第3章电网距离保护2

1、 电力系统振荡电力系统振荡振荡现象：振荡现象：并联运行的同步发电机之间出现功角大范围周期性变并联运行的同步发电机之间出现功角大范围周期性变化的现象，称为振荡。化的现象，称为振荡。振荡产生原因：振荡产生原因：系统故障、线路无故障跳闸、系统突然失去大容量的系统故障、线路无故障跳闸、系统突然失去大容量的负荷和发电机等大的扰动都有可能引起系统振荡。负荷和发电机等大的扰动都有可能引起系统振荡。振荡表现形式：衰减振荡，系统失去同步。两者的不同振荡表现形式：衰减振荡，系统失去同步。两者的不同表现在振荡功角的变化范围和变化周期。表现在振荡功角的变化范围和变化周期。 电力系统振荡电力系统振荡振荡表现形式：振荡表

2、现形式：形式一：衰减振荡，机组间功角变化幅度逐渐减小形式一：衰减振荡，机组间功角变化幅度逐渐减小，最后振荡平息。，最后振荡平息。 形式二：系统失去同步，机组间功角在形式二：系统失去同步，机组间功角在0-360度之度之间作周期性变化。间作周期性变化。 两者的不同表现在振荡时功角的变化范围和变两者的不同表现在振荡时功角的变化范围和变化周期。化周期。 两者的共同点在于功角均近似的作周期性变化两者的共同点在于功角均近似的作周期性变化 电力系统振荡对保护的影响电力系统振荡对保护的影响电力系统振荡时，会引起系统各个点的电流、电压、测电力系统振荡时，会引起系统各个点的电流、电压、测量阻抗、功率等的大范围、周

3、期性变化。一旦保护安装量阻抗、功率等的大范围、周期性变化。一旦保护安装处的上述各电气量满足保护动作条件，有可能引起保护处的上述各电气量满足保护动作条件，有可能引起保护动作。动作。振荡闭锁：振荡闭锁：由于由于振荡本身只是一种不正常运行状态振荡本身只是一种不正常运行状态，而非故障。因，而非故障。因此一般靠电力系统自动装置如励磁调节、调速、此一般靠电力系统自动装置如励磁调节、调速、PSS等等的调节，可以使系统恢复同步运行。因而振荡时，不希的调节，可以使系统恢复同步运行。因而振荡时，不希望保护无计划动作导致切除重要联络线，这可能使事故望保护无计划动作导致切除重要联络线，这可能使事故扩大，造成更为严重的

4、事故。扩大，造成更为严重的事故。因此在系统振荡时，应采因此在系统振荡时，应采取措施防止保护误动，这种措施统称为振荡闭锁。取措施防止保护误动，这种措施统称为振荡闭锁。 振荡现象研究的数学模型及假设条件振荡现象研究的数学模型及假设条件数学模型：数学模型： 双机系统模型双机系统模型假设条件：假设条件： 两侧系统等值电势大小相等，只考虑其相位的变化两侧系统等值电势大小相等，只考虑其相位的变化研究目的：研究目的： 发现振荡时电气量变化规律与故障时电气量变化规发现振荡时电气量变化规律与故障时电气量变化规律的差别，寻找振荡判据。律的差别，寻找振荡判据。（一）电力系统振荡时电流、电压的变化规律（一）电力系统振

5、荡时电流、电压的变化规律1. 振荡时保护测量电流振荡时保护测量电流(1)jMNMMjMEEEE eIZZEeZ2sin2MEIZ相量幅值NLMZZZZ其中（一）电力系统振荡时电流、电压的变化规律（一）电力系统振荡时电流、电压的变化规律振荡时保护测量电流幅值变化规律振荡时保护测量电流幅值变化规律2sin2MEIZ可见，振荡时保护测量电流幅值（或有效值）在做周期性变化，变化周期等于振荡周期。电流幅值最小时为0（一）电力系统振荡时电流、电压的变化规律（一）电力系统振荡时电流、电压的变化规律2. 振荡时保护测量电压振荡时保护测量电压相量其中ZZMM)1 (jMMMMNMMMMMeEZZEEEZIEU（

