短路和系统振荡对阻抗继电器的影响毕业设计说明书.doc

毕业设计说明书毕业设计说明书 论文论文 短路和系统振荡对阻抗继电器的影响 Undergraduate Design Thesis SHORT CIRCUIT AND OSCILLATION OF THE INFLUENCE OF POWER IMPEDANCE RELAY Supervised by LECTURER GU Yan School of Electric Power Engineering Nanjing Institute of Technology June 2011 南京工程学院电力工程学院毕业论文 II 摘 要 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 以及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 朱俊杰 短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 III Abstract In the modern grid along with the ultrahigh pressure high capacity long distance transmission lines of power system increasing the relay protection device put forward higher more stringent requirements Short circuit with oscillation condition distance relay action behavior analysis is a very important work is a kind of electric power system oscillation less than seen abnormal operating condition Cause oscillation of electric power system there are many reasons caused the oscillations distance protection maloperation causes how to prevent the oscillation maloperation distance protection has been an important subject of relay protection workers This paper introduces in high voltage circuit distance protection and the necessity of traditional Chinese and at present the principle of several impedance relay introduces several common impedance circle characters and gives the movement equation and action area graphics Analyses the influence of distance protection The influence of distance protection oscillations After analysis shows that the voltages and currents short circuit quantity mutations But oscillates present cyclical change electric parameters may cause the protection misoperation Key Words distance protection short circuit power swing operating characteristics 南京工程学院电力工程学院毕业论文 IV 目 录 摘 要 I Abstract II 1 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 我国阻抗继电器研究现状 1 1 3 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 2 1 圆特性阻抗继电器 5 2 2 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 3 1 短路点过渡电阻的性质 13 3 2 单侧电源线路上过渡电阻的影响 14 3 3 双侧电源上过渡电阻的影响 15 3 4 过渡电阻对不同动作特性阻抗元件的影响 16 3 5 防止过渡电阻影响的方法 17 4 振荡对距离保护的影响 20 4 1 电力系统振荡对距离保护的影响 20 4 2 振荡闭锁 25 5 MATLAB 的仿真 31 5 1 MATLAB 软件概述 31 5 2 仿真模型的建立与分析 32 5 3 仿真结果分析 33 6 总 结 39 谢 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 2 Control Algorithm of Fuel Cell and Batteries for Distributed Generation System 54 朱俊杰 短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 1 1 绪 论 1 1 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 输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 1 2 我国阻抗继电器研究现状 1 2 1 传统距离保护原理 1 2 1 1 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 1 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 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 南京工程学院电力工程学院毕业论文 2 1 2 1 2 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 1 2 1 3 四边形特性阻抗继电器 四边形特性阻抗继电器 4 5 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 因实现因难而很少使用 但随着微机保 护的出现 四边形阻抗特性继电器得到了广泛的应用 1 2 2 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 以及利 用行波来鉴别故障的距离保护原理等 1 2 2 1 电流自适应保护原理 自适应电流速断保护 6 7 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 且能使保护范围显著扩 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范围能保持最佳状态 但实际上 计算电流整 定值的过程 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PT断线 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 8 1 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 朱俊杰 短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 3 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区内外故障 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 10 1 2 2 3 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 1983年 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 若判断为正方向区内故障 再进一步计算出故障 