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1、毕业设计说明书(论文)短路和系统振荡对阻抗继电器的影响 Undergraduate Design(Thesis)SHORT CIRCUIT AND OSCILLATION OF THE INFLUENCE OF POWER IMPEDANCE RELAYSupervised byLECTURER GU Yan School of Electric Power Engineering Nanjing Institute of Technology June 2011摘 要在现代电网中，随着超高压、大容量、远距离输电线路的不断增多，对电力系统的继电保护装置提出了更高、更严格的要求。短路伴随振荡条件
2、下距离继电器动作行为的分析是一项十分重要的工作，振荡是电力系统中一种较为多见的异常运行状态。引起振荡的原因有很多，电力系统振荡会引起距离保护的误动，如何防止振荡引起距离保护的误动一直是继电保护工作者的重要课题。本文介绍了距离保护在高压电路中的必要性，以及我国传统和目前几种阻抗继电器的原理,介绍了几种常见的阻抗圆特性并给出了动作方程和动作区域的图形；分析了对距离保护的影响；振荡对距离保护的影响。经过分析表明：短路时，电流和电压量突变。而振荡时，电气量呈现周期性变化，可能造成保护误动作。关键词 距离保护，短路，振荡，阻抗动作特性AbstractIn the modern grid, along w
3、ith the ultrahigh pressure, high capacity, long distance transmission lines of power system, increasing the relay protection device put forward higher, more stringent requirements. Short circuit with oscillation condition distance relay action behavior analysis is a very important work, is a kind of
4、 electric power system oscillation less than seen abnormal operating condition. Cause oscillation of electric power system, there are many reasons caused the oscillations distance protection maloperation causes, how to prevent the oscillation maloperation distance protection has been an important su
5、bject of relay protection workers.This paper introduces in high voltage circuit distance protection, and the necessity of traditional Chinese and at present the principle of several impedance relay, introduces several common impedance circle characters and gives the movement equation and action area
6、 graphics; Analyses the influence of distance protection; The influence of distance protection oscillations. After analysis shows that the voltages and currents short-circuit, quantity mutations. But oscillates, present cyclical change electric parameters, may cause the protection misoperation.Key W
7、ords distance protection，short-circuit，power swing，operating characteristics目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 引言11.2 我国阻抗继电器研究现状11.3 距离保护构成32 几种常见的阻抗继电器动作特性和动作方程52.1 圆特性阻抗继电器52.2 四边形特性阻抗元件103 存在过渡电阻短路时对距离保护的影响133.1 短路点过渡电阻的性质133.2 单侧电源线路上过渡电阻的影响143.3 双侧电源上过渡电阻的影响153.4 过渡电阻对不同动作特性阻抗元件的影响163.5 防止过渡电阻影响的方法174
8、振荡对距离保护的影响204.1 电力系统振荡对距离保护的影响204.2 振荡闭锁255 MATLAB的仿真315.1 MATLAB软件概述315.2 仿真模型的建立与分析325.3 仿真结果分析336 总 结39谢 词40参考文献41附录1 外文资料翻译42A1.1 分布式发电系统中燃料电池和蓄电池组的控制算法42A1.2 Control Algorithm of Fuel Cell and Batteries for Distributed Generation System- 541 绪 论1.1 引言随着我国的国民经济高速发展，用电负荷的要求越来越高，用户对于电能的质量要求越来越高，对于
9、电能的可靠性提出了更高的要求，所以对于继电保护装置的可靠性，选择性，速动性和灵敏性都有着很高的要求。在110kV以上的输电线路中，距离保护占了大多数。距离保护在保护110kV输电线路可靠输送电起到重要的作用。距离保护的核心元件就是阻抗继电器，它的作用是测量保护安装处到输电线路故障点之间的阻抗，这个阻抗也就反映了故障点离保护安装处的距离。因为输电线路的阻抗不会随着电网运行方式的变化而变化。同时也与短路故障的类型没有关系，所以距离保护相比于电流保护而言更加稳定可靠；距离保护也不会因为重负荷情况下短路时造成灵敏度不足的情况；同时距离保护对于各种复杂的电网结构更好的适应性。总之，距离保护的性能更为完善
10、。距离保护中的阻抗继电器是反映距离保护性能的一个硬指标，阻抗继电器测量距离越准确，距离保护装置的性能越好。本文主要研究输电线路短路与振荡时对阻抗继电器的影响。1.2 我国阻抗继电器研究现状1.2.1 传统距离保护原理1.2.1.1 直线特性阻抗继电器直线特性阻抗继电器主要有电阻型继电器，电抗型继电器，限相继电器1。其阻抗特性2在阻抗复平面中分别为一直线。电阻继电器动作与否，只取决于测量阻抗的电阻值，电抗继电器动作与否，只取决于测量阻抗的电抗分量。直线特性虽然判据简单，但无方向性而且不能准确反映实际测量的阻抗变化情况，因此单纯利用电阻、电抗值作判别误差很大，在实际应用中效果并不理想。1.2.1.
