Đường dây trên không Bảo vệ – Sự cố và Thiết bị Bảo vệ
Các Sự Cố Thường Gặp Trên Đường Dây Trung Thế
Các nguyên nhân phổ biến gây ra sự cố trên đường dây trung thế bao gồm:
Bài Viết Liên Quan: Bảo vệ và Sự Cố của Máy Biến Áp Điện
Thiết Bị Bảo Vệ Đường Dây Trung Thế
Bảo vệ dòng điện quá tải theo thời gian không hiệu quả cho đường dây truyền tải điện áp cao (HV). Điều này là do sự tồn tại của nhiều nguồn dòng điện sự cố kết nối, có thể bị hạn chế bởi các giới hạn dòng điện sự cố. Các yêu cầu chính cho các sơ đồ bảo vệ trong đường dây truyền tải HV là như sau:
Để đáp ứng các yêu cầu này, các thiết bị bảo vệ sau đây thường được sử dụng trong đường dây truyền tải HV:
Bảo vệ so sánh dòng điện thường được áp dụng cho đường dây ngắn, trong khi bảo vệ khoảng cách phù hợp hơn cho đường dây dài. Việc phân loại đường dây là ngắn hay dài dựa trên việc so sánh cảm kháng, điện trở và điện dung của đường dây. Một đường dây được coi là ngắn khi điện trở và điện dung của nó không đáng kể so với cảm kháng. Đánh giá này thường được thực hiện bằng cách sử dụng biểu đồ π của đường dây.
Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ cản của đường dây, phản ứng vật lý của nó đối với điều kiện ngắn mạch và dòng điện nạp. Những yếu tố này bao gồm mức điện áp, cấu trúc vật lý của đường dây truyền tải, loại và kích thước của dây dẫn, và khoảng cách giữa các dây dẫn. Ngoài ra, số lượng đầu cuối của đường dây cũng ảnh hưởng đến dòng điện tải và dòng điện sự cố, mà hệ thống bảo vệ phải tính đến. Các đường dây song song cũng ảnh hưởng đến việc chuyển tiếp, vì sự tương tác lẫn nhau có thể ảnh hưởng đến dòng điện đất đo bởi rơle bảo vệ. Sự hiện diện của máy biến áp nhánh hoặc thiết bị bù phản kháng, như các ngân hàng tụ điện串联电容或并联电抗器，进一步影响保护系统的选型和保护装置的设置。因此，需要对架空线路进行详细研究以确定最合适的保护继电器。通常，长度在80-100公里以内的线路可被视为短线路，尽管这可能因电压等级和网络特性而异。 大约90%的架空线路故障是瞬时性的。故障可以分类如下： - **相地**：一相与地接触的故障。 - **相间**：两相之间发生的故障。 - **相间接地**：相间和相地故障的组合。 - **三相**：同时涉及所有三相的故障。 对于此类故障，可能需要单极跳闸，允许断路器跳闸后立即恢复线路运行。因此，在与架空输电线路相关的断路器中（通常电压为220 kV或更高）通常使用单极跳闸和自动重合闸方案。当断路器中断故障电流时，闪络弧被熄灭，电离空气消散。自动重合闸通常在几个周期的延迟后成功。然而，在进行带电作业时，工作线路上的自动重合闸装置必须设置为非重合模式。用于这些应用的断路器需要专门设计以处理这些操作，并且在发出最终跳闸命令之前不受极不一致的影响。 **差动和相比较保护** 差动保护基于基尔霍夫电流定律。在输电线路的情况下，它通过比较线路一端进入的电流与另一端离开的电流来工作。传输线路两端的线路差动继电器通过光纤通信链路交换线路电流数据。