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特高压输电线路保护研究

文档作者：柴济民郑玉平张哲李园园吴通华赵青春刘革明文档来源：南京南瑞继保电气有限公司		点击数：	更新时间： 2025年07月12日
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交流丑000肽V犄高压输咆线路继咆保护特殊问题研究
柴济民郑玉平张哲李园园吴通华赵青春刘革明
(南京南瑞继保电气有限公司，南京211100)
臣摘要卫交流1000kV特高压输电线路是我国未来统一电网的骨架，与常规电压等级线路以及超高压输电线路
相比，1000kV特高压输电线路电气量和运行特性都有其特殊性。1000kV输电线路分布电容大，单位电感电阻
比值较大，线路长度长，在发生故障或者系统操作等条件下特高压输电系统将呈现出相对更为明显的暂态过程；
lOOOkV线路输电距离较大，线路的分布参数运行特性明显，常规距离保护测量阻抗与故障距离成正比这个理论
前提有可能不再成立，距离保护的精度将会受到影响；lOOOkV特高压线路分布电容较大，无论在暂态过程还是
稳态运行时候都有可能有较大的电容电流，这对分相电流差动保护有可能有较大的影响。特高压线路这些新特
点对二次继电保护提出了新的要求。本文分析了1000kV特高压输电线路在故障暂态过程、空载合闸、高阻接地
等条件下相关电气量的特点，同时对已经得到成熟应用的相关输电线路继电保护原理所面临的特殊问题进行了
讨论，从而为交流1000kV输电线路继电保护装置的研制和开发提供了相关的依据。
K关键词习特高压线路继电保护故障分量过电压
1 引言
为了加强电网的传输能力，实现“西电东输、北电南送”和全国统一的网架结构，中国将在已有的以
500kV超高压输电线路为骨架的电网基础上建设750、1000kV交流特高压输电线路和±800kV特高压直
流输电线路[1]。中国国家电网公司已经启动了晋东南南阳荆门交流1000kV特高压试验示范工程，这是中
国即将出现的最高电压等级交流输电线路。
本文对晋东南南阳荆门1000kV输电线路的继电保护进行了研究，讨论了示范工程继电保护所面临的
特殊问题，为示范工程以及未来的1000kV特高压线路继电保护提供了研发的依据。
2 1000kV输电线路参数的特点
特高压输电线路单位电阻小，漏电导小、分布电容大[z’3]。为了提高特高压输电线路的传输能力，减
小其电压损耗和能量损耗，提高输电线的自然功率，特高压线路多采用分裂导线(750kV常用4～6根，
1000kV常用8～12根)，加之特高压输电线路输电距离长，从而导致分布电容较大。表1列出了不同电压
等级下每百公里的分布电容值。
表1 不同电压等级每百公里线路分布电容
电压等级(kV) 220 330 500 750 1000
正序电容(肚F) O．86 1．113 1．23 1．36 1．397
零序电容(“F) O．61 O．77 O．84 O．93 O．93
表2列出了220～1000kV各电压等级下单位线路电抗与电阻的比值。可知特高压输电线路的单位电
感与单位电阻的比值明显增大，这又是特高压输电线路的一大特点。同时，由于特高压输电线路相间距离
大，对地绝缘好，其漏电导在分析中可以忽略。
表2 各电压等级输电线路单位电阻电抗比
电压等级(kV) 220 330 500 750 1000
xfR 3～3．5 6．84 10～13 20 35
二十一世纪输配电技术的创新与发展——第六届输配电技术国际会议论文集
3特高压线路的运行特性
特高压输电线路一般较长，电压电流的传送呈现明显的波特性‘2’3]，各电气量如图1的系统图所示，
其稳态运行方程(暂不考虑并联电抗器)为
o O
U1一U2ch(71)+工2Z。sh(彬)
k f2c蝴，+知∥， q’
』。土上，；
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赢。l ’量：= J
玩}j规，
