短路和系统振荡对阻抗继电器的影响设计说明书

1、勖Q行彳选毕业设计说明书（论文）短路和系统振荡对阻抗继电器的影响UndergraduateDesign(Thesis)SHORCIRCUITANDOSCILLATIONOFTH曰NFLUENCOFPOWERIMPEDANCERELAYSupervisedbyLECTURERGUYanSchoolofElectricPowerEngineeringNanjingInstituteofTechnologyJune2011在现代电网中，随着超高压、大容量、远距离输电线路的不断增多，对电力系统的继电保护装置提出了更高、更严格的要求。短路伴随振荡条件下距离继电器动作行为的分析是一项十分重要的工作，振荡是

2、电力系统中一种较为多见的异常运行状态。引起振荡的原因有很多，电力系统振荡会引起距离保护的误动，如何防止振荡引起距离保护的误动一直是继电保护工作者的重要课题。本文介绍了距离保护在高压电路中的必要性，以与我国传统和目前几种阻抗继电器的原理，介绍了几种常见的阻抗圆特性并给出了动作方程和动作区域的图形；分析了对距离保护的影响；振荡对距离保护的影响。经过分析表明：短路时,电流和电压量突变。而振荡时，电气量呈现周期性变化，可能造成保护误动作。关键词距离保护，短路，振荡，阻抗动作特性AbstractInthemoderngrid,alongwiththeultrahighpressure,highcapac

3、ity,longdistancetransmissionlinesofpowersystem,increasingtherelayprotectiondeviceputforwardhigher,morestringentrequirements.Shortcircuitwithosc川ationconditiondistancerelayactionbehavioranalysisisaveryimportantwork,isakindofelectricpowersystemosc川ationlessthanseenabnormaloperatingcondition.Causeoscil

4、lationofelectricpowersystem,therearemanyreasonscausedtheoscillationsdistanceprotectionmaloperationcauses,howtopreventtheosc川ationmaloperationdistanceprotectionhasbeenanimportantsubjectofrelayprotectionworkers.short-circuit,power swing , operatingThispaperintroducesinhighvoltagecircuitdistanceprotect

5、ion,andthenecessityoftraditionalChineseandatpresenttheprincipleofseveralimpedancerelay,introducesseveralcommorimpedancecirclecharactersandgivesthemovementequationandactionareagraphics;Analysestheinfluenceofdistanceprotection;Theinfluenceofdistanceprotectionoscillations.Afteranalysisshowsthatthevolta

6、gesandcurrentsshort-circuit,quantitymutations.Butoscillates,presentcyclicalchangeelectricparameters,maycausetheprotectionmisoperation.KeyWordsdistanceprotectioncharacteristics摘要IIIAbstractIV1绪论-1-引言-1-我国阻抗继电器研究现状-1-距离保护构成-3-2几种常见的阻抗继电器动作特性和动作方程-5-圆特性阻抗继电器-5-四边形特性阻抗元件-10-3存在过渡电阻短路时对距离保护的影响-13-短路点过渡电阻

7、的性质-13-单侧电源线路上过渡电阻的影响-14-双侧电源上过渡电阻的影响-15-过渡电阻对不同动作特性阻抗元件的影响-16-防止过渡电阻影响的方法-17-4振荡对距离保护的影响-20-电力系统振荡对距离保护的影响-20-振荡闭锁-25-5MATLAB勺仿真-31-MATLAB软件概述-31-仿真模型的建立与分析-32-仿真结果分析-33-6总结-39-词-40-参考文献-41-附录1外文资料翻译-42-A1.1分布式发电系统中燃料电池和蓄电池组的控制算法-42-A1.2ControlAlgorithmofFuelCellandBatteriesforDistributedGeneration

8、System-54-引言随着我国的国民经济高速发展，用电负荷的要求越来越高，用户对于电能的质量要求越来越高，对于电能的可靠性提出了更高的要求，所以对于继电保护装置的可靠性，选择性，速动性和灵敏性都有着很高的要求。在110kV以上的输电线路中，距离保护占了大多数。距离保护在保护110kV俞电线路可靠输送电起到重要的作用。距离保护的核心元件就是阻抗继电器，它的作用是测量保护安装处到输电线路故障点之间的阻抗，这个阻抗也就反映了故障点离保护安装处的距离。因为输电线路的阻抗不会随着电网运行方式的变化而变化。同时也与短路故障的类型没有关系，所以距离保护相比于电流保护而言更加稳定可靠；距离保护也不会因为重负

9、荷情况下短路时造成灵敏度不足的情况；同时距离保护对于各种复杂的电网结构更好的适应性。总之，距离保护的性能更为完善。距离保护中的阻抗继电器是反映距离保护性能的一个硬指标，阻抗继电器测量距离越准确，距离保护装置的性能越好。本文主要研究输电线路短路与振荡时对阻抗继电器的影响。我国阻抗继电器研究现状传统距离保护原理直线特性阻抗继电器直线特性阻抗继电器主要有电阻型继电器，电抗型继电器，限相继电器,，其阻抗特性2在阻抗复平面中分别为一直线。电阻继电器动作与否，只取决于测量阻抗的电阻值，电抗继电器动作与否，只取决于测量阻抗的电抗分量。直线特性虽然判据简单，但无方向性.而且不能准确反映实际测量的阻抗变化情况，

10、因此单纯利用电阻、电抗值作判别误差很大，在实际应用中效果并不理想。圆特性阻抗继电器圆特性阻抗继电器3,有全阻抗圆、方向阻抗圆、偏移阻抗圆，是传统继电保护中应用最为广泛的阻抗继电器。它实际是把阻抗继电器的动作特性扩大为一个圆，以便继电器的制造和调试，简化继电器的接线。其中全阻抗圆特性无方向性，方向阻抗圆存在电压死区，偏移阻抗圆特性是前两者的综合。特性较好，应用较多。四边形特性阻抗继电器四边形特性阻抗继电器晔是综合了电阻电抗型直线特性，并考虑了阻抗的方向性，是一种较为精确反映故障测量阻抗边界的阻抗继电器，并且具有良好的抗过渡电阻的能力。在传统继电保护中，因实现困难而很少使用，但随着微机保护的出现。

