浅谈变电站225kV线路保护原理及整定计算

浅谈变电站225kV线路保护原理及整定计算

时昌付

南京弘王电力技术咨询有限公司 江苏省南京市 210000

摘要：本文就常见的225kV线路的纵联差动保护、过流保护的原理进行简要的介绍和描述。并对加蓬共和国金克莱下游水电站225kV升压站项目225kV线路间隔主保护P543的功能进行说明及整定计算。详细阐述了施耐德P543保护装置的调试设置，并对P543的定值清单进行了列项。

关键词：P543；线路纵联差动保护；过流保护；原理；整定值

一、引言

随着国家一带一路和经济的发展，越来越多的中国总承包公司走出国门为海外国家发挥中国着力量。根据目前所接触到的海外电力总承包商承建的海外变电站的实际工程情况，针对承建的变电站内的线路间隔的保护要求和特点进行了一定的分析，本文通过应用于加蓬共和国金克莱下游水电站225kV升压站项目的一套完整的225kV线路保护设计方案并结合常用的国外通用型元件的保护的功能特点，对其线路光纤差动保护和过流保护的基本原理和基本设置进行了探讨。通过对装置的分析和探讨并成功应用于本项目完成成功送电，希望能为海外变电站的项目线路保护的设计提供一定的参考。

二、P543保护装置介绍

2.1 225kV线路保护原理对比分析

225kV线路保护主要包括线路纵联保护、线路距离保护、过流保护等，其中线路纵联保护和距离保护经常作为225kV的主保护，过流保护作为后备保护。

距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离（或阻抗）。并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。该装置的主要元件为距离（阻抗）继电器，它可根据其端子上所加的电压和电流测知保护安装处至短路点间的阻抗值，此阻抗称为继电器的测量阻抗。当短路点距保护安装处近时，其测量阻抗小，动作时间短；当短路点距保护安装处远时，其测量阻抗增大，动作时间增长，这样就保证了保护有选择性地切除故障线路[1]。

距离保护的缺点：

（1）不能实现全线速动，装置本身元件多可靠性较低、接线复杂维护较难。受电网接线方式及系统运行方式的影响，整定值、保护范围、灵敏系数等不好选择。

（2）串补电容可使高频距离保护误动或拒动。

（3）电压二次回路断线时将误动。应采取断线闭锁措施，使保护退出运行。

线路纵联保护主要是指通过某种通信通道将输电线路两端的保护装置纵向连接起来，将各端的电气量(电流、功率方向等)传送到对端，然后对两端的电气量进行比较，以判断故障在本线路范围内还是线路范围外，从而决定是否切除被保护线路，实现全线路故障的瞬时切除[2]。载波纵联保护和输电线路纵联差动保护或导线线保护是我们常见的纵联保护主要分类 (本文选取为光纤通道:OPGW 线路光纤纵联差动保护)。

图2-1 典型的线路差动保护微机型差动保护接线示意图及正常运行状态

线路光纤纵联差动保护的优点：

(1)灵敏度很高。

(2)保护范围稳定。

(3)可以实现全线速动。

本文通过阐述225kV线路光纤差动保护原理及实践应用来弥补以往的线路距离保护功能上的缺陷，并以施耐德P543的线路差动保护应用来展示差动保护的实际应用和设置等。

2.2 P543保护装置

图2-2[5]  P54X面板

主要特点：

电流差动保护

多端线路应用—每个保护装置可设置为2和3端方案

适合于许多不同的变电站和被保护单元结构

容易与端对端通信通道接口

距离保护

系统振荡报警和闭锁

图2-3  P54X功能概括

2.3 P543保护装置原理

2.3.1 差动保护

P54x能够提供分相电流差动保护。测量算法十分可靠，能快速检测到区内故障，对区外故障保持稳定。差动算法区内故障会产生差动电流，制动电流仅仅流过保护区，如负荷电流或区外故障的穿越电流。起始斜率(k1)保证了低故障电流时的灵敏度，K2斜率增加是考虑CT饱和的影响在差动平面上绘出跳闸特性，有助于测试/调试，并能清晰的看出保护方案的精确的电流灵敏度。对高阻故障和弱馈故障的卓越表现是很清 楚的，不象其它平面的动作特性，它们的真实灵敏度可能被隐藏起来而不可见。