此链路通常使用光缆地线（OPGW）电缆建立，该电缆也用于架空线路的防雷设计，并在其结构内包含光纤电缆。图1展示了差动保护系统的示意图。 图1 – 架空线路差动保护示意图 另一种基于差动保护原理的高压（HV）输电线路保护继电系统，甚至适用于长距离线路，即相比较保护。 该系统通过比较受保护线路两端电流之间的相角来工作。在外部故障情况下，进入线路的电流与离开线路的电流具有相同的相对相角。因此，各终端的相比较继电器记录的相角差很小或没有。因此，保护系统保持稳定，不会发生跳闸。相反，在内部故障期间，电流从两端流入线路，导致相比较继电器可以检测到的相角差异。一旦识别出这种差异，继电器就会启动以隔离并清除故障。 在相比较方案中，启动继电器起着至关重要的作用。这些继电器在检测到故障条件时立即启动相比较过程。它们的设计确保了对内部和外部故障的操作，提供了全面的监控。 为了有效运行相比较保护，可靠的通信通道是必不可少的。在现代应用中，集成在光缆地线（OPGW）电缆中的光纤已成为建立此通信链路的首选选择。 图2显示了Merz Price电压平衡系统的单线图，该系统用于三相线路的保护。 图2 – 相比较保护示意图 在相比较保护中，相同型号的电流互感器（CT）战略性地放置在传输线路两端的每一相中。每对CT，一个位于线路的一端，另一个位于另一端，与一个继电器串联连接。在正常、无故障条件下，这些CT产生的二次电压在大小上相等但方向相反，有效地相互抵消。 在系统正常运行期间，一端进入线路的电流精确匹配另一端离开线路的电流。因此，在两个线路终端的CT二次侧感应出相等且相反的电压。这种电压平衡确保没有电流流过继电器，保持保护系统的稳定性。 然而，当线路某点F处发生故障时，如图2所示，电流分布被打乱。具体来说，通过CT1的电流将显著大于通过CT2的电流。这种电流差异导致CT的二次电压变得不相等。因此，通过导引线和继电器建立了循环电流。响应于这种电流流动，线路两端的断路器被触发打开，迅速将故障线路与电力系统的其余部分隔离。 另请参阅：电力系统的主要和后备保护 **距离保护** 距离保护依赖于距离继电器，这些继电器通过分析施加给它们的电压和电流信号来测量输电线路的阻抗。当线路发生故障时，会发生两个显著变化：电流激增至更高的水平，而电压急剧下降。 由于输电线路的阻抗与其长度成正比，因此距离继电器被设计为测量阻抗直到预定的“到达点”。这些继电器，通常称为阻抗继电器，使用欧姆定律计算阻抗，公式为Z = U/I，其中Z表示阻抗，U是电压，I是电流。 距离继电器仅针对发生在继电器位置和选定到达点之间的故障进行操作。这一设计特点使它们能够有效区分不同线路段的故障。继电器计算的表观阻抗随后与预设的到达点阻抗进行比较。如果测得的阻抗低于到达点阻抗，则推断在继电器和到达点之间的线路上存在故障。当计算的阻抗落在继电器的设定范围内时，继电器激活，启动保护动作。 为了确保全面保护，距离保护系统安装在传输线路的两端，并在这两个端点之间建立通信链路，如图3所示。这种通信使两端继电器能够协调操作，增强整体保护方案的有效性。 图3 – 架空线路距离保护示意图 **距离继电器的性能和特性** 距离继电器的性能主要基于两个关键参数：到达精度和操作时间。 **到达精度** 到达精度涉及在实际条件下距离继电器的实际欧姆到达值与其预设欧姆值的比较。该指标受到故障条件下施加到继电器上的电压水平的显著影响。较低或失真的电压可能导致测量阻抗不准确，影响继电器正确识别其指定范围内的故障位置的能力。此外，特定继电器设计中使用的阻抗测量技术也起着重要作用。不同的算法和硬件配置可以产生不同程度的精度，从而影响继电器的整体到达精度。 **操作时间** 距离继电器的操作时间是一个取决于多个因素的变量。故障电流的大小直接影响；较高的故障电流有时会导致更快的操作，而较低的电流可能会导致更长的响应时间。故障相对于继电器设定的位置也很重要。靠近电源或在继电器附近一定范围内的故障可能会触发更快的响应，而远离的故障则可能响应较慢。此外，故障发生时电压波上的点也会引入操作时间的变化。 某些测量信号瞬态误差，与继电器设计中采用的具体测量技术相关，会进一步复杂化问题。例如，由电容式电压互感器（CVT）或饱和电流互感器（CT）产生的误差可能会显著延迟继电器的操作，特别是对于接近到达点的故障。这些瞬态误差可能会扭曲电压和电流信号，导致对阻抗的误解，从而延迟继电器的激活。 **距离继电器的特性** 距离继电器的特性，通常称为保护形状，在R/X或导纳图上以线路电阻（R）和阻抗（X）的函数形式图形表示。最常见的两种形状是圆形（mho特性）和四边形。这些特性形状分别如图10和图11所示。每种形状都有其自身的优势，并设计用于优化不同电气系统条件下的继电器性能，提供可靠的方法来区分正常运行条件和受保护线路段内的实际故障。 图4 – mho特性 图5 – 四边形特性 mho阻抗元件因其在导纳图上的特征外观而得名，表现为一条直线。然而，多边形阻抗特性，如四边形形状，已经获得了显著的普及。这些特性在覆盖相间和接地故障的故障阻抗方面提供了极大的灵活性。这种适应性使它们成为大多数现代距离继电器的首选。 距离继电器最多可以配置五个不同的区域，其中一些区域设置为测量反向阻抗。这些反向测量区域作为母线的后备保护。每个区域都与继电器的特定动作时间相关联，允许对受保护电气网络中不同位置发生的故障做出细致和协调的响应。 