11、2 圆特性阻抗继电器圆特性阻抗继电器3，有全阻抗圆、方向阻抗圆、偏移阻抗圆，是传统继电保护中应用最为广泛的阻抗继电器。它实际是把阻抗继电器的动作特性扩大为一个圆，以便继电器的制造和调试，简化继电器的接线。其中全阻抗圆特性无方向性，方向阻抗圆存在电压死区，偏移阻抗圆特性是前两者的综合。特性较好，应用较多。1.2.1.3 四边形特性阻抗继电器四边形特性阻抗继电器45是综合了电阻电抗型直线特性，并考虑了阻抗的方向性，是一种较为精确反映故障测量阻抗边界的阻抗继电器，并且具有良好的抗过渡电阻的能力。在传统继电保护中，因实现因难而很少使用，但随着微机保护的出现。四边形阻抗特性继电器得到了广泛的应用。1.2
12、.2 现有阻抗继电器新原理简介现有一些较新的距离保护原理主要是同时利用电流电压量的变化情况，来鉴别故障，进行线路保护。主要有电流自适应保护、工频变化量距离保护、以及利用行波来鉴别故障的距离保护原理等。1.2.2.1 电流自适应保护原理自适应电流速断保护67是利用在线测得到的电流电压值，由微机保护装置在线实时计算电流定值，可以免去麻烦的人工整定工作且能使保护范围显著扩大。因此在理论上其速断定值不是常数，是由当前的系统运行方式和故障状态决定。7即根据电力系统当前实际运行方式和故障状态实时、自动整定计算，无需人工参与，能使速断定值和保护范围能保持最佳状态。但实际上，计算电流整定值的过程，引入了电压量
13、，并要求输入被保护线路的阻抗值，即利用在线电压，实时算得的系统综合阻抗值，得到实时电流整定值，而后与在线电流相比较，以判别故障情况。可以看出其本质上还是距离保护，它同样受到PT断线，过渡电阻等因素的影响，而且对系统阻抗的计算算法也较复杂8。1.2.2.2 工频变化量距离保护原理工频变化量距离保护原理9，是由我国继电保护专家在80年代率先提出的，主要是利用故障前后电流电压的工频分量的变化量和线路阻抗值的信息来求得补偿电压，并与故障前的电压记忆量进行比较，来实现对故障的判别，对线路进行保护。从其动作判据上讲，它可以看作是一种本质为距离保护的电压自适应保护，其在双侧电源系统中能严格区分区内外故障，且
14、不受系统振荡的影响，具有自适应能力强，判据简单便于微机实现等优良特性，并且此保护原理在220kV以上高压，超高压电网微机线路保护中已成功运用10。1.2.2.3 行波距离保护原理行波距离保护原理11在20世纪50年代就己被提出，最初主要是利用行波进行故障测距12。1983年，PACrossly等人提出了利用相关算法计算行波传播时间进而求得故障距离，通过对故障距离和被保护线路长度的比较决定保护是否动作的行波距离保护方案。即所谓行波测距式距离保护13；1989年，我国学者根据输电线路故障行波的特征，提出了行波特征鉴别式距离保护，该保护首先利用行波的特征，判断出故障发生的区间。若判断为正方向区内故障
15、，再进一步计算出故障距离14。早期行波测距式距离保护的主要不足之处在于：1)没有考虑正方向区外故障时保护误动的问题；2)采用相关算法提取与初始正向行波对应的反向行波误差较大，距离计算精度不高；3)由于相关算法的实质是比较两波形的相似性，因而受线路参数的影响较大，当线路为有损或接地电阻较大时，v-、v+波形的相关性降低；4)灵敏度不高，要求v-和v+的信号有足够的能量，以保证能被正确检测。其后的研究者对行波测距式距离保护方案存在的问题提出了解决的方法，并对这一原理的实现做了进一步的补充，但因其结果不能满足实际要求，最终没有在实际系统中得到应用。近年来，国内学者将现代电子技术和新兴数学工具用于行波