图2-4  P54X差动保护示意

三、主保护配置方案设计

线路差动保护主要用于对本线路段内的故障实施保护。考虑到运行的是可靠性和安全性，我们基于业主方的要求选择双品牌的保护。我们做如下配置：

表3-1 225kV线路保护设备选型表

3.1 225kV线路保护原理与整定计算

电流差动保护由施耐德公司生产的P543保护装置和南瑞继保公司生产的PCS931装置来实现，基于加强对海外品牌的了解，我们选择施耐德的P543做基础论述。P54x计算进入被保护区的电流和离开的电流之间的差值。当差值超过整定值时，保护动作。差动电流根据进入被保护区电流的向量和计算。电流制动量是指线路各端测量电流的平均值。它等于线路各端电流的标量和除以2。每个这些计算都是分相进行的。每个保护元件的制动量选择三个计算值中最高的一个，以获得最佳稳定性。

图3-1[5]   P543 差动保护曲线特性

该特性由四个保护参数决定：

Is1:继电器最小的基本启动差动电流设置；

k1:当差动电流小于Is2时，使用较小的百分比数值设置。这为小电流互感器的失配提供了稳定性，同时确保了在过负载条件下的对电阻故障具有良好的灵敏度；

Is2:偏置电流的阈值，当大于这个数值时，使用使用较大的斜率数值设置；

k2:较大的百分比数值设置用于提高继电器在大穿越故障电流条件下的稳定性；

跳闸的要求可描述为：

1.   当│Ibais│＜Is2,

│Idiff│＞k1·│Ibais│+Is1

2.   当│Ibais│＞Is2,

│Idiff│＞k2·│Ibais│-（k2-k1）·Is2+Is1

当差动元件发出跳闸时，除了使本地断路器跳闸外，继电器还将向远端发送差动联跳信号。这将确保保护线路的所有远端跳闸，即使是边缘故障条件[3]。

图3-2[5]   P543 差动保护动作逻辑图

3.2 定时限/反时限过流保护原理

在继电保护装置中通常有四个互相独立保护段的相过流保护元件，在正常使用时，常规的设置为使用一段、二段、三段，通常使用其中的两段即可满足设计使用要求。在继电保护装置中所有保护段都可设置为定时限延时保护特性，其中第一、二段还可整定为反时限延时特性，共有13条反时限曲线（IDMT)，其中有9条IEC和IEEE特性曲线，一条RI曲线可供整定。第三段过留保护除可提供定时限特性功能外，还可以选择采用真有效值量判别，其真有效值能计及高达十次以上的谐波。

相过流保护动作基于基波电流。九条IEC和IEEE曲线公式及系数如下所示。

IEC曲线：

IEEE曲线：

其中：t-动作时间，K-常数，I-测量电流值，Is-电流门槛整定值，a-常数, L-ANSI/IEEE常数(若采用IEC曲线为零),T-IEC曲线时间倍数整定值,TD—IEEE 曲线的时间刻度整定值。

表3-2各种反时限曲线公式及系数

RI 曲线的公式如下：

其中：K—RI曲线系数，在0.1〜10之间，步长为0.05; Is—电流门槛整定值。 IDMT段有一个可整定的复位计时器，用来和电磁式继电器进行分级配合，以减少自动重合闸的死区和间歇故障的清除时间[4]。

方向釆用90°接线方式，RCA为转矩角（最大灵敏度角）。

四、变电站线路间隔P543整定计算

    根据加蓬共和国金克莱下游水电站225kV升压站项目225kV线路间隔的实际情况，并根据电力公司的要求，225kV线路保护采用施耐德Micom系列线路保护装置P543和南瑞继保PCS-931。225kV线路保护配置图如下图所示：

