從220KV線路故障跳閘事件透析高頻保護的不足

摘 要：220KV高壓線路發生單相接地故障時，故障量在保護定值的臨界狀態，由于線路兩套保護裝置采樣差異的影響，導致高頻保護未能正確動作。根據保護裝置記錄的動作信息，對高頻保護動作行為進行了分析，并對高頻保護通道結構和高頻保護原理上的弱點以及基于光纖通道的縱聯保的相對優點進行適宜的闡述。目前，光纖保護已成為高壓線路保護的主流選擇，我廠220KV線路的主保護正在逐步從原來基建投產的高頻保護向光纖保護改造過渡。

1.事件介紹

A線路保護的配置

某220kV廠站線保護雙重化配置，中調命名為主一和主二保護。主一保護由縱聯距離保護、縱聯零序保護、三段式相間距離保護、三段式接地距離保護、四段式零序方向電流保護組成。縱聯保護通道為光纖通道，原理為允許式光纖縱聯保護。主二保護由縱聯距離保護、縱聯零序保護、三段式相間距離保護、三段式接地距離保護、四段式零序方向電流保護組成。縱聯保護通道為高頻通道，原理為閉鎖式高頻保護。

B事件簡介

2011年8月09日12時，某220kV廠站線發生C相經過渡電阻接地故障，變電站側主一保護的接地距離I段動作、光纖縱聯保護動作，主二保護的接地距離I段動作、高頻保護未動作;電廠側主一保護的光纖縱聯保護動作，主二的高頻保護未動作。通過對線路兩側動作信息的匯總以及從保護裝置的內部錄波信息分辨出線路兩側主一的光纖縱聯保護動作行為正確，但是主二的高頻保護在線路故障發生時，變電站側保護正確停信(閉鎖式)，電廠側高頻縱聯保護沒有停信從而導致兩側高頻保護均未動作。以下主要對電廠側主二的高頻保護的行為過程進行分析。

2.保護動作行為分析

下圖為電廠側主二保護動作后，用保護的軟件調出保護裝置的內部錄波，從錄波圖獲得以下動作時間信息：82ms保護停信，但是僅停了6ms左右，于88ms再次發信，在125ms時保護再次停信，此次停信后主二保護裝置并未跳閘。

圖1 電廠側主二保護裝置錄波圖

現主要對如下幾個疑問點進行逐一分析：

82ms保護停信，6ms后于88ms再次發信：電廠側主二保護的高頻零序電流定值為1.6A，在88ms時，由于保護計算的零序電流定值小于1.6A(從圖2中可以看出)，所以88ms左右高頻零序正方向元件返回，保護于88ms左右開始再次發信。

在122ms時保護再次停信：由于100ms左右，零序電流又大于1.6A，高頻零序正方向元件經過20ms延時確認后動作，于122ms左右保護再次停信。

在129ms時保護停信且收不到閉鎖信號，但高頻保護未跳閘：正常情況下，高頻保護停信且收不到閉鎖信號后持續8ms，保護發跳閘令，所以理論上高頻保護應該在137ms跳閘出口。但是主二的高頻縱聯保護在發跳閘令時，需要滿足當前電流值大于一周波前電流值的0.8倍，增加此判據的目的是為了防止縱聯方向保護在開關分閘時(如開關偷跳)誤動作。由于此時故障已經被主一保護切除，故障相C相電流呈衰減趨勢，不滿足跳閘出口條件，因此主二的高頻保護未發跳閘令。

圖2 電廠側主二保護的零序電流(Im0)幅值

3.光纖縱聯保護與高頻保護優劣性分析

A高頻保護通道結構上的弱點

高頻通道由輸電線路、阻波器、耦合電容器、結合濾波器、高頻電費、收發信機等組成，其加工設備眾多，結構復雜。高頻信號主要以弱電耦合方式傳輸，易受電磁干擾、天氣環境等影響，使高頻通道故障時有發生。我廠曾出現幾起高頻通道的典型故障：

某220KV廠站甲線A相阻波器調諧元件故障，高頻信號向電廠開關站傳輸，導致線路兩側收發信機收到高頻信號過低，裝置發3dB告警信號，通道故障期間高頻保護退出運行。更換故障元件后，恢復設備正常狀態。

某220KV廠站乙線高頻通道對調時，發現A相收發信機由于線線濾拖件的問題引起阻抗不匹配，導致兩側線路衰耗相差6dB。按《WXH-11、WXB-11、SWXB-11型微機保護檢驗規程》規定：“如兩側的傳輸衰耗值相差大于3dB時，則需再次核對通道加工設備是否良好，阻抗是否匹配，只有證實每個加工設備的技術性能都符合規定要求，不存在其它疑問時，才允許兩側的傳輸衰耗有較大的差值”。按此規定，該A相高步保護不能投入運行。經更換收發信機的線濾插件后，測試兩側傳輸衰耗相差為1.5dB,通道符合投運要求.

