距离保护的振荡闭锁

§3.5距离保护得振荡闭锁(Power ＳwｉnｇBlocking oｆ

DiｓtａnｃｅPｒotｅｃtion)

§３。５。１振荡闭锁得概念(Cｏｎcept of ＰoweｒS ｗing Bloｃking)

并联运行得电力系统或发电厂失去同步得现象,称为电力系统得振荡(Powｅr Swinｇ)、电力系统振荡时,系统两侧等效电动势间得夹角在范围内作周期性变化,从而使系统中各点得电压、线路电流、功率方向以及距离保护得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得各种保护得测量元件,就有可能因系统振荡而动作。

电力系统得振荡就是属于严重得不正常运行状态,而不就是故障状态,大多数情况下能够通过自动装置得调节自行恢复同步、如果在振荡过程中继电保护动作,切除了重要得联络线,或断开了电源与负荷,不仅不利于振荡得自动恢复,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,要采取必要得措施,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得措施,就称为振荡闭锁。

因电流保护、电压保护与功率方向保护等一般都只应用在电压等级较低得中低压配电系统,这些系统出现振荡得可能性很小,振荡时保护误动产生得后果也不会太严重,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

级得电力系统,系统出现振荡得可能性大,保护误动造成得损失严重,所以必须考虑振荡闭锁问题、在无特殊说明得情况下,本书所提及得振荡闭锁,都就是指距离保护得振荡闭锁。

§３。5。２电力系统振荡对距离保护测量元件得影响(Effeｃt of Pｏwer Swing to MeasurｉｎｇUnit

of DｉｓtancｅＰｒotｅctioｎ)

1.电力系统振荡时电流、电压得变化规律

现以图3—31所示得双侧电源得电力系统为例,分析系统振荡时电流、电压得变化规律。

(即功角)为,等效电源之间得阻抗为,为N侧系统得等值阻抗,为联络线路得阻抗,则线路中得电流与母线M、Ｎ上得电压分别为:

(３—1

４４)

(3-１45)

(３－１46)

它们之间得相位关系如图3—32(a)所示、以为参考相量,当δ在0ｏ～360o范围内变化时,相当于相量在0o~３60o范围内旋转。

图3-31 双侧电源得电力系统

(3－1４7)

所以线路电流得有效值为

(3－148)

电流有效值随δ变化得曲线如图(ｂ)所示。电流得相位滞后于得角度为,其相量末端得随δ变化得轨迹如图(ａ)中得虚线圆周所示。

假设系统中各部分得阻抗角都相等,则线路上任意一点得电压相量得末端,都必然落在由与得末端连接而成得直线上(即上)。M、N两母线处得电压相量与标在图(ａ)中。其有效值随δ变化得曲线,如图(ｃ)所示。

在图(a)中,由o点向相量作一垂线,并将该垂线代表得电压相量记为,显然,在为0以外得任意值时,电压都就是全系统最低得,特别就是当时,该电压得有效值变为0。电力系统振荡时,电压最低得这一点称为振荡中心,在系统各部分得阻抗角都相等得情况下,振荡中心得位置就位于阻抗中心处。由图(ａ)可见,振荡中心电压得有效值可以表示为

(3-149)

２.电力系统振荡时测量阻抗得变化规律

系统振荡时,安装在Ｍ点处得测量元件得测量阻抗为

(3-15０)

因为

所以(3-15１)

式中 为M 侧系统阻抗占总串联阻抗得比例、

可见,系统振荡时,M 处得测量阻抗由两大部分组成,第

一部分为 ,它对应于线路上从母线M 到振荡中心ｚ一段线路得阻抗,就是不随变化得。第二部分为,它垂直于,随着得变化而变化。当由变化到时,测量阻抗得末端沿着一条经过阻抗中心点,且垂直于得直线自右向左移动,如图3－3３所示。当时,测量阻抗位于复平面得右侧,其值为无穷大;当时,第二部分阻抗等于0,总测量阻抗变成;当时,测量阻抗得值也为无穷大,但位于复平面得左侧。

,当及时,

为,Z 线在第一象限内与相交;当时,该阻抗等于0,振荡中心z 正好位于M 点,测量阻抗末端轨迹得直线在坐标原点处与相交;当时,它与方向相反,振荡中心z 点位于阻抗平面得第三象限,振荡时测量阻抗末端轨迹得直线在第三象限内与相交。