图4-1 225kV NTOUM II 线路间隔保护配置图

4.1 间隔设备的详细参数

a) 线路参数

Line name               ：    225kV NTOUM II LINE           

Rated power             ：    225kV

Line length             ：    9km

         Nominal Frequency       ：    50HZ

b)保护装置参数

Relay type       :   MiCOM P543

Rated current   :   1 A

c) 互感器参数

     CT ratio        :   1600/1 A

4.2参考电流

由于业主未能提供本线路的正常运行时的额定负载，因此假设本线路的额定负载电流为I=855A。

4.3 差动保护设置计算

4.4.1 线路差动保护

线路差动特性主要由四个保护定值确定，均可由用户自行进行整定设置。这种整定上的灵活性使保护装置特性能满足特别的灵敏度和CT要求。为了简化继电保护工程师的工作，我们强烈建议下列三个整定值固定不变：

Is2 = 2.0 pu

k1 = 30% 在CT不太匹配的情况下保证可靠性，同时对重负荷条件下的高阻。

故障保证灵敏度

k2 = 150%，在大穿越故障电流条件下保证可靠。

Is1是启动的差动电流整定最小值，它决定保护装置动作的最小启动水平。这个整定值应该躲过线路各端之间的任何不匹配，必要时还有考虑线路的充电电流。如果充电电流补偿功能退出，Is1整定值必须高于2.5倍的稳态充电电流。若充电电流很低或可以忽略不计，可采用出厂默认设值0.2In 。

4.4 225kV侧过流保护 (IDMT1)

阈值(I>)根据经验按照1.2倍额定电流整定，则：

过流系数：k = 1.2

ki = CT ratio = 1600/1A =1600

Setting：I> = = 0.64

I> =0.64A

I>采用IEC标准反时限，则：

Selection of time characteristic:IEC S Inverse (IEC Standard Inverse)

根据之前跟业主方的收资，225kV线路最大三相短路电流值为Ip-p=9850A。

For IEC S Inverse: -k = 0.14, L = 0, = 0.02

根据监理方的要求，在此短路电流值得的情况下，其动作时间不得超过1s。所以：

TMS = 0.33 milisec

因此，TMS = 0.33及9850A的一次电流，则跳闸时间为1s。

图2-1: IEC S Inverse Curve图

Selection of timer for reset/release facility
Select : treset = 0 sec.

五、225kV线路主保护P543调试和测试

5.1 投保护

（只投差动，其他保护全部退出）

步骤：

1.Setting     Config      DIFF   选择“ENABLE”

2.保护装置定值

Setting    current diff  

Phase Diff  :  Enabled

Phase  Is1 :0.2A

Phase  Is2 :2A

Phase  k1 :30%

Phase  k2:150%

Phase Time delay : 0

PIT Time  :200ms

Ph CT corr’tion  :1

5.2 P543主要功能测试

表5-1 测试数据

结论：

本文依托加蓬共和国金克莱下游水电站225kV升压站项目225kV线路间隔保护实际的整定值计算及设置，辅以225KV线路保护原理及P543选型说明，阐述在国外变电站P543的应用。并考虑光纤差动保护与其他后备保护(如过流保护等)之间的配合。在本文的最后增加了保护装置P543的调试内容和整定值的主要清单。为更多的国内企业承包国外变电站的二次部分提供参考。

参考文献：

[1] 贺家李、宋从矩，电力系统继电保护原理(第三版)[M]，中国电力出版社，1994.

[2] 许建安、王风华，电力系统继电保护整定计算[M]，中国水利水电出版社，2007.

[3] 罗士萍，微机保护实现原理及装置[M]，中国电力出版社，2001.

[4] 罗承廉，继电保护及自动化新原理、新技术研究及应用[M]，华中科技大学出版              社，2005.

[5] Schneider  manual -P54x_EN_M_Uj5__K2__M_r3 and P540D-1318-0A2001.