浅谈数字式高压线路保护的设计

摘要：数字式高压线路保护作为电力系统中输电线路的保护设备，是保证电力输电线路安全的重要关口设备。该文主要论述了这种基于数字化理论的高压线路保护设备的原理和硬件方面的设计，图文并茂的介绍了它的保护逻辑及实现条件。

关键词：保护原理；硬件设计；数字式高压线路保护

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）35-8132-02

随着我国电力发展水平的提高和为人类不断进步的生产生活对电力的需求，也由于各地区用电能力不平衡，发电水平有差异，必然导致各地区对电的消费能力不一，为了使电力合理得到利用，也为了减少电力损耗，高压输电就成为了必然，而伴随而来的是如何保证输电线路的安全，减小事故和损失，高压线路保护正是应这种要求而产生的。

1 概述

本文所述的保护是基于数字化设计的线路保护设备，它适用于高压传输的线路，主要是大电流接地系统输电线路保护。它采用DSP数字信号处理技术，内部主控制器采用32位单片机，内存容量大，控制采样等核心程序均在片内执行，既突出了运算的高速性，又突出了它的高度集成性能，使得硬件结构简单，电路外扩设备少，控制可靠性得到大大提高。装置可以提供两路高速的电以太网接口、RS-485接口、串行打印接口，可根据用户需要制作。下面简要介绍该保护装置的硬件设计及它的一些主要功能。

2 硬件单元

本数字式高压线路保护装置在设计时充分考虑到硬件损坏对保护的影响，采用装置的硬件在线检测技术，实时检测硬件的运行状态，一旦出现硬件损坏，及时报警并可靠闭锁损坏回路，并且在硬件设计上采用冗余设计技术，保证了某一硬件损坏时保护可通过备用回路可靠动作，同时将故障信息传输至调度中心，使得设备检修及时、快速，杜绝了装置硬件损坏造成的不正确动作。由于各硬件单元采用了模块化、智能化设计，且片内内存容量大，可以实现大容量的故障录波，实时记录全故障过程，故障录波报告可以打印输出， 双CPU和双 A/D的硬件冗余设计和分工工作，既减少了主CPU的负担，又能实现高度自检，可实时有效接入跳、合闸开入、各保护压板、收信输入和告警等开关量输入信号，实现输出跳闸、启动失灵、启动重合闸、告警信号等。

3 保护原理设计

装置的保护软件采用模块化设计，主要完成分相差动保护、距离和零序保护，以及零序过流保护、其中距离保护采用三段，零序过流保护采用四段式保护，相继速动包括不对称故障和双回线故障的相继速动、PT断线后两段过流保护、三相一次重合闸等功能，此外还完成异常检测和一些判别，如CT断线检测、PT断线检测、控制回路断线告警等自检保护功能。

3.1光纤差动保护

光纤差动保护主要由两部分组成。第一部分是启动组件，启动组件启动时则开放差动保护跳闸出口继电器的电源，并且CPU进入启动差动保护故障处理程序开始循环检测，一旦检测到故障量符合条件，则进入相应的故障处理程序来做出正确的故障判断，保证装置正确出口。装置的光纤差动保护采用两种传输数率的数据接口：64kbps或2Mbps，具体应用时软件可由控制字来选择，硬件可由通信跳线来设定。CPU2是启动CPU插件，该插件自带1个2Mbps的数据接口，完成保护的启动闭锁功能以及接收相邻线装置的跳、合闸开关量，供重合闸判别用。

1）差流判据如下：

Id≥K1×Ib、Ih Iint

其中：Id =|?m +?n|为差动电流 Ib =|?m–?n|为制动电流

Ih = max（Izd，2.5Ic） Izd：差动定值；

Iint：交点电流。

2）零序电流差动保护

零序差动电流：Id0=|（?ma+?mb+?mc） + （?na+?nb+?nc）|

零序制动电流：Ib0=|（?ma+?mb+?mc） – （?na+?nb+?nc）|

动作方程：Id0> I0z Id0> K0×Ib0

Id0：它的整定考虑到了区外三相故障时所产生的最大不平衡零序电流，保证区外故障时可靠拒动，对内部高阻接地故障整定具有足够的灵敏度，保证故障时判别的灵敏性；零序电流差动保护元件动作时，可以实现闭锁或不闭锁重合闸，具体由控制字来整定。

3）电流差动保护的辅助功能

电流差动保护辅助功能的设计是考虑了两种情况下的故障动作特性：一是母线故障时来对给对侧保护发快速跳闸指令特性；另一个就是断路器与电流互感器之间故障时给对侧保护发快速跳闸指令。具体的实现是本侧保护装置设有一个跳闸开入输入端子。当以上故障发性时，给对侧保护发跳闸令，对侧收到母差保护动作信号后出口于永跳并且闭锁重合闸。控制动作逻辑如图1所示。只有两侧装置启动后收到对侧的母差动作信号本侧才动作于永跳。在两侧装置不启动条件下闭锁“远方跳闸”功能。

3.2 距离元件保护原理

2 距离保护动作特性

Xzd为阻抗定值折算到X的电抗分量；而Rzd的整定必须考虑到故障时的过负荷阻抗值，此整定时必须大于该负荷阻抗整定值。对于长、短线路的不同要求，特别是短线路允许过渡电阻的能力得到很大提高； 多边形上边7°下倾角的建模特性，保证了躲区外故障情况下的防超越能力。其中电抗序分量Xzd：包括相间距离Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段阻抗定值的折算电抗分量。阻抗动作特性也考虑到了重合或手合时PT在线路侧时也能可靠切除出口故障的特殊情况，在建模时叠加上一个包括坐标原点的小矩形特性，如图2右侧。在三相短路时，距离Ⅲ段故障也采用这种小矩形特性。其动作区的取值见下表。

3.3 零序保护

零序按全相和非全相运行方式而设计了不同的动作情况，全相运行时设置了四段零序方向保护和零序反时限保护，其中零序Ⅰ段是带方向的保护，其它段可由控制字按现场运行情况来设定为经或不经方向元件闭锁；非全相运行时设置了不灵敏Ⅰ段的瞬时保护。当零序突变量启动元件或其辅助启动元件动作后，则自动进入相应的故障处理程序，具体应用可由控制字、压板和定值来整定。当处于非全相运行工况时，零序Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段被闭锁，进入零序不灵敏Ⅰ段、短时限的零序Ⅳ段和零序反时限保护检测程序，动作后永跳或三跳出口。零序各段和零序辅助启动元件在检测达到预定时间时如果均不动作，则保护整组复归。

3.4振荡闭锁开放元件

因为系统在电流突变量启动的150ms内不会出现振荡情况，此时高压线路保护装置固定投入所有距离元件；为防止振荡过程中距离保护元件误动作，在电流突变量元件启动150ms后， 或经静稳失稳及零序辅助启动之后，开放距离元件。对于不对称故障和三相短路，振荡闭锁元件的开放条件是不同的。保护装置既能够利用零序和负序电流特征区分是发生了故障还是振荡，又能根据三相故障发生、发展过程中的一系列特征，来快速识别振荡闭锁中的三相对称故障。

以上是对该数字式高压线路保护的简单论述，随着其它功能的不继加强完善，必将得到广泛应用。

参考文献：

[1] 何仰赞，温增银.电力系统分析[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.

[2] 陈生贵.电力系统继电保护[M].重庆：重庆大学出版社，2003.