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1、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
2、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
3、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。KZN之 G G 图3-31 双侧电源的电力系统M设系统两侧等效电动势和的幅值相等，相角差（即功角）为，等效电源之间的阻抗为，其中为M侧系统的等值阻抗，为N侧系统的等值阻抗，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： (3-144) (3-145
4、) (3-146)它们之间的相位关系如图3-32(a)所示。以为参考相量，当在0o360o 范围内变化时，相当于相量在0o360o 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o(a)I0 180o 360o 540o 720o 900o(b)U0 180o 360o 540o 720o 900o(c)UM UNUZ由图可以看出电势差的有效值为 (3-147)所以线路电流的有效值为 (3-148)电流有效值随变化的曲线如图(b)所示。电流的相位滞后于的角度为，其相量末端的随变化的轨迹如图(a)中的虚线圆周所示。 假设系
5、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，都必然落在由和的末端连接而成的直线上（即上）。M、N两母线处的电压相量和标在图(a)中。 其有效值随变化的曲线，如图(c)所示。在图(a)中，由o点向相量作一垂线，并将该垂线代表的电压相量记为，显然，在为0以外的任意值时，电压都是全系统最低的，特别是当时，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处。由图(a)可见，振荡中心电压的有效值可以表示为 (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 (3
6、-150)因为 所以 (3-151) 式中 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 ，它对应于线路上从母线M到振荡中心z一段线路的阻抗，是不随变化的。第二部分为，它垂直于，随着的变化而变化。当由变化到时，测量阻抗的末端沿着一条经过阻抗中心点，且垂直于的直线自右向左移动，如图3-33所示。当时，测量阻抗位于复平面的右侧，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，测量阻抗的值也为无穷大，但位于复平面的左侧。RjXNMZmo图3-33 测量阻抗的变化轨迹o12如果和的幅值不相等，则分析表明，系统振荡时测量阻抗末端的轨迹将不再是
7、一条直线，而是一个圆弧。设，当及时，测量阻抗末端的轨迹如图中的虚线圆弧1和2所示。由图可见，保护安装处M到振荡中心z一段线路的阻抗为，它与比值的大小密切相关。当时，它与同方向，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，测量阻抗末端轨迹的直线在坐标原点处与相交；当时，它与方向相反，振荡中心z点位于阻抗平面的第三象限，振荡时测量阻抗末端轨迹的直线在第三象限内与相交。若令，则当和都小于时，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。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
8、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。RjXNM1图3-34 振荡对测量元件的影响234o根据前面的分析，若和都小于，振荡中心就落在母线M、N之间的线路上。当变化时，M、N两处的测量阻抗的末端，都将沿图3-34中的直线移动。由图可见，当在14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；当在23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的情况下，当变至左右时，线路两侧保护
9、I段的测量元件都可能动作。当和任意一个不小于时，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
10、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小于。当线路中传输的功率逐渐增加时，功角将逐渐增大，一旦超过，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、
11、功率和测量阻抗等电气量都将随着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
12、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，
13、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
14、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。跳闸整组复归SRSWDWTDW图3-35 利用故障时短时开放的方式实现振荡闭锁故障判断KZ1（I段）&KZ2（II段）1&II段延时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TDW的短脉冲，在TDW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