16、测距，使得测距精度大大提高。行波测距装置的成功应用无疑为进一步研制行波测距式距离保护打下了良好的基础，为保护的计算精度提供了保证。目前，已有学者提出了方向行波测践式距离保护，但是依然存在无法区分正方向区内区外故障的问题。1.3 距离保护构成1.启动元件 启动元件的作用是反应系统故障参数或故障分量，判别系统是否已经发生故障。被保护线路正常运行时，该元件不启动，因此整套保护不投入工作。当系统发生故障时，它立即启动，使整套保护投入工作。早期的距离保护，启动元件采用电流继电器或者阻抗继电器，后来采用了灵敏度更高的负序电流元件、负序电流与零序电流复合元件、增量元件等。2测量元件 测量元件的作用是反应故障
17、点到保护安装处的阻抗(或者距离)，它是距离保护中的核心元件。测量元件一般是有方向性的。早期的距离保护装置中的测量元件一般由阻抗继电器来担任，例如，有整流型阻抗继电器、晶体管型阻抗继电器、集成电路型阻抗继电器等。在微机型距离保护装置中，阻抗测量元件是由软件实现的。不管是早期的距离保护装置，还是现代的微机距离保护装置，其测量元件测量的都是阻抗，所以它会受系统振荡的影响。所以，在距离保护中还必须设置振荡闭锁装置，以防止距离保护中的测量元件在系统振荡时动作致使保护误动。3振荡闭锁部分 在系统发生振荡时，因为不是短路，距离保护部应该动作。但是振荡时的电压、电流幅值周期性变化，有可能导致距离保护误动。为了
18、防止距离保护误动，要求该元件精确判断系统振荡，并将保护闭锁。4电压回路断线部分 电压回路断线时，将会造成保护测量电压的消失，从而可能使距离保护的测量部分出现误判断，这种情况下要求该部分应该将保护闭锁，以防止出现不必要的误动。5. 配合逻辑部分 该部分用来实现距离保护各个部分之间的逻辑配合以及三段式距离保护中各段之间的时限配合。6. 出口部分 出口部分包括跳闸出口和信号出口，在保护动作时接通跳闸回路并发出相应的信号。2 几种常见的阻抗继电器动作特性和动作方程 阻抗继电器动作区域的形状称为动作特性。例如动作区域为圆形时，称为圆特性；动作区域为四边形时，称为四边形特性。动作特性既可以用阻抗复平面上的
19、集合图形来描述，也可以用复数的数学方程来描述，这种方程称为动作特性的方程。下面介绍几种常见的阻抗继电器的动作特性和动作方程。2.1 圆特性阻抗继电器2.1.1 偏移圆特性 偏移圆特性的动作区域如图2.1所示，它有两个整定阻抗，即正方向整定阻抗和反方向阻抗，两整定阻抗对应矢量末端的连线就是特性圆的直径。特性圆包含坐标原点，圆心位于处，半径为。圆内为动作区，圆外为非动作区。当测量阻抗正好在圆周上时，阻抗继电器临界动作。图2.1 偏移圆特性 对应该特性的动作方程，可以有两种不同的表达方式：一种是比较两个大小绝对值比较原理表达式；另一种是比较两个量相位的相位比较原理表达式。分别称它们为绝对值比较动作方
20、程和相位比较方程。 绝对值比较原理：当测量阻抗落在圆内或者圆周上时，末端到圆心的距离一定小于或等于半径；而当测量阻抗落在圆外时，末端到圆心的距离一定大于圆的半径。所以动作方程表示为 （2.1） 相位比较方程：，是矢量末端的连线，就是特性圆的直径，它将特性圆分成两部分，如图2.2所示。图2.2 用相位比较法实现的偏移圆特性由图可见，当测量阻抗落在右下部分圆周上任一点时，有 （2.2）当阻抗落在左上部分圆周的圆内任一点时，有 （2.3）当测量阻抗落在圆内任一点时，有 （2.4）当测量阻抗落在圆外时，有 （2.5）因此测量元件的动作条件可以表示为 （2.6）式（2.6）就是偏移圆特性阻抗继电器的行为