6、一）电力系统振荡时电流、电压的变化规律（一）电力系统振荡时电流、电压的变化规律2. 振荡时保护测量电压振荡时保护测量电压可见，振荡时保护测量压幅值（或有效值）也在做周期性变化，变化周期等于振荡周期。但沿线路不同点电压幅值的变化范围不同（一）电力系统振荡时电流、电压的变化规律（一）电力系统振荡时电流、电压的变化规律振荡时的电流电压相量图（假设系统的阻抗角均相同）振荡时的电流电压相量图（假设系统的阻抗角均相同）（一）电力系统振荡时电流、电压的变化规律（一）电力系统振荡时电流、电压的变化规律振荡中心的概念：振荡中心的概念：振荡时，沿线路不同点电压幅值的变化范围不同。系振荡时，沿线路不同点电压幅值的变

7、化范围不同。系统振荡时，沿线路电压最低的一点称为振荡中心。统振荡时，沿线路电压最低的一点称为振荡中心。 但所有阻抗角均相同时，振荡中心位于电气中点，但所有阻抗角均相同时，振荡中心位于电气中点，即即 处。处。2Z振荡中心电压相量有效值为振荡中心电压相量有效值为2cosMosEU（二）电力系统振荡时保护测量阻抗变化规律（二）电力系统振荡时保护测量阻抗变化规律振荡时安装于振荡时安装于M侧的保护测量阻抗为侧的保护测量阻抗为MjMNMMMMMMMMMMMmZZeZZEEEZIEIZIEIUZ11因为212sincos11jctgjej从而221)21(221)21(ctgZjZctgZjZZZMMm（二

8、）电力系统振荡时保护测量阻抗变化规律（二）电力系统振荡时保护测量阻抗变化规律振荡过程安装于振荡过程安装于M侧的保护测量阻抗变化轨迹侧的保护测量阻抗变化轨迹NMeEEK 其中（三）电力系统振荡对距离保护的影响（三）电力系统振荡对距离保护的影响 若振荡中心在距离若振荡中心在距离段保护范围内，则在振荡中距离段保护范围内，则在振荡中距离段可能误动段可能误动 若振荡中心在距离若振荡中心在距离段保护范围内，则距离段保护范围内，则距离段会否误段会否误动取决于振荡周期，振荡频率越慢，越易引起误动动取决于振荡周期，振荡频率越慢，越易引起误动 距离距离段一般靠动作延时可以躲过振荡影响（振荡周期段一般靠动作延时可以

9、躲过振荡影响（振荡周期一般在一般在0.1-1.5s之间）之间） 振荡中心不在保护范围内，则不会引起保护误动振荡中心不在保护范围内，则不会引起保护误动 保护动作区形状不同，受振荡影响的程度不同保护动作区形状不同，受振荡影响的程度不同小结：小结：振荡过程对距离保护的影响，与保护的安装位置、振荡过程对距离保护的影响，与保护的安装位置、保护的动作范围、振荡周期的长短，保护动作特性有关保护的动作范围、振荡周期的长短，保护动作特性有关（四）电力系统振荡与短路两种情况下电气量差别（四）电力系统振荡与短路两种情况下电气量差别 对称性差异。对称性差异。 振荡时系统三相对称，无负序和零序分量。不对称短路则有负振荡

10、时系统三相对称，无负序和零序分量。不对称短路则有负序和零序分量出现。对称短路往往是由不对称短路发展而来，序和零序分量出现。对称短路往往是由不对称短路发展而来，因而故障初期，一般也会出现短时的负序和零序分量。因而故障初期，一般也会出现短时的负序和零序分量。 电气量变化速率的差异。电气量变化速率的差异。 振荡时，电气量呈现周期性变化，其变化过程是渐变的，变化振荡时，电气量呈现周期性变化，其变化过程是渐变的，变化范围大。而故障时电流电压的变化是突变的，且故障后测量电范围大。而故障时电流电压的变化是突变的，且故障后测量电流电压、阻抗的测量值基本不变。流电压、阻抗的测量值基本不变。 周期性的差异周期性的

