大学课件 电力系统继电保护 第三章第五节 距离保护的振荡闭锁

•3.5.1振荡闭锁的概念电力系统的振荡----指并联运行的电力系统或发电厂之间出现功率角大范围周期性变化的现象。电力系统的失步振荡属于严重的不正常运行状态，而不是故障状态。振荡闭锁----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。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。发生振荡自行恢复同步解开已经失步的系统通过自动装置的调节在预定的地点由专门的振荡解列装置动作•3.5.2电力系统振荡对距离保护测量元件的影响•1电力系统振荡时电流、电压的变化规律现以图3-29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EM和EN的幅值相等，相角差（即功角）为δ，等效电源之间的阻抗为Z∑=ZM+Zl+ZN，其中ZM为M侧系统的等值阻抗，ZN为N侧系统的等值阻抗，ZL为联络线路的阻抗。(1)(3124)jMNMEEEeEIZZZ(3125)MMMUEIZ(3126)NNNUEIZ2sin2(3127)MEE2sin2(3128)MEEIZZ线路中的电流和母线M、N上的电压分别为：电势差和线路电流的有效值分别为：系统振荡时的相位关系如图3-30（a）所示。以EM为参考相量，当δ在0°~360°范围内变化时，相当于相量就在0°~360°之间旋转。电流I：电流的相位滞后于△E=EM-EN的角度为系统联系阻抗角φk，其相量的末端随δ变化的轨迹如图3-30（a）中的虚线圆周所示。电流有效值随δ变化的曲线如图3-30（b）所示。Uos：振荡中心----电力系统振荡时，电压最低的这一点称为振荡中心。在图3-30（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Uos，显然，在δ为0°以外的任意值时，电压Uos都是全系统最低的，特别当δ=180°时，该电压的有效值等为0。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处。由图3-30（a）可见，振荡中心电压的有效值可表示为：cos(3129)2osMUEUN：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EM和EN的末端联线连接而成的直线上（即△E上）。M、N两母线处的电压相量UM和UN标在图3-30（a）中。其有效值随变化的曲线，如图3-30（c）所示：•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：式中：ρM=ZM/Z∑，为M侧系统阻抗占系统总联系阻抗的比例。----对应于从保护安装处M到振荡中心点OS的线路阻抗，只与保护安装处到振荡中心的相对位置有关，与功角δ无关。----垂直于Z∑，随着δ的变化而变化。1(3130)1MMMMMmMMjMMMUEIZEZZZZIIIe211cossin12jejjctg1111()()()(3131)222222mMMZZZjZctgZjZctg1()2MZ122jZctg(1)jMmEeEIZZδ=180°时，测量阻抗Zm值最小，变成（1/2-ρM）Z∑，位于系统阻抗角的方向上，相当于在振荡中心处发生三相短路，可能引起保护的误动。δ=360°(－)时，测量阻抗Zm位于复平面的左侧，其值为无穷大。δ=0°(+)时，测量阻抗Zm位于复平面的右侧，其值为无穷大。图3-31：测量阻抗的变化轨迹（设Ke=EM/EN，当Ke=1时，轨迹为一条直线，当Ke1及Ke1时，轨迹如图中虚线圆弧1和2所示。）距离保护安装在系统不同的位置，受到振荡的影响是不同的：（1）即保护安装在送电端且振荡中心位于保护的正方向时，振荡时测量阻抗末端轨迹的直线OO’在第一象限内与Z∑相交，根据保护的动作特性，测量阻抗可能穿越动作区。（2）即保护安装处M正好就是振荡中心，，振荡时测量阻抗末端轨迹的直线OO’在坐标原点处与Z∑相交，肯定穿越动作区。（3）即振荡中心在保护的反方向上，振荡时测量阻抗末端轨迹的直线OO’在第三象限内与Z∑相交，不会引起方向阻抗特性保护的误动作。12M12M12M•3电力系统振荡对距离测量元件特性的影响在图3-29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就如右图所示，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。1423振荡影响N侧测量元件动作M侧测量元件动作距离Ⅰ段不受振荡影响Ⅱ、Ⅲ段测量元件可能误动振荡中心落在M、N之间的线路上振荡中心落在本线路保护范围外N侧测量阻抗落入动作范围内M侧测量阻抗落入动作范围内测量阻抗不会进入Ⅰ段的动作区Ⅱ、Ⅲ段的整定阻抗一般较大，振荡时测量阻抗易进入动作区电力系统振荡时，阻抗继电器是否误动、误动时间长短与保护安装位置、保护动作范围、动作特性的形状和振荡周期长短等有关，安装位置离振荡中心越近、整定值越大、动作特性曲线在与整定阻抗垂直方向的动作区域越大时，越容易受振荡的影响，振荡周期越长误动的时间越长。并不是安装在系统中所有的阻抗继电器在振荡时都会误动，但是，对阻抗继电器在出厂时都要求配备振荡闭锁，使之具有通用性。