11、四边形阻抗特性继电器得到了广泛的应用。现有阻抗继电器新原理简介现有一些较新的距离保护原理主要是同时利用电流电压量的变化情况，来鉴别故障，进行线路保护。主要有电流自适应保护、工频变化量距离保护、以与利用行波来鉴别故障的距离保护原理等。电流自适应保护原理自适应电流速断保护67是利用在线测得到的电流电压值，由微机保护装置在线实时计算电流定值，可以免去麻烦的人工整定工作.且能使保护围显著扩大。因此在理论上.其速断定值不是常数，是由当前的系统运行方式和故障状态决定。7即根据电力系统当前实际运行方式和故障状态实时、自动整定计算，无需人工参与，能使速断定值和保护围能保持最佳状态。但实际上，计算电流整定值的过

12、程，引入了电压量，并要求输入被保护线路的阻抗值，即利用在线电压，实时算得的系统综合阻抗值，得到实时电流整定值，而后与在线电流相比较，以判别故障情况。可以看出其本质上还是距离保护，它同样受到PTt线，过渡电阻等因素的影响，而且对系统阻抗的计算算法也较复杂8o1.2.2.2工频变化量距离保护原理工频变化量距离保护原理9,是由我国继电保护专家在80年代率先提出的，主要是利用故障前后电流电压的工频分量的变化量和线路阻抗值的信息来求得补偿电压，并与故障前的电压记忆量进行比较，来实现对故障的判别，对线路进行保护。从其动作判据上讲，它可以看作是一种本质为距离保护的电压自适应保护，其在双侧电源系统中能严格区分

13、区外故障，且不受系统振荡的影响，具有自适应能力强，判据简单便于微机实现等优良特性，并且此保护原理在220kV以上高压,超高压电网微机线路保护中已成功运用,13行波距离保护原理行波距离保护原理11在20世纪50年代就己被提出，最初主要是利用行波进行故障测距12。198孙，P.A.Crossly等人提出了利用相关算法计算行波传播时间进而求得故障距离，通过对故障距离和被保护线路长度的比较决定保护是否动作的行波距离保护方案。即所谓行波测距式距离保护13;1989年，我国学者根据输电线路故障行波的特征，提出了行波特征鉴别式距离保护，该保护首先利用行波的特征，判断出故障发生的区间。若判断为正方向区故障，再

14、进一步计算出故障距离14o早期行波测距式距离保护的主要不足之处在于：1）没有考虑正方向区外故障时保护误动的问题；2）采用相关算法提取与初始正向行波对应的反向行波误差较大，距离计算精度不高；3）由于相关算法的实质是比较两波形的相似性，因而受线路参数的影响较大，当线路为有损或接地电阻较大时，v-、v+波形的相关性降低；4）灵敏度不高，要求v-和v+的信号有足够的能量，以保证能被正确检测。其后的研究者对行波测距式距离保护方案存在的问题提出了解决的方法，并对这一原理的实现做了进一步的补充，但因其结果不能满足实际要求，最终没有在实际系统中得到应用。近年来，国学者将现代电子技术和新兴数学工具用于行波测距，

15、使得测距精度大大提高。行波测距装置的成功应用无疑为进一步研制行波测距式距离保护打下了良好的基础，为保护的计算精度提供了保证。目前，已有学者提出了方向行波测践式距离保护，但是依然存在无法区分正方向区区外故障的问题。距离保护构成.启动元件启动元件的作用是反应系统故障参数或故障分量，判别系统是否已经发生故障。被保护线路正常运行时，该元件不启动，因此整套保护不投入工作。当系统发生故障时，它立即启动，使整套保护投入工作。早期的距离保护，启动元件采用电流继电器或者阻抗继电器，后来采用了灵敏度更高的负序电流元件、负序电流与零序电流复合元件、增量元件等。.测量元件测量元件的作用是反应故障点到保护安装处的阻抗（

16、或者距离），它是距离保护中的核心元件。测量元件一般是有方向性的。早期的距离保护装置中的测量元件一般由阻抗继电器来担任，例如，有整流型阻抗继电器、晶体管型阻抗继电器、集成电路型阻抗继电器等。在微机型距离保护装置中，阻抗测量元件是由软件实现的。不管是早期的距离保护装置，还是现代的微机距离保护装置，其测量元件测量的都是阻抗，所以它会受系统振荡的影响。所以，在距离保护中还必须设置振荡闭锁装置，以防止距离保护中的测量元件在系统振荡时动作致使保护误动。.振荡闭锁部分在系统发生振荡时，因为不是短路，距离保护部应该动作。但是振荡时的电压、电流幅值周期性变化，有可能导致距离保护误动。为了防止距离保护误动，要求该

17、元件精确判断系统振荡，并将保护闭锁。.电压回路断线部分电压回路断线时，将会造成保护测量电压的消失，从而可能使距离保护的测量部分出现误判断，这种情况下要求该部分应该将保护闭锁，以防止出现不必要的误动。.配合逻辑部分该部分用来实现距离保护各个部分之间的逻辑配合以与三段式距离保护中各段之间的时限配合。.出口部分出口部分包括跳闸出口和信号出口，在保护动作时接通跳闸回路并发出相应的信号。2几种常见的阻抗继电器动作特性和动作方程阻抗继电器动作区域的形状称为动作特性。例如动作区域为圆形时，称为圆特性；动作区域为四边形时，称为四边形特性。动作特性既可以用阻抗复平面上的集合图形来描述，也可以用复数的数学方程来描

