零序方向-变化量方向-振荡闭锁

1 一 零序方向继电器 一 零序方向继电器 对零序方向继电器的最基本要求是利用比较零序电压和零序电流的相位来 区分正 反方向的接地短路 正 反方向接地短路时 零序电压和零序电流的夹角 0l Z MN F 0 I 0 U 0K U 0S Z 0R Z 0 FF 0 I 0 U 0K U 0 F M N a 正方向短路 b 反方向短路 0 I 0S0Z I 0 U 0 100 0 I 0R0l00 ZZIU 0 80 c 正方向短路相量图 d 反方向短路相量图 图3 2 正 反方向接地短路时的零序序网图和相量图 设零序方向继电器装在 MN 线路的 M 侧 在图 3 2 所示的零序序网图中 加在继电器的上的零序电压 电流按传统方式规定它的正方向 零序电压 的正方向是母线电压为正 中性点电压为负 图中电压箭头表示电位升方 向 零序电流以母线流向被保护线路方向为其正方向 900 系列线路保护中的零序方向继电器采用比较零序功率的方法实现 3 l IUP cos33 000 2 1 为线路零序阻抗的阻抗角 取 l 0 80 为超前于的夹角 0 3U 0 3I 00 IUarg 1 1 正方向故障时 正方向故障时 根据图 3 2 a 所示的正方向短路的零序序网图 按上述规定的电压 电流正方向可得 3 2 000S ZIU 如果系统中各元件零序阻抗的阻抗角都为 正方向短路时根据 3 0 80 2 式 零序电压超前零序电流的角度为 3 3 00 0000 100180 SS ZargZargIUarg 正方向短路时的相量图示于图 3 2 c 中 因此得 00 00 000 33 80100cos 33 cos33 IU IU IUP l 为负的最大值 故而正方向的零序方向继电器的动作方程可定为 3 4 当1当2033 当5当133 000 000 AI VA cosIUP AI VAcosIUP Nl Nl 在正方向短路时正方向的零序方向继电器可以灵敏动作 2 2 反方向短路时 反方向短路时 根据图 3 2 b 所示的反方向短路的零序序网图 按上述规定的电压 电流正方向可得 3 ZZ IU Rl0000 5 反方向短路时根据 3 5 式 零序电压超前零序电流的角度为 3 6 0 0000 80 Rl ZZargIUarg 反方向短路时的相量图示于图 3 2 d 中 当反方向短路时得 00 00 000 33 8080cos 33 cos33 IU IU IUP l 为正的最大值 故而反方向的零序方向继电器的动作方程为 3 7 VAcosIUP l 033 000 3 在反方向短路时 反方向的零序方向继电器可以灵敏动作 反方向 的零序方向继电器的动作边界为 而正方向的零序方向继电器的动VA0 作边界定为 当电流互感器二次额定电流是 5A 时 这是为了让反VA1 方向元件的灵敏度高于正方向的元件灵敏度 使它动作后闭锁优先 在零序电流方向保护中使用的零序方向继电器无需正 反方向两个 方向继电器 只需要正方向的零序方向继电器 采用母线 TV 时 零序电压和零序电流仍然有如同正方向短路时 0 U 0 I 一样的 3 5 关系式 所以零序正方向的方向继电器动作 而反方向的方 向继电器不动作 采用线路 TV 时 零序电压和零序电流的关系式中 0 U 0 I 包含有断线处的零序电压源 所以无法直接判断零序电压和零序电流的相 角差 需要用双端口网络理论来进行分析 分析表明 零序方向继电器的 动作行为与系统参数有关 零序正方向的方向继电器可能动作也可能不动 作 因此在本线路两侧非全相运行的情况下纵联零序方向保护应该退出 MN 0 I 0 U 0 U 0S Z 0 F MN 0 I 0 U 0 U 0S Z 0 F 0l Z 0R Z a 用母线TV b 用线路TV 图3 3 输电线路一侧断线时的零序序网图 4 二 工频变化量方向继电器 二 工频变化量方向继电器 F F F F RCS 901A 由变化量方向和零序方向继电器 经通道交换信号构成全线路快 速跳闸的方向保护 即装置的纵联保护 1 1 工频变化量方向继电器测量相角表示式 工频变化量方向继电器测量相角表示式 工频变化量方向继电器测量电压 电流故障分量的相位 其正方向元件的测量相角为 D COM ZI ZIU Arg 12 1212 其反方向元件的测量相角为 D ZI U Arg 12 12 其中 为电压 电流变化量的正负序综合分量 无零序分量 12 U 12 I 为模拟阻抗 D Z 0 781 D Z 为补偿阻抗 当最大运行方式时系统线路阻抗比为补偿阻抗 