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摘要：目前无论是输电线路保护还是电力主设备保护都形成了一系列成套实用的微机保护装置。在220–500kV 变电所内，己形成了基于不同原理的双套微机主保护系列，笔者从220kV继电保护设计任务、主保护、后备保护和运行中发现问题等四个方面，对 220kv 电网继电保护配置情况进行分析。
关键词： 220kV 电网：继电保护：保护装置：装置原理
中图分类号：TM65 文献标识码：A
1 继电保护设计的任务
1.1 系统运行方式的选择及潮流估算
在选择保护方式及进行整定计算时，必须考虑系统运行方式带来的影响。由于220kV高压电网中有双回线及环网，所以在选择最大、最小运行方式不仅需要考虑发电机出力大小，还要考虑环网是闭环还是开环、双回线是否停运一条等因素。另外，为了确定各线路的最大负荷电流，应计算系统在最大开机情况下的潮流分布。
1.2 短路电流及分支系数计算
短路电流计算目的是为了确定保护装置整定值和检验灵敏度。保护的运行方式以通过保护装置的短路电流的大小来区分。对应用与双侧电源网络中的保护，其整定应与下一级保护相配合，但需考虑保护安装地点与短路点之间有电源和线路（通常称为分支线路）的影响。分支系数是继电保护整定计算中的重要参数，是整定计算难点所在。
根据分支系数的定义，为下一线路Ⅰ段保护末端故障时流过故障线路的电流与保护安装处的电流之比。为了保证继电保护的选择性，防止保护的越级跳闸，只能选取最保守的分支系数。
1.3 电流互感器变比的选择
保护用电流互感器性能的基本要求是在规定条件下的误差应在规定限度内。应用中的问题是系统故障时通过短路电流引起铁心饱和，导致增加励磁电流而加大互感器传变误差。尤其是故障开始时短路电流中有直流分量或电流互感器铁心中有残余剩磁，将大大加重暂态电流互感器饱和。在工程设计中选用电流互感器，需恰当选取有关参数，以满足保护装置和故障记录需要。线路保护用TA变比选择：一次电流按最大负荷电流考虑，如电流保护时TA变比为：n= IL·max/I2N。I2N流互感器二次侧的额定电流，I2N一般取IA或者5A。
2 主保护
220kV 及以上超高压线路保护主要采用以高频方向和高频闭锁距离保护为主的微机型双线路保护，纵联通道采用电力线载波或微波通道。曾作为高压线路保护的主要模式被大量采用，为维护电力系统安全稳定运行发挥了巨大作用。光纤纵联保护采用光纤通信作为纵联保护的通道方式，取代传统高频载波通道，具有较高可靠性和安全性。
2.1 RCS–931B 保护装置
RCS–931B保护装置是由微机实现的数字式超高压线路快速保护装置，用作220kv 及以上电压等级输电线路的主保护及后备保护。
RCS–931B包括以纵联分相差动和零序差动为主体的快速主保护，由工频变化量距离元件构成快速I段保护，由三段式相间和接地距离及四个延时段零序方向过流构成全套后备保护。
RCS–931B分相电流差动保护具有灵敏度高、动作速度快、安全可靠，不受系统运行方式影响等特点，表现在：①变化量差动继电器，由于只反映故障分量，不反映负荷电流，因此灵敏度高，动作速度快；②零差保护引入了低制动系数、经电容电流补偿的稳态相差动选相元件，灵敏度高，在长线经高阻接地时也能选相跳闸；③所有差动继电器的制动系数均为0.75 ，并采用了浮动的制动门槛，抗 TA 饱和能力强；④装置采用了经差流开放的电压起动元件，负荷侧装置能正常起动；⑤差动保护能自动适应系统运行方式的改变；⑥装置能实测电容电流，根据差动电流验证线路容抗整定是否合理。
RCS–931B用光纤传输模拟信号和命令信号，可以使用专用通道或与通信复用通道，利用电力线作为传输媒介，具有高安全性和可靠性，是我国电力调度和继电保护最普遍使用的通道。适用于重要的同杆并架双回线，以保证跨线故障仅切除故障相。
