 ,外部线路故 障流经 220 kV 终端线路和变压器等设备的短路电 流比较小 ,可以认为 MN 甲 、 乙线之外的故障并不需 要 N 侧线路保护急于跳闸 。

图4  带地区电源的双回终端线路 图2  环网中双回线其中一回故障示意图
Fig. 2   Diagram of sigle line′ s fault in parallel lines Fig. 4   Terminal parallel lines with local power supply

a. 距离保护

3. 2. 1   不带地区电源的终端双回线路整定计算

如前所述 ,中 、 低压侧无地区电源的变电站 , 选 择变压器 220 kV 侧中性点不直接接地运行 。变压 器 220 kV 侧中性点不直接接地运行有利于继电保 护整定计算的特点有以下几方面 ,如图 3 所示 。

图3  不带地区电源的双回终端线路
Fig. 3   Terminal parallel lines without local power supply

1) 甲乙线全停亦不会带来接地点变更引起的

零序电流分配关系变化 , 全网接地数目减少在一定 程度降低电网接地故障短路电流水平 。 2) 将 220 kV 零序网和 110 kV 零序网完全隔 离 ,电源侧线路零序保护不用考虑与终端站变压器 中压侧及其 110 kV 出线零序保护配合后 ,零序电流 ) 段电流定值可压低 , 动作时间 保护保全线的 Ⅱ( Ⅲ 可以缩短 。不仅提高了本线接地故障灵敏度 , 更有 利于 M 站的上级线路电源侧零序电流保护的整定 , 有利于优化环网中零序电流保护的配合 。 3) 电源站其它出线发生短路故障时 ,终端双回 线路无故障电流流过 , 终端双回线只考虑内部故障 时的定值配合 ,即使纵联保护拒动 ,也能保证内部故 障不失去选择性 。 3. 2. 2   带地区电源的终端双回线路整定计算 若中 、 低压侧有电源 , 变压器 220 kV 侧中性点 直接接地运行时 ,如图 4 所示 。甲 、 乙线采用的整定 计算原则如下 : 1) N 站甲 、 乙线保护整定

Ⅰ 段按躲线末整定 ,可靠系数应合理取小 ,防止 一回线故障系统侧重合不成功时 , 非故障线路弱电 侧距离 Ⅰ 段超越 。 Ⅱ 段按保证线末故障灵敏度为 1. 5 整定 , 时间 取 0. 6 s ,由于助增影响且终端线路往往长度较短 , 和 M 站其他出线距离 Ⅰ 段配合一般没有问题 。 Ⅲ 段按保证线末故障灵敏度为 3 整定 , 时间与 M 站距离 Ⅲ 段配合 , 同样由于助增影响且终端线路 往往长度较短 ,保护范围一般不会伸出 M 站其它出 线距离 Ⅱ 段。 b. 零序电流保护 Ⅱ 段定值综合考虑单回线运行时躲线末 、 相继 动作保全线 ( 若重合闸为三重方式 ) 和与系统侧 M 站Ⅱ 段定值配合 ,时间取 0. 3 s 。因为零序电流保护 范围有限且受系统方式影响较大 ,遵循加强主保护 、 合理简化后备保护的原则 ,保证 220 kV 线路双套纵 联保护投入 , 有的电网正逐步退出零序 Ⅰ、 Ⅱ段保 护 。这里为了双回线内部故障的选择性投入零序 Ⅱ 段保护但同时确保区外故障不误动 。 Ⅲ、 Ⅳ 段定值和时间都考虑和系统侧 M 站 Ⅲ、 Ⅳ 段配合 , 可能时间会和 M 站其它出线 Ⅲ、 Ⅳ 段不 配 。但区外经大电阻接地时 N 站保护未必能启动 。 2) M 站甲 、 乙线保护整定 a. 距离保护 Ⅱ 段保线末故障灵敏度 、 躲 N 站变压器中压侧 ) 段配合 。 母线故障并与 N 站甲 、 乙线距离 Ⅰ( Ⅱ Ⅲ 段躲最小负荷阻抗 ,时间要与 N 站变压器后 备保护 、 N 站甲 、 乙线以及上级电源线路 Ⅲ 段配合 。 b. 零序电流保护 Ⅱ 段躲 N 站变压器中压侧母线故障并与 N 站 甲、 乙线零序 Ⅱ 段配合 ,时间取 0. 6 s 。
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零序 Ⅲ、 Ⅳ 段时间要与 N 站变压器后备保护 、 N 站甲 、 乙线以及上级电源线路 Ⅲ、 Ⅳ 段配合 。

