从220KV线路故障跳闸事件透析高频保护的不足

摘 要：220KV高压线路发生单相接地故障时，故障量在保护定值的临界状态，由于线路两套保护装置采样差异的影响，导致高频保护未能正确动作。根据保护装置记录的动作信息，对高频保护动作行为进行了分析，并对高频保护通道结构和高频保护原理上的弱点以及基于光纤通道的纵联保的相对优点进行适宜的阐述。目前，光纤保护已成为高压线路保护的主流选择，我厂220KV线路的主保护正在逐步从原来基建投产的高频保护向光纤保护改造过渡。

1.事件介绍

A线路保护的配置

某220kV厂站线保护双重化配置，中调命名为主一和主二保护。主一保护由纵联距离保护、纵联零序保护、三段式相间距离保护、三段式接地距离保护、四段式零序方向电流保护组成。纵联保护通道为光纤通道，原理为允许式光纤纵联保护。主二保护由纵联距离保护、纵联零序保护、三段式相间距离保护、三段式接地距离保护、四段式零序方向电流保护组成。纵联保护通道为高频通道，原理为闭锁式高频保护。

B事件简介

2011年8月09日12时，某220kV厂站线发生C相经过渡电阻接地故障，变电站侧主一保护的接地距离I段动作、光纤纵联保护动作，主二保护的接地距离I段动作、高频保护未动作;电厂侧主一保护的光纤纵联保护动作，主二的高频保护未动作。通过对线路两侧动作信息的汇总以及从保护装置的内部录波信息分辨出线路两侧主一的光纤纵联保护动作行为正确，但是主二的高频保护在线路故障发生时，变电站侧保护正确停信(闭锁式)，电厂侧高频纵联保护没有停信从而导致两侧高频保护均未动作。以下主要对电厂侧主二的高频保护的行为过程进行分析。

2.保护动作行为分析

下图为电厂侧主二保护动作后，用保护的软件调出保护装置的内部录波，从录波图获得以下动作时间信息：82ms保护停信，但是仅停了6ms左右，于88ms再次发信，在125ms时保护再次停信，此次停信后主二保护装置并未跳闸。

图1 电厂侧主二保护装置录波图

现主要对如下几个疑问点进行逐一分析：

82ms保护停信，6ms后于88ms再次发信：电厂侧主二保护的高频零序电流定值为1.6A，在88ms时，由于保护计算的零序电流定值小于1.6A(从图2中可以看出)，所以88ms左右高频零序正方向元件返回，保护于88ms左右开始再次发信。

在122ms时保护再次停信：由于100ms左右，零序电流又大于1.6A，高频零序正方向元件经过20ms延时确认后动作，于122ms左右保护再次停信。

在129ms时保护停信且收不到闭锁信号，但高频保护未跳闸：正常情况下，高频保护停信且收不到闭锁信号后持续8ms，保护发跳闸令，所以理论上高频保护应该在137ms跳闸出口。但是主二的高频纵联保护在发跳闸令时，需要满足当前电流值大于一周波前电流值的0.8倍，增加此判据的目的是为了防止纵联方向保护在开关分闸时(如开关偷跳)误动作。由于此时故障已经被主一保护切除，故障相C相电流呈衰减趋势，不满足跳闸出口条件，因此主二的高频保护未发跳闸令。

图2 电厂侧主二保护的零序电流(Im0)幅值

3.光纤纵联保护与高频保护优劣性分析

A高频保护通道结构上的弱点

高频通道由输电线路、阻波器、耦合电容器、结合滤波器、高频电费、收发信机等组成，其加工设备众多，结构复杂。高频信号主要以弱电耦合方式传输，易受电磁干扰、天气环境等影响，使高频通道故障时有发生。我厂曾出现几起高频通道的典型故障：

某220KV厂站甲线A相阻波器调谐元件故障，高频信号向电厂开关站传输，导致线路两侧收发信机收到高频信号过低，装置发3dB告警信号，通道故障期间高频保护退出运行。更换故障元件后，恢复设备正常状态。

某220KV厂站乙线高频通道对调时，发现A相收发信机由于线线滤拖件的问题引起阻抗不匹配，导致两侧线路衰耗相差6dB。按《WXH-11、WXB-11、SWXB-11型微机保护检验规程》规定：“如两侧的传输衰耗值相差大于3dB时，则需再次核对通道加工设备是否良好，阻抗是否匹配，只有证实每个加工设备的技术性能都符合规定要求，不存在其它疑问时，才允许两侧的传输衰耗有较大的差值”。按此规定，该A相高步保护不能投入运行。经更换收发信机的线滤插件后，测试两侧传输衰耗相差为1.5dB,通道符合投运要求.