某220KV廠站丙線兩次區外故障(相鄰線路發生單相接地故障)時高頻保護沒有收到閉鎖信號而誤動。事后分析結果是由于結合濾波器的問題引起高頻信號的堵塞造成高頻保護的誤動。現場采用提高通道收信裕度，線路兩側用特制專用的窄頻結合濾波器更換解決問題。

近年來，經現場繼保人員對高頻通道的精心維護，高頻保護的可靠性有所提高，但是由于高頻通道結構上的固有缺點，通道故障概率較高，國內電網由于高頻通道的問題引起高頻保護拒動或誤動的現象時有發生。

B高頻閉鎖式保護原理上的弱點

光纖縱聯保護先動作跳閘將故障切除，高頻保護返回的事件在我廠是第一次，但根據搜索到信息表明在國內電網已多次發生，并不偶然，而是有一定的普遍性。這個現象給我們的啟示是高頻閉鎖式保護比光纖允許式縱聯保護或光纖差動保護動作速度慢。經過對高頻保護原理的深入分析，發現高頻保護與光纖保護相比有以下的固有延時，導致動作速度慢：

高頻信號傳輸：高頻通道上的加工設備復雜，加工環節較多，其中除了高頻信號在通道上傳導時間外，還有收發信機的信號處理、保護和收發信機接口的延時。而光差保護通道相對簡單，尤其是在光纖直連方式下，兩側兩套光纖保護無任何中間環節。

高頻通道的抗干擾：高頻信號易受電磁干擾、天氣環境的影響。為了防止高頻通道上產生干擾信號導致保護錯判造成拒動或誤動，許多線路保護的設備廠家都采用了延時的方法。如PSL 600G系列保護為防止通道上的干擾，保護中設置了信號確認的延時時間，分為兩級延時，一是保護必須在收到閉鎖信號5ms后才允許停信，二是保護停信后要連續`8ms收不到閉鎖信號才動作出口。而光纖通道抗干擾性能本身較強，同時軟件處理時也能夠對傳輸的數字信號有校驗防誤功能，在抗干擾上無過多的延時。

保護原理上弱點：在線路末端故障時，近故障一側故障量大，一旦超出定值，很快即能完成保護的起動、發信、停信過程，遠故障一側由于故障量相對較小，靈敏度不足，起動、發信、停信過程慢。而高頻閉鎖式縱聯保護原理需雙側均停信后才可能動作出口。縱聯延時在經過渡電阻故障或發展性故障情況下更為明顯。

C光纖通道的優點分析

光纖縱聯保護通道不受電網運行工況的影響，不論線路發生單相或兩相接地故障，均不會像電力載波通道那樣發生通道阻塞，也不存在電力載波的頻率擁擠問題。光纖通道數據的傳輸速率一般采用復用2Mb/s實現數據交換，整個通道時延不大于5ms，可以實現線路兩側保護間的電流數據和開關量同步交換。而高頻保護是通過線路兩側交換高頻信號來確定故障范圍，不能進行兩側的電氣量數據交換，光纖通道傳輸的數據量也是載波通道無法比擬的。基于光纖通道的縱聯保護比載波通道有更好的可靠性。因而，光纖通道與繼電保護相結合的微機縱聯保護得到廣泛的運用。

4. 結束語

從上述得知，基于光纖通道的縱聯保護比高頻保護動作速度快和動作可靠。另外，光纖差動保護采用簡單的電流差動原理，判據采用被保護線路各側的電流，測量簡單可靠，避免了高頻保護由于后備保護的單端數據采樣時需采集電壓和電流矢量，動作邊界難以準確測量的缺點。所以按原理上說220KV輸電線路的縱聯保護推薦采用光纖通道。目前，我廠220KV高壓輸電線路縱聯保護正在逐步完成從原來基建投產的高頻保護向光纖保護改造過渡。該文原載于中國社會科學院文獻信息中心主辦的《環球市場信息導報》雜志http://www.ems86.com總第445期2012年第08期(2月28 日出版)-----轉載須注名來源

參考文獻

[1] 國家電力調度中心.電力系統繼電保護典型故障分析[M].北京:中國電力出版社,2001

[2] DL/T 5062-1996.微波電路傳輸繼電保護信息設計技術規定,2007

[3] 金建源.輸電線路高頻保護[M].北京:水利電力出版社,1987