21、比较动作方程。使阻抗元件处于临界动作状态对应的阻抗，成为动作阻抗。用来表示。对于具有偏移圆特性的阻抗继电器来说，当测量阻抗的阻抗角不同时，对应的动作阻抗是不同的。当测量阻抗的阻抗角与正向整定阻抗的阻抗角相等时，阻抗继电器的动作阻抗最大，正好等于，即=，此时继电器最为灵敏，所以的阻抗角又称为最灵敏角。最灵敏角是阻抗继电器的一个重要参数，一般取为被保护线路的阻抗角。当测量阻抗的阻抗角与反向整定阻抗的阻抗角相等时，动作阻抗为最小，正好等于，即=。2.1.2 方向圆特性如果令=0，=，则动作特性变化为方向圆特性，动作区域如图2.3所示。图2.3 方向圆特性特性圆经过坐标原点处，圆心位于处，半径为。将=
22、0，=代入式（2.1），可以得到方向圆特性的绝对值比较方程为 （2.7）将=0，=代入式（2.6），可以得到方向圆特性的相位比较动作方程为 （2.8）与偏移圆特性类似，方向圆特性对于不同的阻抗角，动作阻抗也是不尽相同的。在整定阻抗的方向上，动作阻抗最大，正好等于整定阻抗；其它方向的动作阻抗都小于整定阻抗；在整定阻抗的相反方向，动作阻抗降为0。反方向故障时不会动作，阻抗元件本身具有方向性。方向圆特性的阻抗元件一般用于距离保护的主保护段（I段，II段）中。方向圆特性的动作阻抗圆经过坐标原点，根据复数反演的理论，当把该特性反演到导纳平面（即取，做的动作特性）时，导纳动作特性为一直线。2.1.3 全阻
23、抗圆特性在偏移特性中，如果令，则动作特性变化成圆特性，动作区域如图2.4所示。图2.4 全阻抗圆特性特性圆的圆心位于坐标原点处，半径为。将，代入式（2.1），可以得到全阻抗圆特性的绝对值比较动作方程为 （2.9）将，代入式（2.6），可得到全阻抗圆特性的相位比较动作方程 （2.10）全阻抗圆特性在各个方向上的动作阻抗都相同，它在正向或者反向故障的情况下具有相同的保护区，即阻抗元件本身不具有方向性。全阻抗圆特性的阻抗元件可以应用于单侧电源的系统中；当应用于多侧电源系统时，应与方向元件相配合。2.2 四边形特性阻抗元件圆特性的阻抗继电器整定值较小时，保护范围受过渡电阻的影响大；而当整定值较大时，躲
24、过负荷的能力又差。为此，很多距离保护中的阻抗测量元件均采用了具有四边形动作特性的阻抗元件。图2.5(a)和(b)所示的即为微机型成套线路保护中两种常见的四边形阻抗动作特性。对于单相接地短路来说，短路带过渡电阻的情况更为严重，甚至成为经高阻抗接地短路。根据单相带过渡电阻接地短路的特征及对阻抗动作特性的要求，阻抗元件可构成如图 2.5(a)所示的四边形动作特性。如前所述，图2.5(a)中，电抗动作特性直线l以下区域的动作方程为： （2-11）式中纯电抗动作特性旋转的角度，为负值。电阻动作特性直线2以左区域的动作方程为： （2-12）图2.5 四边形阻抗动作特性式中，为纯电阻动作特性旋转后与jx轴之