某220KV厂站丙线两次区外故障(相邻线路发生单相接地故障)时高频保护没有收到闭锁信号而误动。事后分析结果是由于结合滤波器的问题引起高频信号的堵塞造成高频保护的误动。现场采用提高通道收信裕度，线路两侧用特制专用的窄频结合滤波器更换解决问题。

近年来，经现场继保人员对高频通道的精心维护，高频保护的可靠性有所提高，但是由于高频通道结构上的固有缺点，通道故障概率较高，国内电网由于高频通道的问题引起高频保护拒动或误动的现象时有发生。

B高频闭锁式保护原理上的弱点

光纤纵联保护先动作跳闸将故障切除，高频保护返回的事件在我厂是第一次，但根据搜索到信息表明在国内电网已多次发生，并不偶然，而是有一定的普遍性。这个现象给我们的启示是高频闭锁式保护比光纤允许式纵联保护或光纤差动保护动作速度慢。经过对高频保护原理的深入分析，发现高频保护与光纤保护相比有以下的固有延时，导致动作速度慢：

高频信号传输：高频通道上的加工设备复杂，加工环节较多，其中除了高频信号在通道上传导时间外，还有收发信机的信号处理、保护和收发信机接口的延时。而光差保护通道相对简单，尤其是在光纤直连方式下，两侧两套光纤保护无任何中间环节。

高频通道的抗干扰：高频信号易受电磁干扰、天气环境的影响。为了防止高频通道上产生干扰信号导致保护错判造成拒动或误动，许多线路保护的设备厂家都采用了延时的方法。如PSL 600G系列保护为防止通道上的干扰，保护中设置了信号确认的延时时间，分为两级延时，一是保护必须在收到闭锁信号5ms后才允许停信，二是保护停信后要连续`8ms收不到闭锁信号才动作出口。而光纤通道抗干扰性能本身较强，同时软件处理时也能够对传输的数字信号有校验防误功能，在抗干扰上无过多的延时。

保护原理上弱点：在线路末端故障时，近故障一侧故障量大，一旦超出定值，很快即能完成保护的起动、发信、停信过程，远故障一侧由于故障量相对较小，灵敏度不足，起动、发信、停信过程慢。而高频闭锁式纵联保护原理需双侧均停信后才可能动作出口。纵联延时在经过渡电阻故障或发展性故障情况下更为明显。

C光纤通道的优点分析

光纤纵联保护通道不受电网运行工况的影响，不论线路发生单相或两相接地故障，均不会像电力载波通道那样发生通道阻塞，也不存在电力载波的频率拥挤问题。光纤通道数据的传输速率一般采用复用2Mb/s实现数据交换，整个通道时延不大于5ms，可以实现线路两侧保护间的电流数据和开关量同步交换。而高频保护是通过线路两侧交换高频信号来确定故障范围，不能进行两侧的电气量数据交换，光纤通道传输的数据量也是载波通道无法比拟的。基于光纤通道的纵联保护比载波通道有更好的可靠性。因而，光纤通道与继电保护相结合的微机纵联保护得到广泛的运用。

4. 结束语

从上述得知，基于光纤通道的纵联保护比高频保护动作速度快和动作可靠。另外，光纤差动保护采用简单的电流差动原理，判据采用被保护线路各侧的电流，测量简单可靠，避免了高频保护由于后备保护的单端数据采样时需采集电压和电流矢量，动作边界难以准确测量的缺点。所以按原理上说220KV输电线路的纵联保护推荐采用光纤通道。目前，我厂220KV高压输电线路纵联保护正在逐步完成从原来基建投产的高频保护向光纤保护改造过渡。该文原载于中国社会科学院文献信息中心主办的《环球市场信息导报》杂志http://www.ems86.com总第445期2012年第08期(2月28 日出版)-----转载须注名来源

参考文献

[1] 国家电力调度中心.电力系统继电保护典型故障分析[M].北京:中国电力出版社,2001

[2] DL/T 5062-1996.微波电路传输继电保护信息设计技术规定,2007

[3] 金建源.输电线路高频保护[M].北京:水利电力出版社,1987