理想的超特高壓線路繼電保護(hù)方式：行波保護(hù)

煤從天上走，電從遠(yuǎn)方來!”

隨著我國“西電東送、南北互供”能源戰(zhàn)略的實(shí)施，隨著智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)以及“八交八直”特高壓輸電工程的投運(yùn)，我國已經(jīng)形成了全世界規(guī)模最大、電壓等級最高的交直流互聯(lián)大電網(wǎng)，為我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供了堅(jiān)強(qiáng)的電能保障。但是由于特高壓電網(wǎng)輸送容量大、距離長，對于繼電保護(hù)提出了更高的要求。

繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)的第一道安全防線，通過快速檢測并控制斷路器切除故障設(shè)備，以達(dá)到保護(hù)故障電氣設(shè)備不損壞、非故障部分電網(wǎng)繼續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的。其中，行波保護(hù)不受電力系統(tǒng)振蕩、過渡電阻、分布電容電流和電流互感器飽和等因素的影響，是理想的超特高壓線路繼電保護(hù)方式。

由清華大學(xué)電機(jī)系董新洲教授帶領(lǐng)的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)經(jīng)過10余年的基礎(chǔ)研究和技術(shù)攻關(guān)，揭示了行波與電力故障之間的依存機(jī)理，提出基于初始行波信息的電力線路繼電保護(hù)思想和方法，攻克了行波保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)，取得多項(xiàng)原創(chuàng)性發(fā)明并產(chǎn)業(yè)化。項(xiàng)目成果已廣泛應(yīng)用于10—1000kV不同電壓等級的電力線路，顯著提升了電力系統(tǒng)安全水平，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。在2016年北京市科學(xué)技術(shù)獎評選中，榮獲一等獎。

行波保護(hù)是護(hù)衛(wèi)“能源高速路”的理想選擇

美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)繼電保護(hù)委員會的調(diào)研表明：70%的大停電事故是由繼電保護(hù)誘發(fā)或加劇的，從反面彰顯了繼電保護(hù)技術(shù)的極端重要性。優(yōu)秀的繼電保護(hù)技術(shù)既可以保護(hù)發(fā)生了故障的輸電線路、發(fā)電機(jī)、變壓器等電氣設(shè)備不損壞，也可以顯著改善整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平。

隨著電力事業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國越來越多地采用超特高壓輸電技術(shù)作為遠(yuǎn)距離傳輸電能的方式。超特高壓線路電壓等級高、輸電距離長、輸送容量大、對電網(wǎng)穩(wěn)定影響大、故障波及范圍廣。因此，如何保證超特高壓輸電線路安全運(yùn)行成為整個保障電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行亟待解決的科學(xué)技術(shù)問題。

“電是以光速在電網(wǎng)中奔跑，北京用的電可能是來自內(nèi)蒙古發(fā)電廠的電，也可能是來自甘肅風(fēng)電基地的電，根本不知道源頭在哪?！倍轮拚f，由于電網(wǎng)構(gòu)成地域遼闊、輸電線路運(yùn)行環(huán)境惡劣，故障是不可避免的，線路一旦發(fā)生故障就必須立即切除。

“如果不及時切除，巨大的短路電流會燒毀輸電線路本身以及與之相連的發(fā)電機(jī)和變壓器，造成大面積惡性停電事故，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活，甚至引發(fā)嚴(yán)重的社會問題。2003年美加大停電、2012年印度大停電、今年的***大停電都是例子。”董新洲說。

我國一次能源和電力負(fù)荷呈現(xiàn)逆向分布，西部、中部地區(qū)“憋”著各種能源資源蓄勢待發(fā)，東南部沿海地區(qū)是急盼用清潔能源換取可持續(xù)發(fā)展的電力負(fù)荷中心，它們之間相距數(shù)千公里，超特高壓輸電成為必然的選擇;隨著互聯(lián)電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，電力系統(tǒng)愈來愈接近其穩(wěn)定極限運(yùn)行，迫使繼電保護(hù)必須用更短的時間切除可能發(fā)生的各種故障。

從電磁場理論出發(fā)，電能是以波的形式進(jìn)行傳播，在輸電線發(fā)生故障或正常運(yùn)行時，都會產(chǎn)生運(yùn)動的行波。行波保護(hù)就是指利用輸電線路發(fā)生故障時所出現(xiàn)的故障行波來判別故障并快速切除故障設(shè)備的重要保護(hù)措施。