距离 14 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 国内学者将现代电子技术和新兴数学工具用于行波测距 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内区外故障的问 题 1 3 距离保护构成 1 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 南京工程学院电力工程学院毕业论文 4 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 2 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 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 3 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 要求该元件精确判断系统振荡 并将保护闭锁 4 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 5 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及三 段式距离保护中各段之间的时限配合 6 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 朱俊杰 短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 5 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 2 1 圆特性阻抗继电器 2 1 1 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 抗和反方向阻抗 两整定阻抗对应矢量末端的连线就是特性圆的直径 set1 Z set2 Z 特性圆包含坐标原点 圆心位于处 半径为 圆内为 set1set2 1 2 ZZ set1set2 1 2 ZZ 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 南京工程学院电力工程学院毕业论文 6 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 当测量阻抗落在圆内或者圆周上时 末端到圆心的 m Z m Z 距离一定小于或等于半径 而当测量阻抗落在圆外时 末端到圆心的距离 m Z m Z 一定大于圆的半径 所以动作方程表示为 2 1 mset1set2set1set2 11 22 ZZZZZ 相位比较方程 是矢量末端的连线 就是特性圆的直径 它将特 set1 Z set2 Z 性圆分成两部分 如图 2 2 所示 朱俊杰 短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 7 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 2 2 set1m mset2 arg90 ZZ ZZ 当阻抗落在左上部分圆周的圆内任一点时 有 2 3 set1m mset2 arg90 ZZ ZZ 当测量阻抗落在圆内任一点时 有 2 4 set1m mset2 90 arg90 ZZ ZZ 南京工程学院电力工程学院毕业论文 8 当测量阻抗落在圆外时 有 2 5 set1mset1m mset2mset2 arg90arg90 ZZZZ ZZZZ 或 因此测量元件的动作条件可以表示为 set1m mset2 90arg90 ZZ ZZ 2 6 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 用来表示 对 op Z 于具有偏移圆特性的阻抗继电器来说 当测量阻抗的阻抗角不同时 对应的动 m Z 作阻抗是不同的 当测量阻抗的阻抗角与正向整定阻抗的阻抗角相等时 m Z set1 Z 阻抗继电器的动作阻抗最大 正好等于 即 此时继电器最为灵敏 set1 Z set1 Z op Z 所以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 set1 Z 般取为被保护线路的阻抗角 当测量阻抗的阻抗角与反向整定阻抗的阻抗 m Z set2 Z 角相等时 动作阻抗为最小 正好等于 即 set2 Z set2 Z op Z 2 1 2 方向圆特性 如果令 0 则动作特性变化为方向圆特性 动作区域如图 2 3 set2 Z set1 Z set Z 所示 朱俊杰 短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 9 图 2 3 方向圆特性 特性圆经过坐标原点处 圆心位于处 半径为 1 2 set Z 1 2 set Z 将 0 代入式 2 1 可以得到方向圆特性的绝对值比较方程 set2 Z set1 Z set Z 为 2 7 m 11 22 setset ZZZ 将 0 代入式 2 6 可以得到方向圆特性的相位比较动作方程为 set2 Z set1 Z set Z 2 8 setm m 90arg90 ZZ Z 与偏移圆特性类似 方向圆特性对于不同的阻抗角 动作阻抗也是不尽相 m Z 同的 在整定阻抗的方向上 动作阻抗最大 正好等于整定阻抗 其它方向的动 南京工程学院电力工程学院毕业论文 10 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 0 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 反演到导纳平面 即取 做的动作特性 时 导纳动作特性为一直线 1 m m Y Z m Y 2 1 3 全阻抗圆特性 在偏移特性中 如果令 则动作特性变化成圆特性 set2set ZZ set1set ZZ 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 set Z 将 代入式 2 1 可以得到全阻抗圆特性的绝对值比 set2set ZZ set1set ZZ 较动作方程为 2 9 set m ZZ 朱俊杰 短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 11 将 代入式 2 6 可得到全阻抗圆特性的相位比较动 set2set ZZ set1set ZZ 作方程 2 10 setm m 90arg90 set ZZ ZZ 全阻抗圆特性在各个方向上的动作阻抗都相同 它在正向或者反向故障的情 况下具有相同的保护区 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 保护范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及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 2 180arg 360 mset ZZ 11 式中 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 2 12 90arg 270 mset ZR 南京工程学院电力工程学院毕业论文 12 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为 以 jx 轴为参考 2 13 20arg 110 mM ZZ 图 2 5 a 中 当为 20 电抗动作特性为零序电抗动作特性时 具有该特 1 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 和分别为电抗整定值和电阻整定值 为保证被保护 set X set R 1 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 为保证区内金屈短路阻抗元件可靠动作的 4 角 一般取 60 应小于整定阻抗角 角度 均为常数 3 set 1 2 3 4 根据实际情况整定 图 2 5 b 所示的四边形阻抗元件的动作特性的数学表达式为 2 14 1 23 tan cotcot mmset mmsetm RXX XRRX 式中 测量电阻和测量电抗 m R m X 朱俊杰 短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 13 