距离保护地振荡闭锁

§3.5距离保护的振荡闭锁（Power Swing Blocking of Distance

Protection ）

§3.5.1振荡闭锁的概念（Concept of Power Swing Blocking ）

并联运行的电力系统或发电厂失去同步的现象，称为

电力系统的振荡（Power Swing ）。电力系统振荡时，系统两

侧等效电动势间的夹角 在o o 360~0范围内作周期性变化，

从而使系统中各点的电压、线路电流、功率方向以及距离保护的测量阻抗也都呈现周期性变化。这样，以上述这些量为测量对象的各种保护的测量元件，就有可能因系统振荡而动作。

电力系统的振荡是属于严重的不正常运行状态，而不是故障状态，大多数情况下能够通过自动装置的调节自行恢复同步。如果在振荡过程中继电保护动作，切除了重要的联络线，或断开了电源和负荷，不仅不利于振荡的自动恢复，而且还有可能使事故扩大，造成更为严重后果。所以在系统振荡时，要采取必要的措施，防止保护因测量元件动作而误动。这种用来防止系统振荡时保护误动的措施，就称为振荡闭锁。

因电流保护、电压保护和功率方向保护等一般都只应用在电压等级较低的中低压配电系统，这些系统出现振荡的可能性很小，振荡时保护误动产生的后果也不会太严重，所以

一般不需要采取振荡闭锁措施。距离保护一般用在较高电压等级的电力系统，系统出现振荡的可能性大，保护误动造成的损失严重，所以必须考虑振荡闭锁问题。在无特殊说明的情况下，本书所提及的振荡闭锁，都是指距离保护的振荡闭锁。

§3.5.2 电力系统振荡对距离保护测量元件的影响（Effect

of Power Swing to Measuring Unit of Distance

Protection ）

1．电力系统振荡时电流、电压的变化规律

现以图3-31所示的双侧电源的电力系统为例，分析系

统振荡时电流、电压的变化规律。

设系统两侧等效电动势M E 和N E 的幅值相等，相角差（即功角）为δ，等效电源之间的阻抗为N l M Z Z Z Z ++=∑，其中M Z 为M 侧系统的等值阻抗，N Z 为N 侧系统的等值阻

抗，l

Z 为联络线路的阻抗，则线路中的电流和母线M 、N 上的电压分别为：

∑

-∑∑-=?=-=Z e E Z E Z E E I j M N M )1(δ (3-144)

M

M M Z I E U ?-= (3-145) N

N N Z I E U ?+= (3-146) 它们之间的相位关系如图3-32(a)所示。以M

E 为参考相量，当δ在0o ～360o 范围内变化时，相当于N

E 相量在0o ～360o 范围内旋转。

图3-32系统振荡时的电流和电压 (a) 相量图； (b) 电流有效值变化曲线；(c ) 电压有效值变化曲线

)180

max o = N E

(a) δ (b)

δ (c)

由图可以看出电势差的有效值为

2

sin 2δM E E =? (3-147) 所以线路电流的有效值为

2

sin 2δ∑∑=?=Z E Z E I M (3-148) 电流有效值随δ变化的曲线如图(b)所示。电流的相位

滞后于N

M E E E -=?的角度为d ?，其相量末端的随δ变化的轨迹如图(a)中的虚线圆周所示。

假设系统中各部分的阻抗角都相等，则线路上任意一

点的电压相量的末端，都必然落在由M

E 和N E 的末端连接而成的直线上（即E ?上）。M 、N 两母线处的电压相量M

U 和N U 标在图(a)中。 其有效值随δ变化的曲线，如图(c)所示。

在图(a)中，由o 点向相量E

?作一垂线，并将该垂线代表的电压相量记为os

U ，显然，在δ为0以外的任意值时，电压os

U 都是全系统最低的，特别是当o 180=δ时，该电压的有效值变为0。电力系统振荡时，电压最低的这一点称为振荡中心，在系统各部分的阻抗角都相等的情况下，振荡中心的位置就位于阻抗中心∑Z 21处。由图(a)可见，振荡中心电压的