18、述，这种方程称为动作特性的方程。下面介绍几种常见的阻抗继电器的动作特性和动作方程。圆特性阻抗继电器偏移圆特性偏移圆特性的动作区域如图2.1所示，它有两个整定阻抗，即正方向整定阻抗Zsetl和反方向阻抗乙支，两整定阻抗对应矢量末端的连线就是特性圆的直径。特性圆包含坐标原点，圆心位于j(%+3处,半径为(丁忆前。圆为动作区,圆外为非动作区。当测量阻抗正好在圆周上时，阻抗继电器临界动作。图2.1偏移圆特性对应该特性的动作方程，可以有两种不同的表达方式：一种是比较两个大小绝对值比较原理表达式；另一种是比较两个量相位的相位比较原理表达式。分别称它们为绝对值比较动作方程和相位比较方程。绝对值比较原理：当测

19、量阻抗Zm落在圆或者圆周上时，Zm末端到圆心的距离一定小于或等于半径；而当测量阻抗Zm落在圆外时，Zm末端到圆心的距离一定大于圆的半径。所以动作方程表示为|Zm1一_、1_3qsetMset弓(Zset1zsq1(2.D相位比较方程：Zseti,Zset2是矢量末端的连线，就是特性圆的直径，它将特性sese圆分成两部分，如图2.2所示。图2.2用相位比较法实现的偏移圆特性由图可见，当测量阻抗落在右下部分圆周上任一点时，有90 (2.2)ZsetiZmargZeTmm乙set2当阻抗落在左上部分圆周的圆任一点时，有argZseti zmZmZset290 (2.3)当测量阻抗落在圆任一点时，有-

20、90argZset1Zm90(2.4)ZmZset2_ Zset1ZmargZ- 乙m 乙set2当测量阻抗落在圆外时，有90或argZset1Zm90(2.5)ZmZset2因此测量元件的动作条件可以表示为-90argZset1Zm90(2.6)ZmZset2式（2.6）就是偏移圆特性阻抗继电器的行为比较动作方程。使阻抗元件处于临界动作状态对应的阻抗，成为动作阻抗。用Zop来表示。对于具有偏移圆特性的阻抗继电器来说，当测量阻抗Zm的阻抗角不同时，对应的动作阻抗是不同的。当测量阻抗Zm的阻抗角与正向整定阻抗Zseti的阻抗角相等时,阻抗继电器的动作阻抗最大，正好等于Zseti,即Zset产Zo

21、p,此时继电器最为灵敏，所以Zseti的阻抗角又称为最灵敏角。最灵敏角是阻抗继电器的一个重要参数，一般取为被保护线路的阻抗角。当测量阻抗Zm的阻抗角与反向整定阻抗乙支的阻抗角相等时，动作阻抗为最小，正好等于Zset2,即Zset2=Zp。2.1.2方向圆特性如果令Zset2=0,Zset尸Zset，则动作特性变化为方向圆特性，动作区域如图2.3sesese所示。将Zset2=0,Zset产Zset代入式（2.6）,可以得到方向圆特性的相位比较动作方程为-90argZsetZm90(2.8)Zm与偏移圆特性类似，方向圆特性对于不同的Zm阻抗角，动作阻抗也是不尽一样的。在整定阻抗的方向上，动作阻抗

22、最大，正好等于整定阻抗；其它方向的动作阻抗都小于整定阻抗；在整定阻抗的相反方向，动作阻抗降为00反方向故障时不会动作，阻抗元件本身具有方向性。方向圆特性的阻抗元件一般用于距离保护的主保护段（I段，II段）中。方向圆特性的动作阻抗圆经过坐标原点，根据复数反演的理论，当把该特性反1演到导纳平面（即取Ym，做Ym的动作特性）时，导纳动作特性为一直线。Zm2.1.3全阻抗圆特性在偏移特性中，如果令Zset2Zset,ZsetiZset,则动作特性变化成圆特性，动作区域如图2.4所示。图2.4全阻抗圆特性特性圆的圆心位于坐标原点处，半径为|Zset|。将Zset2Zset,ZsetiZset代入式(2.

23、1),可以得到全阻抗圆特性的绝对值比较动作方程为|Zm|Zset|(2.9)将Zset2Zset,ZsetiZset代入式(2.6),可得到全阻抗圆特性的相位比较动作方程-90argZsetZm90(2.10)ZmZset全阻抗圆特性在各个方向上的动作阻抗都一样，它在正向或者反向故障的情况下具有一样的保护区，即阻抗元件本身不具有方向性。全阻抗圆特性的阻抗元件可以应用于单侧电源的系统中；当应用于多侧电源系统时，应与方向元件相配合。2.2四边形特性阻抗元件圆特性的阻抗继电器整定值较小时，保护围受过渡电阻的影响大；而当整定值较大时，躲过负荷的能力又差。为此，很多距离保护中的阻抗测量元件均采用了具有四

24、边形动作特性的阻抗元件。图2.5(a)和(b)所示的即为微机型成套线路保护中两种常见的四边形阻抗动作特性。对于单相接地短路来说，短路带过渡电阻的情况更为严重，甚至成为经高阻抗接地短路。根据单相带过渡电阻接地短路的特征与对阻抗动作特性的要求，阻抗元件可构成如图2.5(a)所示的四边形动作特性。如前所述，图2.5(a)中，电抗动作特性直线l以下区域的动作方程为：180arg(Zm Zset) 360(2-11)式中一一纯电抗动作特性旋转的角度，为负值电阻动作特性直线2以左区域的动作方程为：图2.5四边形阻抗动作特性式中，为纯电阻动作特性旋转后与jx轴之间的角度，为正。折线amb所含区的特性动作方程