2.2 CSC–101B保护装置
CSC–101A/B、 CSC–102A/B 数字式超高压线路保护装置，适用于 220kV以上电压的高压输电线路，主要功能包括纵联距离保护、纵联方向保护、三段式距离保护、四段式零序保护、综合重合闸等。
本文选用的是CSC–101B纵联距离保护装置为例，该型号保护由纵联距离构成主保护，由三段式距离保护和四段式零序保护构成后备保护。其配置有纵联方向距离元件、纵联零序方向元件及负序方向元件，纵联方向距离保护包括接地方向距离元件和相间方向距离元件，负序方向元件主要用于在振荡闭锁中与纵联方向距离元件配合，以快速切除各种多相故障和单相接地故障。纵联零序方向元件灵敏度较高，可作为高阻接地故障时对纵联方向距离保护在灵敏度上补充。
3 后备保护
对于 220kV及以上电压等级电力系统的线路继电保护，一般采用近后备保护方式，即当故障元件的一套继电保护装置拒动时，由相互独立的另一套继电保护装置动作切除故障；而当断路器拒动时，启动其失灵保护，断开与故障元件所接入母线相连的所有其他连接电源的断路器。有条件时可采用远后备保护方式，即故障元件对对应的继电保护装置或断路器拒绝动作时，由电源最邻近的故障元件的上一级断电保护装置动作切除故障。
3.1 距离保护
以阻抗测量元件构成的保护为距离保护，而主要反映大电流接地系统接地故障的保护为接地距离保护，相间距离、接地距离都是距离保护，即都要遵循 Z=U/I 的公式。相间距离和接地距离的 I、Ⅱ、 Ⅲ段的配合同普通的三段式距离保护基本一致，分别用于切除相间故障和单相接地故障。
3.2 大接地电流系统的零序保护
一般110kV 及以上电压等级的电网都采用中性点直接接地方式，称中性点直接接地电网，又称大接地电流系统。在这种电网中，线路接地故障占线路全部故障的 80～90％。当发生接地短路时，将出现很大的零序电流、零序电压，而正常运行情况下，它们是很小的。因此利用零序电流、零序电压来构成的接地短路保护，就有显著优点。
4RCS-931保护装置的几个问题
4.1TA断线产生差流
对于 RCS-931保护来说，在本侧保护差动元件动作，并且同时满足收到对侧差动动作允许信号及保护启动两条件时差动保护动作。本侧在 TA 断线瞬间启动元件和差动元件均可能动作。但对侧的启动元件不动，不会向本侧发差动动作允许信号，从而不会误动。如果 TA 断线时系统发生故障或扰动。本侧及对侧的保护启动元件动作，该相差流大于“TA 断线差流定值”，仍可能差动出口。因此，在运行维护过程中，若交流回路出现断线问题应及时解决，以免装置因外部负荷波动而发生误动。当发生误动后，进行事故调查时，可以通过查看录波报告，负荷波动大的一侧，即为引起的误动的一侧。
4.2 容性电流的影响
220kV线路较长，末端分布电容增大。电容电流的存在使线路两端测量值不再满足基尔霍夫电流定律，影响了保护灵敏度和可靠性。
4.3 通道异常数据不同步问题
光纤差动线路保护装置对两侧数据的实時性、同步性要求较高，若两侧采样不同步，会使不平衡电流加大，产生差流（一般复用通道可能产生此类问题，专用光纤通道不存在此类问题）。通道两侧采用一主一从方式，用于测量通道延时，主机侧为参照侧，从机侧为调整侧，若两侧不同步，参与计算的交流采样值不是同一时刻的，就会出现差流。解决该问题必须统一时钟，改变时钟方式。 RCS-931系列保护通过控制字“主机方式”和“专用光纤”进行整定，可防止因数据传输中产生周期性滑码，出现差流。
5 结束语
通过对己知的 220kV电网进行继电保护设计，根据继电保护的设计规范完成继电保护装置和自动装置的配置。在整定计算之前对系统结构作了分析并选择保护配置方案，制定了系统的运行方式，计算了系统最大负荷的潮流和短路电流，选择了电流互感器变比，最后对继电保护装置进行整定计算并讨论了光纤差动保护存在的问题。通过对以上基本原理的了解,有助于电力系统工作人员对 220kV 继电保护装置的运行维护和技术管理，确保实现电力系统的安全稳定运行。