“行波保護(hù)具有超高速動作性能，不受電力系統(tǒng)振蕩、分布電容電流、過渡電阻和CT飽和的影響，是解決超特高壓線路繼電保護(hù)難題的理想選擇，也是最為先進(jìn)的電力線路繼電保護(hù)技術(shù)?！倍轮拚f，行波保護(hù)原理新穎、技術(shù)上具有可實(shí)現(xiàn)性，性能優(yōu)越，可有效保護(hù)超特高壓長距離輸電線路。

其實(shí)，家里的保險絲就是最早的、最基本的繼電保護(hù)技術(shù)，通過感受電流增大發(fā)熱而熔斷、通過“斷電”保護(hù)家用電器設(shè)備不損壞、不著火。

“繼電保護(hù)是‘負(fù)的正能量’，它不能阻止故障的發(fā)生，但是通過快速發(fā)現(xiàn)故障并及時切除故障設(shè)備可以有效防止故障范圍的擴(kuò)大和蔓延，有效防止火災(zāi)事故的發(fā)生。”董新洲說，故障行波是電力線路特有的故障特征，利用故障行波構(gòu)造保護(hù)可以靈敏檢測各種輸電線路故障，可以毫秒級地超高速度動作切除故障線路，因此它是理想的超特高壓線路保護(hù)技術(shù)。

行波保護(hù)研究取得重大突破

據(jù)了解，1976年瑞典ASEA公司研制出世界上第一套行波保護(hù)裝置，并在500千伏的輸電線路中進(jìn)行了試運(yùn)行，但是由于未能很好解決可靠性問題，早期行波保護(hù)研究以失敗而告終。之后各國都加大了對行波保護(hù)研究的力度，不過由于行波保護(hù)構(gòu)成復(fù)雜、技術(shù)門檻高，一直未能取得實(shí)質(zhì)性突破。

“國外研究起步雖然早，但并沒有真正解決可靠性等方面的挑戰(zhàn)?！倍轮拚f，行波保護(hù)面臨最大的挑戰(zhàn)是受制于特高壓電網(wǎng)的現(xiàn)場條件，“行波是寬頻暫態(tài)信號，現(xiàn)場所使用的電容分壓式電壓互感器不能傳變高頻電壓，真正的寬頻帶行波無法獲得?！?/p>

董新洲告訴記者，誕生于上世紀(jì)70年代的行波保護(hù)很長時間未獲成功，主要問題在于：故障行波易逝且不可重復(fù)，信息源的標(biāo)定、暫態(tài)信號的量化表示與實(shí)時算法問題尚未解決;行波與故障之間的聯(lián)系規(guī)律和變化機(jī)理尚不明晰;與之相關(guān)的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)像高速采集、快速處理等核心技術(shù)亟須突破。

“可靠性是行波保護(hù)的命脈。行波保護(hù)的特點(diǎn)是靈敏、快速，與之相對的就是易受雷電、噪聲的干擾，抗干擾能力是行波保護(hù)能否成功的關(guān)鍵?！倍轮拚f，行波很靈敏，可靠和靈敏是天敵，如何平衡二者之間的關(guān)系是關(guān)鍵。

針對上述問題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)針對不同電壓等級和線路結(jié)構(gòu)的行波保護(hù)方法與保護(hù)裝置研制開展工作，取得了重大突破。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)性地創(chuàng)建了基于小波變換的故障行波基礎(chǔ)理論、核心算法與關(guān)鍵技術(shù);發(fā)明了超特高壓線路行波方向比較式縱聯(lián)保護(hù);發(fā)明了配電線路單相接地行波選線保護(hù)。

針對超特高壓線路無法獲取電壓行波難題，突破電磁暫態(tài)電路和電磁場割裂分析的瓶頸，創(chuàng)造性利用低頻電壓對寬頻電流行波進(jìn)行極化以獲取故障方向，首創(chuàng)行波保護(hù)抗強(qiáng)電磁干擾技術(shù)，發(fā)明了行波方向比較式縱聯(lián)保護(hù)，方向元件出口時間5ms，保護(hù)整組動作時間15ms，比傳統(tǒng)保護(hù)快1倍。

首套基于極化電流行波方向繼電器的行波縱聯(lián)方向保護(hù)于2011年12月，成功投運(yùn)西北750kV輸電線路“乾(縣)—信(義)線”，并取得了良好的運(yùn)行效果。之后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)出了基于低頻行波的差動保護(hù)技術(shù)，并于2013年成功投運(yùn)江蘇省電力公司500kV超高壓線路珉—政線，2016年投運(yùn)蒙西—天津南百萬伏特高壓輸電線路。