25、为(以jx轴为参考)：20arg(Zm Zm) 11。(2-13)图2.5(a)中，当1为20,电抗动作特性为零序电抗动作特性时，具有该特性的阻抗元件对接地电阻有自适应能力，故具有这种特性的接地阻抗元件适合于不同电压等级、不同长度线路(包括短线)做接地短路保护的测量元件。在图2.5(b)中，Xset和旦戌分别为电抗整定值和电阻整定值。1为保证被保护线路出口带过渡电阻短路时阻抗元件不拒动的角，为防止在双电源网络中带过渡电阻短路时的阻抗元件误动的角，4为保证区金屈短路阻抗元件可靠动作的角，3一股取60,应小于整定阻抗角set。角度1、2、3、4、均为常数，根据实际情况整定。图2.5(b)所示的四边

26、形阻抗元件的动作特性的数学表达式为：(2-14)Rmtan1XmXsetXmCOt2RmRsetXmCOt3式中，Rm，Xm测量电阻和测量电抗。当微机型保护输入回路取得所需电压Um、电流Im的采样值后，可通过某种算法算出所测Xm和与Rm,再用程序软件实现上述方程的比较，满足式(2-14)时，微机型保护输出回路输出信号，去控制下一级，否则不输出信号。阻抗元件的四边形动作特性实际上是各种阻抗动作特性的组合，如上述所示的阻抗元件四边形动作特性实际上是由电抗动作特性、电阻动作特性和折线动作特性等组合成的综合阻抗动作特性。它可根据实际要求，比如根据躲过过渡电阻和躲过负荷能力的强弱等具体的特性要求进行设计

27、。3存在过渡电阻短路时对距离保护的影响电力系统中的短路一般都不是金属性的，而是在短路点存在过渡电阻。此过渡电阻的存在，将使距离保护的测量阻抗发生变化，一般情况下是使保护围缩短，但有时候也能引起保护的越围动作或反方向误动作。现对过渡电阻的性质与其对距离保护工作的影响讨沦如下。短路点过渡电阻的性质短路点的过渡电阻Rg是指当相间短路或接地短路时短路电流从一相流到另一相或从相导线流入地的途径中所通过的物质的电阻（包括电弧、中间物质的电阻、相导线与地之间的接触电阻、金属杆塔的接地电阻等）。实验证明，当故障电流相当大时（数百安以上），电弧上的电压梯度几乎与电流无关，大约可取为每米弧长上1.41.5kV（最

28、大值）。根据这些数据可知电弧实际上呈现有效电阻，其值可按下式决定：lgRg1050Ig式中Ig电弧电流有效值，A；lg电弧长度，mi在一般情况下，短路初瞬间电弧电流Ig最大，弧长lg最短，弧阻Rg最小。几个周期后，在风吹、空气对流和电动力等作用下，电弧逐渐伸长.弧阻Rg有急速增大之势，如图3.1（a）所示。图中弧阻较大的曲线属于线路电压较低的情况，弧阻较小的曲线则属于线路电压较高的情况。(a)电弧电阻随时间的变化曲线；(b)经电弧短路时电弧上电流、电压的波形图3.1架空输电线路短路时产生的电弧在相间短路时，过渡电阻主要由电弧电阻构成，其值可按上述经验公式估计。在导线对铁塔放电的接地短路时，铁塔

29、与其接地电阻构成过渡电阻的主要部分。铁塔的接地电阻与导电率有关。对于跨越山区的高压线路，铁塔的接地电阻可达数十欧。止匕外、当导线通过树木或其他物体对地短路时，过渡电阻更高，难以推确计算。目前我国对500kV线路接地短路的最大过渡电阻按300估计，对于220kV线路，则按100估计。单侧电源线路上过渡电阻的影响图3.2单侧电源线路经过渡阻抗Rg短路的等效图如图3.2所示，短路点的过渡电阻R,总是使继电器的测量阻抗增大，使保护围缩短。然而，由于过渡电阻对不同安装地点的保护影响不同，因而在某种情况下，可能导致保护无选择性动作。例如，当线路B-C的始端经Rg短路，则保护1的测量阻抗为Zri=Rg，而保

30、护2的测量阻抗为Zr2=Rg+ZAB,由图3.3可见，由于Zr2是Zab与Rg的相量和，因此，其数值比无Rg时增大不多，也就是说测量阻抗受Rg的影响较小。当Rg较大时，就可能出现Zrl已超出保护1第I段整定的特性圆围，而Zr2仍位于保护2第II段整定的特性圆围以的情况。此时两个保护将同时以第II段的时限动作，从而失去了选择性。图3.3过渡电阻对不同安装地点距离保护影响的分析由以上分析可见，保护装置距短路点越近时，受过渡电阻的影响越大；同时，保护装置的整定值越小，受过渡电阻的影响也越大。因此，对短线路的距离保护应特别注意过渡电阻的影响。双侧电源上过渡电阻的影响在如图3.4所示的双侧电源线路上，短

31、路点的过渡电阻还可能使某些保护的一、一一.一一、一、-一、.一.一一一-、.-一测量阻抗减小。如在线路B-C的始端经过渡电阻Rg三相短路时，屋和IK分别为两侧电源供给的短路电流，则流经Rg的电流为IkIkIk,此时，变电所A和B母线上的残余电压为：UbIkRUa IkR+IkZab则保护1和保护2的测量阻抗为ZriUBkRgRgej1K,1K1KIKZab售 RgejI K、.、.i-此处，表示Ik超前于IK的角度。当为正时，测量阻抗的电抗部分增大;而当为负时测量阻抗的电抗部分减小。在后一种情况下，也可能引起某些保护的无选择性动作。图3.4双侧电源通过Rg路的接线图过渡电阻对不同动作特性阻抗元

