电气系统继电保护-电网的距离保护.pptx

第第3 3章章 电网的距离保护电网的距离保护3.1.1 3.1.1 基本工作原理基本工作原理3.1 3.1 距离保护的基本原理距离保护的基本原理 电流、电压保护的主要优点是简单、可靠、经济，但它们的灵敏性受系统运行方式变化的影响较大，特别是在重负荷、长距离、电压等级高的复杂网络中，很难满足选择性、灵敏性以及快速切除故障的要求，为此，必须采用性能更加完善的保护装置，因而就引入了“距离保护距离保护”。距离保护是距离保护是反映故障点至保护安装地点之间的距离（或阻抗），并根据反映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，此阻抗称为阻抗继电器的测量阻抗。其主要特点是：短路点距离保护安装点越近，其测量阻抗越小；相反地，短路点距离保护安装点越远，其测量阻抗越大，动作时间就越长。这样就可保证有选择地切除故障线路。图3.1 距离保护的基本原理 3.1.2 3.1.2 距离保护的时限特性距离保护的时限特性 距离保护的动作时间与保护安装地点至短路点之间距离的关系 ，称为距离保护的时限特性。为了满足速动性、选择性和灵敏性的要求，目前广泛应用具有三段动作范围的阶梯型时限特性，如图3.1(b)所示，并分别称为距离保护的、段。距离保护的第段是瞬时动作的，t1是保护本身的固有动作时间。对保护1的第段整定值应为：距离段整定值的选择是相似于限时电流速断的，即应使其不超出下一条线路距离段的保护范围，同时带有高出一个t的时限，以保证选择性。距离段与段的联合工作构成本线路的主保护。为了作为相邻线路保护装置和断路器拒绝动作的后备保护，同时也作为距离、段的后备保护，还应该装设距离保护第段。对于距离段整定值的考虑是与过电流保护相似的，其启动阻抗要按躲开正常运行时的最小负荷阻抗来选择，而动作时限则应根据前述电流保护的原则，使其比距离段保护范围内其他各保护的最大动作时限高一个t。3.1.3 3.1.3 距离保护的主要组成元件距离保护的主要组成元件图3.2 三段式距离保护的原理框图(1)启动回路启动回路主要由启动元件组成。启动元件可由过电流继电器、低阻抗继电器或反应于负序和零序电流的继电器构成。具体选用哪一种，应由被保护线路的情况确定。(2)测量回路测量回路的段和段由阻抗继电器 组成，而第段由测量阻抗继电器 组成。测量回路是测量短路点到保护安装处的距离，用以判断故障处于哪一段保护范围。(3)逻辑回路逻辑回路主要由门电路和时间电路组成。门电路包括与门和或门，时间电路主要由 两个时间继电器构成。时间继电器的主要作用是按照故障点到保护安装地点的远近，根据预定的时限特性确定动作的时限，以保证保护动作的选择性。(4)其他部分辅助相电流元件：接于相电流，作为辅助启动元件之用。重合闸后加速回路：瞬时加速段或段。执行元件：出口、信号、切换等其他功能。3.2 3.2 阻抗继电器阻抗继电器 阻抗继电器可按以下不同方法分类：根据其构造原理的不同，分为电磁型、感应型、整流型、晶体管型、集成电路型和微机型等。根据其比较原理的不同，分为幅值比较式和相位比较式两大类。根据其输入量的不同，分为单相式和多相式两种。所谓单相式阻抗继电器是指加入继电器的只有一个电压（可以是相电压或线电压）和一个电流(可以是相电流或两相电流之差)的阻抗继电器。电压和电流的比值称为继电器的测量阻抗Z。多相补偿式阻抗继电器是一种多相式继电器，加入继电器的是几个相的电流和几个相的补偿后电压，它的主要优点是可反映不同相别组合的相间或接地短路，但由于加入继电器的不是单一的电压和电流，因此就不能利用测量阻抗的概念来分析它的特性，而必须结合给定的系统、给定的短路点和给定的故障类型对其动作特性进行具体分析。3.2 3.2 阻抗继电器阻抗继电器 阻抗复平面分析法是最常用、最简捷直观的方法，它需要经过以下步骤：阻抗继电器在阻抗复平面上的动作特性（可从动作条件判别式取等号求得）。继电器的测量阻抗Zr沿一定的轨迹变化而使继电器始终处于临界动作状态时，这一轨迹便称为继电器的动作特性。求出阻抗继电器在各种运行情况下感受到的阻抗（测量阻抗Zr）。按动作条件判别式在阻抗平面上分析它们是否满足该式，从而决定其是否动作。对于单相式阻抗继电器，其动作特性可用单一变量即继电器的测量阻抗Zr的函数来分析，并在复阻抗平面上用一定的曲线来表示。