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式中U1、工。——线路首端(优端)电压、电流； 图1 1000kV输电线路图
U 2、J 2——扎处电压、电流； r输电线路的传输常数，)，一口+j口一√(R，+j∞L，)(G，+jcuC，)；
Zc一输电线路的波阻抗，Zc一√筹器；
尺，、L。、G，、C。——分别为输电线路单位长度的电阻、电感、电导、电容；
Z一、7"／点间的输电距离。由于并联电抗器可以补偿线路的对地电容，消除电容效应，在超、特高压输电线路上为了限制过电
压，一般都装设有一定容量的并联电抗器。按照容量定义的并联电抗器补偿度为[4]
卢=墓一熹㈤
其中Qc为空载长线的无功功率，QI，为电抗器容量；Xu为并联电抗器的大小，设全线的正序容抗
为Xc，。
4 1000kV输电线路电气量的特点
4．1分布电容电流
高压长线的分布电容导致对地电容的增加，这是一个基本的电气现象，在一般的高压线路上，这个问
题并不严重，但是随着电压等级的增高，单位长度的分布电容相应增大(见表1)，同时电容电流就明显
增大，表3列出了各电压等级下每百公里的分布电容电流(有效值)。
表3 各电压等级下的电容电流(每百公里)
电压等级(kV) 220 330 500 750 1000
电容电流(A) 34 66 111 186 253
根据晋东南南阳荆f-j 1000kV交流特高压电流示范工程的线路参数，当线路的并联电抗器不投人运行
的时候，波阻抗为242．5Q，每百公里的充电功率为533Mvar，自然功率为4546MW，传送自然功率时候
每相的负荷电流为2500A，而每百公里的电容电流为253A，300km线路为759A，达到额定负荷电流的
30％左右。
在特高压线路上，高补偿度的并联电抗器的接人大大削弱了线路分布电容的作用，使得稳态电容电流
下降了很多。以晋东南南阳线路为例，未补偿前的电容电流高达约920A，补偿后降到约80A左右。
4．2非周期分量
在故障和操作后，为了维持线路上的电感元件上的电气量不突变，产生了衰减的非周期分量。具体来
说，特高压线路上的非周期分量分为两类[5]：一是输电线路自身电感产生的非周期分量，为基本非周期分
量工。；一是并联电抗器产生的附加非周期分量j。。以三相故障为例，二者的流通图见图2。
二十一世纪输配电技术的创新与发展——第六届输配电技术国际会议论文集
图2非周期分量流通图
由于并联高抗的X。数值较大，所以附加非周期分量的衰减
时问常数相对来说比较大，但是从附加非周期分量的幅值上看，
由于Xp较大，其幅值相对来说是比较小的。对于基本非周期分
量，表2中列出的是只考虑线路本身电阻电抗的比值，当故障发
生在发电机出口的时候，其衰减时间将会变得更长。与常规电压
等级线路以及500、750kV线路相比，L／r值将会相对增大，所
以一般来说，1000kV系统中的暂态非周期分量的衰减时间比
较长。
图3为示范工程RTDS仿真中距离晋东南保护63km处单相接地故障时晋东南侧暂态电流图以及频谱
图(2个周波)，可以看出此时衰减时间常数便已经达到了110ms左右，并且大小还要大于基频分量。
●
一
一l
(b)
图3昔东甫暂态电流图
(a)暂态电流波形图；(b)暂态电流频谱图
4．3高频分量
在故障、空载合闸、区外故障切除和重合闸等暂态过程中分布电容引起的暂态电流中含有相当的高频
分量。
对于特高压线路，故障电流中除有一很大的衰减直流分量外，还存在非整次高频分量嘲，故障电压当
中也含有较大的高频分量。故障高频分量的初始值与短路角(以电压角为基准)有关，当故障角为90。时
候，高频分量的初始值最大。
高频谐波的频率与故障距离和系统运行方式有关。图4为分析计算的不同系统运行方式下的1000kV
特高压输电线路故障高频谐波(距离工频最近的一个)的频率随故障距离的变化图。
从图中可以看到，系统方式越小，故障距离越大，高
频谐波频率越接近于工频。
图5列出了不同的运行方式下，故障较为90。的三相故
障后电压谐波的初始值和电流初始值的大小变化图。