关键词： 220kV 电网：继电保护：保护装置：装置原理
中图分类号：TM65 文献标识码：A
1 继电保护设计的任务
1.1 系统运行方式的选择及潮流估算
在选择保护方式及进行整定计算时，必须考虑系统运行方式带来的影响。由于220kV高压电网中有双回线及环网，所以在选择最大、最小运行方式不仅需要考虑发电机出力大小，还要考虑环网是闭环还是开环、双回线是否停运一条等因素。另外，为了确定各线路的最大负荷电流，应计算系统在最大开机情况下的潮流分布。
1.2 短路电流及分支系数计算
短路电流计算目的是为了确定保护装置整定值和检验灵敏度。保护的运行方式以通过保护装置的短路电流的大小来区分。对应用与双侧电源网络中的保护，其整定应与下一级保护相配合，但需考虑保护安装地点与短路点之间有电源和线路（通常称为分支线路）的影响。分支系数是继电保护整定计算中的重要参数，是整定计算难点所在。
根据分支系数的定义，为下一线路Ⅰ段保护末端故障时流过故障线路的电流与保护安装处的电流之比。为了保证继电保护的选择性，防止保护的越级跳闸，只能选取最保守的分支系数。
1.3 电流互感器变比的选择
保护用电流互感器性能的基本要求是在规定条件下的误差应在规定限度内。应用中的问题是系统故障时通过短路电流引起铁心饱和，导致增加励磁电流而加大互感器传变误差。尤其是故障开始时短路电流中有直流分量或电流互感器铁心中有残余剩磁，将大大加重暂态电流互感器饱和。在工程设计中选用电流互感器，需恰当选取有关参数，以满足保护装置和故障记录需要。线路保护用TA变比选择：一次电流按最大负荷电流考虑，如电流保护时TA变比为：n= IL·max/I2N。I2N流互感器二次侧的额定电流，I2N一般取IA或者5A。
2 主保护
220kV 及以上超高压线路保护主要采用以高频方向和高频闭锁距离保护为主的微机型双线路保护，纵联通道采用电力线载波或微波通道。曾作为高压线路保护的主要模式被大量采用，为维护电力系统安全稳定运行发挥了巨大作用。光纤纵联保护采用光纤通信作为纵联保护的通道方式，取代传统高频载波通道，具有较高可靠性和安全性。
2.1 RCS–931B 保护装置
RCS–931B保护装置是由微机实现的数字式超高压线路快速保护装置，用作220kv 及以上电压等级输电线路的主保护及后备保护。
RCS–931B包括以纵联分相差动和零序差动为主体的快速主保护，由工频变化量距离元件构成快速I段保护，由三段式相间和接地距离及四个延时段零序方向过流构成全套后备保护。
RCS–931B分相电流差动保护具有灵敏度高、动作速度快、安全可靠，不受系统运行方式影响等特点，表现在：①变化量差动继电器，由于只反映故障分量，不反映负荷电流，因此灵敏度高，动作速度快；②零差保护引入了低制动系数、经电容电流补偿的稳态相差动选相元件，灵敏度高，在长线经高阻接地时也能选相跳闸；③所有差动继电器的制动系数均为0.75 ，并采用了浮动的制动门槛，抗 TA 饱和能力强；④装置采用了经差流开放的电压起动元件，负荷侧装置能正常起动；⑤差动保护能自动适应系统运行方式的改变；⑥装置能实测电容电流，根据差动电流验证线路容抗整定是否合理。
RCS–931B用光纤传输模拟信号和命令信号，可以使用专用通道或与通信复用通道，利用电力线作为传输媒介，具有高安全性和可靠性，是我国电力调度和继电保护最普遍使用的通道。适用于重要的同杆并架双回线，以保证跨线故障仅切除故障相。
2.2 CSC–101B保护装置
CSC–101A/B、 CSC–102A/B 数字式超高压线路保护装置，适用于 220kV以上电压的高压输电线路，主要功能包括纵联距离保护、纵联方向保护、三段式距离保护、四段式零序保护、综合重合闸等。