当距离继电器安装在传输线路的两端时，它们对故障的响应时间取决于故障点（F）距线路两端的距离。例如，考虑连接变电站A和B的架空线路。距离继电器位于距故障点F最近的变电站将首先检测到故障，相应的断路器将在另一端变电站的断路器之前跳闸。 为了防止短路故障继续从线路另一端接收电力，直到相关的距离保护激活，保护继电器之间的通信链路是必不可少的。通常，这种通信通过集成在光缆地线（OPGW）电缆中的光纤电缆建立。这种设置使两个断路器能够同时跳闸，确保快速有效地隔离故障部分。 要精确测量线路直至远程端断路器的阻抗是不切实际的。这是由于电流互感器（CT）、电压互感器（VT）、继电器本身以及线路阻抗计算中的固有误差和不准确性。为了考虑这些不确定性，继电器的到达点被设置为测量小于对应整条线路总阻抗的阻抗值。例如，将Zone 1设置为覆盖至多85%的线路阻抗是一种常见且安全的做法。剩余的15-20%作为安全裕度，有效防止Zone 1保护由于测量误差和不准确性而超出保护线路。如果没有这个裕度，可能会失去区分相邻线路段故障的能力，特别是在处理快速动作保护方案时。 仔细校准每个测量区域的到达设置和跳闸时间对于实现整个电力系统中距离继电器之间的适当协调至关重要。这种细致的调整确保按正确的顺序清除故障，最大限度地减少干扰并保持电网的稳定性。 相关阅读：谐波简介——谐波对电力系统的影响 **重合闸** 正如第4.2节所述，架空线路上的大多数故障都是不对称和瞬时性的。自动重合闸是电力系统中的一个关键功能，由自动重合闸继电器执行。该继电器由架空线路的保护装置触发，如图6所示。 图6 – 自动重合闸继电器 决定重新闭合电气线路的因素很多。规划和运营团队的输入和指导对于确定最适合公用事业公司及其地区要求的重合闸实践至关重要。传输级重合闸的关键考虑因素包括： **主要考虑因素** - **系统稳定性**：保持电网的稳定性至关重要。重合闸决策必须考虑该操作如何影响系统的整体动态行为，包括频率和电压稳定性。 - **系统安全性**：确保电气基础设施的安全是最重要的。重合闸不应使系统暴露于不必要的风险，这可能导致连锁故障或大范围停电。 - **服务连续性**：尽量减少对消费者供电的中断是主要目标。重合闸可以帮助迅速恢复服务，但必须与其他运营考虑因素相平衡。 **自动重合闸方案的关键参数** 自动重合闸方案最关键的参数是： - **死区时间**：由于故障导致断路器断开到开始重合闸尝试的时间间隔。 - **恢复时间**：系统恢复并准备好进行后续重合闸操作所需的时间，如果第一次尝试失败。 - **单次或多级跳闸**：确定系统是否会在故障后尝试一次重合闸操作或多次尝试。 这些参数受多种因素影响： - **保护类型**：不同的保护系统可能有特定的要求或限制，影响重合闸参数。 - **开关设备类型**：开关设备的特性和能力，如其操作速度和耐久性，在设置重合闸参数方面发挥作用。 - **可能的稳定性问题**：预计电力系统内的稳定性问题，如相角摆动，可以决定适当的重合闸策略。 - **对用户负载的影响**：重合闸对各种类型用户负载的影响，包括敏感设备，必须予以考虑，以避免损坏或中断。 **重合闸策略** 重合闸可以通过不同的方式实施： - **无监督高速重合闸**：无需广泛监测系统条件即可快速重合闸。 - **延时重合闸**：在尝试重合闸前加入延时，通常由电压或同步元件监督。 在这些策略之间进行选择需要仔细评估收益和潜在后果，权衡每种特定应用的相关风险。 非关键线路上的重合闸实践，如规划组所确定的，可以根据保护理念和部署的设备而有很大差异。此外，不同公用事业公司在重合闸实践上存在很大差异，受电压水平和线路类型（例如架空与地下）等因素的影响。 有些公司采取除通信丢失外所有故障都自动重合闸的政策。其他公司则在故障清除时间足够快时重合闸，无论故障配置如何。 **系统稳定性和重合闸** 系统稳定性是决定是否尝试高速自动重合闸的决定性因素。重合闸的可行性取决于传输系统的强度： - **弱系统**：在弱传输系统中，传输链路的丢失可能会迅速导致用于重合闸的断路器两侧出现大的相角差。这可能会阻止成功的重新连接，并可能导致系统不稳定。 - **强系统**：在相对较强的系统中，相角变化率较慢。这允许成功应用延迟自动重合闸。然而，仍然存在重合闸太慢或重新通电故障线路可能导致系统变得不稳定的担忧。 在重合闸到故障线路上不会对系统稳定性构成威胁的情况下，多次重合闸尝试可能是可行的。在这种情况下，线路恢复的主要目标是保持客户的电力供应连续性。 **地理差异** 在欧洲，自动重合闸方案通常仅用于高压（HV）网络。相比之下，在美国和巴西等国家，这些方案也用于中压（MV）网络。 **故障统计** 电力系统中最常见的故障类型是架空输电线路的绝缘子闪络，通常由雷击引起。每年的故障频率与线路长度有关，随着线路长度增加而增加，并且大致与电压水平成反比。指示性故障率如下： - **≥500 kV架空线路**：每年每100公里9次故障。 - **150-400 kV架空线路**：每年每100公里5次故障。 - **60-138 kV架空线路**：每年每100公里7次故障。 - 对于电压高达49.5 kV的架空线路，故障率按比例更高。 表1列出了自动重合闸清除故障的成功率统计： 表1 – 故障清除成功率统计 