11、差异 振荡时测量阻抗在一个振荡周期内，若振荡中心在保护范围内振荡时测量阻抗在一个振荡周期内，若振荡中心在保护范围内，则距离元件动作和返回各一次；而短路时则距离元件或者动，则距离元件动作和返回各一次；而短路时则距离元件或者动作或者不动作，取决于故障点位置。作或者不动作，取决于故障点位置。 以上差异是识别振荡和故障的依据，也是实现振荡以上差异是识别振荡和故障的依据，也是实现振荡闭锁的主要出发点闭锁的主要出发点 （一）对振荡闭锁元件的基本要求（一）对振荡闭锁元件的基本要求 系统发生全相或非全相振荡时，保护装置不应误动系统发生全相或非全相振荡时，保护装置不应误动作，即作，即单纯振荡要可靠闭锁保护单纯振

12、荡要可靠闭锁保护 系统在全相或非全系统在全相或非全相振荡过程中相振荡过程中，被保护线路发生，被保护线路发生各种类型的各种类型的不对称故障不对称故障，保护装置应有选择性的跳，保护装置应有选择性的跳闸闸,纵联保护仍应纵联保护仍应快速动作快速动作。1. 系统在全相振荡过程中又发生三相故障时，保护装系统在全相振荡过程中又发生三相故障时，保护装置应可靠动作，并允许带一定延时。置应可靠动作，并允许带一定延时。 为了提高保护动作的可靠性，在系统没有故为了提高保护动作的可靠性，在系统没有故障时，一般距离保护一直处于闭锁状态。当系统障时，一般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

13、口跳发生故障时，短时开放距离保护允许保护出口跳闸称为闸称为短时开放短时开放。 若在开放的时间内，阻抗继电器动作，说明故障点位若在开放的时间内，阻抗继电器动作，说明故障点位于阻抗继电器动作范围之内，将故障线路跳开；于阻抗继电器动作范围之内，将故障线路跳开； 若在开放的时间内阻抗继电器未动作，则说明故障不若在开放的时间内阻抗继电器未动作，则说明故障不在保护区内，重新将保护闭锁。在保护区内，重新将保护闭锁。（一）振荡闭锁原理（一）振荡闭锁原理1. 故障启动时保护的短时开放故障启动时保护的短时开放（一）振荡闭锁原理（一）振荡闭锁原理1. 故障启动时保护的短时开放故障启动时保护的短时开放（一）振荡闭锁原

14、理（一）振荡闭锁原理 故障启动时保护的短时开放故障启动时保护的短时开放 几点说明几点说明 开放时间的长短：兼顾两个原则开放时间的长短：兼顾两个原则 首先保证正向区内故障时，I段保护有足够的时间可靠跳闸（不小于0.1s），II段保护的测量元件能够可靠启动并实现自保持； 其次要保证在区外故障引起振荡时，测量阻抗不会在故障后的开放时间内进入动作区（不大于0.3s）； 开放时间一般取150ms左右。 整组复归元件在故障或振荡消失后再经过一整组复归元件在故障或振荡消失后再经过一个延时动作，将个延时动作，将SW复原，它与启动元件、复原，它与启动元件、SW配配合，保证在合，保证在整个一次故障过程中，保护只开

15、放一整个一次故障过程中，保护只开放一次。次。但是对于先振荡后故障，保护也将被闭锁，但是对于先振荡后故障，保护也将被闭锁，需要有再故障判别元件。需要有再故障判别元件。 启动元件启动元件，即故障判断元件，是用来完成系，即故障判断元件，是用来完成系统是否发生短路的判断，它仅需要判断系统是否统是否发生短路的判断，它仅需要判断系统是否发生短路，不需要判断出短路的远近及方向，对发生短路，不需要判断出短路的远近及方向，对它的要求是它的要求是灵敏度高、动作速度快，系统振荡时灵敏度高、动作速度快，系统振荡时不误动。不误动。 目前距离保护中应用的故障判断元件主要有下面目前距离保护中应用的故障判断元件主要有下面两种