当微机型保护输入回路取得所需电压 电流的采样值后 可通过某种 m U m I 算法算出所测和及 再用程序软件实现上述方程的比较 满足式 2 14 时 m X m R 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 3 存在过渡电阻短路时对距离保护的影响 南京工程学院电力工程学院毕业论文 14 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范围缩 短 但有时候也能引起保护的越范围动作或反方向误动作 现对过渡电阻的性质 及其对距离保护工作的影响讨沦如下 3 1 短路点过渡电阻的性质 短路点的过渡电阻是指当相间短路或接地短路时短路电流从一相流到另一 g R 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 4 1 5kV 最大值 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 g g g l 1050R I 式中 电弧电流有效值 A g I 电弧长度 m g l 在一般情况下 短路初瞬间电弧电流最大 弧长最短 弧阻最小 几 g I g l g R 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 弧阻有急速 g R 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 朱俊杰 短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 15 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 铁塔及其接地电阻构成过渡电阻的主要部分 铁塔的接地电阻与大地导电率有关 对于跨越山区的高压线路 铁塔的接地电阻 可达数十欧 此外 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 3 2 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短路的等效图 g R 如图 3 2 所示 短路点的过渡电阻总是使继电器的测量阻抗增大 使保护 g R 范围缩短 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 的始端经短路 则保护 g R 1 的测量阻抗为 而保护 2 的测量阻抗为 由图 3 3 可见 由 r1g ZR r 2g AB ZRZ 南京工程学院电力工程学院毕业论文 16 于是与的相量和 因此 其数值比无时增大不多 也就是说测量阻 r 2 Z AB Z g R g R 抗受的影响较小 当较大时 就可能出现已超出保护 1 第 I 段整定的特 g R g R r1 Z 性圆范围 而仍位于保护 2 第 II 段整定的特性圆范围以内的情况 此时两个 r 2 Z 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 3 3 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 短路点的过渡电阻还可能使某些保护的 测量阻抗减小 如在线路 B C 的始端经过渡电阻三相短路时 和分别为 g R K I K I 两侧电源供给的短路电流 则流经的电流为 此时 变电所 A 和 g R KKK III B 母线上的残余电压为 gBK UIR A 朱俊杰 短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 17 g AKKAB UI RIZ 则保护 1 和保护 2 的测量阻抗为 r1 j BKK gg KK K UII ZRR e II I r 2 j AK ABg K K UI ZZR e I I 此处 表示超前于的角度 当为正时 测量阻抗的电抗部分增大 K I K I 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 双侧电源通过路的接线图 g R 3 4 过渡电阻对不同动作特性阻抗元件的影响 在图 3 5 a 所示的网络中 假定保护 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 85 如果在距离 I 段保护范围内阻抗为 AB Z 处经过渡电阻短路 则保护 2 的测量阻抗为 由图 3 5 b 可见 K Z g R r 2 Kg ZZR 当过渡电阻达时 具有透镜型特性的阻抗继电器开始拒动 当达时 方向 g1 R g2 R 阻抗继电器开始拒动 而达时 则全阻抗继电器开始拒动 一般来说 阻抗 g3 R 南京工程学院电力工程学院毕业论文 18 继电器 的动作特性在 R 轴方向所占的面积越大 则受过渡电阻的影响越小 g R 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 3 5 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向下倾斜 A X 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 右边可以在 A R 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 许在接近保护范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动作持性 朱俊杰 短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 19 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 1 保护装置的启动元件 或第 III 段 2 第 II 段阻抗元件 3 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 1 0 15s 后就迅速增大 根据的上述特点 通常距离保护的第 II 段可采用瞬 g R 南京工程学院电力工程学院毕业论文 20 时测量装置 以便将短路瞬间的测量阻抗值固定下来 使的影响减至最小 装 g R 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 朱俊杰 短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 21 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 MNMN MLN EEEE I ZZZZ 此处 代表系统总的纵向正序阻抗Z M 点的母线电压为 南京工程学院电力工程学院毕业论文 22 4 1 M MM UEI Z 因此 安装于 M 点阻抗继电器的测量阻抗为 4 2 r 1 1 MMM M MM M MM j MN EI ZUE ZZ III E ZZZZ he EE 在近似计算中 假定 h 1 系统和线路的阻抗角相同 则继电器测量阻抗随 的变化关系为 r 111 1jcot 122 MMM j ZZZZZ he 4 3 111 jcot 222 M ZZZ 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相同时 即可由图 4 2 证明将在的垂 rM ZZ 直平分线上移动 OO 朱俊杰 短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 23 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 1 cot 2 11 jcot 22 Z 0 j 90 1 1 2 jZ 180 00 270 1 1 2 jZ 360 j 由此可见 当 0时 当 180 时 即等于保护 rM Z rM Z 1 2 M ZZ 安装地点到振荡中心之间的阻抗 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 其变化的范围为 90 90 KK 南京工程学院电力工程学院毕业论文 24 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 可令代替 并假定 m m 为小于 1 的变数 则式 4 3 可 X Z M Z X ZZ 改写为 4 4 r 111 jcot 222 M Zm ZZ 当 m 为不同数值时 