若令,则当与都小于时,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。

R jX 图3-33 测量阻抗得变化轨迹

3.电力系统振荡对距离保护测量元件得影响

在图３—３1所示得双侧电源系统中,假设M、N两处均装有距离保护,其测量元件均采用圆特性得方向阻抗元件,距离Ｉ段得整定阻抗为线路阻抗得８0％,则两侧测量元件得动作特性如图3—34所示,实线圆为M侧Ｉ段得动作特性,虚线圆为Ｎ侧I段得动作特性。

根据前面得分析,若与都

小于,振荡中心就落在母线M、

N之间得线路上、当δ变化时,

Ｍ、N两处得测量阻抗得末端,

都将沿图3—３4中得直线移

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

元件也动作、即在振荡中心落

在本线路上得情况下,当δ变至

左右时,线路两侧保护I段得测

量元件都可能动作。

当与任意一个不小于时,振荡中心都将落在本线路之外,这时两侧保护得测量阻抗都不会进入Ｉ段得动作区,本线路R

jX

图3-34 振荡对测量元件得影响

得距离I段将不受振荡得影响。但由于ＩI段及III段得整定阻抗一般较大,振荡时得测量阻抗比较容易进入其动作区,所以ＩI段及IＩI段得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,并且整定值越大得阻抗继电器越容易受振荡得影响。在整定值相同得情况下,动作特性曲线在与整定阻抗垂直方向得动作区越大时,越容易受振荡得影响。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得动作区较大,所以它受振荡得影响就较大;而方向阻抗特性在整定阻抗垂直方向得动作区较橄榄形特性大,所以它受振荡得影响要比橄榄特性大、

4.引发电力系统振荡得原因

引起电力系统振荡得原因主要有两种,一种则就是因为联络线中传输得功率过大而导致静稳定破坏,另一种就是因电力系统受到大得扰动(如短路、大机组或重要联络线得误切除等)而导致暂态稳定破坏。

电力系统正常运行时,系统中各点得电压均接近额定电压,线路中得电流为负荷电流,传输得功率为负荷功率,此时两侧电源之间得功角δ小于。当线路中传输得功率逐渐增加时,功角δ将逐渐增大,一旦δ超过,系统就有可能发生振荡。由于负荷变化得过程并不就是突发得,所以系统从正常状态变到振荡状态得过程中,电气量不会发生突然得变化。进入

振荡状态后,电压、电流、功率与测量阻抗等电气量都将随着δ得变化而不断得变化,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得情况下,系统得三相仍然就是完全对称得,不会出现负序量与零序量。

电力系统发生短路、断线等较大冲击得情况下,功率可能会出现严重得不平衡,若处置不当,很容易引发系统振荡。这种振荡就是由于电气量得突然剧变引起得,所以系统从正常状态变为振荡状态得过程中,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得变化而不断得变化,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得系统振荡与由暂态稳定破坏引发得系统振荡得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距离保护振荡闭锁得措施(Meａsures of Power Swing Blockinｇ)

距离保护得振荡闭锁,应能够准确地区分振荡与短路,并应满足以下得基本要求:

（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）系统发生各种类型得故障时,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）若振荡得中心不在本保护得保护区内,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,阻抗继电器感受到得测量阻抗为阻抗值基本不变得负荷阻抗,其阻抗值较大、阻抗角较小,一般均落在阻抗继电器得动作区域之外,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、电流与测量阻抗等电气量将随着功角δ得变化而不断得缓慢变化,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,在大扰动发生得瞬间,电压、电流与测量阻抗等电气量有一个突变得过程,扰动过后得振荡过程中,电气量也将随着功角δ得变化而不断得缓慢变化,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。

根据上述得特点与要求,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得措施实现振荡闭锁

所谓系统故障时短时开放,就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、若在开放得时间内,阻抗继电器动作,说明故障点位于阻抗继电器得动作范围之内,则保护继续维持开放状态,直至保护动作,将故障线路跳开;若在开放得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。这种振荡闭锁方式得原理框图如图3-35所示、

,故障判断

SW 以及II 段被闭锁,,即作,动作信号经双稳态触发器ＳW 记忆下来,直至整组复归,S Ｗ输出得信号,又送至一单稳态触发器DW,固定输出时间宽度为ＴDW 得短脉冲,在T DW 时间内允许保护动作。