当最大运行方式时系统线路阻抗比时 时 COM Z5 0 LS ZZ 否则 否则取为取为 工频变化量阻抗工频变化量阻抗 的一半 的一半 0 COM Z COM Z 正 反方向元件的动作方程为 正 反方向元件的动作方程为 00 27090 2 2 工频变化量方向继电器动作行为分析 工频变化量方向继电器动作行为分析 N I S Z 0 N E0 M E K Z G R ZD Z F E U I F 5 图 3 2 1 4a 正方向经过渡电阻故障计算用 1 1 正方向故障时 正方向故障时 当正方向故障时 如图 3 2 1 4 a 为系统正序阻抗 并假设系统的负 S Z 序阻抗等于正序阻抗 将工频变化量电压电流分解为对称分量 则 S ZIU 11 S ZIU 22 S ZIMIUMUU 212112 S ZI 12 其中 M 为转换因子 根据不同的故障类型 装置可选择不同的转换因子 以提高灵敏度 设系统阻抗角与的阻抗角一致 则正方向元件的测量相角为 D Z 180 12 1212 D COMS D COMS Z ZZ Arg ZI ZIZI Arg 反方向元件的测量相角为 反方向元件的测量相角为 0 12 12 D S D S Z Z Arg ZI ZI Arg 此时正方向元件可靠动作 反方可靠不动作 此时正方向元件可靠动作 反方可靠不动作 2 2 反方向故障时 反方向故障时 0 N E0 M E I K Z G R ZD Z S Z F E 图 3 2 1 4d 反方向故障计算用图 反方向故障时 如图反方向故障时 如图 3 2 1 4 d 3 2 1 4 d 为线路至对侧系统的正序阻抗 将为线路至对侧系统的正序阻抗 将 S Z 电压电流分解为对称分量有 电压电流分解为对称分量有 6 S ZIU 11 S ZIU 22 S ZIU 1212 设系统阻抗角与设系统阻抗角与的阻抗角一致 则正方向元件的测量相角为 的阻抗角一致 则正方向元件的测量相角为 D Z 0 D COMS Z ZZ Arg 反方向元件的测量相角为 反方向元件的测量相角为 180 D S Z Z Arg 此时反方向元件可靠动作 正方向元件可靠不动作 工频变化量方向继电器的特点及应用工频变化量方向继电器的特点及应用 在正 反方向短路时方向继电器的判别十分准确 清晰 因而有良好的方向 性 工频变化量方向继电器测量的角度与过渡电阻大小 与负荷电流大小无关 因此继电器十分灵敏 利用接在三个相间的工频变化量方向继电器 并且用值为最大的一个所 I 涉及的相间方向继电器来作短路方向的判别可适应任何故障类型 不像零序方 向继电器只适应接地故障 在系统振荡时由于电流 电压变化缓慢 值很小 工频变化量 I U 方向继电器算法中超不过相应的门槛值 门槛中还有浮动门槛 所以正 反方向两个方向元件都没有动作 因此纵联方向保护在振荡中不会误动 正因为这样 用它构成的纵联方向保护短路后可一直投入 不像纵联距离 保护还要受振荡闭锁控制 因而在振荡中再发生短路时该纵联方向保护仍 有保护功能 7 在有串联补偿电容的系统中工频变化量方向继电器的动作行为也是正确的 在单侧电源线路上受电侧的工频变化量方向继电器的动作行为也是正确的 在非全相运行期间和在非全相期间运行相上再发生短路时 工作在两运行相 间的工频变化量方向继电器的动作行为也是正确的 即非全相运行中工频变化量方向继电器不会误动 而非全相运行中运行 相上发生的各种故障类型 工作在两运行相间的工频变化量方向继电器仍然 能判别故障的方向 因而由工频变化量方向继电器构成的纵联方向保护在非 全相运行期间仍然能投入运行 依然能发挥保护功能 这是由零序方向继电 器构成的纵联方向保护做不到的 零序方向继电器如果用母线 TV 的话在本 线路非全相运行中是要误动的 用线路 TV 在本线路两侧都非全相时也有可 能误动 所以纵联零序方向保护在非全相运行期间将退出 假如使用母线 TV 在断路器合闸或跳闸时如果有电流突变量 工频变化量 方向继电器会误认为 正方向短路 而动作 这告诉我们在 合闸后保护 中 无论是手动合闸后还是自动重合闸 后的保护中都不能使用用工频变化量方向继电器构成的纵联方向保护 否 则断路器始终是合不上的 所以 900 保护在 合闸后保护 中都没有此种 保护 同理为了避免在对侧手动跳闸时本侧纵联工频变化量方向保护动作 跳闸也应采取相应措施 8 三 振荡闭锁原理 三 振荡闭锁原理 正常运行时电力系统中各发电机都以同步转速运行 各发电机的电势都以同样的 工频角频率旋转 各电势之间的相位差维持不变 电力系统处于同步稳定运行状态 如果电力系统受到某种干扰 