不僅如此，行波保護(hù)在配電線路單相接地故障檢測方面同樣具有獨(dú)特效果。我國10—35kV配電網(wǎng)普遍采用中性點(diǎn)非有效接地方式運(yùn)行，這種方式的特點(diǎn)是：發(fā)生了單相接地故障后，線電壓保持對稱，可以不中斷對用戶供電;但是接地點(diǎn)會產(chǎn)生高溫電弧、非接地相會產(chǎn)生過電壓，給電網(wǎng)安全留下巨大隱患，因此需要可靠的接地故障檢測技術(shù)。但是，由于中性點(diǎn)非有效接地，接地電流非常微弱，難以檢測，成為困擾電網(wǎng)安全的世界性難題。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)并證實(shí)行波與中性點(diǎn)接地方式幾乎無關(guān)，只要故障發(fā)生，必然有行波產(chǎn)生，檢測并比較不同線路上的初始行波，就可以可靠、靈敏檢測出配電線路單相接地故障。行波選線技術(shù)是行波保護(hù)技術(shù)在配電線路上的推廣和應(yīng)用，是行波保護(hù)對電網(wǎng)安全的另一個重大貢獻(xiàn)!

“行波保護(hù)雖然國外研究的早，但現(xiàn)在已經(jīng)被中國超越。現(xiàn)在國外要跟我們走，我國是頭羊。”董新洲驕傲地說。

“但是國外咬的很緊，走第一步容易，第二步能否走堅(jiān)實(shí)了，很關(guān)鍵?！彪m然取得了成功，但董新洲抱有很強(qiáng)的憂患意識，他告訴記者，現(xiàn)在國外的一些廠商已經(jīng)開始跟進(jìn)上來。如果我們不能堅(jiān)持研究、及時推廣應(yīng)用、擴(kuò)大領(lǐng)先優(yōu)勢，我們艱難取得的原創(chuàng)性成果和優(yōu)勢，完全可能被別人超越。盡管國內(nèi)外同行把行波保護(hù)的桂冠給予了董新洲團(tuán)隊(duì)，但他的脊梁骨依然“瘆得慌”。

廣泛應(yīng)用于我國電網(wǎng)

目前，針對不同電壓等級不同線路結(jié)構(gòu)的行波保護(hù)技術(shù)已由國電南京自動化股份有限公司和北京衡天北斗科技有限公司產(chǎn)業(yè)化，數(shù)千套不同型號的行波保護(hù)裝置應(yīng)用于我國電力、石化、鋼鐵、油田以及軍工領(lǐng)域，在保護(hù)電力系統(tǒng)安全方面發(fā)揮了重要作用。針對中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)的配電線路高阻接地故障檢測技術(shù)還被阿爾斯通公司產(chǎn)業(yè)化，在世界多國電網(wǎng)使用。

據(jù)了解，目前，我國的兩大電網(wǎng)公司(國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司)和五大發(fā)電集團(tuán)都采用了該項(xiàng)目的技術(shù)，用于所轄的電力線路保護(hù)。

董新洲告訴記者，采用該項(xiàng)技術(shù)能大幅降低電力線路故障所造成的設(shè)備損壞，減少電網(wǎng)失穩(wěn)風(fēng)險，降低電網(wǎng)停電損失，縮短停電時間，減少停電范圍。快速切除故障、有效防止一次電網(wǎng)失穩(wěn)而造成的大停電事故，即可挽回經(jīng)濟(jì)損失數(shù)百億元。

項(xiàng)目成果推動了電力科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，將電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的構(gòu)成基礎(chǔ)由工頻穩(wěn)態(tài)故障信息擴(kuò)展到暫態(tài)行波信息，解決了電力系統(tǒng)中超特高壓長距離輸電線路保護(hù)和配電線路單相接地保護(hù)難題，豐富了電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和故障檢測技術(shù)的內(nèi)容。

此外，行波保護(hù)技術(shù)的突破還掀起了行波研究與應(yīng)用的新高潮，引領(lǐng)了繼電保護(hù)的發(fā)展方向，推動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級和更新?lián)Q代，顯著提升了我國繼電保護(hù)的國際地位和競爭力，提升了智能電網(wǎng)消納大規(guī)?？稍偕茉吹哪芰?，保障了電力乃至國家安全。