郭楊，王煜，周永榮，陳昊

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 211106）

0 前言

在電力系統(tǒng)中，當(dāng)出現(xiàn)輸電線路輸送功率超過極限值造成靜態(tài)穩(wěn)定破壞，或者電網(wǎng)發(fā)生短路故障，切除大容量的發(fā)電、輸電或變電設(shè)備，負(fù)荷瞬間發(fā)生較大突變等造成電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定破壞時，都將引起電力系統(tǒng)振蕩[1-2]。作為一種常見的非正常運行狀態(tài)，發(fā)生振蕩后系統(tǒng)可以繼續(xù)運行，保護(hù)不必動作，只需根據(jù)預(yù)先的解列點判別系統(tǒng)是否解列運行即可。

距離保護(hù)能夠反應(yīng)輸電線路一側(cè)電氣量變化，具有穩(wěn)定性好、靈敏度高等優(yōu)點，能夠滿足復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)迅速、有選擇性地切除故障，在輸電線路保護(hù)中具有廣泛應(yīng)用[3-4]。但是，電力系統(tǒng)振蕩對電網(wǎng)距離保護(hù)的影響一直是個無法規(guī)避的現(xiàn)實問題。對于距離保護(hù)，測量阻抗的幅值與相角都會發(fā)生周期性的變化，當(dāng)測量阻抗進(jìn)入保護(hù)的動作區(qū)時，保護(hù)就會動作。目前，對系統(tǒng)振蕩時的距離保護(hù)已有較多研究。文獻(xiàn)[5]提出了在微機(jī)距離保護(hù)中加入振蕩閉鎖裝置；文獻(xiàn)[6]從美國“8·14”大停電事故出發(fā)，論述了電力系統(tǒng)振蕩對距離保護(hù)的影響及其閉鎖；文獻(xiàn)[7] 提出了一些系統(tǒng)振蕩時距離保護(hù)的對策；文獻(xiàn)[8]分析了多相補(bǔ)償距離繼電器在振蕩且伴隨單相接地故障下的動作性能。上述文獻(xiàn)多研究了系統(tǒng)振蕩時距離保護(hù)的閉鎖問題，但是對于振蕩過程中，不同動作特性阻抗繼電器造成繼電器本身動作這一課題尚未研究。

本文具體分析了系統(tǒng)振蕩時，保護(hù)安裝處測量阻抗的變化規(guī)律。以此為基礎(chǔ)，通過計算測量阻抗進(jìn)入保護(hù)動作區(qū)的時間，并輔以圖形化的直觀方式分析了阻抗繼電器不同動作特性曲線受系統(tǒng)振蕩影響而造成繼電器動作的情況。

1 系統(tǒng)振蕩的概念

并聯(lián)運行的電力系統(tǒng)或發(fā)電廠之間出現(xiàn)功率角大范圍周期性變化的現(xiàn)象，稱為電力系統(tǒng)振蕩。電力系統(tǒng)正常運行時，接入系統(tǒng)的所有發(fā)電機(jī)都處于同步運行狀態(tài)。因輸電線路傳輸功率過大超過靜態(tài)穩(wěn)定極限、系統(tǒng)無功嚴(yán)重不足、發(fā)生故障后切除太慢和采用非同步重合閘時，并列運行的發(fā)電機(jī)會失去同步，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。當(dāng)電力系統(tǒng)中發(fā)生振蕩時，各點的電壓、電流和功率的幅值和相位都將發(fā)生周期性地變化。電壓與電流之比所代表的阻抗繼電器的測量阻抗也將周期性地變化，當(dāng)測量阻抗進(jìn)入動作區(qū)域的時間大于動作定值，距離保護(hù)將可能發(fā)生動作。因此對于距離保護(hù)必須考慮電力系統(tǒng)振蕩對其的影響[9]。

2 振蕩對距離保護(hù)測量元件的影響

2.1 系統(tǒng)振蕩時電流電壓的變化規(guī)律

以下圖所示的雙側(cè)電源的電力系統(tǒng)為例，分析系統(tǒng)振蕩時電流電壓的變化規(guī)律。設(shè)系統(tǒng)兩側(cè)電動勢分別為EM和EN，相角差為δ，電源之間的阻抗ZΣ為ZM、ZL、ZN三者之和。其中，ZM為M 側(cè)系統(tǒng)的等值阻抗，ZN為N 側(cè)系統(tǒng)的等值阻抗，ZL為聯(lián)絡(luò)線路的等值阻抗[10]。

圖1 雙端電源系統(tǒng)接線圖

2.2 系統(tǒng)振蕩時測量阻抗的規(guī)律

當(dāng)系統(tǒng)振蕩時，安裝在M 點處的測量元件的測量阻抗為[11]：

式中，h=ZM/Z∑為M 側(cè)系統(tǒng)阻抗占系統(tǒng)總聯(lián)系阻抗的比例。當(dāng)h=1/2 時，振蕩軌跡經(jīng)過原點，即振蕩安裝處就是振蕩中心；當(dāng)h＜1/2 時，振蕩軌跡經(jīng)過+jX 軸，振蕩中心在保護(hù)正方向；當(dāng)h＞1/2 時，振蕩軌跡經(jīng)過-jX 軸，振蕩中心在保護(hù)反方向。