有效值可以表示为

2

cos δM os E U = (3-149) 2．电力系统振荡时测量阻抗的变化规律

系统振荡时，安装在M 点处的测量元件的测量阻抗为

M j M M M M M M M M M m Z Z e Z I E I Z I E I U Z --=-=-==∑-δ11 (3-150)

因为

212s i n c o s 11δδδδj c t g j e j -=+-=-- 所以221)21(221)21(δρδc t g Z j Z c t g Z j Z Z Z M M m ∑∑∑∑--=--=

(3-151)

式中 ∑

=Z Z M M ρ为M 侧系统阻抗占总串联阻抗的比例。

可见，系统振荡时，M 处的测量阻抗由两大部分组成，第一部分为 ∑-Z M )21(ρ ，它对应于线路上从母线M 到振荡中心z 一段线路的阻抗，是不随δ变化的。第二部分为

2

21δctg Z j ∑-，它垂直于∑Z ，随着δ的变化而变化。当δ由o 0变化到o 360时，测量阻抗m Z 的末端沿着一条经过阻抗中心点

∑Z 21，且垂直于∑Z 的直线o o '自右向左移动，如图3-33所示。

当)(0+=o δ时，测量阻抗m Z 位于复平面的右侧，其值为无穷大；

当o 180=δ时，第二部分阻抗等于

0，总测量阻抗变成∑-Z M )21(ρ；当)(360

-=o δ时，测量阻抗的值也为无穷大，但位于复平面的左侧。

如果M

E 和N E 的幅值不相等，则分析表明，系统振荡时测量阻抗末端的轨迹将不再是一条直线，而是一个圆弧。设N M e E E K =，当1>e

K 及1

由图可见，保护安装处M 到振荡中心z 一段线路的阻抗为∑-Z M )21(ρ，它与比值M ρ的大小密切相关。当21

它与∑

Z 同方向，振荡中心Z 点位于阻抗平面的第一象限，振荡时测量阻抗末端轨迹的直线o o '在第一象限内与∑

Z 相交；当21=M ρ时，该阻抗等于0，振荡中心z 正好位于M 点，测量阻抗末端轨迹的直线o o '在坐标原点处与∑Z 相交；当

2

1>M ρ时，它与∑Z 方向相反，振荡中心z 点位于阻抗平面的第三象限，振荡时测量阻抗末端轨迹的直线o o '在第三象限R jX

图3-33 测量阻抗的变化轨迹

内与∑

Z 相交。 若令∑=Z Z N N ρ，则当M ρ和N

ρ都小于21时，振荡中心就落在线路MN 上，其它情况下，振荡中心将落在线路MN 之外。

3．电力系统振荡对距离保护测量元件的影响

在图3-31所示的双侧电源系统中，假设M 、N 两处均

装有距离保护，其测量元件均采用圆特性的方向阻抗元件，距离I 段的整定阻抗为线路阻抗的80％，则两侧测量元件的动作特性如图3-34所示，实线圆为M 侧I 段的动作特性，虚线圆为N 侧I 段的动作特性。

根据前面的分析，若M ρ和

N ρ都小于21，振荡中心就落在母线M 、N 之间的线路上。当

δ变化时，M 、N 两处的测量阻

抗的末端，都将沿图3-34中的直线o o '移动。由图可见，当δ

在δ1～δ4范围内时，N 侧测量

阻抗落入动作范围之内，其测

量元件动作；当δ在δ2～δ3范

围内时，M 侧测量阻抗也落入

动作范围之内，其测量元件也

R jX

图3-34 振荡对测量元件的影响

R

动作。即在振荡中心落在本线

路上的情况下，当δ变至o 180

=δ左右时，线路两侧保护I 段的测量元件都可能动作。

当M ρ和N ρ任意一个不小于2

1时，振荡中心都将落在本线路之外，这时两侧保护的测量阻抗都不会进入I 段的动作区，本线路的距离I 段将不受振荡的影响。但由于II 段及III 段的整定阻抗一般较大，振荡时的测量阻抗比较容易进入其动作区，所以II 段及III 段的测量元件可能会动作。

