电力系统振荡对距离保护的影响及振荡闭锁回路

3.5.3　电力系统振荡对距离保护的影响及振荡闭锁回路

系统正常运行时，系统各电源之间同步运行，各电源电势之间的相差角为常数；当系统短路切除太慢，或遭受较大冲击时，并列运行的各电源之间失去同步，系统发生振荡，各电源电势之间的相差角随时间而变化，系统中出现幅值以一定周期变化的振荡电流。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、相位都将发生周期性的变化。阻抗继电器的测量阻抗也将周期性的变化，当测量阻抗进入距离保护动作区域时，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（以下简称系统振荡）对其工作的影响。

1）电力系统振荡的特点

（1）系统全相运行时发生系统振荡，三相总是对称的；

（2）振荡时，最大振荡电流接近振荡中心处短路时的短路电流；

（3）振荡的过程是缓慢的（我国电网振荡周期一般为1s左右）。

2）电力系统振荡时电压电流的变化规律

下面以两侧电源辐射形网络（见图3.32）为例，说明系统振荡时各种电气量的变化，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侧系统等值电势围绕旋转或摆动。因的角度δ在0°到360°之间变化

图3.32　两侧电源系统中的振荡

由M侧流向N侧的电流为

此电流落后于电势差的角度为系统总阻抗角φ_z

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

按照上述关系式可画出向量图如图3.32（b）所示。以为实轴落后于的角度为δ。连接向量端点得到电势差电流落后于此电势差的角度为φz。加上Z_N上的电压降得到N点电压减去Zm上的电压降后得到M点电压。由于系统阻抗角等于线路阻抗角，也等于总阻抗的阻抗角，故端点必然落在直线代表输电线上的电压降落。如果输电线是均匀的，则输电线上各点电压向量的端点沿着直线移动。原点与此直线上任一点连线所成的向量即代表输电线上该点的电压。从原点作直线的垂线所得的向量最短，垂足z所代表的输电线上那一点在振荡角度δ下的电压最低，该点称为系统在振荡角度为δ时的电气中心或称振荡中心。当系统阻抗角和线路阻抗角相等且两侧电势幅值相等时，电气中心不随δ的改变而移动，始终位于系统纵向总阻抗（Z_m＋Z_l＋Z_N）之中点，其名称由此而来。当δ＝180°，振荡中心的电压将降至零。从电压、电流的数值看，这和在此点发生三相短路无异。但是系统振荡属于不正常运行状态而非故障，继电保护装置不应动作切除振荡中心所在的线路。因此，继电保护装置必须具备区别三相短路和系统振荡的能力，才能保证在系统振荡状态下的正确工作。

图3.32（c）为系统阻抗角与线路阻抗角不相等的情况。在此情况下电压向量的端点不会落在直线上。如果线路阻抗是均匀的，则线路上任一点电压向量的端点将落在代表线路电压降落的直线上。从原点作直线的垂线即可找到振荡中心的位置及振荡中心的电压。不难看出，在此情况下振荡中心的位置随δ变化而变化。

现在来看在系统振荡状态下的电流。仍以图3.32（a）的两机系统为例。式（3.54）为振荡电流随振荡角度δ变化而变化的关系式。令

表示两侧系统电势幅值之比

由此可知，振荡电流的幅值与相位都与振荡角度δ有关。只有当δ恒定不变时，I_m和θ才为常数，振荡电流才是纯正弦函数。如图3.33（a）所示为振荡电流幅值随δ的变化，当δ为π的偶数倍时，I_m最小；当δ为π的奇数倍时，I_m最大。

图3.33　电力系统振荡时电流电压的变化

下面再研究系统各点电压的分布。对于系统各元件的阻抗角皆相同，振荡角度δ＝180°的特殊情况，系统各点的电压值可用图3.33（b）的图解法求出。因阻抗角都相同，任意两点间的电压降落正比于两点间阻抗的大小。在图3.33（b）中，使线段OM，MN，NO′正比于Z_M、Z_l和Z_N垂直向上垂直向下，两者相差180°。连接端点的直线即为系统各点的电压分布线。线段Mm和N n的长度按电压标尺等于M和N点的电压Z为δ＝180°时系统的振荡中心，其电压等于零。其他各点的电压亦可用同样方法求得。图3.33（c）为M、N和Z点电压幅值随δ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，此处从略。

