基于端电压特征的半波长线路综合保护方案

杨明玉，秦天洋，陈浩杰

(华北电力大学电力工程系，保定 071003)

半波长交流输电是指输电线路长度接近一个工频半波的输电方式，即工频50 Hz对应3 000 km输电距离[1]。超长的输电距离一方面使得半波长线路呈现出明显优于常规线路的运行特性，如线路中无需安装无功补偿设备、无需加设开关站、线路传输能力强、功率因数高、能够有效解决超/特高压、远距离输电问题等[2-4]；另一方面也使得线路的故障特征与常规线路相比具有很大区别，因此有必要针对半波长线路的继电保护问题展开深入研究。

文献[5-8]提出了同步差动阻抗保护、假同步差动阻抗保护、伴随阻抗保护等基于半波长线路阻抗特性的保护方案；同时，基于对半波长线路故障特征的研究，文献[9-12]提出了一系列新的故障选相、故障定位方法，如：基于两端行波的故障定位算法、基于双端阻抗的故障定位算法等。上述研究为完善半波长线路保护体系提供了新思路，但由于针对半波长线路保护新原理的研究尚不完备，上述方案仍然存在保护动作时间较长、线路小部分区域保护效果不理想、反向故障不能可靠识别等局限性。

作为超/特高压输电线路主保护原理的电流差动保护，技术发展相对成熟，理论研究充分，但应用于半波长线路时由于输电线路较长，需要采用分布参数模型进行分析，且电容电流对保护效果的影响不能忽略[13-14]。为此，文献[15-16]提出应用贝瑞隆电流差动保护原理保护半波长线路，贝瑞隆模型作为典型的分布参数模型能够消除电容电流的影响，不需单独进行电容电流补偿，因此在解决上述问题中具有显著优势。但常规的贝瑞隆电流差动保护方案直接选取线路两端为参考点，并未考虑半波长线路的参考点差流特性，存在无法区分线路区内中点故障和区外故障的问题。为解决上述问题，文献[17-18]从参考点差流与故障电流关系及线路特征入手，试图通过选取最佳的参考点位置，改善保护效果，但仍存在线路中点故障时短路电流本身很小的问题；文献[19]从增加辅助判据入手，通过增加电流辅助判据实现区分线路中点故障和区外故障，但并未考虑线路正常运行时负载变化对电流辅助判据的影响，也未考虑故障选相问题。

综上，贝瑞隆电流差动保护原理在应用于半波长线路时仍然存在一定的局限性，如何选取参考点、如何有效区分线路中点和区外故障以及如何实现故障选相等问题尚未得到很好的解决，具体的保护措施亟需完善。为此，对常规的贝瑞隆电流差动保护方案应用于半波长线路时存在的主要问题进行分析，综合半波长线路端电压故障特征，提出了端电压辅助判据与高、低灵敏度贝差判据相配合的半波长线路综合保护方案，以实现区分线路中间段与区外故障、可靠保护半波长线路全长及故障选相。

1 贝瑞隆电流差动保护及其存在问题

贝瑞隆电流差动保护因保护效果不受电容电流的影响，被广泛应用于超/特高压、远距离输电线路保护中。线路距离不长时，参考点差流大小近似等于短路电流，且与参考点位置选取无关[20]。而在应用于半波长线路保护时，因输电距离过长，参考点差流不再近似于短路电流，而是与故障点位置有关：故障点与参考点相差1 500 km时，故障相差流最小，非故障相差流最大，保护灵敏度最低；当故障点与参考点重合时，故障相差流最大，非故障相差流接近0[13]。

对选取线路两端、线路中点为参考点时，不同位置故障，参考点的差流进行分析。采用的半波长线路模型各项参数如表1、表2所示。选取线路m端、线路中点为参考点时，不同位置故障，参考点贝瑞隆差流如图1、图2所示。

表1 系统参数

由图1可知：选取线路始端为参考点时，线路始末两端区域故障，故障相差流很大，而中间段故障时差流很小，中点位置与参考点相距1 500 km，对应故障相差流最小；而区外故障时，实际差流并不为0，因此，仅仅通过差流，可能无法区分故障点位置，容易造成区外故障保护误动或区内中点附近故障保护拒动。同时，非故障相差流也并不为0，线路末端发生A相接地故障时的非故障相差流能够达到 3 000 A，明显高于区内中间段故障时的故障相差流；线路中间段发生接地故障时，也存在非故障相差流高于故障相差流情况。此时，贝差判据整定值设置过高则不能保护线路全长，设置过低则不能实现故障选相。图2中，参考点选取线路中点时，线路始末两端仍然会出现非故障相差流高于故障相差流情况，不能实现全线范围故障选相的问题仍然存在。

x为故障点距线路始端m侧的距离；Id为参考点差流

为解决上述问题，文献[17]提出了利用时差法进行故障测距，选取故障点为参考点，从而提高保护的灵敏性和安全性；文献[18]提出了通过3个固定参考点的贝瑞隆差流计算得到故障点的实际短路电流，从而消除了参考点位置选取对贝瑞隆差流计算值的影响。