25、间的角度，为正。折线amb所含区的特性动作方程为(以jx轴为参考)： （2-13）图2.5(a)中，当为20，电抗动作特性为零序电抗动作特性时，具有该特性的阻抗元件对接地电阻有自适应能力，故具有这种特性的接地阻抗元件适合于不同电压等级、不同长度线路(包括短线)做接地短路保护的测量元件。在图2.5(b)中，和分别为电抗整定值和电阻整定值。为保证被保护线路出口带过渡电阻短路时阻抗元件不拒动的角，为防止在双电源网络中带过渡电阻短路时的阻抗元件误动的角，为保证区内金屈短路阻抗元件可靠动作的角，一般取60，应小于整定阻抗角。角度、均为常数，根据实际情况整定。 图2.5(b)所示的四边形阻抗元件的动作特性
26、的数学表达式为： (2-14)式中，测量电阻和测量电抗。当微机型保护输入回路取得所需电压、电流的采样值后，可通过某种算法算出所测和及，再用程序软件实现上述方程的比较，满足式(2-14)时，微机型保护输出回路输出信号，去控制下一级，否则不输出信号。阻抗元件的四边形动作特性实际上是各种阻抗动作特性的组合，如上述所示的阻抗元件四边形动作特性实际上是由电抗动作特性、电阻动作特性和折线动作特性等组合成的综合阻抗动作特性。它可根据实际要求，比如根据躲过过渡电阻和躲过负荷能力的强弱等具体的特性要求进行设计。3 存在过渡电阻短路时对距离保护的影响 电力系统中的短路一般都不是金属性的，而是在短路点存在过渡电阻。
27、此过渡电阻的存在，将使距离保护的测量阻抗发生变化，一般情况下是使保护范围缩短，但有时候也能引起保护的越范围动作或反方向误动作。现对过渡电阻的性质及其对距离保护工作的影响讨沦如下。3.1 短路点过渡电阻的性质短路点的过渡电阻是指当相间短路或接地短路时短路电流从一相流到另一相或从相导线流入地的途径中所通过的物质的电阻(包括电弧、中间物质的电阻、相导线与地之间的接触电阻、金属杆塔的接地电阻等)。实验证明，当故障电流相当大时(数百安以上)，电弧上的电压梯度几乎与电流无关，大约可取为每米弧长上1.41.5kV(最大值)。根据这些数据可知电弧实际上呈现有效电阻，其值可按下式决定：式中电弧电流有效值，A；电
28、弧长度，m。在一般情况下，短路初瞬间电弧电流最大，弧长最短，弧阻最小。几个周期后，在风吹、空气对流和电动力等作用下，电弧逐渐伸长弧阻有急速增大之势，如图3.1(a)所示。图中弧阻较大的曲线属于线路电压较低的情况，弧阻较小的曲线则属于线路电压较高的情况。（a） 电弧电阻随时间的变化曲线；（b）经电弧短路时电弧上电流、电压的波形图3.1 架空输电线路短路时产生的电弧在相间短路时，过渡电阻主要由电弧电阻构成，其值可按上述经验公式估计。在导线对铁塔放电的接地短路时，铁塔及其接地电阻构成过渡电阻的主要部分。铁塔的接地电阻与大地导电率有关。对于跨越山区的高压线路，铁塔的接地电阻可达数十欧。此外、当导线通过
29、树木或其他物体对地短路时，过渡电阻更高，难以推确计算。目前我国对500kV线路接地短路的最大过渡电阻按300估计，对于220kV线路，则按100估计。3.2 单侧电源线路上过渡电阻的影响图3.2 单侧电源线路经过渡阻抗短路的等效图如图3.2所示，短路点的过渡电阻总是使继电器的测量阻抗增大，使保护范围缩短。然而，由于过渡电阻对不同安装地点的保护影响不同，因而在某种情况下，可能导致保护无选择性动作。例如，当线路B-C的始端经短路，则保护1的测量阻抗为，而保护2的测量阻抗为，由图3.3可见，由于是与的相量和，因此，其数值比无时增大不多，也就是说测量阻抗受的影响较小。当较大时，就可能出现已超出保护1第