3）电力系统振荡对距离保护的影响

如图3.34所示，设距离保护安装在变电所M的线路上。

当系统振荡时，按式（3.54），振荡电流为

此处Z_∑代表系统总的纵向正序阻抗。

M点的母线电压为

图3.34　分析系统振荡用的系统接线图

因此安装于M点的阻抗继电器的测量阻抗为

在近似计算中，假定h＝1，系统和线路的阻抗角相同，则继电器的测量阻抗随δ的变化关系是

将此继电器测量阻抗随δ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都相同时，即可由图3.35证明Z_JM将在Z_∑的垂直平分线OO′上移动。

绘制此轨迹的方法是：先从M点沿MN方向做出向量，然后再从其端点作出向量－j在不同的δ角度时，此向量可能滞后或超前向量Z_∑90°，其计算结果如表3.3所示。将后一向量的端点与M连接即得Z_JM。

由此可见，当δ＝0°时，Z_JM＝∞；当δ＝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δ改变时，不仅测量阻抗的数值在变化，而且阻抗角也在变化，其变化的范围在（φ_d－90°）到（φ_d＋90°）之间。

图3.35　系统振荡时测量阻抗的变化

表3.3　的计算结果

在系统振荡时，为了求出不同安装地点距离保护测量阻抗的变化规律，在式（3.66）中可令Z_x代替Zm，并假定m＝Z_x／Zm（m为小于1的变数），则式（3.66）可改写为

当m为不同数值时，测量阻抗的变化轨迹应是平行于OO′线的一直线族，如图3.36所示。当时，特性直线通过坐标原点，相当于保护装置安装在振荡中心处；当直线族与＋jX轴相交，相当于图3.35所分析的情况，此时振荡中心位于保护范围的正方向；而当，直线族与－jX相交，振荡中心将位于保护范围的反方向。

图3.36　系统振荡时，不同安装地点距离保护测量阻抗的变化

图3.37　当h≠1时测量阻抗的变化

当两侧系统的电势E_M≠E_N，即h≠1时，继电器测量阻抗的变化将具有更复杂的形式。按照式（3.65）进行分析的结果表明，此复杂函数的轨迹应是位于直线OO′某一侧的一个圆，如图3.37所示。当h＜1时，为位于OO′上面的圆周1；而当h＞1时，则为下面的圆周2。在这种情况下，当δ＝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。

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段起动阻抗整定为0.85Z_l，在图3.38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为方向透镜型继电器特性；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3.35所示（取h＝1的情况）。找出各种动作特性与直线OO′的交点o′和o″，其所对应的角度为δ′和δ″，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，继电器就要起动，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。由图可见，在同样的整定值条件下，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OO′方向所占面积越大，受振荡的影响就越大。

此外，根据对图3.35的分析还可看到，距离保护受振荡的影响还与保护的安装地点有关。当保护安装地点越靠近于振荡中心时，受到的影响就越大；而振荡中心在保护范围以外或位于保护的反方向时，在振荡的影响下距离保护不会误动作。

图3.38　系统振荡时M变电所测量阻抗的变化图

当保护的动作带有较大的延时（例如≥1.5s）时，如距离Ⅲ段，可利用延时躲开振荡的影响。

4）振荡闭锁回路

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δ＝180°时，保护所受的影响与在系统振荡中心处三相短路时是一样的，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。

电力系统发生振荡和短路时的区别，主要有：

（1）电力系统发生短路的瞬间，短路电流突然增加，母线电压突然降低，变化速度很快，但在短路发生后，若不计其衰减，电流、电压将基本不再变化，保护的测量阻抗，将从负荷阻抗突变为短路阻抗，并维持为短路阻抗不再变化。系统振荡时，系统中的电压、电流都不会有突然的变化，但在整个振荡过程中，电压、电流一直都在作周期性变化，只在δ＝180°时才出现最严重的现象，保护的测量阻抗也不会有突然的变化，但会随着δ的变化而不断的变化。