若故障发生在保护得I 段范围之内,则Ｉ段得阻抗继电

器K Ｚ１立即动作,因保护处于开放状态,动作后立即跳闸。若故障发生在保护得II 段范围之内区内时,则ＩI 段得阻抗继电器KZ2立即动作, II 段动作后实现自保持,直至故障被图3-35 利用故障时短时开放得方式实现振荡闭锁

段延时

切除。由于一般情况下距离保护得第IIＩ段大都通过动作延时来躲避振荡,所以ＩIＩ段无须用短时开放得方法来实现振荡闭锁。

若故障发生在保护得动作区域之外,故障判断元件也也可能动作,并且振荡闭锁部分也会开放TＤＷ时间。如果区外故障没有引起系统振荡,则各段得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,因在刚发生故障后得一定时间(ＴＤW)内角较小,I、ＩＩ段得阻抗继电器不会动作,所以在振荡闭锁开放得时间段内,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称为振荡闭锁得开放时间,或称允许动作时间,它得选择要兼顾两个原则,一就是要保证在正向区内故障时,I段保护有足够得时间可靠跳闸,IＩ段保护得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;二就是要保证在区外故障引起振荡时,测量阻抗不会在故障后得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ＴDW=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,电力系统就是否发生故障得判断,就是短时开放式振荡闭锁方式得核心。故障判断元件,又可称为起动元件,用来完成系统就是否发生故障得判断,它仅需要判断系统就是否发生了故障,而不需要判出故障得远近及方向,对它得要求就是灵敏度高、动作速度快,系统振荡时不误动作。目前距离保护中应用得故障判断元件,主要有反映电压、电流中负序或零序分量得判断元件与反映电流突变量得判断元件两种,现分别讨论如下:

(1)反映电压、电流中负序或零序分量得故障判断元件

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得不对称短路时,故障电压、电流中都会出现较大得负序或零序分量,即使在发生三相对称性短路时,也会因三相短路得不同时或负序、零序滤序器得不平衡输出,在短路瞬间也会有较大得负序或零序分量存在。这样,就可以利用负序或零序分量就是否存在,作为系统就是否发生故障得判断。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)反映电流突变量得故障判断元件

反映电流突变量得故障判断元件就是根据在系统正常

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得。电流突变得检测,既可以用模拟得方法实现,也可以用数字得方法实现,此处仅讨论数字得方法。

设每个工频周期采样得点数为N,则电流得突变量可由下述二式给出

(3－１52)

(3-153)

式中——当前(k)时刻电流得采样值;

——半个工频周期前时刻电流得采样值;

——一个工频周期前(k—N)时刻电流得采样值、电力系统正常运行或发生振荡时,电气量得变化就是比较缓慢得,用上述两式算出得得量值都很小;电力系统短路时,短路电流发生突变,由式(3－152)可以算出故障后得半个工频周期内电流得突变量,由式(3-１53)可以算出故障后得一个工频周期内电流得突变量,两式算出得得量值都很大。因而根据得大小,就能够判断出系统就是否发生故障。

得量值较小时,表明系统没有故障,此时保护仅执行正常运行程序,测量阻抗得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。当得量值较大时,表明系统发生故障,这时保护停止正常程序得执行,开始执行包括故障距离计算、比较与逻辑判断等程序在内得故障

处理程序。如果在故障后得一段开放时间内,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、若在开放得时间内故障处理程序未判出有区内得故障,保护将不再执行故障距离得计算、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,或振荡引起得电网频率偏差较大时,用式(3—１52)、(３—153)算出得量值可能会较大,直接用它进行判断时,有可能造成保护得误开放,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、

一种措施就是将式(３-１52)、(3-１53)改为下列形式

(3-15４)

(3-1５5)

式中—-二个工频周期前(k－２N)时刻电流得采样值。

在系统短路得情况下,用式(３-1５4)、(3-155)计算得到得与用式(３—152)、(3-１53)计算基本相同;而在系统振荡时,、与、虽都可能不为0,但它们得差值都很小,所以由该两式算出得得量值仍然很小,用它进行判断,就不会出现误开放得情况、

另一种措施就是先利用式(3—152)或(3—153)算出突变

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

(3-156)

式中—-三相突变电流半波积分值中得最大值;

?——浮动门槛电流;

--为固定门槛。

采用浮动门槛后,突变电流得动作值将随着突变量算法得不平衡输出得增大而自动提高,可保证系统振荡时不误开放保护、

2．利用阻抗变化率得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突变为短路阻抗,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得变化速度不同构成振荡闭锁。