图3.3 在阻抗复平面上分析阻抗继电器特性(a）网络接线；(b）被保护线路的测量阻抗及动作特性 由于阻抗继电器都是接于电流互感器和电压互感器的二次侧，其测量阻抗与系统一次侧的阻抗之间存在下列关系；如果保护装置的一次侧整定阻抗经计算以后为 ，继电器的整定阻抗应该为：3.2.1 3.2.1 阻抗继电器的二次值阻抗继电器的二次值3.2.2 3.2.2 利用复数平面分析圆或直线特性阻抗继电器利用复数平面分析圆或直线特性阻抗继电器 (1)全阻抗继电器全阻抗继电器 全阻抗继电器的特性是以B点（继电器安装点）为圆心，以整定阻抗为半径所作的一个圆，如图3.4所示。当测量阻抗Zr位于圆内时继电器动作，即圆内为动作区，圆外为不动作区。当测量阻抗正好位于圆周上时，继电器刚好动作，对应此时的阻抗就是继电器的启动阻抗。由于这种特性是以原点为圆心而作的圆，因此，不论加入继电器的电压与电流之间的角度为多大，继电器的启动阻抗在数值上都等于整定阻抗。具有这种动作特性的继电器称为全阻抗继电器，它没有方向性。幅值比较方式如图3.4(a）所示，当测量阻抗Zr位于圆内时，继电器能够启动，其启动的条件可用阻抗的幅值来表示，即 式中：Zset 继电器整定阻抗。上式两端乘以电流，变成为：相位比较方式全阻抗继电器的动作特性如图3.4(b)所示，当测量阻抗Zr 位于圆周上时，相量（Zr+Zset）超前于（Zr-Zset）的角度 ，而当Zr位于圆内时，；Zr位于圆外时，如图3.5(a）和（b）所示。因此，继电器的启动条件即可表示为：将两个相量均以电流乘之，即可得到可比较其相位的两个电压，继电器的启动条件可表示为：图3.4 全阻抗继电器的动作特性(a）幅值比较式；(b）相位比较式 图3.5 相位比较方式分析全阻抗继电器的动作特性(a）测量阻抗在圆内；(b）测量阻抗在圆外一般称 为极化电压，为补偿电压。上述动作条件也可表示为：幅值比较方式与相位比较方式之间的关系，可以从图3.4和图3.5所示几种情况的分析得出。由平行四边形和菱形的定则可知，如用比较幅值的两个相量组成平行四边形，则相位比较的两个相量就是该平行四边形的两个对角线，三种情况下的关系如图3.6所示。图3.6 幅值比较与相位比较之间的关系 a.当 时，如图3.6(a)所示，由这两个相量组成的平行四边形是一个菱形，因此，其两个对角线互相垂直，正是继电器刚好启动的条件。b.当 时，如图3.6(b)所示，之间的角度 ，继电器能够动作。c.当 时，如图3.6(c)所示，之间的角度 ，继电器不动作。一般而言，设以 表示比较幅值的两个电压，且当 时，继电器启动；又以 表示比较相位的两个电压，当 时，继电器启动，则它们之间的关系符合下式：必须注意：必须注意：它只适用于 为同一频率的正弦交流量；只适用于相位比较方式动作范围为 和幅值比较方式，且动作条件为 的情况；对短路暂态过程中出现的非周期分量和谐波分量，以上转换关系显然是不成立的。因此，不同比较方式构成的继电器受暂态过程的影响不同。于是，已知 时，可以直接求出 ；反之，如已知 ，也可以利用上式求出 。由此可见，幅值比较原理与相位比较原理之间具有互换性。方向阻抗继电器的特性是以整定阻抗Zset为直径而通过坐标原点的一个圆，如图3.7所示，圆内为动作区，圆外为不动作区。当加入继电器的电压和电流之间的相位差为不同数值时，此种继电器的启动阻抗也将随之改变。当电压和电流之间的相位差等于整定阻抗的阻抗角时，继电器的启动阻抗达到最大，等于圆的直径，此时，阻抗继电器的保护范围最大，工作最灵敏。因此，这个角称为继电器的最大灵敏角，用 表示。当保护范围内部故障时，（为被保护线路的阻抗角），因此，应该调整继电器的最大灵敏角，使 ，以便继电器工作在最灵敏的条件下。(2)(2)方向阻抗继电器方向阻抗继电器 图3.7 方向阻抗继电器的动作特性(a）幅值比较式的分析；(b）相位比较式的分析 当反方向发生短路时，测量阻抗Zr 位于第三象限，继电器不能动作，因此，它本身就具有方向性，故称之为方向阻抗继电器。方向阻抗继电器也可由幅值比较或相位比较的方式构成，现分别讨论如下：用幅值比较方式分析：等式两端均以电流乘之，即变为两个电压的幅值的比较：用相位比较方式分析，如图3.7(b)所示，当Zr位于圆周上时，阻抗Zr与(ZrZset）之间的相位差为90度，类似于对全阻抗继电器的分析，同样可以证明，是继电器能够启动的条件。将Zr 与（ZrZset）均以电流乘之，即可得到比较相位的两个电压分别为：称为极化电压，称为补偿电压。