图5中Kuz。为电压谐波初始值和额定电压的比值；K皿
为电压谐波初始值和故障稳态基波电压大小的比值；K；。为
电流谐波初始值和稳态基波电流大小的比值。这三个参数
均是来衡量谐波的大小。
从图5中可以看到，故障距离越远，电流电压当中的
谐波含量对基波分量的影响越大，相同的条件下，故障电
压当中的谐波要比故障电流更加严重。
92
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7袋图}方式
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短路距离(km)
图4高频频率变化图
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小方式下高频分量变化图
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短路距离(km)
大方式下高频分量变化图
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⋯ 短路距离(km)
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瞳由辈喜苎警竺竺譬妻璺苎要态特征明显，故障电流当中含有较为丰富的非周期分量和高频谐波分量，故
障电压当中含有较大的高频谐波，这些因素均对相关继电保护的性能提出了较高的要求!⋯一一“一’”
^h岜竺相皇鎏耋銎堡篓是磬：．譬高压线路首选的主保护原理。差动保护主要面临的问题是较大的电容电流
竺鬈婴二妻正兰苎墨黧曼外警譬时线路两边电流之和不为零。实际上与超高压线路相比，由于最高三嘉三
苎篓望霎荨二竺妻苎凳竺孽登装设有并联电抗器，并且高抗的补偿度很大(80％&amp;amp;芏了，薪&amp;amp;磊塞高茗芸
曼鎏耋堂圭已譬篓慧凳亭誓兰行了较大的补偿。分布电容对差动保护的主要影响是相关操秸磊最嵩：言篡
塑妻享皇鎏=：。型竺兰竺望孝堂烹闸和区外故障的切除，在暂态过程当中分布电容产生了箍尖葫藩≤茗蕊‘
竺使詈星二篓变妻窆尝鎏望牢?竺方法，传统差动保护的f]槛值还是必须提得很高桌蒜≤蔷基苫；姜占描茹
响，但提高门槛值降低了差动保护的灵敏度。
⋯⋯⋯一”’
净c警㈤；
求出各个电容的电流后，即可求得线路各相的电容电。
流。由于不同频率的电容电压、电流都存在式(3)，按照
式(3)计算的电容电量对于正常运行、空载合闸和区外故
障切除等情况下的电容电流稳态和暂态分量都可以进行较
好的补偿，从而提高了差动保护的灵敏度。
图6线路11型等效电路
*B。套竺妻压竺竺±烹j兰设了并联电抗器，因此需要补偿的电容电流为式(3)的电容电流减去并联电
抗器的电流。关于时域电容电流补偿方法对暂态电容电流的详细解决方案详见参考文最品_；jl：『。““叭屯
5．2距离保护一
茸。亩竺寰竺护兰誓喜案釜路圭主要面临两个问题，首先是特高压系统故障分量含有较为严重的非周期分量
和高零拿曼，容易造成距离保护的暂态超越，因此必须加强特高压继电保护的滤波措施。
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悱曰皇要霎苎：：竺亭譬堂堂可能较长，分布参数特性明显，因此常规距离保护的理论前提受到了挑战，也
就是不能再简单的认为测量阻抗与故障距离成正比关系。
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92,
二十一世纪输配电技术的创新与发展——第六届输配电技术国际会议论文集
理论分析和仿真研究的结果均表明，由于分布参数特性的影响，常规距离保护的保护范围在较长的特
高压线路上可能有所缩小。而实际上，由于限制工频过电压的需要，特高压线路两端装设有并联电抗器，
研究表明：并联高抗的接入降低了分布电容带来的分布参数特性，可以基本认为常规距离保护的理论前提
在特高压线路上依然是成立的，也就是常规距离保护的范围仍然得到了保证。关于这个问题的详细分析详
见参考文献E83。