32、件的影响在图3.5(a)所示的网络中.假定彳护2的距离I段采用不同特性的阻抗元件，它们的整定值选择得都一样(为0.85Zab)。如果在距离I段保护围阻抗为Zk处经过渡电阻Rg短路，则保护2的测量阻抗为Z.2=ZkRg。由图3.5(b)可见，当过渡电阻达Rgi时，具有透镜型特性的阻抗继电器开始拒动；当达02时，方向阻抗继电器开始拒动；而达Rg3时，则全阻抗继电器开始拒动。一般来说，阻抗继电器的动作特性在+R轴方向所占的面积越大，则受过渡电阻Rg的影响越小(a)网络接线；(b)对影响的比较图3.5过渡电阻对不动作特性阻抗元件影响的比较防止过渡电阻影响的方法一种方法是根据图3.5分析所得的结论，采用

33、能容许较大的过渡电阻而不致拒动的阻抗继电器，可防止过渡电阻对继电器工作的影响。例如，对于过渡电阻只能使测量阻抗的电阻部分增大的单侧电源线路，可采用不反映有效电阻的电抗型阻抗继电器。在双侧电源线路上，可采用具有如图3.6所示可减小过渡电阻影响的动作特性的阻抗继电器。图3.6(a)所示的多边形动作特性的上边Xa向下倾斜一个角度，以防止过渡电阻使测量电抗减小时阻抗继电器的超越。右边Ra可以在R轴方向独立移动，以适应不同数值的过渡电阻。图3.6(b)所示的动作特性既容许在接近保护围末端短路时有较大的过渡电阻，又能防止在正常运行情况下，负荷阻抗较小时阻抗继电器误动作。图3.6(c)所示为圆与四边形组合的

34、动作持性。在相间短路时，过渡电阻较小，应用圆特性；在接地短路时，过渡电阻可能很大，此时,利用接地短路出现的零序电流在圆特性上叠加一个四边形特性，以防止阻抗继电器拒动。a）多边形动作特性；（b）既允许有较大过渡电阻又能防止负荷阻抗较小时误动的动作特性；（c）圆与四边形组合的动作特性图3.6可减小过渡电阻影响的动作特性13一瞬时测量的中间继电器；4第II段时间元件图3.7瞬时测量装置的原理接线图另一种方法是利用所谓瞬时测量装置来固定阻抗继电器的动作。相间短路时，过渡电阻主要是电弧电阻，从图3.1（a）可知，其数值在短路瞬间最小，大约经过0.10.15s后就迅速增大。根据R的上述特点，通常距离保护的

35、第II段可采用瞬时测量装置，以便将短路瞬间的测量阻抗值固定下来.使0的影响减至最小。装置的原理接线如图3.7所示，在发生短路瞬间，启动元件l和距离II段阻抗元件2动作，因而启动中间继电器3。3启动后即通过I的触点自保持，而与2的触点位置无关。当II段的整定时限到达，时间继电器4动作，即通过3的常开触点去跳闸。在此期间，即使由于电弧电阻增大而使第II段的阻抗元件返回，保护也能正确地动作。显然，这种方法只能用于反映相间短路的阻抗继电器。在接地短路情况下，电弧电阻只占过渡电阻的很小部分，这种方法不会起很大作用。4振荡对距离保护的影响当电力系统中发生同步振荡或异步运行时，各点的电压、电流和功率的幅值和

36、相应都将发生周期性地变化。电压与电流之比所代表的阻抗继电器的测量阻抗也将周期性地变化。当测量阻抗进入动作区域时，保护将发生误动作。因此，对于距离保护必须考虑电力系统同步振荡或异步运行（以下简称为系统振荡）对其工作的影响。4.1电力系统振荡对距离保护的影响如图4.1所示，设距离保护安装在变电所 M的线路上。当系统振荡时，振荡 电流为：图4.1分析系统振荡用的系统接线图Em EnZmZl ZnEm Enz此处，z代表系统总的纵向正序阻抗M点的母线电压为:因此.安装于M点阻抗继电器的测量阻抗为:_U M _ EmI Zm _ EmZrMZmUm Em IZm (4.1)(4.2)EmzEm EnZm

37、 -； T Z Zm1 he在近似计算中，假定 的变化关系为：h=1,系统和线路的阻抗角一样，则继电器测量阻抗随111111(2ZZm) j2Z cot2(4.3)reZZM2Z(1jcot2)ZM将此继电器测量阻抗随变化的关系，画在以保护安装地点M为原点的复数阻抗平面上，当全系统所有阻抗角一样时，即可由图4.2证明ZrM将在z的垂直平分线OO；上移动。图4.2系统振荡时测量阻抗的变化表4.1阻抗和的变化关系+1cot一217JjZcot220j901中18000270-11-j_Z2360-j1I由此可见，当=0时，Z.M=；当=180时.Zm=ZZm,即等于保护安2装地点到振荡中心之间的阻

38、抗。此分析结果表明.当改变时，不仅测量阻抗的数值在变化，而且阻抗角也在变化，其变化的围为(K90)(K90)。在系统振荡时，为了求出不同安装地点距离保护测量阻抗变化的规律，在式(4.3)中，可令Zx代替Zm,并假定m=Zx/Z,m为小于1的变数，则式(4.3)可改写为：1ZrM (2 m)Z1j-Z21 cot -2(4.4)当m为不同数值时，测量阻抗变化的轨迹应是平行于OO线的一直线簇，如图4.3所示图4.3 系统振荡时，不同安装地点距离保护测量阻抗的变化当m=0.5时，直线簇与+jX轴相交，相当于图4.3所分析的情况，此时，振荡中心位于保护围的正方向；而当m0.5时，直线簇则与-jX相交，