总之，电力系统振荡时，阻抗继电器有可能因测量阻

抗进入其动作区而动作，并且整定值越大的阻抗继电器越容易受振荡的影响。在整定值相同的情况下，动作特性曲线在与整定阻抗垂直方向的动作区越大时，越容易受振荡的影响。比如，与方向圆阻抗特性相比，全阻抗特性在与整定阻抗垂直方向的动作区较大，所以它受振荡的影响就较大；而方向阻抗特性在整定阻抗垂直方向的动作区较橄榄形特性大，所以它受振荡的影响要比橄榄特性大。

4．引发电力系统振荡的原因

引起电力系统振荡的原因主要有两种，一种则是因为

联络线中传输的功率过大而导致静稳定破坏，另一种是因电力系统受到大的扰动（如短路、大机组或重要联络线的误切除等）而导致暂态稳定破坏。

电力系统正常运行时，系统中各点的电压均接近额定电压，线路中的电流为负荷电流，传输的功率为负荷功率，此时两侧电源之间的功角δ小于090。当线路中传输的功率逐渐增加时，功角δ将逐渐增大，一旦δ超过090，系统就有可能发生振荡。由于负荷变化的过程并不是突发的，所以系统从正常状态变到振荡状态的过程中，电气量不会发生突然的变化。进入振荡状态后，电压、电流、功率和测量阻抗等电气量都将随着δ的变化而不断的变化，阻抗继电器可能因测量阻抗进入其动作范围而误动作。

此外，在静稳定破坏引发振荡的情况下，系统的三相仍然是完全对称的，不会出现负序量和零序量。

电力系统发生短路、断线等较大冲击的情况下，功率可能会出现严重的不平衡，若处置不当，很容易引发系统振荡。这种振荡是由于电气量的突然剧变引起的，所以系统从正常状态变为振荡状态的过程中，电气量会发生突变，系统也可能出现三相不对称。进入振荡状态后，电气量将随着δ的变化而不断的变化，阻抗继电器也可能因测量阻抗进入其动作范围而误动作。

由此可见，虽然由静稳定破坏引发的系统振荡和由暂态稳定破坏引发的系统振荡的电气量变化过程有所不同，但在进入振荡状态后，阻抗继电器都有可能误动作，为防止距离保护误动作，在两种情况下，都应将保护闭锁。

§3.5.3 距离保护振荡闭锁的措施（Measures of Power Swing Blocking）

距离保护的振荡闭锁，应能够准确地区分振荡与短路，并应满足以下的基本要求：

（1）系统发生振荡而没有故障时，应可靠地将保护闭锁，且振荡不平息，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）振荡过程中再发生故障时，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）若振荡的中心不在本保护的保护区内，则阻抗继电器就不可能因振荡而误动，这种情况下保护可不采用振荡闭锁。

如上所述，电力系统正常运行时，阻抗继电器感受到的测量阻抗为阻抗值基本不变的负荷阻抗，其阻抗值较大、阻抗角较小，一般均落在阻抗继电器的动作区域之外，阻抗继电器不会动作；电力系统因静稳定破坏而引发振荡时，电压、电流和测量阻抗等电气量将随着功角δ的变化而不断的缓慢变化，经一定时间后，阻抗继电器可能因测量阻抗进入其动作区而动作；电力系统因暂态稳定破坏而引发振荡时，在大扰动发生的瞬间，电压、电流和测量阻抗等电气量有一个突变的过程，扰动过后的振荡过程中，电气量也将随着功角

δ的变化而不断的缓慢变化，一定时间后阻抗继电器也可能误动作；保护区内发生短路故障时，故障电压、电流都会发生突变，测量阻抗也将从负荷阻抗突变为短路阻抗，并基本维持短路阻抗不变，测量元件立即动作，并在故障切除前一直处于动作状态。

根据上述的特点和要求，距离保护一般采用以下几种振荡闭锁措施：

1．利用系统故障时短时开放的措施实现振荡闭锁

所谓系统故障时短时开放，就是在系统没有故障时，距离保护一直处于闭锁状态，当系统发生故障时，短时开放距离保护。若在开放的时间内，阻抗继电器动作，说明故障点位于阻抗继电器的动作范围之内，则保护继续维持开放状态，直至保护动作，将故障线路跳开；若在开放的时间内阻抗继电器未动，则说明故障不在保护区内，则重新将保护闭锁。这种振荡闭锁方式的原理框图如图3-35所示。