30、I段整定的特性圆范围，而仍位于保护2第II段整定的特性圆范围以内的情况。此时两个保护将同时以第II段的时限动作，从而失去了选择性。图3.3 过渡电阻对不同安装地点距离保护影响的分析 由以上分析可见，保护装置距短路点越近时，受过渡电阻的影响越大；同时，保护装置的整定值越小，受过渡电阻的影响也越大。因此，对短线路的距离保护应特别注意过渡电阻的影响。3.3 双侧电源上过渡电阻的影响在如图3.4所示的双侧电源线路上，短路点的过渡电阻还可能使某些保护的测量阻抗减小。如在线路B-C的始端经过渡电阻三相短路时，和分别为两侧电源供给的短路电流，则流经的电流为，此时，变电所A和B母线上的残余电压为：则保护1和保
31、护2的测量阻抗为此处，表示超前于的角度。当为正时，测量阻抗的电抗部分增大；而当为负时测量阻抗的电抗部分减小。在后一种情况下，也可能引起某些保护的无选择性动作。 图3.4 双侧电源通过路的接线图3.4 过渡电阻对不同动作特性阻抗元件的影响在图3.5(a)所示的网络中假定保护2的距离I段采用不同特性的阻抗元件，它们的整定值选择得都一样(为0.85)。如果在距离I段保护范围内阻抗为处经过渡电阻短路，则保护2的测量阻抗为。由图3.5(b)可见，当过渡电阻达时，具有透镜型特性的阻抗继电器开始拒动；当达时，方向阻抗继电器开始拒动；而达时，则全阻抗继电器开始拒动。一般来说，阻抗继电器的动作特性在+R轴方向所
32、占的面积越大，则受过渡电阻的影响越小。(a) 网络接线；(b)对影响的比较图3.5 过渡电阻对不动作特性阻抗元件影响的比较3.5 防止过渡电阻影响的方法一种方法是根据图3.5分析所得的结论，采用能容许较大的过渡电阻而不致拒动的阻抗继电器，可防止过渡电阻对继电器工作的影响。例如，对于过渡电阻只能使测量阻抗的电阻部分增大的单侧电源线路，可采用不反映有效电阻的电抗型阻抗继电器。在双侧电源线路上，可采用具有如图3.6所示可减小过渡电阻影响的动作特性的阻抗继电器。图3.6(a)所示的多边形动作特性的上边向下倾斜一个角度，以防止过渡电阻使测量电抗减小时阻抗继电器的超越。右边可以在R轴方向独立移动，以适应不
33、同数值的过渡电阻。图3.6(b)所示的动作特性既容许在接近保护范围末端短路时有较大的过渡电阻，又能防止在正常运行情况下，负荷阻抗较小时阻抗继电器误动作。图3.6(c)所示为圆与四边形组合的动作持性。在相间短路时，过渡电阻较小，应用圆特性；在接地短路时，过渡电阻可能很大，此时，利用接地短路出现的零序电流在圆特性上叠加一个四边形特性，以防止阻抗继电器拒动。a)多边形动作特性；(b)既允许有较大过渡电阻又能防止负荷阻抗较小时误动的动作特性；(c)圆与四边形组合的动作特性图3.6 可减小过渡电阻影响的动作特性1保护装置的启动元件(或第III段)；2第II段阻抗元件3一瞬时测量的中间继电器；4第II段时
34、间元件图3.7 瞬时测量装置的原理接线图 另一种方法是利用所谓瞬时测量装置来固定阻抗继电器的动作。相间短路时，过渡电阻主要是电弧电阻，从图3.1(a)可知，其数值在短路瞬间最小，大约经过0.10.15s后就迅速增大。根据的上述特点，通常距离保护的第II段可采用瞬时测量装置，以便将短路瞬间的测量阻抗值固定下来使的影响减至最小。装置的原理接线如图3.7所示，在发生短路瞬间，启动元件l和距离II段阻抗元件2动作，因而启动中间继电器3。3启动后即通过I的触点自保持，而与2的触点位置无关。当II段的整定时限到达，时间继电器4动作，即通过3的常开触点去跳闸。在此期间，即使由于电弧电阻增大而使第II段的阻抗