16、：两种：反映电压、电流中负序分量或零序分量的故障判断元反映电压、电流中负序分量或零序分量的故障判断元件；件； 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。（一）振荡闭锁原理（一）振荡闭锁原理2. 利用阻抗变化的速率实现振荡闭锁利用阻抗变化的速率实现振荡闭锁 （一）振荡闭锁原理（一）振荡闭锁原理3. 利用动作延时实现振荡闭锁。适用于距离利用动作延时实现振荡闭锁。适用于距离段段 电力系统振荡时，距离保护的测量阻抗是随 角的变化而不断变化的，当 角变化到某个角度时，测量阻抗进入到阻抗继电器动作区，而当 继续变化到另一个角度时，测量阻抗又从动作区移出，测量元件返回。 对于按躲过最大负荷

17、整定的距离保护III段阻抗元件，测量值落入动作区的时间小于1-1.5s，只要距离保护III段延时时间大于1-1.5s，系统振荡时保护III段就不会误动。（一）振荡闭锁原理（一）振荡闭锁原理4. 不对称故障开放元件（振荡过程中再故障的处理）不对称故障开放元件（振荡过程中再故障的处理） 该原理利用不对称短路时，系统中出现零序或负序分量原理实现振荡中开放保护。可以实现瞬时开放 开放判据：开放判据：021IIm I（一）振荡闭锁原理（一）振荡闭锁原理 对称故障开放元件（振荡过程中再故障的处理）对称故障开放元件（振荡过程中再故障的处理） 的物理意义 在系统振荡时等于振荡中心电压 在三相短路时等于故障电弧

18、电阻上的压降开放判据开放判据cosUcosUcosU.08. 0cos.03. 0upUup配合延时零序分量零序分量有无负序分量K(1)K(1,1)有：K(2)无：K(3)引言引言 实际系统的故障一般都不是金属性故障，即在短路点实际系统的故障一般都不是金属性故障，即在短路点存在电阻，该电阻称为存在电阻，该电阻称为过渡电阻过渡电阻。 过渡电阻的存在，对保护安装处测量阻抗的大小及阻过渡电阻的存在，对保护安装处测量阻抗的大小及阻抗角均有影响，一般情况使测量阻抗增大，保护范围减抗角均有影响，一般情况使测量阻抗增大，保护范围减少。有时也可引起保护超范围动作少。有时也可引起保护超范围动作（稳态超越稳态超越

19、）。 （一）（一） 过渡电阻的性质过渡电阻的性质 严格的说过渡电阻应称为严格的说过渡电阻应称为过渡阻抗过渡阻抗，但其性质更接近，但其性质更接近电阻，通常按电阻处理电阻，通常按电阻处理 过渡电阻的构成：过渡电阻的构成： 接地故障：接地故障：由电弧电阻，中间物质的电阻（如经树木由电弧电阻，中间物质的电阻（如经树木接地），相导线和大地之间的接触电阻，金属杆塔的接接地），相导线和大地之间的接触电阻，金属杆塔的接地电阻（导线对杆塔放电）等构成。地电阻（导线对杆塔放电）等构成。 相间故障：相间故障：主要是电弧电阻主要是电弧电阻 （一）（一） 过渡电阻的性质过渡电阻的性质 电弧电阻具有非线性的性质，可用以下

20、经验公式估算电弧电阻具有非线性的性质，可用以下经验公式估算 相间故障：其过渡电阻在几欧至几十欧相间故障：其过渡电阻在几欧至几十欧 接地故障：过渡电阻为数百欧（接地故障：过渡电阻为数百欧（110kV可达可达100欧，欧，330kV可达可达200欧，欧，500kV可达可达300欧）欧） 可见过渡电阻对接地故障影响更大可见过渡电阻对接地故障影响更大 ( )1050( )( )gggL mRIA（二）（二） 单侧电源线路过渡电阻对距离保护的影响单侧电源线路过渡电阻对距离保护的影响 保护安装处测量阻抗为)(gkmmmmRZIZIU（二）（二） 单侧电源线路过渡电阻对距离保护的影响单侧电源线路过渡电阻对距