本文选用的是CSC–101B纵联距离保护装置为例，该型号保护由纵联距离构成主保护，由三段式距离保护和四段式零序保护构成后备保护。其配置有纵联方向距离元件、纵联零序方向元件及负序方向元件，纵联方向距离保护包括接地方向距离元件和相间方向距离元件，负序方向元件主要用于在振荡闭锁中与纵联方向距离元件配合，以快速切除各种多相故障和单相接地故障。纵联零序方向元件灵敏度较高，可作为高阻接地故障时对纵联方向距离保护在灵敏度上补充。
3 后备保护
对于 220kV及以上电压等级电力系统的线路继电保护，一般采用近后备保护方式，即当故障元件的一套继电保护装置拒动时，由相互独立的另一套继电保护装置动作切除故障；而当断路器拒动时，启动其失灵保护，断开与故障元件所接入母线相连的所有其他连接电源的断路器。有条件时可采用远后备保护方式，即故障元件对对应的继电保护装置或断路器拒绝动作时，由电源最邻近的故障元件的上一级断电保护装置动作切除故障。
3.1 距离保护
以阻抗测量元件构成的保护为距离保护，而主要反映大电流接地系统接地故障的保护为接地距离保护，相间距离、接地距离都是距离保护，即都要遵循 Z=U/I 的公式。相间距离和接地距离的 I、Ⅱ、 Ⅲ段的配合同普通的三段式距离保护基本一致，分别用于切除相间故障和单相接地故障。
3.2 大接地电流系统的零序保护
一般110kV 及以上电压等级的电网都采用中性点直接接地方式，称中性点直接接地电网，又称大接地电流系统。在这种电网中，线路接地故障占线路全部故障的 80～90％。当发生接地短路时，将出现很大的零序电流、零序电压，而正常运行情况下，它们是很小的。因此利用零序电流、零序电压来构成的接地短路保护，就有显著优点。
4RCS-931保护装置的几个问题
4.1TA断线产生差流
对于 RCS-931保护来说，在本侧保护差动元件动作，并且同时满足收到对侧差动动作允许信号及保护启动两条件时差动保护动作。本侧在 TA 断线瞬间启动元件和差动元件均可能动作。但对侧的启动元件不动，不会向本侧发差动动作允许信号，从而不会误动。如果 TA 断线时系统发生故障或扰动。本侧及对侧的保护启动元件动作，该相差流大于“TA 断线差流定值”，仍可能差动出口。因此，在运行维护过程中，若交流回路出现断线问题应及时解决，以免装置因外部负荷波动而发生误动。当发生误动后，进行事故调查时，可以通过查看录波报告，负荷波动大的一侧，即为引起的误动的一侧。
4.2 容性电流的影响
220kV线路较长，末端分布电容增大。电容电流的存在使线路两端测量值不再满足基尔霍夫电流定律，影响了保护灵敏度和可靠性。
4.3 通道异常数据不同步问题
光纤差动线路保护装置对两侧数据的实時性、同步性要求较高，若两侧采样不同步，会使不平衡电流加大，产生差流（一般复用通道可能产生此类问题，专用光纤通道不存在此类问题）。通道两侧采用一主一从方式，用于测量通道延时，主机侧为参照侧，从机侧为调整侧，若两侧不同步，参与计算的交流采样值不是同一时刻的，就会出现差流。解决该问题必须统一时钟，改变时钟方式。 RCS-931系列保护通过控制字“主机方式”和“专用光纤”进行整定，可防止因数据传输中产生周期性滑码，出现差流。
5 结束语
通过对己知的 220kV电网进行继电保护设计，根据继电保护的设计规范完成继电保护装置和自动装置的配置。在整定计算之前对系统结构作了分析并选择保护配置方案，制定了系统的运行方式，计算了系统最大负荷的潮流和短路电流，选择了电流互感器变比，最后对继电保护装置进行整定计算并讨论了光纤差动保护存在的问题。通过对以上基本原理的了解,有助于电力系统工作人员对 220kV 继电保护装置的运行维护和技术管理，确保实现电力系统的安全稳定运行。