偏移特性阻抗继电器的特性是当正方向的整定阻抗为Zset时，同时，向反方向偏移一个 ，继电器的动作特性如图3.8 所示，圆内为动作区，圆外为不动作区。圆的直径为 ，圆心的坐标为 ，圆的半径为：(3)(3)偏移特性的阻抗继电器偏移特性的阻抗继电器 图3.8 具有偏移特性的阻抗继电器(a）幅值比较式的分析；(b）相位比较式的分析 用幅值比较方式分析，如图3.8(a)所示，继电器能够启动的条件为：或等式两端均以电流乘之，即变为如下两个电压的幅值的比较：用相位比较方式的分析，如图3.8(b)所示，当Zr位于圆周上时，相量 之间的相位差为 ，同样可以证明，也是继电器能够启动的条件。将 均以电流乘之，即可得到用以比较其相位的两个电压为 Zr:继电器的测量阻抗，由加入继电器中电压Ur 与电流Ir 的比值确定，Zset:继电器的整定阻抗，一般取继电器安装点到保护范围末端的线路阻抗作为整定阻抗。对全阻抗继电器而言，就是圆的半径；对方向阻抗继电器而言，就是在最大灵敏角方向上的圆的直径；而对偏移特性阻抗继电器，则是最大灵敏角方向上由原点到圆周上的长度。Zop.r:继电器的启动阻抗，它表示当继电器刚好动作时，加入继电器中电压Ur与电流Ir的比值，除全阻抗继电器以外，Zop.r是随着 的不同而改变的，（4 4）功率方向继电器功率方向继电器 继电器能够动作的条件可表示为：两个电压的幅值的比较相位比较方式来分析功率方向继电器的特性：只要 之间的角度位于 之间，就是它能够动作的条件。为在最大灵敏角的方向上任取的两个相量。相位比较的两个电压为：图3.9 功率方向继电器的动作特性（5 5）具有直线特性的继电器具有直线特性的继电器 图3.10 具有直线特性的继电器 幅值比较，继电器能够启动的条件为：电压幅值比较为：比较其相位的两个电压为 以上分析中均采用动作的角度范围为 ，在复数平面上获得的是圆或直线的特性。如果使动作范围小于 ，例如采用 ，则圆特性的方向阻抗继电器将变成透镜形特性的阻抗继电器，如图3.11(a)所示。而直线特性的功率方向继电器的动作范围则变为一个小于 的折线，如图3.11(b)所示。（6 6）动作角度范围变化对继电器特性的影响动作角度范围变化对继电器特性的影响 图3.11 时的动作特性(a）方向阻抗继电器；(b）功率方向继电器 各种圆或直线特性的继电器均可用极化电压 与补偿电压 进行比相而构成。当保护范围外部故障时，则 同相位；当保护范围末端故障时，则 ，继电器应处于临界动作的条件；当保护范围内部故障时，则 相位差 。(7)(7)继电器的极化电压和补偿电压继电器的极化电压和补偿电压 为了判别 相位的变化，必须有一个参考相量作为基准，这就是所采用的极化电压 ，可以认为不同特性的阻抗继电器的区别只是在于所选的极化电压 不同。当以母线电压 作为极化量时，可得到具有方向性的圆特性（图3.7）阻抗继电器或直线特性的功率方向（图3.9）继电器。当保护安装处出口短路时，继电器将因失去极化电压而不能动作，从而出现电压死区；当以电流 作为极化量时，可得到动作特性为包括原点在内的各种直线，如图3.10所示，这些直线特性的继电器没有方向性，在反方向短路时均能够动作；当以 的复合电压（例如 ）作为极化量时，则得到偏移特性的阻抗继电器，而偏移的程度则取决于 ，即 所占的比重。继电器的动作特性在复数阻抗平面上可以是各种形状的四边形，四边形以内为继电器的动作区，四边形以外为不动作区，如图3.12所示。图中折线A-O-C这段特性广泛采用动作范围小于180度的功率方向继电器来实现，如图3.11（b）所示。直线AB是一个电抗型继电器的特性曲线，通常使其特性曲线下倾 ，以防区外故障时出现超越，引起误动，如图3.10(c）所示。直线BC属电阻型继电器特性，它与R 轴的夹角通常取为70度，可参照图3.10(b）的方法构成。将上述三个特性的继电器组成与门输出，即可获得图3.12的四边形特性。3.2.3 3.2.3 具有四边形特性的阻抗继电器具有四边形特性的阻抗继电器 图3.12 四边形阻抗继电器 在上述三个电压中，当任何两个相邻电压之间的相位差均小于180 度时动作，而大于180度则不动作，即可满足以上分析的要求。图3.13 对两个边折线的分析(a）折线的构成；(b)Zr 位于动作范围内；(c)Zr 位于动作范围外 3.3 3.3 阻抗继电器的接线方式阻抗继电器的接线方式3.3.1 3.3.1 对接线方式的基本要求对接线方式的基本要求 继电器的测量阻抗正比于短路点到保护安装地点之间的距离；继电器的测量阻抗应与故障类型无关，也就是保护范围不随故障类型而变化。