为保证半波长线路区内故障时保护能够正确动作，并实现故障选相，区外故障时可靠不动作，文章试图从半波长线路故障特征入手，寻找线路中间段故障与区外故障存在显著差异的特征量，构成辅助判据，与上述贝瑞隆电流差动保护原理相结合，构成新的保护方案，实现可靠保护半波长线路，及故障选相。

2 半波长线路端电压故障特征分析

半波长线路正常运行时，沿线的电压分布受负载变化影响显著，沿线电压随负载变化情况如图3所示[21]。

Ux为沿线电压；S0为自然功率；UN为额定电压

计算可得采用的半波长线路模型对应S0为 4 100 kW,UN为577.35 kV。由图3可知：正常运行时，线路的端电压受负载变化影响最小，始终接近额定值，因此重点针对半波长线路的端电压故障特征展开分析。根据不同故障类型故障点的电压、电流特征，利用均匀传输线方程求解[14,22]，得半波长线路不同位置故障时线路m、n两端电压分别如图4、图5所示。

x为故障点距线路始端m侧的距离；Um为线路m端的端电压，单位为kV

Un为线路n端的端电压，单位为kV

由图4、图5分析可知：半波长线路不同位置故障时，非故障相的端电压幅值始终较为稳定，接近额定值。线路中间段故障时，故障相端电压幅值接近额定值，而区外以及线路区内靠近端部的小部分区域故障时，故障相端电压幅值显著低于线路中间段故障。同时，半波长线路大部分区域故障时，均能保证三相的端电压幅值不低于额定值的70%。

上述故障相端电压幅值在线路中间段故障与线路区外故障时的显著差异，刚好弥补贝瑞隆电流差动保护应用于半波长线路时选取线路两端为参考点，不能区分线路中间段故障与区外故障的缺陷，因此将端电压特征与贝瑞隆电流差动保护原理相结合，理论上可以实现半波长线路保护。

3 适用于半波长线路的综合保护方案

根据上述分析，提出了适用于半波长线路的综合保护方案：根据线路端电压特征构成辅助判据，选取线路m、n两端和线路中点为参考点，利用贝瑞隆电流差动保护原理构成高、低灵敏度不同的贝差判据，贝差判据与端电压辅助判据相结合，保证区内故障时保护快速动作并识别故障相，区外故障及正常运行时保护不动作。

具体保护判据(m侧)为

Idmφ>Idset1

(1)

Idmφ>Idset2

(2)

Idzφ>Idset3

(3)

Umφ

(4)

式中：Idmφ为线路m端差流；Idzφ为线路中点差流，Umφ为m侧端电压；φ表示A、B、C三相；判据1[式(1)]为低灵敏度贝差判据，Idset1为低灵敏度定值，取值应高于线路区内故障时可能出现的最高非故障相差流；判据2[式(2)]为高灵敏度贝差判据，Idset2为高灵敏度定值，取值高于线路区内中间段故障时的非故障相差流；判据3[式(3)]为中点贝差判据，Idset3为中点差流整定值，取值高于线路中间段故障时的非故障相差流；判据4[式(4)]为端电压辅助判据，整定值应高于发生区外故障时的故障相端电压并且低于区内中间段故障时的线路端电压；K为可靠系数。同理可得到n侧保护判据。

通过仿真与理论分析得到采用文中所示的半波长线路模型时，对应各判据整定值取值为：Idset1=4 000 A，Idset2=800 A，Idset3=300 A，K=0.6。

上述保护方案的故障判别流程图如图6所示。

图6 故障判别流程图

故障判别原则如下：只要某相满足低灵敏度贝差判据1，则识别为线路两端区域发生该相故障，保护动作；如果三相均不满足低灵敏度贝差判据，但某相满足端电压辅助判据4，则识别为区外故障，保护不动作；如果三相均不满足低灵敏度贝差判据、端电压辅助判据，但某相满足高灵敏度贝差判据2，则识别为区内该相故障，保护动作；如果三相均不满足判据高、低灵敏度贝差判据和端电压辅助判据，但某相满足中点贝差判据3，则识别为区内中间段的该相故障，保护动作；上述4个判据均不满足，则识别为正常运行状态。

利用MATLAB/Simulink软件搭建半波长线路模型，对线路不同位置故障时m、n两侧保护的动作情况进行分析，验证上述半波长线路保护方案的保护效果。仿真时长5 s，故障发生时间0.1 s，采样频率为24点/周，系统参数同第1节。