35、元件返回，保护也能正确地动作。显然，这种方法只能用于反映相间短路的阻抗继电器。在接地短路情况下，电弧电阻只占过渡电阻的很小部分，这种方法不会起很大作用。4 振荡对距离保护的影响当电力系统中发生同步振荡或异步运行时，各点的电压、电流和功率的幅值和相应都将发生周期性地变化。电压与电流之比所代表的阻抗继电器的测量阻抗也将周期性地变化。当测量阻抗进入动作区域时，保护将发生误动作。因此，对于距离保护必须考虑电力系统同步振荡或异步运行(以下简称为系统振荡)对其工作的影响。4.1 电力系统振荡对距离保护的影响如图4.1所示，设距离保护安装在变电所M的线路上。当系统振荡时，振荡电流为：图4.1 分析系统振荡用
36、的系统接线图此处，代表系统总的纵向正序阻抗 M点的母线电压为： (4.1)因此安装于M点阻抗继电器的测量阻抗为： （4.2）在近似计算中，假定h1，系统和线路的阻抗角相同，则继电器测量阻抗随的变化关系为： (4.3) 将此继电器测量阻抗随变化的关系，画在以保护安装地点M为原点的复数阻抗平面上，当全系统所有阻抗角相同时，即可由图4.2证明将在的垂直平分线上移动。图4.2 系统振荡时测量阻抗的变化表4.1 阻抗和的变化关系0j90118000270-1-360-j 由此可见，当=0时，=；当=180时=，即等于保护安装地点到振荡中心之间的阻抗。此分析结果表明当改变时，不仅测量阻抗的数值在变化，而且
37、阻抗角也在变化，其变化的范围为。在系统振荡时，为了求出不同安装地点距离保护测量阻抗变化的规律，在式(4.3)中，可令代替，并假定m=，m为小于1的变数，则式(4.3)可改写为： （4.4）当m为不同数值时，测量阻抗变化的轨迹应是平行于线的一直线簇，如图4.3所示图4.3 系统振荡时，不同安装地点距离保护测量阻抗的变化当m=0.5时，直线簇与+jX轴相交，相当于图4.3所分析的情况，此时，振荡中心位于保护范围的正方向；而当m0.5时，直线簇则与-jX相交，振荡中心将位于保护范围的反方向。当两侧系统的电势时，即时，继电器测量阻抗的变化将具有更复杂的形式。按照式(4.4)进行分析的结果表明，此复杂函
38、数的轨迹应是位于直线某一侧的一个圆，如图4.4所示。当h1时，则为下面的圆周2。在这种情况下，当0时，由于两侧电势不相等而产生一个环流，因此，测量阻抗不等于，而是一个位于圆周上的有限数值。图4.4 当时测量阻抗的变化引用以上推导结果，可以分析系统振荡时距离保护所受到的影响。如仍以变电所M处的距离保护为例，其距离I段启动阻抗整定为0.85，在图4.5中以长度MA表示，由此可以绘出各种继电器的动作特性曲线，其中曲线1为方向透镜电器特性，曲线2为方向阻抗继电器特性，曲线3为全阻抗继电器特性。当系统振荡时，测量阻抗的变化如图4.2所示(采用h1的情况)，找出各种动作特性与直线的交点，其所对应的角度为和
39、，则在这两个交点的范围以内继电器的测量阻抗均位于动作特性圆内，因此，继电器就要启动，也就是说，在这段范围内，距离保护受振荡的影响可能误动作。由图中可见，在同样整定位的条件下，全阻抗继电器受振荡的影响最大，而透镜型继电器所受的影响最小。一般而言，继电器的动作特性在阻抗平面上沿方向所占的面积越大，受振荡的影响就越大。图4.5 系统振荡时M变电所测量阻抗的变化图此外，根据图4.2分析可知，距离保护受振荡影响还与保护的安装地点有关。当保护安装处安装地点越靠近振荡中心时，收到影响越大。而振荡中心在保护范围以外或者位于保护的反方向时，则在振荡的影响下距离保护不会动作。当保护的动作带有较大的延时(例如，延时