3.3.1 3.3.1 对接线方式的基本要求对接线方式的基本要求表3.13.3.2 3.3.2 相间短路阻抗继电器的相间短路阻抗继电器的 接线方式接线方式 （1 1）三相短路三相短路 设短路点至保护安装地点之间的距离为L km，线路每千米的正序阻抗为Z1欧姆，则保护安装地点的电压应为：图3.16 三相短路时测量阻抗的分析(2)(2)两相短路两相短路继电器Zr的测量阻抗为:图3.17 A、B 两相短路时测量阻抗的分析（3 3）中性点直接接地电网中的两相接地短路中性点直接接地电网中的两相接地短路图3.18 A、B 两相接地短路时测量阻抗的分析 设用Z1表示输电线每千米的自感阻抗，Zm表示每千米的互感阻抗，则保护安装地点的故障相电压应为：继电器r1的测量阻抗为 在单相接地时，只有故障相的电压降低，电流增大，而任何相间电压都是很高的，因此，应该将故障相的电压和电流加入继电器中。将故障点的电压和电流分解为对称分量:保护安装地点母线上各对称分量的电压:3.3.3 3.3.3 接地短路阻抗继电器的接线方式接地短路阻抗继电器的接线方式 保护安装地点母线上的A相电压:继电器的测量阻抗为:继电器不能准确地测量从短路点到保护安装地点之间的阻抗，因此，不能采用。为了使继电器的测量阻抗在单相接地时不受零序电流的影响，根据以上分析的结果，就应该给阻抗继电器加入如下的电压和电流：一般可近似认为零序阻抗角和正序阻抗角相等，因而k是一个实数。继电器的测量阻抗即是：（1 1）距离保护第距离保护第段的整定段的整定 一般按躲开下一条线路出口处短路的原则来确定，按式(3.1）和式（3.2）计算，在一般线路上，可靠系数取0.8。（2 2）距离保护第距离保护第段的整定段的整定 如图3.19所示，应按以下两点原则来确定：与相邻线距离保护第段相配合，参照式（3.3）的原则，并考虑分支系数的影响，可采用下式进行计算：式中，可靠系数Krel一般采用0.8;Kb 应采用当保护1第I段末端短路时，可能出现的最小数值。3.4 3.4 距离保护的整定计算距离保护的整定计算3.4.1 3.4.1 距离保护的整定计算原则距离保护的整定计算原则例如，在图3.19 所示具有助增电流的影响时，在K 点短路时变电所A 距离保护2 的测量阻抗为：由于分支系数的存在，与无分支的情况相比，将使保护2处的测量阻抗变化。躲开线路末端变电所变压器低压侧出口处(图3.19中K1点）短路时的阻抗值，设变压器的阻抗为ZT，则启动阻抗应整定为：式中，与变压器配合时的可靠系数，考虑到ZT的误差较大，一般采用Krel=0.7；分支系数则应采用当K点短路时可能出现的最小数值。计算后，应取以上两式中数值较小的一个。此时，距离段的动作时限应与相邻线路的段相配合，一般取为0.5s。校验距离段在本线路末端短路时的灵敏系数。由于是反应于数值下降而动作，其灵敏系数为：对于距离段，在本线路末端短路时，灵敏系数为：一般要求 。当校验灵敏系数不能满足要求时，应进一步延伸保护范围，使之与下一条线路的距离段配合，时限整定为1-1.2s，考虑原则与限时电流速断保护相同。图3.19 选择整定阻抗的网络接线 当第段采用阻抗继电器时，其启动阻抗一般按躲开最小负荷阻抗来整定，式中，可靠系数Krel、自启动系数Kst和返回系数Kre均为大于1 的数值。继电器的启动阻抗为：(3(3）距离保护第）距离保护第段的整定段的整定 当距离保护第段采用全阻抗继电器时，由于它的启动阻抗与角度无关，因此，以式（3.40）的计算结果为半径作圆，此圆即为它的动作特性，如图3.20中的圆1所示。如果保护第段采用方向阻抗继电器，在整定其动作特性圆时，尚需考虑其启动阻抗随角度变化关系，以及正常运行时负荷潮流和功率因数的变化，以确定适当的数值。例如，选择继电器的 ，则圆的直径即段整定阻抗为：图3.20 第段启动阻抗的整定 图3.21 复合特性的阻抗继电器 距离距离段作为远后备保护时，其灵敏系数应按相邻元段作为远后备保护时，其灵敏系数应按相邻元 件末端短路的条件来校验，并考虑分支系数为最大的件末端短路的条件来校验，并考虑分支系数为最大的 运行方式；当作为近后备保护时，则按本线路末端短路运行方式；当作为近后备保护时，则按本线路末端短路的条件来校验。的条件来校验。