21、离保护的影响 保护安装处测量阻抗为保护安装处测量阻抗为)(gkmmmmRZIZIU 单侧电源线路上，过渡电阻的存在总是使测量阻抗单侧电源线路上，过渡电阻的存在总是使测量阻抗值增大，从而缩小了保护范围。不存在稳态超越。值增大，从而缩小了保护范围。不存在稳态超越。 过渡电阻对阻抗元件的影响与阻抗元件动作特性有过渡电阻对阻抗元件的影响与阻抗元件动作特性有关。关。 整定阻抗越小，保护受过渡电阻影响越大。或者说整定阻抗越小，保护受过渡电阻影响越大。或者说过渡电阻对保护的影响与保护安装位置有关过渡电阻对保护的影响与保护安装位置有关 一般情况下：一般情况下：保护动作特性沿保护动作特性沿R轴方向的范围越小，越

22、轴方向的范围越小，越易受过渡电阻的影响易受过渡电阻的影响 （三）（三） 双侧电源线路过渡电阻对距离保护的影响双侧电源线路过渡电阻对距离保护的影响 保护安装处测量阻抗为gkkgkkgkkkkmmmRIIRZIRIIZIIUZ )()(（三）（三） 双侧电源线路过渡电阻对距离保护的影响双侧电源线路过渡电阻对距离保护的影响 保护安装处测量阻抗为gkkgkkgkkkkmmmRIIRZIRIIZIIUZ )()( 当保护安装于送电端时， 超前于 ， 具有容抗的性质。从相量图可知，这种情况可能使总的测量阻抗减小，从而使保护超范围动作。我们称这种因过渡电阻存在而使测量阻抗减小，导致保护超范围动作的现象为距离

23、保护稳态超越。kIkI gkkRII （三）（三） 双侧电源线路过渡电阻对距离保护的影响双侧电源线路过渡电阻对距离保护的影响 保护安装处测量阻抗为gkkgkkgkkkkmmmRIIRZIRIIZIIUZ )()( 当保护安装于受电端时， 滞后于 ， 具有阻抗的性质。从相量图可知，这种情况必然使总的测量阻抗增大，保护范围减小。所以受电端不会出现稳态超越问题kIkI gkkRII （四）克服过渡电阻影响的措施（四）克服过渡电阻影响的措施l选用合适的动作特性l采用高阻接地距离算法l利用电抗分量（一）串补电容的作用（一）串补电容的作用输电线路最大传输功率：提高输电线路传输功率的方法： 提高电压等级 降

24、低系统频率，如采用直流输电 通过串联补偿电容减小系统阻抗 串补电容的接入破坏了线路测量阻抗和故障距离之间的线性关系。XEUPmax（二）串补电容对距离保护的影响（二）串补电容对距离保护的影响串补电容对距离保护产生影响的原因 串补电容破坏了测量阻抗和故障距离间的线性关系（二）串补电容对距离保护的影响（二）串补电容对距离保护的影响 串补电容安装于线路出口，导致方向阻抗特性正向拒动 （如保护3） 串补电容安装于线路反向出口，导致反向误动 （如保护2） 正向超范围动作 （如保护1）1. 串补电容对保护的影响与电容安装位置及补偿度有关 补偿度的定义：补偿度的定义：CcomLXKX串联补偿电容的容抗串联补

25、偿电容的容抗被补偿线路补偿前的线路电抗被补偿线路补偿前的线路电抗CXLX（三）克服串补电容对距离保护影响的措施（三）克服串补电容对距离保护影响的措施 措施重点在防止保护误动措施重点在防止保护误动 采用负序方向元件闭锁可能误动的保护（如保护2） 采用记忆电压作为参考电压可防止反向误动及正向拒动 通过整定计算，防止正向超范围动作（其本质是缩小保护范围，降低灵敏度） 采用直线特性克服反方向误动1. 识别故障点位置，进行阻抗补偿（一）故障暂态分量的特点（一）故障暂态分量的特点 由于系统及线路上的电容和电感等储能元件存在，导致故障暂态信号复杂化。不再是单纯的正弦信号。 含有衰减的直流分量（非周期分量）