利用测量阻抗得变化速度不同构成振荡闭锁得原理可以用图3-３6来说明。图(a)为原理示意图,图(b)为逻辑框图,图中Ｚ1为高灵敏度得阻抗元件,Ｚ２为低灵敏度得阻抗元件、

KZ2

(b)

T开始计时,若KT得延时时间Δｔ小于系统振荡情况下测量阻抗从进入Ｚ1到进入Z2得时间,则KＴ在Z２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ZＬ突变至短路阻抗Z k。,这时Z1、Ｚ２两个测量元件将同时动作,Ｚ2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Ｚ2返回。

这相当于在Ｚ1动作后将先开放一个Δt得时间,如果在这段时间内Z２动作,就去开放保护,直到Z2返回,如果在Δt得时间内Z２不动作,保护就不会被开放,从这个意义上讲,这种振荡闭锁也就是一种短时开放,但与前面短时开放不同得就是,测量阻抗每次进入Z1得动作区后,都会开放一定时间,而不就是在整个故障过程中只开放一次。

由于对测量阻抗变化率得判断就是由两个不同大小得阻抗园完成得,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．利用动作得延时实现振荡闭锁

如前所述,电力系统振荡时,距离保护得测量阻抗就是随角得变化而不断变化得,当角变化到某个角度时,测量阻抗进入到阻抗继电器得动作区,而当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得ＩＩI段阻抗继电器来说,测量阻抗落入其动作区得时

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得时间不会超过1～１。5s。这样,只要ＩII段动作得延时时间不小于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,经过预定得延时后,IＩI段动作跳闸。

目前国内各厂家生产得距离保护中,一般都就是利用上述得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得影响。国外厂家生产得距离保护大多都采用大园套小园得振荡闭锁原理、

４. 静稳定破坏引起得振荡得闭锁

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。

但就是,如果在静稳定破坏后得振荡过程中,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得振荡后,闭锁

故障判断元件,使其不再动作。

静稳定破坏得检测可以用按第IＩI段定值整定得阻抗元件或按躲最大负荷电流整定得过电流元件来实现,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,所以保护得Ｉ、ＩＩ段也不会开放,不会误动作、

§3.5.4 振荡过程中再故障得判断(Detectｉon of Fault duringＰowｅr Sｗinｇ)

上述得振荡闭锁措施,能够在系统出现振荡得情况下,可靠地将保护I、ＩＩ段闭锁,使其不会发生误动、但就是如果系统在振荡过程中又发生了内部故障,保护得I、IＩ段也将不能动作,故障将无法被快速切除、为克服此缺点,振荡闭锁元件中还可以增设振荡过程中再故障得判别逻辑,判出振荡过程中又发生内部短路时,将保护再次开放。

当振荡过程中又发生不对称短路时,可用下列判据作为重新开放保护得条件,即

(3-15７)

式中、、——分别为负序、零序与正序电流得幅值;

ｍ——比例系数,一般取0、5~0。7、

在系统全相振荡时,三相电流仍然对称,正序电流很大,

负序与零序电流都为0,虽然与滤过器会有一定得不平衡输出,但量值较小,式(3—157)得不到满足,保护不会开放。

系统振荡过程中又发生各种不对称短路时,短路电流中会有较大得负序或零序分量,能保证振荡过程中发生区内故障时可靠开放保护。

振荡过程中又发生三相对称性故障时,由于不存在负序与零序分量,式(3-157)得不到满足,保护不会开放、为此,必须设置专门得对称故障判别元件、

对称故障判别元件得动作判据为

(3-15８)

式中——为电流落后电压得相角、

为电压相量在电流相量方向上得投影,就是一个标量、分析表明,在系统发生三相短路时,如果忽略系统阻抗与线路阻抗中得电阻分量,则近似等于故障点处得电弧电压,其值一般不超过额定电压得６%,且与故障距离无关、基本不随时间得变化而变化。在系统振荡时,近似为振荡中心得电压,当在附近时,该电压值很小,可能会满足式(３－１58),但当为其它角度时,该电压值就比较高,就不会满足式(3—１58)。也就就是说,振荡过程中又发生三相故障时,式(3－15８)会一直被满足,而在仅有系统振荡时,式(３-15８)仅在较短得时间内满足,其余时间都不满足。这样,用式(3－1５８)配合一个延时时间就能够区分出三相故障与振荡。