段延时

图3-35 利用故障时短时开放的方式实现振荡闭锁

系统正常运行或因静稳定失去而出现振荡时，故障判断元件和整组复归元件都不会动作，这时双稳触发器SW以及单稳触发器DW都不会动作，保护装置的I段和II段被闭锁，无论阻抗继电器本身是否动作，保护都不可能动作跳闸，即不会发生误动。电力系统发生故障时，故障判断元件立即动作，动作信号经双稳态触发器SW记忆下来，直至整组复归，SW输出的信号，又送至一单稳态触发器DW，固定输出时间宽度为T DW的短脉冲，在T DW时间内允许保护动作。

若故障发生在保护的I段范围之内，则I段的阻抗继电器KZ1立即动作，因保护处于开放状态，动作后立即跳闸。若故障发生在保护的II段范围之内区内时，则II段的阻抗继电器KZ2立即动作，II段动作后实现自保持，直至故障被切除。由于一般情况下距离保护的第III段大都通过动作延时来躲避振荡，所以III段无须用短时开放的方法来实现振荡闭锁。

若故障发生在保护的动作区域之外，故障判断元件也也可能动作，并且振荡闭锁部分也会开放T DW时间。如果区外故障没有引起系统振荡，则各段的阻抗继电器都不会动作，所以保护也不会发生误动；若区外故障引起了系统振荡，

因在刚发生故障后的一定时间（T DW）内δ角较小，I、II段的阻抗继电器不会动作，所以在振荡闭锁开放的时间段内，保护不会误动，T DW时间后，I、II段阻抗继电器可能会因δ变大而动作，但这时开放时间已过，保护也不会误动作。

T DW称为振荡闭锁的开放时间，或称允许动作时间，它的选择要兼顾两个原则，一是要保证在正向区内故障时，I 段保护有足够的时间可靠跳闸，II段保护的测量元件能够可靠起动并实现自保持，因而时间不能太短，一般不应小于0.1s；二是要保证在区外故障引起振荡时，测量阻抗不会在故障后的T DW时间内进入动作区，因而时间又不能太长，一般不应大于0.3s。所以，通常情况下取T DW=0.1~0.3s，现代数字保护中，开放时间一般取0.15s左右。

整组复归元件在故障或振荡消失后再经过一个延时动作，将SW复原，它与故障判断元件、SW配合，保证在整个一次故障过程中，保护只开放一次。

可见，电力系统是否发生故障的判断，是短时开放式振荡闭锁方式的核心。故障判断元件，又可称为起动元件，用来完成系统是否发生故障的判断，它仅需要判断系统是否发生了故障，而不需要判出故障的远近及方向，对它的要求是灵敏度高、动作速度快，系统振荡时不误动作。目前距离保护中应用的故障判断元件，主要有反映电压、电流中负序或零序分量的判断元件和反映电流突变量的判断元件两种，

现分别讨论如下：

（1）反映电压、电流中负序或零序分量的故障判断元件电力系统系统正常运行或因静稳定破坏而引发振荡时，系统均处于三相对称状态，电压、电流中不存在负序或零序分量。电力系统发生各种类型的不对称短路时，故障电压、电流中都会出现较大的负序或零序分量，即使在发生三相对称性短路时，也会因三相短路的不同时或负序、零序滤序器的不平衡输出，在短路瞬间也会有较大的负序或零序分量存在。这样，就可以利用负序或零序分量是否存在，作为系统是否发生故障的判断。电压、电流中不存在负序或零序分量时，故障判断元件不动作，从而将保护闭锁；电压、电流中存在较大负序或零序分量时，故障判断元件立即动作，短时开放保护。