各发电机的电势以不同的角频率旋转 各电势之间的相 位差一直不断变化 这时称作电力系统失去稳定 或称作电力系统振荡 电力系统的稳定分静态稳定 暂态稳定和动态稳定三种 所谓静态稳定是指电力 系统受到小干扰时能自动恢复稳定运行的能力 当电力系统受到小干扰时不能恢复同 步稳定运行并造成系统振荡时 就称为失去静态稳定 这种小干扰指的是电力系统中 并没有发生短路或断线这类故障 一般是指负荷进行调节 发生波动 或者发电机励 磁回路的故障引起失磁 在这些小干扰下 如果两侧电势的夹角大于时 就将 0 90 失去静态稳定而造成振荡 是保持静态稳定的极限角 所谓暂态稳定是指电力 0 90 系统受到大干扰时能自动恢复稳定运行的能力 当电力系统受到大干扰时不能恢复同 步稳定运行并造成系统振荡时 就称为失去暂态稳定 这种大干扰指的是电力系统中 发生短路或断线这类故障 当电力系统发生振荡时 两侧电势之间的夹角将在间不断变化 00 360 0 在间变化一周所需要的时间称做振荡周期 工程中最长的振 00 360 0 荡周期常按 1 5 秒考虑 9 0 0 0 0 0 180 0 180 0 360 0 360 I U 1 2 Z E2 E a 电流随 角的变化关系 b 电压随 角的变化关系 图1 62 系统振荡时电流与电压随 角的变化关系 在主系统发生稳定破坏后 关键问题在于如何能合理而快速的平息振荡和 最快地使系统恢复正常 因而正确处理系统振荡的有效方法是坚持保持整个系 统的完整性 不允许手动或由继电保护自动地任意解列线路 预定的解列点除外 而由手动或自动装置减少送端系统侧水电机组的出力及受端切负荷 用这种方 式可以迅速平息系统振荡 因此在电力系统振荡时 继电保护不应动作 对受 振荡影响可能要误动作的保护 主要是距离保护 要实现振荡闭锁 因此我们提出了具有特色的振荡闭锁新原理 首先我们保留了我国传统的 正常运行保护被闭锁 系统故障瞬时开放保护的特点 且只允许开放 160ms 因为在此时间内 即使系统产生了振荡 也不会使非故障线的保护误动 因为 系统失稳后 两侧电势由正常功角摆至 180 即 t180 都比较长 远大于 200ms 可允许开放 160ms 后将保护闭锁 假如振荡中再故障 重新寻找开放保 护条件 这对保证系统的稳定运行是极其有利的 这也是我们与西方不同之处 10 装置的振荡闭锁分四个部分 任意一个动作开放保护 装置的振荡闭锁分四个部分 任意一个动作开放保护 1 1 在起动元件动作在起动元件动作 按躲过最大负荷整定的正序过流元件不动作或动作时 间尚不到 10ms 起动元件可以瞬间开放保护 振荡闭锁开放保护时间固定为 160ms 因此 该元件在正常运行中 突然发生故障时可瞬间开放保护 160ms 当 系统先振荡时 正序过流元件动作其后再有故障时 该元件不会开放 另外当 区外故障或有操作 160ms 后再有区内故障时保护也被闭锁 为此我们必须要设 置后两种情况下 开放保护的条件 以保证故障可快速切除 2 2 160ms160ms 后发生区内不对称故障开放元件 后发生区内不对称故障开放元件 160ms 后发生区内不对称故障时 振荡闭锁回路还可由对称分量元件再开 放 该元件的动作判据为 I0 I2 m I 3 3 对称故障开放元件 对称故障开放元件 在起动元件开放 160ms 以后或系统振荡过程中 如发生三相故障 则上述 二项开放措施均不能开放保护 本装置中另设置了专门的振荡判别元件 它测 量振荡中心电压 U Uos os Ucos Ucos 是正序电流电压的夹角 U 为正序电压 在图 3 3 4 2c 中假定系统联系阻抗的阻抗角为 90 则电流向量垂直于 EM EN连线 与振荡中心电压同相 M E N E I U OS U 图 3 3 4 2c 系统电压向量图 在系统正常运行或系统振荡时 Ucos 恰好反应振荡中心的正序电压 在三相短路时 设线路阻抗角为 90 时 则 Ucos 是弧光电阻上的压降 三相短路时过渡电阻是弧光电阻 弧光电阻上压降小于 5 Un 11 R jX R S C C C MO N P Q H P H Q 1 2 3 图1 63 系统振荡时阻抗继电器测量阻抗端点的变化轨迹 m n 本装置采用的动作判据分二部分 1 0 03Un Uos 0 08Un 延时 150ms 开放 实际系统中 三相短路时故障电阻仅为弧光电阻 弧光电阻上压降的幅值 不大于 5 Un 因此 三相短路时 该幅值判据满足 为了保证振荡时不误开放 其延时应保证躲过振荡中心电压在该范围内的最长时间 振荡中心电压为 0 08 时 系统角为 171 振荡中心电压为 0 03