39、振荡中心将位于保护围的反方向。当两侧系统的电势EmEn时，即h1时，继电器测量阻抗的变化将具有更复杂的形式。按照式(4.4)进行分析的结果表明，此复杂函数的轨迹应是位于直线OO某一侧的一个圆，如图4.4所示。当h1时，则为下面的圆周2。在这种情况下，当=0时，由于两侧电势不相等而产生一个环流，因此，测量阻抗不等于，而是一个位于圆周上的有限数值。图4.4当h1时测量阻抗的变化引用以上推导结果，可以分析系统振荡时距离保护所受到的影响。如仍以变电所M处的距离保护为例，其距离I段启动阻抗整定为0.85Zl,在图4.5中以长度MA表示，由此可以绘出各种继电器的动作特性曲线，其中曲线1为方向透镜电器特性，

40、曲线2为方向阻抗继电器特性，曲线3为全阻抗继电器特性。当系统振荡时，测量阻抗的变化如图4.2所示（采用h=1的情况），找出各种动作特性与直线OO的交点，其所对应的角度为和，则在这两个交点的围以继电器的测量阻抗均位于动作特性圆，因此，继电器就要启动，也就是说，在这段围，距离保护受振荡的影响可能误动作。由图中可见，在同样整定位的条件下，全阻抗继电器受振荡的影响最大，而透镜型继电器所受的影响最小。一般而言，继电器的动作特性在阻抗平面上沿OO；方向所占的面积越大，受振荡的影响就越大。图4.5系统振荡时M变电所测量阻抗的变化图止匕外，根据图4.2分析可知，距离保护受振荡影响还与保护的安装地点有关。当保护

41、安装处安装地点越靠近振荡中心时，收到影响越大。而振荡中心在保护围以外或者位于保护的反方向时，则在振荡的影响下距离保护不会动作。当保护的动作带有较大的延时(例如，延时大于1.5s)时，如距离III段，可利用延时躲开振荡的影响。4.2振荡闭锁对于在系统振荡时可能误动作的保护装置，应该装设专门的振荡闭锁回路，以防止系统振荡时误动。当系统振荡使两侧电源之间的角度摆到=180。时，保护所受到的影响与在系统振荡中心处三相短路时的效果是一样的，因此，就必须要求振荡闭锁回路能够有效地区分系统振荡和发生三相短路这两种不同情况。电力系统发生振荡和短路时的主要区别电力系统发生振荡和短路时的主要区别如下：(1)振荡时

42、，电流和各点电压的幅值均作周期性变化，只在=180时才出现最严重的现象；而短路后，短路电流和各点电压的值，当不计其衰减时，是不变的。此外，振荡时电流和各点电压幅值的变化速度(5和du)较慢.而短路时电流dtdt是突然增大，电压也突然降低，变化速度很快：(2)振荡时，任一点电流与电压之间的相位关系都随的变化而改变；而短路时，电流和电压之间的相位是不变的。(3)振荡时，三相完全对称，电力系统中没有负序分量出现；而当短路时，总要长期(在不对称短路过程中)或瞬间(在三相短路开始时)出现负序分量。(4)振荡时，测量阻抗的电阻分量变化较大，变化速率取决于振荡周期；而短路时，测时阻抗的电阻分量虽然因弧光放电

43、而略有变化，但分析计算表明其电弧电阻变化率远小于振荡所对应的电阻的变化率。根据以上区别，振荡闭锁回路从原理上可分为两种，一种是利用负序分量(或增量)的出现与否来实现；另一种是利用电流、电压或测量阻抗变化速度的不同来实现。构成振荡闭锁回路时应满足以下基本要求：(1)系统发生振荡而没有故障时.应可靠地将保护闭锁，且振荡不停息，闭锁不应解除。(2)系统发生各种类型的故障(包括转换性故障)，保护应不被闭锁而能可靠地动作。(3)在振荡的过程中发生故障时，保护应能正确地动作。(4)先故障而后又发生振荡时，保护不致无选择性的动作。4.2.2反映测量阻抗变化速度的振荡闭锁回路在三段式距离保护中，当其I、II段

44、采用方向阻抗继电器，其III段采用偏移特性阻抗继电器时，如图4.6所示，根据其定值的配合，必然存在着ZiZiiZiii的关系。可利用振荡时各段动作时间不同的特点构成振荡闭锁。图4.6三段式距离保护的动作特性当系统发生振荡且振荡中心位于保护围以时，由于测量阻抗逐渐减小，因此，Ziii先启动，Zii再启动，最后乙启动。而当保护围部故障时，由于测量阻抗突然减小，因此乙、Zii、Ziii将同时启动。基于上述区别.实现这种振荡闭锁回路的基本原则是：当乙一Ziii同时启动时，允许Zi、Zii动作于跳闸.而当Ziii先启动，经to延时后，Zii、乙才启动时，则把Zi和Zii闭锁，不允许它们动作于跳闸。按这种

45、原则构成振荡闭锁回路的结构框如图4.7所示。图4.7反映测量阻抗变化速度的振荡闭锁回路结构框图4.3.3新型振荡闭锁原理启动元件动作160ms以开放保护的条件当距离保护的启动元件是一种反映正负序综合电流工频变化量的过电流元件，在单纯系统振荡而无故障时，启动元件初期不动作，其后因电流互感器的饱和而可能动作；所以按躲过最大负荷电流整定的正序过电流元件先于启动元件动作，否门闭锁了“保护开放”的逻辑；在线路故障同时伴有振荡时，启动元件和正序过电流元件同时动作，但出于正序过电流元件经延时10ms输出，启动元件先于正序过电流元件动作，结果否门闭锁解除，由启动元件开放保护160ms即开放条件是启动元件动作瞬