半波长线路m、n两侧区外以及区内自线路始端起每隔300 km发生不同类型故障时，得到m侧保护判据各相的动作情况及故障选相情况如表3～表6所示。

以表3中A相接地故障为例进行分析，低灵敏度贝差判据1能够保护线路两端各600 km区域。端电压辅助判据4能够保证区内300～2 700 km故障时，与高灵敏度贝差判据2和中点贝差判据3相互配合，正确识别故障相。判据2、判据4组合基本能够保护线路300～2 700 km区域，判据3、判据4组合基本能够保护线路900～2 100 km区域，保护范围互有重合，保证能够可靠保护半波长线路全长，并正确识别故障相。

表3～表6中，线路中间段故障时，端电压辅助判据4与高灵敏度贝差判据2、中点贝差判据3组合均可切除故障并实现故障判别，但实际仿真分析过程中，线路中间段1 200～1 800 km区域故障时，m侧故障相差流不大，可能仅故障发生后几毫秒内，故障相差流能够超过整定值，因此该区域内故障，高灵敏度贝差判据可能不能动作，此时中点贝差判据具有很高的灵敏度，通过中点贝差判据3和端电压辅助判据4相配合能够可靠识别故障相并切除故障。以线路1 300 km处发生BC相间短路为例，分析线路中间段故障时，m、n两侧保护动作情况，仿真得到m、n两侧贝瑞隆差流、中点贝瑞隆差流以及m、n两侧端电压如图7～图9所示其中，Idm为线路m端差流，Idn为线路n端差流，Idz为线路中点差流。

表3 A相接地故障

由图7～图9可知：线路1 300 km位置发生相间短路时，m、n两侧三相均不满足低灵敏度贝差判据1、端电压辅助判据4，B、C两相满足高灵敏度贝差判据2和中点贝差判据3。但m侧仅在故障发生后约7 ms内，B、C相差流略高于整定值，而此时中点贝瑞隆差流远高于整定值，中点贝差判据3能够保证在高灵敏度贝差判据2不能可靠动作时，准确识别故障。

表4 BC相接地故障

表5 BC相间短路故障

表6 三相短路故障

图7 线路两侧贝瑞隆差流

图8 线路中点贝瑞隆差流

图9 线路两侧端电压

同理对半波长线路不同位置发生不同类型故障时两侧保护动作情况进行分析，仿真结果表明：贝差判据1、2、3动作范围互有重叠，与端电压辅助判据4相配合，能够保证半波长线路区内故障时正确识别故障相，区外故障及正常运行时保护不动作。

半波长交流输电技术目前正处于理论研究阶段，中国尚未展开实际的工程应用，且由于线路较长尚不具备搭建物理模拟系统(如电力系统动态模拟实验室)的条件。因此通过通用型电力系统仿真与继电保护实验系统建立电力系统数字仿真模型进行闭环测试，进一步验证上述保护方案的可靠性。

通用型电力系统仿真与继电保护实验系统由计算机和继电保护实验装置两部分硬件构成。本实验主要采用计算机中的电力系统数字动态实时仿真软件DDRTS搭建半波长输电线路模型，进行各种故障下的动态实时仿真，产生数字信号，经过内置的D/A转换卡将数字信号转换为模拟信号直接输送到继电保护实验装置，在实验装置中进一步对输入信号进行采集、处理以及保护动作行为分析，最终输出经过I/O接口再次实时反馈回计算机，形成闭环测试。

闭环测试结果显示：线路正常运行和区外故障时两侧断路器均不动作；区内故障时，仅故障相断路器正确跳开。闭环测试实验结果初步验证了上述保护方案能够可靠保护半波长线路全长，保证区外故障及正常运行时保护不动作，区内故障时保护可靠动作并正确识别故障相。但由于故障数据来源仍为数据仿真，有待进一步完善。

4 结论

通过对半波长线路端电压故障特征以及贝瑞隆电流差动保护原理应用于半波长线路时存在的问题进行研究，得到如下结论。

(1)半波长线路不同位置故障时，非故障相的端电压幅值始终较为稳定，接近额定值；线路中间段故障时，故障相端电压幅值接近额定值，而区外故障时，故障相端电压幅值很小。线路中间段故障与线路区外故障时，故障相端电压幅值存在显著差异。

(2)根据故障相端电压的上述特征，提出了端电压辅助判据与高、低灵敏度不同的贝差判据相结合的半波长线路综合保护新方案。该方案有效解决了贝瑞隆电流差动保护选取线路两端为参考点时，不能可靠保护线路中间段的问题，同时能够实现故障选相，保证了区内故障时，保护能够快速动作并正确识别故障相，区外故障及正常运行时，保护不动作。