近后备：近后备：远后备：远后备：(4(4）阻抗继电器的精确工作电流的校验）阻抗继电器的精确工作电流的校验 所谓精确工作电流，就是指当继电器的输入电流等于精确工作电流时，继电器的启动阻抗等于0.9倍的整定阻抗，即比整定阻抗值缩小了10%。在距离保护的整定计算中，应分别按各段保护范围末端短路电流校验各段阻抗继电器的精确工作电流，按照要求，此最小短路电流与继电器精确工作电流之比应为1.5以上。3.4.2 3.4.2 对距离保护的评价对距离保护的评价 根据距离保护的工作原理，它可以在多电源的复杂网络中保证动作的选择性。距离段是瞬时动作的，但是它只能保护线路全长80一85%，因此，两端合起来就使得在30一40的线路长度内的故障不能从两端瞬时切除，在一端须经0.5s的延时才能切除。在220kV及以上电压的网络中，有时候这不能满足电力系统稳定运行的要求，因而，不能作为主保护来应用。由于阻抗继电器同时反应于电压的降低和电流的增大而动作，因此，距离保护较电流、电压保护具有较高的灵敏度。此外，距离段的保护范围不受系统运行方式变化的影响，其他两段受到的影响也比较小，因此，保护范围比较稳定。由于距离保护中采用了复杂的阻抗继电器和大量的辅助继电器，再加上各种必要的闭锁装置，因此，接线复杂，可靠性比电流保护低，这也是它的主要缺点。3.5.1 3.5.1 短路点过渡电阻对距离保护的影响短路点过渡电阻对距离保护的影响（1 1）短路点过渡电阻的性质短路点过渡电阻的性质 电弧电阻 目前我国对500kV线路接地短路的最大过渡电阻按300欧估计，对于220kV线路，则按100欧估计。3.53.5影响距离保护正确动作的因素及其对策影响距离保护正确动作的因素及其对策 图3.22 架空输电线路短路时产生的电弧(a）电弧电阻随时间变化曲线；(b）经电弧短路时电弧上电流、电压的波形(2(2）单侧电源线路上过渡电阻的影响单侧电源线路上过渡电阻的影响 如图3.23所示，短路点的过渡电阻Rg总是使继电器的测量阻抗增大，使保护范围缩短。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。图3.23 单侧电源线路经过渡电阻Rg短路的等效图 图3.24 过渡电阻对不同安装地点距离保护影响的分析 (3）双侧电源线路上过渡电阻的影响双侧电源线路上过渡电阻的影响 在如图3.25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。则保护1和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3.25 双侧电源通过Rg的接线图（4 4）过渡电阻对不同动作特性阻抗元件的影响过渡电阻对不同动作特性阻抗元件的影响 一般来说，阻抗继电器的动作特性在+R轴方向所占的面积越大，则受过渡电阻的影响越小。目前防止过渡电阻影响的方法有：一种方法是根据图3.26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。见图3.27。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。见图3.28。图3.26 过渡电阻对不动作特性阻抗元件影响的比较(a）网络接线；(b）对影响的比较 图3.27 可减小过渡电阻影响的动作特性(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3.28 瞬时测量装置的原理接线图1 一保护装置的启动元件（或第段）;2 一第段阻抗元件；3 一瞬时测量的中间继电器；4 一第段时间元件3.5.23.5.2电力系统振荡对距离保护的影响及振荡闭锁回路电力系统振荡对距离保护的影响及振荡闭锁回路 (1)(1)电力系统振荡时电压电流的分布电力系统振荡时电压电流的分布 电力系统中由于输电线路输送功率过大，超过静稳定极限，由于无功功率不足而引起系统电压降低，或由于短路故障切除缓慢，或由于非同期自动重合闸不成功，这些因素都可能引起系统振荡。图3.29 两侧电源系统中的振荡 图3.29(a）为一两机系统接线图，图上给出系统和线路的参数以及电压电流的假定正方向。如以电势 为参考，使其相位角为零，则 。在系统振荡时，可认为N侧系统等值电势 围 旋转或摆动，因而 落后于 之角度占在0360之间变化。