•4电力系统振荡与短路时电气量的差异对比振荡时短路时负序、零序分量三相完全对称，没有负序和零序分量出现长时（不对称短路中）或瞬间（在三相短路开始时）出现负序或零序分量电气量变化速度电气量呈现周期性变化，其变化速度（dU/dt、dI/dt、dZ/dt等）与系统功角的变化速度一致，比较慢，当两侧功角摆开至180°中时相当于在振荡中心发生三相短路从短路前到短路后其值突然变化，速度很快，各点的残余电压和测量阻抗在不计衰减时是不变的保护误动情况电气量呈现周期性的变化，若阻抗测量元件误动作，在一个振荡周期内动作和返回各一次阻抗测量元件可能动作（区内短路），可能不动作（区外短路）•3.5.3距离保护的振荡闭锁措施振荡闭锁措施的基本要求：系统全相或非全相振荡时----保护装置不应误动作跳闸系统全相或非全相振荡过程中线路发生不对称故障----保护装置应有选择性地动作跳闸系统全相振荡过程中再发生三相故障----保护装置应可靠动作跳闸，并允许带短延时•1利用系统短路时的负序、零序分量或电流突然变化短时开放保护，实现振荡闭锁短时开放----为了提高保护动作的可靠性，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，短时开放距离保护允许保护出口跳闸称为短时开放。开放时间内说明故障在保护区内将故障线路跳开说明故障在保护区外重新将保护闭锁阻抗继电器动作阻抗继电器未动故障判断元件----又可称为启动元件，用来完成系统是否发生短路的判断。要求故障判断元件灵敏度高、动作速度快，系统振荡时不误动作。目前距离保护中广泛应用的两种故障判断元件：（1）反映电压、电流中负序或零序分量的故障判断元件----电力系统正常运行或因静稳定破坏而引发振荡时，系统处于三相对称状态，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；三相对称性短路时，一般由不对称短路发展而来，短时也会有负序、零序输出。利用负序或零序是否存在，作为系统是否发生短路的判断。（2）反映电流突变量的故障判断元件----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。电流突变检测，既可用模拟方法实现，也可用数字方法实现。SW----双稳态触发器DW----单稳态触发器TDW----振荡闭锁的开放时间，或称允许动作时间整组复归元件----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。但是对于先振荡后故障，保护也将被闭锁，尚需要有再故障判别元件。TDW的选择原则：所以，通常情况下取TDW=0.1s~0.3s，现代数字保护中，开放时间一般取0.15s左右。Ⅰ段保护有足够时间可靠跳闸Ⅱ段保护能可靠起动并实现自保持时间不应小于0.1s正向区内故障时测量阻抗不会在故障后的TDW时间内进入动作区将故障线路跳开区外故障引起振荡时系统正常运行或静态稳定被破坏时：电力系统发生故障时：故障判断元件和整组复归元件都不动作SW及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故障判断元件立即动作SW输出信号输出时间宽度为TDW的短脉冲允许保护无延时或有延时动作（距离II段被自保持）保护将闭锁直至满足整组复归条件，准备下次开放动作信号经SW记忆下来，直至整组复归经DW在TDW时间内阻抗判别元件的Ⅰ或Ⅱ段动作阻抗判别元件Ⅰ或Ⅱ段没动作•2利用阻抗变化率的不同来构成振荡闭锁系统发生短路故障时----测量阻抗由负荷阻抗突变为短路阻抗系统振荡时----测量阻抗缓慢变为保护安装处到振荡中心点的线路阻抗它利用短路时阻抗的变化率较大，Z1、Z2的动作时间差小于△t，适时开放。测量阻抗每次进入Z1的动作后，都会开放一定时间。根据测量阻抗的变化速度不同可构成振荡闭锁在Z1动作后开放△t的时间这段时间内Z2不动作Z2动作开放保护直到Z2返回保护不会被开放KZ1----整定值较高的阻抗元件KZ2----整定值较低的阻抗元件由于对测量阻抗变化率的判断是由两个不同大小的阻抗圆完成的，所以这种振荡闭锁通常俗称“大圆套小圆”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，测量元件返回。分析表明，对于按躲过最大负荷整定的Ⅲ段阻抗继电器，测量阻抗落入其动作区的时间一般不会超过1~1.5s，只要Ⅲ段动作的延时时间大于1~1.5s，系统振荡时Ⅲ段保护就不会误动作。•3.5.4振荡过程中再故障的判断对于利用负序、零序分量或电流突然变化短时开放保护的振荡闭锁措施，如果系统在振荡过程中又发生内部故障，保护的Ⅰ、Ⅱ段也将不能动作，故障将无法被快速切除。因此，振荡闭锁元件中还可以增设振荡过程中再故障判别逻辑，判出振荡过程中又发生内部短路时，将保护再次开放。•1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的条件：式中：|I2|、|I0|、|I1|----分别为负序、零序和正序电流的幅值m----比例系数，一般取0.5~0.7201(3132)IImI•2振荡过程中又发生三相对称性故障时对称故障判别元件的动作判据为：用式（3-133）配合一个延时时间就能够区分出三相故障和振荡。0.03..cos0.08..(3133)puUpuφ----电流落后电压的相角系统发生三相短路忽略阻抗中的电阻分量Ucosφ近似等于故障处电弧电压Uarc式（3-133）会一直被满足系统发生振荡Ucosφ近似为振荡中心电压该电压值很小，可能会满足式（3-133）该电压值比较高，不会满足式（3-133）式（3-133）仅在较短的时间内满足其值一般不超过额定电压的6%，与故障距离无关、基本不随时间变化δ在180°度附近δ为其它角度