26、含有大量的谐波（包括整数次谐波和非整数次谐波） 这些暂态信号的存在破坏了工频量保护的基本假设（信号为正弦信号）。导致距离元件测距准确性下降，严重时会出现暂态超越现象（over-reach）。（二）克服措施（二）克服措施 对模拟输入信号进行模拟低通滤波 对采样信号进行数字滤波 采用不受暂态信号影响的算法 采用全波比相代替半波比相 延时确认1. 采用反时限动作特性ui系统故障时，故障分量状态突然接入，和都不为零，电压、电流中出现故障分量，可见，电压、电流的故障分量，就相当于无源系统对于故障点处突然加上的附加电压源的影响。 在任何运行方式、运行状态下系统故障时，保护安装处测在任何运行方式、运行状态下

27、系统故障时，保护安装处测量到的全电压量到的全电压 、全电流、全电流 可以看作是故障前状态下电可以看作是故障前状态下电压压 、电流、电流 与故障分量电压与故障分量电压 、电流、电流 的的叠加，即。叠加，即。mumi0u0iui00mmuuuiii（一）叠加原理与故障分量网络（一）叠加原理与故障分量网络 等价于（一）叠加原理与故障分量网络（一）叠加原理与故障分量网络 等价于+正常网络故障分量网络（一）叠加原理与故障分量网络（一）叠加原理与故障分量网络 正常网络：正常网络：实际上就是没有故障时的正常负荷网络实际上就是没有故障时的正常负荷网络 故障分量网络：故障分量网络：仅由故障点的故障叠加电源作为激

28、励的仅由故障点的故障叠加电源作为激励的网络网络 。 根据叠加原理，对线性系统有：根据叠加原理，对线性系统有： 故障全网络=正常网络+故障分量网络 对支路电流： 对节点电压：0muuu 0miii（二）故障分量的提取方法（二）故障分量的提取方法 00mmuuuiii 上式提取故障分量，只能满足短时间内的正确提取上式提取故障分量，只能满足短时间内的正确提取因而，故障分量保护一般只用于快速动作段保护因而，故障分量保护一般只用于快速动作段保护（三）故障分量的特点（三）故障分量的特点 仅在故障后存在仅在故障后存在 故障点故障分量电压最大，其值等于故障点在故障前故障点故障分量电压最大，其值等于故障点在故障

29、前正常负荷电压，相位相反。正常负荷电压，相位相反。 保护安装处电流电压故障分量相位关系决定于系统背保护安装处电流电压故障分量相位关系决定于系统背侧阻抗，不受系统电势和过渡电阻的影响侧阻抗，不受系统电势和过渡电阻的影响 故障分量独立于非故障状态，但仍受非故障状态的影故障分量独立于非故障状态，但仍受非故障状态的影响（影响小）响（影响小） 保护动作特性不受负荷水平、系统振荡等因素影响保护动作特性不受负荷水平、系统振荡等因素影响 工频故障分量距离保护（又称工频突变量距离保护）工频故障分量距离保护（又称工频突变量距离保护），是一种通过反应工频故障分量电压、电流而工作的距，是一种通过反应工频故障分量电压、

30、电流而工作的距离保护。离保护。 保护安装处的工频故障分量电流、电压可以分别表示为：保护安装处的工频故障分量电流、电压可以分别表示为： ksksEIZZUI Z （一）故障分量补偿电压及其特点（一）故障分量补偿电压及其特点 取工频故障分量距离元件的工作电压（补偿电压）为：取工频故障分量距离元件的工作电压（补偿电压）为：()opsetssetUUIZI ZZ Zset为保护的整定阻抗，一般取为线路正序阻抗的为保护的整定阻抗，一般取为线路正序阻抗的80%-85% （一）故障分量补偿电压及其特点（一）故障分量补偿电压及其特点 正向区内故障时故障分量补偿电压的特点：正向区内故障时故障分量补偿电压的特点： 故障分量补偿电压幅值故障分量补偿电压幅值大于大于非故障状态下短路点电压非故障状态下短路点电压 opsetUUI Z 0kU（一）故障分量补偿电压及其特点（一）故障分量补偿电压及其特点 正向区外故障时故障分量补偿电压的特点：正向区外故障时故障分量补偿电压的特点： 故障分量补偿电压幅值故障分量补偿电压幅值小于小于非故障状态下