测量阻抗变化的轨迹应是平行于线的一直线簇 如 OO 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 荡中心位于保护范围的正方向 而当 m0 5 时 直 线簇则与 jX 相交 振荡中心将位于保护范围的反方向 当两侧系统的电势时 即时 继电器测量阻抗的变化将具有更 MN EE 1h 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 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 朱俊杰 短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 25 图 4 4 当时测量阻抗的变化1h 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 85 在图 4 5 中以长 L Z 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 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 直线的交点 其所对应的角度为和 则在这两个交点的范围以内继电器 OO 的测量阻抗均位于动作特性圆内 因此 继电器就要启动 也就是说 在这段范 围内 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方向所占的面积越大 受振荡的影响就越 OO 大 南京工程学院电力工程学院毕业论文 26 图 4 5 系统振荡时 M 变电所测量阻抗的变化图 此外 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 而振荡中心在保护范 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 4 2 1 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 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 朱俊杰 短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 27 的 此外 振荡时电流和各点电压幅值的变化速度 和 较慢 而短路时电 di dt du dt 流是突然增大 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 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 IIIIII ZZZ 南京工程学院电力工程学院毕业论文 28 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范围以内时 由于测量阻抗逐渐减小 因此 先启动 再启动 最后启动 而当保护范围内部故障时 由于测 III Z II Z I Z 量阻抗突然减小 因此将同时启动 基于上述区别 实现这种振荡 IIIIII ZZZ 闭锁回路的基本原则是 当 同时启动时 允许 动作于跳闸 而当 I Z III Z I Z II Z 先启动 经延时后 才启动时 则把和闭锁 不允许它们动 III Z 0 t II Z I Z I Z II Z 作于跳闸 按这种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 朱俊杰 短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 29 4 3 3 新型振荡闭锁原理 4 3 3 1 启动元件动作 160ms 以内开放保护的条件 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 4 3 3 2 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 4 5 021 I I mI 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内不对称短路 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 南京工程学院电力工程学院毕业论文 30 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 m 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 4 3 3 3 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 osU 在启动元件开放 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 11 cos osUU 式中 母线正序电压 1 U 正序电压 电流夹角 1 系统振荡时 振荡周期在 180 左右 振荡中心电压在 0 05左右 三相 osU N U 短路故障电阻就是弧光电阻 该电阻上压降的幅值也在 0 05左右 N U 2 振荡中心电压与三相短路弧光电阻上的压降的关系 osU g IR 若系统阻抗角为 90 振荡电流垂直于相量 并与振荡中心电压MNEE 同相位 osU 假设线路为感抗 在系统中发生三相短路故障时 短路电流也与KI 垂直 而且三相短路时 过渡电阻凡即弧光电阻上的压降与同相位 MNEE osU 并等于 如图 4 9 a 所示 母线正序电压 由此可见 三相 g IR 1M Lg Uj I XI R 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代替 说 osU g I R 明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 osU 压仍然可以反映弧光电阻压降 这可由图 4 9 b 得到证明 通过 d 点做补偿 g I R 角 相量为线路电感分量上的电压 为线路电阻分量上的90 L L j I X L I R 电压 则线路上的电压降 因为三相短路时母线上的电压 L LL Uj I XI R 等于线路压降与弧光电阻压降之和 因此 电压相量就是三相短路时弧 1MU osU 光电阻压降 由于超高压线路角很小 所以 oa oc 则 osU 1cos MU 约等于 OA 这说明振荡中心电压仍可以反映弧光电阻压降 1 1 cos MU g I R 朱俊杰 短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 31 a b 90 L 90 L 图 4 9 系统振荡中心电压相量图 osU 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 而系统振荡中心电压为 在振荡周 1 U 0 U 期的 180 左右一段时间内降到最低点也约为 5 所以 振荡中心在式 4 6 1 U 表示的范围内三相短路弧光电阻压降相近 很难区分是振荡还是短路 0 03 0 08 4 6 N U osU N U 实际上 振荡中心电压是在 0 03 0 08 范围内 是指两侧系统 E 势角 N U 摆开为 171 183 5 范围 如果按最大振荡周期 3s 计算从 171 183 5 需要 104ms 其后振荡中心电压值就偏移式 4 6 范围 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 1 0 25 4 7 N U osU N U 该段振荡中心电压范围对应系统电势角为 151 191 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 装置对应的延时取 500ms 已 有足够裕度 南京工程学院电力工程学院毕业论文 32 5 MATLAB 的仿真 本课题的主要任务之一是用MATLAB对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编程语句及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 1 MATLAB 软件概述 MATLAB是 矩阵实验室 MATRIX LAB ORATORY 的缩写 由美国 MATHWORKS公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