46、间，若按躲过最大负荷整定的正序过电流元件不动作或动作时间不足10ms则将保护开放160ms其原理逻辑框图4.8所示。图4.8振荡闭锁逻辑框图系统振荡中不对称故障时开放条件在系统振荡中发生不对称短路故障时，振荡闭锁分量元件开放保护的动作条件为：|l0|+|l2|ml1(4.5)根据振荡对称的特征，所以正序电流幅值很大，而零序和负序电流较小。式(4.5)满足要求，将保护闭锁。系统振荡时又发生区不对称短路，将有较大的负序电流分量或零序电流分量，此时，式(4.5)是否成立，取决于短路时刻两侧系统电势角摆开程度。如果系统电势角不够大，振荡电流数值较小，而不对称短路时序分量电流的数值很大，则式(4.5)成

47、立；保护装置立即开放，短路时刻若系统两侧电势角已摆开较大，此时系统电压低，正序分量电流足够大，使式(4.5)暂时不成立；保护装置暂时被闭锁，但系统电势角还会变化，则装置将在系统电势角逐步减小时开放，在不利的情况下，可能由一侧瞬时开放保护跳闸后，另一侧相继跳闸。系统振荡中，若又发生区外不对称故障，这时，相间、接地距离元件都将可能误动，但是，可以通过正确地设置制动系数mi使式(4.5)在此情况下可靠不成立，以确保振荡闭锁序分量元件不开放保护。装置中的m值就是根据最不利情况下以振荡闭锁序分量元件不开放保护为原则，并有一定裕度。系统振荡中发生对称性故障时保护开放的条件(1)振荡中心电压Uos在启动元件

48、开放160ms以后或系统振荡过程中，如果又发生了三相短路故障，则上述两个开放保护的条件均不成立，不能开放保护。因此，还必须设置专门的振荡判别条件。系统振荡时，振荡中心的电压可以由保护装置算得：UosUicosi式中：Ui母线正序电压；i正序电压、电流夹角。系统振荡时，振荡周期在180左右，振荡中心电压Uos在0.05Un左右，三相短路故障电阻就是弧光电阻，该电阻上压降的幅值也在0.05Un左右。(2)振荡中心电压Uos与三相短路弧光电阻上的压降IRg的关系若系统阻抗角为90振荡电流垂直于相量EmEn,并与振荡中心电压Uos同相位。假设线路为感抗，在系统中发生三相短路故障时.短路电流Ik也与Em

49、En垂直，而且三相短路时，过渡电阻凡即弧光电阻上的压降与Uos同相位，并等于IRg。如图4.9(a)所示，母线正序电压Umiji-XlIRgo由此可见，三相短路弧光电阻上的压降虽然不能测到，但可以由振荡中心电压Uos代替IRg,说明Uos反映了弧光电阻上的压降。但是，系统实际阻抗角不等于90,振荡中心电压仍然可以反映弧光电阻压降Rg,这可由图4.9(b)得到证明。通过d点做补偿角90L。相量jIXl为线路电感分量上的电压，IR为线路电阻分量上的电压，则线路上的电压降UljIXlR。因为三相短路时母线上的电压UM1等于线路压降与弧光电阻压降之和，因此，Uos电压相量就是三相短路时弧光电阻压降。由

50、于超高压线路角很小，所以，oa=oc=Uos=UM1cos(),则约等于OAUm1cos1,这说明振荡中心电压仍可以反映弧光电阻压降IRg。闻(a)L90;(b)L90。图4.9系统振荡中心电压Uos相量图(3)系统振荡中发生对称性短路故障的判据三相短路时弧光电阻上的压降约为5%Ui,而系统振荡中心电压为Uc在振荡周期的180左右一段时间降到最低点也约为5%Ui。所以，振荡中心在式(4.6)表示的围三相短路弧光电阻压降相近，很难区分是振荡还是短路。0.03UNUos0.08UN(4.6)实际上，振荡中心电压是在(0.030.08)Un围，是指两侧系统E,势角摆开为1710183.5围如果按最大

51、振荡周期3s计算从171183.5需要04ms其后振荡中心电压值就偏移式(4.6)围。所以在满足判据(4.6)后，经过150ms延时可以有效地区分三相短路和振荡。延时后式(4.6)仍能成立，判为三相短路，立即开放保护，否则就是系统振荡，闭锁保护。(4)振荡中三相短路后被保护的动作判据为了保证三相故障短路时，保护可靠不被闭锁，装置可设置如下后备动作判据，并延时500ms后开放保护。0.1UNUos0.25UN(4.7)该段振荡中心电压围对应系统电势角为151191.5,按最大振荡周期3s计算，振荡中心在该区域停留时间为373ms所以，装置又t应的延时取500ms已有足够裕度。5MATLAB的仿真

52、本课题的主要任务之一是用MATLAB短路和振荡进行仿真。因此，在本章我们首先对于所使用到的MATLAB程语句与在编写该软件过程中使用的特殊功能作简要的介绍，然后做仿真比较振荡与短路之间的区别。5.1MATLA瞅件概述MATLAB”矩阵实验室”(MATRIXLABORATORY)缩写，由美国MATHWORKS司推出的一种以矩阵运算为基础的交互式程序设计语言和科学计算软件，适用于工程应用和教学研究等领域的分析设计与复杂计算。与其它计算机语言相比，它具有语句简洁，编程效率高，强大而简易的绘图功能，有效方便的矩阵和数组运算，直观便捷的动态仿真，尤其是扩充能力强。正因为这些特点，MATLAB成为教学研究