由M侧流向N侧的电流 为：此电流滞后于电势差 的角度为系统总阻抗角 :在振荡时，系统中性点电位仍保持为零，故线路两侧母线的电压 和 为：对于在系统振荡状态下的电流，仍以图3.29(a）的两机系统为例。式（3.45）为振荡电流随振荡角度 而变化的关系式。令 表示两侧系统电势幅值之比，则或 由此可知，振荡电流的幅值与相位都与振荡角度 有关。只有当 恒定不变时，和 为常数，振荡电流才是纯正弦函数。如图3.30(a）所示为振荡电流幅值随 的变化。当 为 的偶数倍时，IM最小。当 为 的奇数倍时，IM最大。设以 为参考相量，则图3.30 电力系统振荡时电流电压的变化 对于系统各元件的阻抗角皆相同、振荡角度 =180的特殊情况，系统各点的电压值可用图3.30(b）的图解法求出。因阻抗角都相同，任意两点间的电压降正比于两点间阻抗的大小 在图3.30(b)中，使线段OM、MN和NO正比于ZM、ZL和ZN。垂直向上，垂直向下，两者相差180。连接 和 端点的直线即为系统各点的电压分布线。线段Mm和Nn的长度按电压标尺等于M和N点的电压 和 。Z为 =180时系统的振荡中心，其电压等于零。其他各点的电压也可用同样方法求得。图3.30(c）为M、N和Z点电压幅值随 变化的典型曲线。对于系统各部分阻抗角不同的一般情况，也可用类似的图解法进行分析。(2(2）电力系统振荡对距离保护的影响）电力系统振荡对距离保护的影响图3.31 分析系统振荡用的系统接线图此处，代表系统总的纵向正序阻抗。M点的母线电压为：因此，安装于M点阻抗继电器的测量阻抗为：当系统振荡时，按式（3.45)，振荡电流为：将此继电器测量阻抗随 变化的关系，画在保护安装地点上，当全系统所有阻抗角相同时，即可由图3.32证明 将在 的垂直平分线 上移动。在近似计算中，假定h=1，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：绘制此轨迹的方法是：绘制此轨迹的方法是：先从M点沿MN方向作出相量 ，然后再从其端点作出相量 ，在不同的 角度时，此相量可能滞后或超前于相量 ，其计算结果如表3.2所示。将后一相量的端点与 M连接即得 。图3.32 系统振荡时测量阻抗的变化 表3.2 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3.33所示，当m=1/2时，直线簇与+jX轴相交，相当于图3.33所分析的情况，此时，振荡中心位于保护范围的正方向；而当m1/2时，直线簇与+jX轴相交，相当于图3.32所分析的情况，此时，振荡中心位于保护范围的正方向；而当m1/2时，直线簇则与-jX相交，振荡中心将位于保护范围的反方向。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（3.57）中，可令ZX代替ZM，并假定m=ZX/Z,m为小于1的变数，则式（3.57）可改写为：图3.33 系统振荡时，不同安装地点距离保护测量阻抗的变化 当两侧系统的电势EMEN，即h1时，继电器测量阻抗的变化将具有更复杂的形式。按照式（3.56）进行分析的结果表明，此复杂函数的轨迹应是位于直线 某一侧的一个圆，如图3.34所示。当h1时，为位于 上面的圆周l；而当hl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3.34 当hl时测量阻抗的变化系统振荡时距离保护所受到的影响分析系统振荡时距离保护所受到的影响分析 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0.85ZL，在图3.35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3.32所示（采用h=1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 ，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，在同样整定值的条件下，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3.35 系统振荡时M变电所测量阻抗的变化图 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。