摘要： 文章对国外1000kV特高压(UHV)输电线路继电保护与监控系统的配置（如1000kV线路保护、母线保护、变压器保护、交流过电压保护、数据采集和控制单元、光学电压互感器的信号处理单元等）及其系统特征进行了详细分析。在此基础上提出我国1000kV特高压输电线路继电保护与监控系统的研究、设计和开发思路。
关键词： 电力系统；输电线路；特高压；继电保护；监控系统
目前，我国已形成由东北、西北、华北、华东、华中和南方电网互联而发展起来的大区电网。随着大型水电、火电及核电基地的建设，必然会形成对远距离、大容量超高压及特高压(UHV)输电的需求。
在已投入运行的电网中，我国直流最高电压等级为±500kV，交流最高电压等级为750kV。随着全国电网互联，目前正在规划、研究、探讨直流±800kV、交流1000kV及以上电压等级的特高压电网的建设。本文对国外特高压输变电技术，特别是1000kV特高压输电线路保护与监控系统的配置、系统特征进行了研究，并在此基础上提出了我国1000kV特高压输电线路保护与监控系统的研究、设计和开发思路。
1 系统配置
从国外情况看，日本东京电力公司、三菱、日立和东芝电气联合开发的1000kV保护与控制系统，目前正在东京电力公司的SHIN－HARUNA变电站运行。其线路保护主要采用了改进的电容电流补偿算法和新开发的具有高速接地开关和电弧抑制技术的多相重合闸技术；母线保护主要采用了基于线性变换技术的电流互感器。
在1000kV电压等级设备投入运行前，必须解决许多保护和控制方面的问题。这些问题包括：由于电容电流的增大和导线直径的增加，在发生故障时的暂态过程中出现的低次谐波、交流过电压以及持续时间更长的非周期分量等。日本东京电力公司、三菱、日立和东芝电气联合研制开发的1000kV线路保护与控制系统已解决了上述问题。1000kV线路的保护与控制系统配置图如图1所示。它包括1000kV线路保护、母线保护、变压器保护、交流过电压保护、数据采集和控制单元、光学电压互感器的信号处理单元等。
在母线保护系统里，主要是通过光纤LAN网把主单元和间隔层单元连接在一起。主单元执行保护功能，间隔层单元监测电流互感器的输出和开关状态，并执行断路器的跳闸功能。
在控制系统里，光纤LAN网把每个制造商的控制终端、操作支持单元以及自动录波器连接起来。系统支持设备控制、设备状态监测、仪表和故障指示功能。
2 系统特征
2.1 线路保护
由于1000kV线路的电容电流比超高压的电容电流大，为了躲过这个电流，差动电流的阈值就要增大，这使保护的灵敏度会下降。为了解决此问题，就必须改善电容电流的补偿算法。该线路保护还开发了更加复杂的重合闸功能。
到目前为止，电容电流的补偿算法中，将线路每端的电压量都用来计算它们之间的充电电流。而且这些值100%地用来进行补偿。在这种算法里，在电压互感器二次侧开路的情况下，每相的最大误差电流是充电电容电流的1.5倍，这样要使电流差动保护的灵敏度必须降低，以防止1000kV保护发生误动。可以采用本地电压量来计算充电电流，再进行50%的补偿，然后把电流数据传到对端。这种方法可以成功地把误差减小一半，因此满足了故障检测灵敏度的要求。
由于系统充电容量增大，来自健全相的巨大的感应电压将会使自动重合闸保护在自动重合闸过程中出现二次灭弧时间延迟的情况，从而阻止了在1s的时间间隔内实现重合闸。设计过程中通过在系统内加入高速接地开关解决了此问题。故障相两端的高速接地开关在断路器跳闸后会迅速动作合上，熄灭二次电弧，然后接地开关打开，随后断路器重合。
2.2 母线保护
由于1000kV系统故障电流中长期存在的非周期分量会导致电磁式电流互感器饱和，并可能引发电流差动保护误动，所以应采用一种抗饱和的线性变换电流互感器来解决此问题。因为线性电流互感器有着和空气相同的磁导率，并且激磁阻抗较低，所以应选用高二次阻抗。
图1 1000kV线路的保护与控制系统配置
由于电流互感器二次侧的输出电流和一次侧的输入电流成正比，故不会产生饱和，且当二次侧开路时也不会产生高电压。但是，电流互感器输出电流中的谐波成分也会与一次侧输入电流成比例地增加。因为输出取决于一次侧的差动电流，所以二次电压与频率成比例并且相位超前90°。
在开发过程中，可以对一易于产生谐波的电力系统故障电流的波形进行仿真，并且校验继电保护的正确性。采用的方法是在一个传输线模型上设定一故障，可以发现保护能够有效地抵抗低次谐波而正确动作。最后，使用规范励磁的线性变换电流互感器，并设置区内和区外故障，以确定保护动作的正确性。
2.3 变压器保护