53、与工程应用的不可缺少的助手。1、MATLAB言的主要特点MATLAB1982年推出以来一直被誉为“巨人肩上的工具”。由于使用MATLAB编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不象学习其它高级语言那样难于掌握，用MATLAB写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题，所以又被称为演算纸式科学算法语言。在这个环境下，对所要求解的问题，用户只需简单地列出数学表达式，其结果便以数值或图形方式显示出来。科技和工程人员即使不掌握Fortran和C言，只要经过短期学习，也能利用MATLAB松地去完成专业的科学计算和作图任务，所以它不仅是科研的工具，也是教育工作者和学生的好帮手。概括起来说，MA

54、TLAB基本特点如下：(1)极强的数值计算功能和作图功能(可以做动画和用户界面)，也有很强的符号计算功能。(2)图形窗El式的操作界面，易于学习和掌握。使用常用的数学符号和表达式，填进人们的思维习惯。止匕外，它默认使用复数与矩阵，计算速度快。(3)用简单的指令就可以完成大量的计算与作图功能，编程语法简单，程序设计方便。绝大部分指令的程序是开放的，用户可以模仿和修改。(4)配备有大量不同领域的专用工具箱，用户还可以开发自己的专用工具箱。2、MATLAB主要组成部分(1)开发环境MATLAB发环境由一组工具和组件组成，这些工具是图形化的用户界面，包括MATLAB面和命令窗口、命令历史窗口、帮助信息

55、浏览器、工作空间浏览器、文件和搜索路径浏览器。(2)MATLAB勺数学函数库MAILAB!成了丰富的数学IN数库，其强大的计算能力覆益了从基本函数(如求和、正弦、余弦和复数运算等)到高级函数(如矩阵求逆、矩阵特征值、贝塞尔函数和快速傅里叶变换)的围。(3)MATLAB!言MATLAB言是一种以矩阵运算为基础的高级语言，包括控制流的描述、函数、数据结构、输入输出与面向对象的编程环境，既可以编制快速使用小程序，也可以大型复杂的应用程序。(4)图形功能MATLAB供了功能强大的图形系统，既可以用高级命令完成二维和三维数据的可视化、图像处理、动画和图形表达等功能，也可以通过使用句柄完成复杂的图形功能，

56、实现对所有图形对象的操作。(5)应用程序接口(API)MATLAB提供了应用程序接口函数，允许用户使用c或FORTRAN言编写程序与NATLAB接，功能包括与MATLAB动态连接、调用MATLAB为运算引擎、读写MATC件等。仿真模型的建立与分析本文拟定仿真的电力系统如图5.1所示，使用理想三相电压源作为电路的电源，电压源为Y连接，中性点不接地；使用分布参数输电线作为输电线路，两条输电线路的参数设置一样，Linel末端为中性点接地；使用三相短路故障发生器使电路发生琳目接地短路。图5.1单电源仿真模型的建立参数的设置将影响仿真结果的可靠性。系统中元件的主要参数设置如下：三相电源：电压2.5MVA

57、绅目初始相位为0,频率为默认60H杯变，Y型接法输电线路：线路长度100Km其余参数保持为默认值不变。三相短路故障发生器：Af接地短路，0.01s发生短路，0.04s排除故障仿真参数的设置：起始时间为0s,终止时间为0.1s,变步长，MATLAB十对刚性系统(如发电机等)提供了ode15s,ode23s,ode23t与ode23tb等算法。本文采用ode23tb算法。仿真结果分析当月目发生接地短时&时故障点片目电压降为零，由于系统为不接地系统，即Xf(0)-8,由公式可知，单相短路电流减为零，非故障相即BCW相电压上升为线电压，其夹角为60。故障切除后各项电压水平较原来相对升高，这是中性点电位

58、升高导致的。rirmeoffset!0图5.2故障A点相电压图5.3故障B点相电压imeofiset:0图5.4故障C点相电压k100,010.0201030.040.0SO.OE0.07O,OS1090.1inntauff闻；0图5.5故障点三相电压当输电线路发生A相接地短路时，B相、C相电流没有变化，始终为00在正常状态时，三相短路故障发生器处于断开状态，Af电流为0。在0.01s时，三相短路故障发生器闭合，此时A相接地短路，其短路电流波形发生了剧烈的变化，但大体上仍呈正弦规律变化。在0.04s时，三相短路故障发生器打开，故障排除，此时故障点A相电流迅速变为0。具体的仿真波形如图5.6和图

59、5.7所示。imeoffset0图5.6故障A点相电流图5.7故障日C点相电流如图5.8所示故障点电流各序分量一样，在故障发生后故障点电流迅速增大，故障排除后电流迅速减为零。如图5.9所示故障点电压各序分量在短路故障发生后也迅速增加，且故障排除后负序分量和零序分量降为零，而正序分量维持短路时的值不变。即其用目电位升、_.问0imeoffset0图5.8故障点雄目电流各序分量幅值图45fime offset: 0图5.9故障点雄目电压各序分量幅值图由图形可以得出以下结论：当输电线路发生A相接地短路时，B相、C相电流没有变化，始终为00对于故障相A相的电流：在稳态时，故障点A相电流由于三相短路故障

60、发生器处于断开状态，因而电流为00在0.01s时，三相短路故障发生器闭合，此时电路发生A相接地短路，A相短路电流波形发生了尖锐的抖动,大体上仍然呈现正弦规律变化。在0.04s时，三相短路故障发生器打开，相当于排除故障，此时故障点A相电流变化为0-223K皿川醐眼删硼辟 喇部硼抵哪a啷嘏舱硼网帆帆郴啾啷*喉确哪炯 bx J Jn730A11才iALQ3PSVL02 46V-L0 fidV：行娜TM螂涮帅刎懒醐脚跚嬲脚跚啷螂图5.10振荡中单相接地故障动模实验录波图业相电*汤门:小片A图5.11振荡中单相接地仿真图图5.12纯振荡仿真波形本人在毕业设计中，查阅了大量的相关资料，并进行了认真学习。对