电力系统发生振荡和短路时的主要区别如下：电力系统发生振荡和短路时的主要区别如下：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压幅值的变化速度较慢，而短路时电流是突然增大，电压也突然降低，变化速度很快。(3(3）振荡闭锁回路振荡闭锁回路 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。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。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。振荡闭锁回路从原理上可分为两种：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；一种是利用电流、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：构成振荡闭锁回路时应满足以下基本要求：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。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。在振荡的过程中发生故障时，保护应能正确地动作。先故障而后又发生振荡时，保护不致无选择性的动作。两种原理的振荡闭锁回路举例简介：两种原理的振荡闭锁回路举例简介：l l）利用负序（和零序）分量元件启动的振荡闭锁回路）利用负序（和零序）分量元件启动的振荡闭锁回路 负序电压过滤器：负序电压过滤器：用以从三相不对称电压中取出其负序分量的回路称为负序电压过滤器。由两个电阻一电容阻抗臂构成的负序电压过滤器的原理接线如图3.36所示。当在其输入为此就必须在考虑过滤器的接线时，使正序和零序电压没有输出。在三相电压中，零序电压大小相等相位相同，因此，在线电压中没有零序电压分量。在输入端采用线电压，就可以消除零序电压的影响，使它不可能在输出端出现。正序分量线电压 、是沿着顺时针的方向依次落后120。因此，如果能用一个移相电路，例如，使 向超前方向移动30，再使 向滞后方向移动30，然后将两者相加，则输出电压就等于零，也就是用此方法能消除正序电压的影响。图3.36 负序电压过滤器原理接线图 选择两臂参数的关系为：则当输入端有正序电压加入时，其相量图如图3.37(a）所示，在mn端的输出电压为：当输入端有负序电压加入时，其相量图如图3.37(b）所示，由于负序线电压的相位关系和正序电压相反，因此，在mn端的空载输出电压为：当过滤器输入端加入三相正序电压时，实际上在输出端也会有一个不平衡电压 ，的输出，产生 的原因是由于各元件的实际阻抗值与计算值有所偏差，因而不能完全消掉正序电压的影响。当系统中出现五次谐波分量的电压时，由于它的相位关系和负序分量相似，因此，也会在输出端有电压输出，可能引起保护装置的误动作。必要时可在输出端加装五次谐波滤波器以消除其影响。顺便指出，根据对称分量的基本原理，只要将引入负序电压过滤器的三相端子中的任意两个调换一下，即可得到正序电压过滤器。图3.37 负序电压过滤器相量图(a）加入正序电压；(b）加入负序电压 负序电流过滤器：负序电流过滤器：用以从三相对称电流中取出其负序分量的回路称为负序电流过滤器。构成负序电流过滤器时，应设法消除正序和零序电流的影响，只输出与负序电流成正比的电压。目前常用的一种负序电流过滤器的原理接线如图3.38所示，主要由电抗互感器DKB和中间变流器LB组成。DKB的原边有两个匝数相同的绕组，分别加入电流 和 ，副边的开路电压与所加电流成正比，且相位超前电流90，可用 表示。LB的原边也有两个绕组，其中W1加入电流 ，另一个1/3W1中加入电流 。设LB的变比为n1，则其副边电流为 。根据图3.37的接线，在mn端子上的输出电压可表示为：图3.38 负序电流过滤器原理接线图 当输入端加入正序电流时，其相量图如图3.39(a）所示，输出电压为：如果选取参数为 ，则 也就是可以消除正序电流的影响。当只有零序电流输入时，因 ，因此，在DKB和LB原边的安匝互相抵消，即 。如果只输入负序电流时，如图3.39(b）所示，输出电压为：图3.39 负序电流过滤器的相量图(a）加入正序电流；(b）加入负序电流 如果在参数选择时，使 ，则当只有正序分量时，输出电压为 只有负序分量时，输出电压为 。