（2）反映电流突变量的故障判断元件

反映电流突变量的故障判断元件是根据在系统正常或振荡时电流变化比较缓慢，而在系统故障时电流会出现突变这一特点来进行故障判断的。电流突变的检测，既可以用模拟的方法实现，也可以用数字的方法实现，此处仅讨论数字的方法。

设每个工频周期采样的点数为N，则电流的突变量可由下述二式给出

)2

()()(N k i k i k i -+=? (3-152) )()()(N k i k i k i --=? (3-153)

式中 )(k i ——当前（k ）时刻电流的采样值；

)2(N k i -——半个工频周期前)2

(N k -时刻电流的采样值；

)(N k i -——一个工频周期前（k －N ）时刻电流的

采样值。

电力系统正常运行或发生振荡时，电气量的变化是比

较缓慢的，用上述两式算出的)(k i ?的量值都很小；电力系统短路时，短路电流发生突变，由式(3-152)可以算出故障后的半个工频周期内电流的突变量，由式(3-153)可以算出故障后的一个工频周期内电流的突变量，两式算出的)(k i ?的量值都很大。因而根据)(k i ?的大小，就能够判断出系统是否发生故障。

)(k i ?的量值较小时，表明系统没有故障，此时保护仅

执行正常运行程序，测量阻抗的计算与比较等各种保护功能算法程序根本不执行，这样也就不可能发生误动作。当)(k i ?的量值较大时，表明系统发生故障，这时保护停止正常程序的执行，开始执行包括故障距离计算、比较和逻辑判断等程序在内的故障处理程序。如果在故障后的一段开放时间内，故障处理程序判断为区内故障，则继续进行故障处理

计算，直至保护动作，故障消失。若在开放的时间内故障处理程序未判出有区内的故障，保护将不再执行故障距离的计算、比较、判断等故障处理程序，转而执行振荡闭锁程序，将保护闭锁。故障消失或振荡平息后，再经过一个延时时间，保护整组复归，重新执行正常运行程序。

当系统振荡频率较快，或振荡幅度较大，或振荡引起

的电网频率偏差较大时，用式（3-152）、（3-153）算出)(k i ?的量值可能会较大，直接用它进行判断时，有可能造成保护的误开放，从而可能造成保护误动作。

为防止这种情况发生，可采取以下两种措施。

一种措施是将式（3-152）、（3-153）改为下列形式

)()2

()2()()(N k i N k i N k i k i k i -+---+=? (3-154) )2()()()()(N k i N k i N k i k i k i ------=? (3-155)

式中 )2(N k i -——二个工频周期前（k －2N ）时刻电流的采样值。

在系统短路的情况下，用式（3-154）、（3-155）计算得到的)(k i ?与用式（3-152）、（3-153）计算基本相同；而在系统振荡时，)2()(N k i k i -+、)()2(N k i N k i -+-和)()(N k i k i --、

)2()(N k i N k i ---虽都可能不为0，但它们的差值都很小，所以由该两式算出的)(k i ?的量值仍然很小，用它进行判断，就不会出现误开放的情况。

另一种措施是先利用式（3-152）或（3-153）算出突变

电流的离散值，然后利用半波积分算法求出突变电流的半波积分值（半波积分算法详见第九章），并利用下式进行判断

n T I I I 2.025.1max +?>?Φ (3-156)