4 弱馈保护
终端线路负荷侧一般是弱电源甚至无电源 , 在 线路内部故障时该侧方向元件尤其是距离元件可能 因灵敏度不足而不能启动 。若是允许式保护 , 弱电 侧不发允许信号 , 强电侧纵联保护不能跳闸 ; 同理 , 若是闭锁式保护 ,弱电侧方向元件不能停信 ,强电侧 也不能跳闸 。为解决此问题而设的保护叫弱馈保 护 。纵联保护的弱馈逻辑基本分为保护起动弱馈逻 辑和正常运行弱馈逻辑 。 终端线路区内短路 ,如起动元件没有动作 ,保护 走正常运行程序 。其远方起信逻辑中 , 弱电源侧保 护收到对侧信号后 ,如果本侧电压低 ,则向对侧发纵 联允许信号 ( 允许式发信 、 闭锁式停信) ,可保证让系 统侧可靠跳闸 。 如区内短路弱电源侧保护起动 , 保护走故障处 理程序 。弱馈逻辑一般为弱馈情况专设了动作元 件 ,如反向距离元件 、 弱馈方向元件或低电压判别元 件 。区内故障时 , 弱馈元件动作一方面能给对侧发 允许信号 ,使对侧纵联保护可靠动作 ; 另一方面 , 弱 馈元件本身动作 , 结合对侧纵联允许信号以及弱馈 特有的选相元件 ( 一般为低电压选相 ) , 纵联保护出 口跳闸 。 分相电流纵差保护具有良好的选择性 ,能灵敏 、 快速地切除保护区内的故障 , 背后的电源方式对差 动元件本身基本没有影响 。一般差动保护还配置了 电压突变量起动元件 , 在电流突变量或零序电流不 能启动时 ,弱馈侧差动保护也可以动作并出口跳闸 。

应该综合电网实际状况来考虑可靠性 、 快速性 、 选择 性、 灵敏性等方面的要求 , 而不仅仅秉承 220 kV 主 干环网中使用的做法 ,具体问题具体分析 ,才能更有 利于电网安全稳定运行 。 参考文献 :
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整定规程 (Adjustmental Regulation of 220 kV~500 kV Net2 work′ s Protective Relaying Device in Operation) [ Z] . 1995.
[2 ]  崔家佩 , 孟庆炎 , 陈永芳 , 等 ( CUI Jia2pei , MENG Qing2 yan , CHEN Y ong2fang , et al) . 电力系统继电保护与安全

自动装置整定计算 (Adjustmental Computation of Protective Relaying and Safe Automation Device in Power System) [M] . 北京 : 水利电力出版社 ( Beijing : Hydraulic and Electric Power Press) ,1993.
[3 ]   王梅义 ( WANG Mei2yi ) . 电网继电保护应用 ( Application of Protective Relaying in Network) [M] . 北京 : 中国电力出

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[4 ]   朱声石 ( ZHU Sheng2shi ) . 高压电网继电保护原理与技

术 ( Theory and Techonology of Protective Relaying in High Voltage Network) [ M ] . 北京 : 中国电力出版社 ( Beijing :
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术 (Operation T echonology of Protective Relaying in High Volt2
age Network) [M]. 北京 :电力工业出版社 (Beijing :Power In2 dustry Press) ,1981.

收稿日期 :   2004206214 ;    修回日期 :   2004207226 作者简介 :   王  莉 (1969 - ) ,女 ,工程师 ,从事继电保护运行和整定 计算工作 ; E2mail : wangl @gzpsc. com 苏忠阳 (1969 - ) , 男 , 高工 , 从事继电保护管理 、 运行和 整定计算工作 。

5  结论
220 kV 终端站相关设备整定计算原则的确定

Setting analysis of 220 kV terminal line′ s relay protection
WANGLi , SU Zhong2yang ( Guangzhou Power Supply Branch & Dispatch Center , Guangzhou 510620 ,China) Abstract :   This paper expatiates the choice of terminal circuit reclosing and transformer’ s neutral2point earthing in 220 kV terminal substa2 tion , based on networks′ structure , power system stability and power supply reliability , etc. The feasibility and necessity of satisfying line sec 2 ondary delaying protection′ s selectivity when terminal parallel lines occurring interior fault ,are pointed out , and the relevant setting methods are put forward. Key words :   terminal ;   line ;   reclosure ;   neutral2point ;   setting calculation

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