（2）系统发生各种不对称短路时，故障电压、电流会有较大的负序分量，在发生三相短路的最初瞬间，也会因暂时的不对称而出现负序分量。系统振荡时，三相完全对称，不会出现负序分量。

（3）系统短路时，测量电压与测量电流之间的相位差取决于线路阻抗角，基本不变。系统振荡时，电压、电流之间的相位，随着δ的变化而变化。

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的出现与否来实现，另一种是利用电流、电压或测量阻抗变化速度的不同来实现。

距离保护的振荡闭锁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，闭锁不解除。

（2）系统发生各种类型的故障时，保护不应被闭锁，以保证保护正确动作。

（3）振荡过程中发生故障时，保护应能够正确地动作（即保护区内故障可靠动作，区外故障可靠不动）。

（4）先故障而后又发生振荡时，保护不致无选择性的动作。

现对两种原理的振荡闭锁回路举例简介如下。

（1）利用负序（和零序）分量元件起动的振荡闭锁回路：

①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—电容阻抗臂构成的负序电压过滤器的原理接线图如图3.39所示。当在其输入端加入三相电压时，应要求在它的输出端只有负序电压输出，为此就必须在过滤器的接线时，使正序和零序电压没有输出。

图3.39　负序电压过滤器原理接线图

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，用此方法能消除正序电压的影响。

基于上述原则，在图3.39的接线中，如果选择两臂参数的关系为

则当输入端有正序电压加入时，其向量图如图3.40（a）所示，在m、n端的输出电压为

当输入端有负序电压加入时，其向量图则如图3.40（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m、n端的空载输出电压为

此结果表明，过滤器的空载输出电压与输入端的负序相电压成正比，且相位较超a2前30°。

图3.40　负序电压过滤器向量图

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。例如各元件的参数制作不准确、阻抗随着环境温度的变化而改变、阻抗随着外加电压的变化而改变以及阻抗随着系统频率的变化而改变等，都会使过滤器出现不平衡电压。此外，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。故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（例如将a接b、b接a），即可得到正序电压过滤器。

②负序电流过滤器——用以从三相不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图如图3.41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W ₁加入电流中加入电流设LB的变比为n₁，则其副边电流为，在R上的压降为根据图3.41的接线，在m、n端子上的输出电压可表示为

图3.41　负序电流过滤器原理接线图

当输入端加入正序电流时，其向量图如图3.42（a）所示，输出电压为

如果选取参数为，就可以消除正序电流的影响。

图3.42　负序电流过滤器的向量图

当只有零序电流输入时，因所以，在DKB和LB原边的安匝互相抵消，

如果只输入负序电流时，如图3.42（b）所示，输出电压为

即输出电压与成正比而且同相位，从而达到滤出负序电流的目的。

顺便指出，如果在选择参数时，使则当只有正序分量时，输出电压为；只有负序分量时，输出电压为这样当同时存

l在有正序和负序分量时，则输出电压为

就是一的复合电流过滤器，式中K₁、K₂为比例常数。

（2）反应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3.43所示，根据其整定值的配合，必然存在着Z_Ⅰ＜Z_Ⅱ＜Z_Ⅲ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。

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Z_Ⅲ先起动，Z_Ⅱ再起动，最后Z_Ⅰ起动。而当保护范围内部故障时，由于测量阻抗突然减小，因此，Z_Ⅰ、Z_Ⅱ、Z_Ⅲ将同时起动。基于上述区别，实现这种振荡闭锁回路的基本原则是：当Z_Ⅰ～Z_Ⅲ同时起动时，允许Z_Ⅰ、Z_Ⅱ动作于跳闸；而当Z_Ⅲ先起动，经t₀延时后，Z_Ⅱ、Z_Ⅰ才起动时，则把Z_Ⅰ和Z_Ⅱ闭锁，不允许它们动作于跳闸。按这种原则构成的振荡闭锁回路的结构框图如图3.44所示。

图3.43　三段式距离保护的动作特性

图3.44　反应测量阻抗变化速度的振荡闭锁回路结构框图