1000kV变压器的继电保护需要成功区分变压器故障电流与励磁涌流（后者含有大量的低次谐波分量），并且能够适应由于电压等级和变压器容量提高而带来的故障电流减小情况。可通过在2个箱体之间安放电流比较继电器，在高压侧、中压侧和低压侧装设电流差动继电器来解决这一问题。1000kV变压器的构造和保护用电流互感器的安排布置如图2所示。
图2 1000kV变压器和保护用电流互感器配置图
当串联绕组、并联绕组或低压绕组发生相间故障时，在2个箱体之间会产生不平衡电流。因为正常负荷电流和励磁涌流时，2个箱体之间的电流都是平衡的，所以通过比较并行绕组之间的电流就能确认故障。这种方法可以提高继电保护的灵敏性。
当发生接地故障时，高压侧、中压侧和低压侧的电流之和不再为零，而会出现差动电流，这对于检测接地故障有很高的灵敏性。
低压侧三角形接线电路里的励磁电流和端部短路往往是发生相间故障的标志。所以在低压侧三角形接线电路里安装了电流差动保护。开发方法是设计1000kV变压器的模型，并且在一条线路模型上校验其保护的行为。通过系统仿真发现，当高压侧和中压侧出现空载合闸的励磁涌流时，不会引起保护误动作。而且当改变合闸时间，或为产生不平衡涌流而把励磁电流改变约30%时，均不会引起保护误动作。
2.4 交流过电压保护
在开发过程中，可以通过开发一种可以检测避雷器放电电流的算法和高速联跳功能以构成交流过电压保护。当检测到避雷器的放电电流时，本端的断路器跳开，状态信息被传到远端，这样当发生过电压故障时，远端的断路器也会执行高速跳闸功能。当避雷器的累计电流达到一特定的限值时，主保护便动作；当检测到一很大的过电流时，则主保护产生瞬时动作。
避雷器的放电电流波形是三角形波的，并且保护的动作定值由平均电流来确定。且此平均电流与以2ms为基的三角波相对应。
在切除负荷产生过电压而引起闪络和健全相电压升高时，从产生过电压到避雷器被击穿所用的时间最短。当发生接地故障后，90ms时避雷器将被击穿，所以线路断路器必须在80ms内跳开。
2.5 系统保护
系统保护的目的是保护电力系统免受各种故障的损害，并且以最小的开断数量来保持系统的运行。其保护系统在1000kV电力系统更严格的性能约束下完全满足这些要求。
3 特高压输电系统继电保护需要解决的问题
(1) 特高压变电站设备的电磁兼容研究。开展继电保护装置抗扰度性能研究，研制具有很强的抗电磁骚扰能力、可靠稳定的继电保护装置软硬件平台。
(2) 1000kV电网动态模拟（简称动模）及试验系统的建立。研究保护原理、保护设备、必要的试验检测手段和工具；研究确定1000kV电网动模的模型和合理参数，为电磁暂态仿真、数字动模系统和传统动模系统的改进和建设提供条件。
(3) 1000kV特高压输电系统电气特性仿真。进行特高压输电示范工程电磁暂态的数字仿真和1000kV长距离输电线路的仿真。研究内容包括：系统操作过电压及其特点，并联电抗器和串联补偿电容的影响，变压器的过压过励磁，分布电容的影响，互感器暂态特性的影响，故障切除时间与系统稳定、过电压的关系。
(4) 制定1000kV电力系统继电保护技术规范。制定规范的目的主要是为1000kV保护装置的研制、试验、检测提供科学依据。
(5) 电子式互感器的研究和工程应用。开展电子式互感器的研究，有利于实现电气设备紧凑化、模块化和智能化，发挥电子式互感器在绝缘性能和暂态响应等方面的优异性能，促进特高压系统继电保护技术的改进和发展。
特高压变电站继电保护与监控系统可以收集较为齐全的数据和信息；利用计算机的高速计算能力和判断功能，可以方便地监视和控制变电站内各种设备的运行和操作情况。特高压变电站继电保护与监控系统应具有设备、操作、监视的微机化（包括信息数字化内容），结构分布分层化，通信网络光缆化及运行智能化、自律化的特征。它的出现为特高压变电站实现智能化，扩大监控范围，以及实现安全可靠、优质经济运行提供了现代化手段和基础保证。
特高压输变电继电保护与监控系统将依赖于计算机技术和现代通信技术的发展，它应从全局出发，对变电站二次系统进行优化设计，能够满足特高压变电站所需的更高要求，应代表变电站技术发展的一种新潮流。
4 结束语
通过一段时间的运行考验，日本1000kV特高压输电线路继电保护与控制系统的运行稳定可靠。其系统配置、研究、设计和开发方法值得我们参考和借鉴。
作者简介：乔大雁（1982－），女，硕士研究生，主要从事电力系统及自动化方面的研究工作；秦晓辉（1979－），男，博士研究生，研究方向为电力系统微机保护及电力系统稳定性控制；冯庆东（1964－），男，博士，高级工程师，IEEE会员，主要从事电力系统及自动化方面的研究工作。
本文关键字：暂无联系方式电工文摘，电工技术 - 电工文摘