当同时存在有正序和负序分量时，则输出电压为：就是一个 的复合电流过滤器，式中，K1，K2为比例常数。2 2）反映测量阻抗变化速度的振荡闭锁回路）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、段采用方向阻抗继电器，其段采用偏移特性阻抗继电器时，如图3.41所示，根据其定值的配合，必然存在着ZZZ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3.41 三段式距离保护的动作特性 实现振荡闭锁回路的基本原则：实现振荡闭锁回路的基本原则：当ZZ。同时启动时，允许动作于ZZ跳闸，而当Z先启动，经t。延时后，Z、Z才启动时，则把Z和Z闭锁，不允许它们动作于跳闸。图3.42 反映测量阻抗变化速度的振荡闭锁回路结构框图 l l）启动元件动作）启动元件动作160ms 160ms 以内开放保护的条件以内开放保护的条件 (4(4）新型振荡闭锁工作原理）新型振荡闭锁工作原理 启动元件动作瞬间，若按躲过最大负荷整定的正序过电流元件不动作或动作时间不足10ms，则将保护开放160ms。图3.43 振荡闭锁逻辑框图 2 2）系统振荡中不对称故障时开放条件）系统振荡中不对称故障时开放条件 在系统振荡中发生不对称短路故障时，振荡闭锁分量元件开放保护的动作条件为：系统振荡中，若又发生区外不对称故障，这时，相间、接地距离元件都将可能误动，但是，可以通过正确地设置制动系数m，使式（3.65）在此情况下可靠不成立，以确保振荡闭锁序分虽元件不开放保护。装置中的m值就是根据最不利情况下以振荡闭锁序分量元件不开放保护为原则，并有一定裕度。3 3）系统振荡中发生对称性故障时保护开放的条件）系统振荡中发生对称性故障时保护开放的条件 振荡中心电压振荡中心电压 系统振荡时，振荡中心的电压可以由保护装置算得：式中：母线正序电压；正序电压、电流夹角。系统振荡时，振荡周期在180左右，振荡中心电压UOS 在0.05UN左右，三相短路故障电阻就是弧光电阻，该电阻上压降的幅值也在0.05UN左右。若系统阻抗角为90，振荡电流Iswi垂直于相量 ，并与振荡中心电压 同相位。假设线路为感抗，系统中发生三相短路故障时，短路电流 也与 垂直，而且三相短路时，过渡电阻凡即弧光电阻上的压降与 同相位，并等于 。如图3.44(a）所示，母线正序电压 。由此可见，三相短路弧光电阻上的压降虽然不能测到，但可以由振荡中心电压 代替 ，说明 反映了弧光电阻上的压降。但是，系统实际阻抗角不等于90，振荡中心电压仍然可以反映弧光电阻压降 ，这可由图3.44(b）得到证明。通过d点做补偿角=90-L。相量 为线路电感分量上的电压，为线路电阻分量上的电压，则线路上的电压降 。因为三相短路时母线上的电压 等于线路压降与弧光电阻压降之和，因此，电压相量就是三相短路时弧光电阻压降。由于超高压线路 角很小，所以，,则约等于 ，说明振荡中心电压仍可以反映弧光电阻压降 。振荡中心电压振荡中心电压 与三相短路弧光电阻上的压降与三相短路弧光电阻上的压降IRIRg g的关系的关系 图3.44 系统振荡中心电压 相量图 系统振荡中发生对称性短路故障的判据系统振荡中发生对称性短路故障的判据 二相短路时弧光电阻上的压降约5%U1，而系统振荡时振荡中心电压U0，在振荡周期的180左右一段时内降到最低点也约为5%U1。所以，振荡中心电压在式（3.66）表示的范围内三相短路弧光电阻压降相近，很难区分振荡还是三相短路。实际上，振荡中心电压在（0.030.08)UN范围内，是指两侧系统E，势角摆开为171183.5范围，如果按最大振荡周期3s计算从171183.5需要104ms，其后振荡中心电压值就偏离式（3.66）范围。所以，在满足判据（3.66）后，经过150ms延时可以有效地区分三相短路与振荡。延时后式（3.66）仍能成立，判为三相短路，立即开放保护，否则就是系统振荡，闭锁保护。振荡中三相短路后备保护动作判据振荡中三相短路后备保护动作判据 为了保证三相短路故障时，保护可靠不被闭锁，装置可设置如下后备动作判据，并延时500ms后开放保护。该段振荡中心电压范围对应系统电势角为151191.5，按最大振荡周期3s计算，振荡中心在该区域停留时间为373ms，所以，装置对应的延时取500ms已有足够裕度。