式中 m a x

Φ?I ——三相突变电流半波积分值中的最大值； T I ? ——浮动门槛电流；

n I 2.0——为固定门槛。

采用浮动门槛后，突变电流的动作值将随着突变量算

法的不平衡输出的增大而自动提高，可保证系统振荡时不误开放保护。

2． 利用阻抗变化率的不同来构成振荡闭锁

如上所述，在电力系统发生短路故障时，测量阻抗从

负荷阻抗L Z 突变为短路阻抗k Z ，而在系统振荡时，测量阻抗变化比较缓慢，这样，就可以根据测量阻抗的变化速度不同构成振荡闭锁。

利用测量阻抗的变化速度不同构成振荡闭锁的原理可

以用图3-36来说明。图（a ）为原理示意图，图（b ）为逻辑框图，图中Z 1为高灵敏度的阻抗元件，Z 2为低灵敏度的阻抗元件。

系统正常运行时，两个阻抗元件Z 1和Z 2都不会动作，所以保护不可能开放。系统发生振荡时，测量阻抗缓慢变化，首先进入动作特性Z 1，测量元件Z 1先动作，“与门1”动作使KT 开始计时，若KT 的延时时间Δt 小于系统振荡情况下测量阻抗从进入Z 1到进入Z 2的时间，则KT 在Z 2动作之前动作，将“与门2”闭锁，使保护不能开放。而当系统内部短路故障时，测量阻抗从负荷阻抗Z L 突变至短路阻抗Z k ，这时Z 1、Z 2两个测量元件将同时动作，Z 2动作后T 动作前，通过“与门2”开放保护，并将“与门1”闭锁，使T 返回，这样，“与门2”将维持开放状态，直到Z 2返回。

这相当于在Z 1动作后将先开放一个Δt 的时间，如果在

这段时间内Z 2动作，就去开放保护，直到Z 2返回，如果在Δt 的时间内Z 2不动作，保护就不会被开放，从这个意义上讲，这种振荡闭锁也是一种短时开放，但与前面短时开放不同的是，测量阻抗每次进入Z 1的动作区后，都会开放一定(b)

图3-36 利用电气量变化速度不同构成振荡闭锁 (a) 原理示意图；(b) 逻辑框图 KZ2

时间，而不是在整个故障过程中只开放一次。

由于对测量阻抗变化率的判断是由两个不同大小的阻抗园完成的，所以这种振荡闭锁通常俗称为“大园套小园”振荡闭锁原理。

3．利用动作的延时实现振荡闭锁

如前所述，电力系统振荡时，距离保护的测量阻抗是随

δ角的变化而不断变化的，当δ角变化到某个角度时，测量阻抗进入到阻抗继电器的动作区，而当δ角继续变化到另个角度时，测量阻抗又从动作区移出。分析表明，对于按躲过最大负荷整定的III段阻抗继电器来说，测量阻抗落入其动作区的时间一般不会超过1～1.5s，即系统振荡时III段阻抗继电器动作持续的时间不会超过1～1.5s。这样，只要III 段动作的延时时间不小于1～1.5s，系统振荡时III段保护就不会误动作。系统故障时，若I、II段保护拒动，测量阻抗会一直落在III段动作区内，经过预定的延时后，III段动作跳闸。

目前国内各厂家生产的距离保护中，一般都是利用上述

的短时开放原理在振荡过程中闭锁I、II段保护，但III段保

护一直处于开放状态，它依靠动作延时来免受振荡的影响。

国外厂家生产的距离保护大多都采用大园套小园的振荡闭

锁原理。

4．静稳定破坏引起的振荡的闭锁

在采取了上述故障时短时开放保护地措施后，系统正常运行或因静稳定破坏而发生振荡时，由于故障判断元件不动作，所以保护不会被开放，即使测量元件因振荡而动作，保护也不会误动跳闸。在故障情况下，启动元件动作，短时开放保护，既能够保证区内故障可靠动作，又能够保证在区外故障引发系统振荡时可靠闭锁。

但是，如果在静稳定破坏后的振荡过程中，又发生了区外故障，或故障判断元件因系统操作、振荡严重等情况发生误动，保护将会被开放，可能会因测量阻抗正好位于动作区内而造成保护误动作。为解决此问题，距离保护中还应设置静稳定破坏检测部分，在检出静稳定破坏引发的振荡后，闭锁故障判断元件，使其不再动作。

静稳定破坏的检测可以用按第III段定值整定的阻抗元件或按躲最大负荷电流整定的过电流元件来实现，当III段阻抗元件或过电流元件动作而起动元件未动时，就判断为静态稳定破坏，闭锁起动元件，同时进入振荡闭锁，振荡停息之前，起动元件一直被闭锁，所以保护的I、II段也不会开放，不会误动作。

§3.5.4 振荡过程中再故障的判断（Detection of Fault during Power Swing）

上述的振荡闭锁措施，能够在系统出现振荡的情况下，可靠地将保护I、II段闭锁，使其不会发生误动。但是如果