40、大于1.5s)时，如距离III段，可利用延时躲开振荡的影响。4.2 振荡闭锁对于在系统振荡时可能误动作的保护装置，应该装设专门的振荡闭锁回路，以防止系统振荡时误动。当系统振荡使两侧电源之间的角度摆到180时，保护所受到的影响与在系统振荡中心处三相短路时的效果是一样的，因此，就必须要求振荡闭锁回路能够有效地区分系统振荡和发生三相短路这两种不同情况。4.2.1 电力系统发生振荡和短路时的主要区别电力系统发生振荡和短路时的主要区别如下：（1）振荡时，电流和各点电压的幅值均作周期性变化，只在180时才出现最严重的现象；而短路后，短路电流和各点电压的值，当不计其衰减时，是不变的。此外，振荡时电流和各点电
41、压幅值的变化速度(和)较慢而短路时电流是突然增大，电压也突然降低，变化速度很快：（2）振荡时，任一点电流与电压之间的相位关系都随的变化而改变；而短路时，电流和电压之间的相位是不变的。（3）振荡时，三相完全对称，电力系统中没有负序分量出现；而当短路时，总要长期(在不对称短路过程中)或瞬间(在三相短路开始时)出现负序分量。（4）振荡时，测量阻抗的电阻分量变化较大，变化速率取决于振荡周期；而短路时，测时阻抗的电阻分量虽然因弧光放电而略有变化，但分析计算表明其电弧电阻变化率远小于振荡所对应的电阻的变化率。根据以上区别，振荡闭锁回路从原理上可分为两种，一种是利用负序分量(或增量)的出现与否来实现；另一种
42、是利用电流、电压或测量阻抗变化速度的不同来实现。构成振荡闭锁回路时应满足以下基本要求：（1）系统发生振荡而没有故障时应可靠地将保护闭锁，且振荡不停息，闭锁不应解除。（2）系统发生各种类型的故障(包括转换性故障)，保护应不被闭锁而能可靠地动作。（3）在振荡的过程中发生故障时，保护应能正确地动作。（4）先故障而后又发生振荡时，保护不致无选择性的动作。4.2.2 反映测量阻抗变化速度的振荡闭锁回路在三段式距离保护中，当其I、II段采用方向阻抗继电器，其III段采用偏移特性阻抗继电器时，如图4.6所示，根据其定值的配合，必然存在着的关系。可利用振荡时各段动作时间不同的特点构成振荡闭锁。图4.6 三段式
43、距离保护的动作特性当系统发生振荡且振荡中心位于保护范围以内时，由于测量阻抗逐渐减小，因此，先启动，再启动，最后启动。而当保护范围内部故障时，由于测量阻抗突然减小，因此将同时启动。基于上述区别实现这种振荡闭锁回路的基本原则是：当同时启动时，允许、动作于跳闸而当先启动，经延时后，、才启动时，则把和闭锁，不允许它们动作于跳闸。按这种原则构成振荡闭锁回路的结构框如图4.7所示。图4.7 反映测量阻抗变化速度的振荡闭锁回路结构框图4.3.3 新型振荡闭锁原理4.3.3.1 启动元件动作160ms以内开放保护的条件当距离保护的启动元件是一种反映正负序综合电流工频变化量的过电流元件，在单纯系统振荡而无故障时，启动元件初期不动作，其后因电流互感器的饱和而可能动作；所以按躲过最大负荷电流整定的正序过电流元件先于启动元件动作，否门闭锁了“保护开放”的逻辑；在线路故障同时伴有振荡时，启动元件和正序过电流元件同时动作，但出于正序过电流元件经延时10ms输出，启动元件先于正序过电流元件动作