5．3特高压线路保护需要注意的过电压问题
过电压是特高压线路一个较为核心的问题，特高压输电系统的设计和运行均要符合相关的过电压要
求。同时输电线路保护直接控制特高压断路器的跳合闸操作，因此其动作机制也间接的对过电压起到
影响。
从电力系统内部过电压的角度来看，继电保护所要注意过电压问题有两个，首先是线路的自动重合闸
必须注意的合闸过电压。与实际运行的超高压线路的重合闸方式一样，由于单相故障采用三相重合闸容易
在非故障上产生较大的操作过电压，因此特高压线路更应该首选单相重合闸。
输电线路继电保护另外所要注意的是特高压系统的工频过电压。与超高压线路相比，特高压线路绝缘
水平要求允许的过电压裕度更小，因此线路保护的动作机制应在满足继电保护的要求下尽量对工频过电压
起到优化作用。输电线路的工频过电压产生的原因有三类：空载线路的电容效应使得的线路末端电压升
高；不对称故障时非故障相电压升高；突然甩负荷引起的工频过电压。一般来说工频过电压与输电线路的
长度和系统运行方式有关，线路越长、系统运行方式越小，可能出现的过电压越严重。
解决工频过电压的有效手段是在特高压线路两端采用较高补偿度的并联电抗器对分布电容进行补偿，
采用并联电抗器补偿后，由于电容效应带来的容升电压便得到了很好的抑制。另外，由于特高压系统变压
器中性点直接接地，使得不对称故障时候系统零序等值阻抗和正序等值阻抗比变小，不对称故障后非故障
相电压升高得并不严重。因此在合理的一次系统结构情况下，由于单个原因产生的过电压并不严重。但在
一些特殊情况下，在线路的某一相上可能三种产生工频过电压的原因都叠加上，此时即使采用了较高补偿
度的并联电抗器也可能会出现较高的工频过电压。通过对晋东南一南阳一荆门特高压线路的研究，产生较
大工频过电压的条件是：重负荷时线路受电侧近处发生不对称故障受电侧三相跳闸而送电侧保护拒动，那
么非故障相上就相当于三种工频过电压的条件叠加，尤其在送电侧较弱的情况下非故障相的工频过电压就
更加严重。
解决这种产生工频过电压的方法是采用联跳方案，也就是说如果某端线路保护三跳，则直接发联跳信
号给对端，避免对端可能会带长特高压线路运行产生的工频过电压。继电保护采用联动跳闸的方法，对一
次系统的工频过电压起到了后备优化降低的作用，有利于特高压系统的安全运行。
6 总结
本文对交流1000kV特高压输电线路的特点、运行特性和故障暂态电气进行了分析；对特高压输电线
路的继电保护所面临的新问题进行了分析研究，并提出了相应的解决方案，为1000kV特高压输电线路装
置的研制开发提供了依据。
参考文献
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动化，2002，26(23)：1-6．
1-33贺家李，李永丽，李斌，等．
(24)：1—6．
F43李斌，李永丽，贺家李，等．
73—76．
94
特高压输电线继电保护配置方案(二)保护配置方案．电力系统自动化，2002，26
750kV输电线路保护与单相重合闸动作的研究．电力系统自动化，2004，28(13)
二十一世纪输配电技术的创新与发展——第六届输配电技术国际会议论文集
E53朱声石．高压电网继电保护技术原理和技术第三版．北京：中国电力出版社．1995．
[63吴通华，郑玉平，朱晓彤．基于暂态电容电流补偿的线路差动保护．电力系统自动化，2005．29(12)：61—67．
E73南京南瑞继保电气公司．RCS931DSMM超高压线路成套保护技术与使用说明书．2007．
Es]柴济民，郑玉平，吴通华．交流1000kV特高压距离保护特殊问题．电力系统自动化，2007．31(12)：55—61．
作者简介
柴济民，男，1983年生，硕士，从事电力系统继电保护的研究开发工作。
郑玉平，男，1964年生，博士，教授级高级工程师，从事电力系统继电保护的研究开发工作。
张哲，男，1973年生，硕士，工程师，从事电力系统继电保护的研究开发工作。
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