圖2 不同距離保護(hù)安裝地點處測量阻抗的變化

一般而言，h＜1/2，即振蕩中心在保護(hù)的正方向。當(dāng)系統(tǒng)振蕩時，保護(hù)安裝處M 的測量阻抗由兩大部分組成，第一部分為（1/2-h）ZΣ，對應(yīng)從保護(hù)安裝處M 到振蕩中心的線路阻抗，只與保護(hù)安裝點M 到振蕩中心的相對位置有關(guān)，與功角δ 無關(guān)。第二部分為 -j ZΣcot(δ/2)/2 ，垂直于第一部分，隨著功角的變化而變化。當(dāng)功角δ 從0°變化到360°時，測量阻抗的末端沿著一條經(jīng)過振蕩中心且垂直于Z 的直線OO’自右向左移動。當(dāng)δ=0° (+) 時，測量阻抗Zm位于復(fù)平面右側(cè)，其值無窮大；當(dāng)δ=180°時，測量阻抗Zm值最小，為（1/2-h）ZΣ，與系統(tǒng)阻抗角同方向；當(dāng)δ=360°(-)時，測量阻抗值也為無窮大，但是位于復(fù)平面的左側(cè)。

圖3 系統(tǒng)振蕩時測量阻抗的變化

當(dāng)EM與EN的幅值不相等時，測量阻抗的變化曲線將發(fā)生變化。設(shè)EN/EM=k，代入式（4）可得：

圖4 兩側(cè)電源不等值時的測量阻抗曲線

從圖4 可以看出，系統(tǒng)振蕩時測量阻抗末端的軌跡將不再是一條直線，而是一段圓弧。同時，根據(jù)以上推導(dǎo)，可以分析系統(tǒng)振蕩時距離保護(hù)所受到的影響。

2.3 阻抗繼電器造成保護(hù)動作的分析

據(jù)文獻(xiàn)[12] 可知，電力系統(tǒng)的振蕩周期為1.5 s ～2.0 s。在系統(tǒng)失去穩(wěn)定后，第一個振蕩周期較長；當(dāng)振蕩發(fā)展起來后，振蕩周期則縮短；在最后拉入同步時，振蕩周期又會增加。對于無延時特性的Ⅰ段速斷保護(hù)而言，只要保證振蕩中心不落入本線路保護(hù)范圍內(nèi)，振蕩對保護(hù)將不造成影響；對于限時速斷特性的Ⅱ段保護(hù)而言，只要振蕩中心不落入本線路及相鄰線路的保護(hù)范圍內(nèi)，或者動作時間大于測量阻抗落入保護(hù)范圍內(nèi)的時間，就不會動作[13]；對于具有定時限特性的Ⅲ段保護(hù)而言，只要動作時間大于2.0 s，保護(hù)一般不會動作。從理論分析來看，由于距離Ⅱ段保護(hù)的動作時間處于可能動作的范圍，且實際運行中距離Ⅱ段整定較為富于變化，對Ⅱ段保護(hù)的動作特性分析具有很強(qiáng)的針對性和實際意義[14]。本文經(jīng)理論推導(dǎo)可知，相對于圓特性阻抗繼電器，四邊形阻抗繼電器具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，在系統(tǒng)振蕩時能有效防止繼電器動作，并通過仿真分析驗證了結(jié)論的正確性。

3 仿真分析

本文的仿真分析中，以某500 kV 輸電線路為例，線路及兩側(cè)的等值阻抗如圖5 所示。圖中M 處安裝的距離保護(hù)，按距離保護(hù)Ⅱ段值整定，具體定值如表1 所示。

圖5 某500 kV輸電線路及兩側(cè)等值阻抗

該線路配備兩套保護(hù)裝置，分別是南瑞繼保RCS-931 保護(hù)和四方繼保CSC-103A 保護(hù)。對于線路的兩套后備距離保護(hù)，RCS-931 保護(hù)采用圓特性阻抗繼電器，CSC-103 保護(hù)采用四邊形特性阻抗繼電器。距離Ⅱ段保護(hù)動作時間整定為0.7 s[15]。從圖6 可以看出，不同比值k情況下的測量阻抗變化曲線經(jīng)過保護(hù)范圍的情況。在圖6 中，有圓特性阻抗繼電器和四邊形特性阻抗繼電器兩種距離保護(hù)裝置，兩邊電源電動勢幅值的比值EN：EM=k從0.6～1.6 遞增，對應(yīng)圖中的6 條測量阻抗變化曲線。由圖可知，在相似整定值的條件下，測量阻抗經(jīng)過圓特性曲線的時間明顯大于經(jīng)過四邊形特性曲線的時間。因此，方向圓阻抗繼電器受振蕩的影響大于四邊形阻抗繼電器所受的影響。采用圓特性曲線的阻抗繼電器在系統(tǒng)振蕩時，更容易動作。因此，繼電器的動作特性在阻抗平面上所占的面積越大，受振蕩的影響就越大。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖6 中不同k 值情況下，測量阻抗經(jīng)過圓特性曲線和四邊形特性曲線區(qū)域的時間如表2所示。根據(jù)圖6 可知，由于圓特性阻抗繼電器的動作范圍較大，所以在不同的k 值情況下測量阻抗通過該區(qū)域的時間均大于距離Ⅱ段保護(hù)動作整定時間0.7 s，將會造成阻抗繼電器本身動作；對于四邊形特性曲線，隨著k 值的增大，測量阻抗通過該區(qū)域的時間逐漸減少，其值小于保護(hù)動作整定時間0.7 s，繼電器本身將不會動作。因此，根據(jù)表2 同樣證明，由于兩種繼電器自身的特性差異，在系統(tǒng)振蕩期間，圓特性阻抗繼電器將更容易動作。

為保證電壓互感器在線路側(cè)時能可靠切除出口故障，在原有四邊形阻抗動作特性的基礎(chǔ)上，再疊加上一個包括座標(biāo)原點的小矩形特性，稱為阻抗偏移特性動作區(qū)。小矩形動作區(qū)的X、R 取值見表3，其中XDZ 是相應(yīng)元件的電抗定值，RDZ 是相應(yīng)元件的電阻定值。結(jié)合表1 及表3 計算可得，距離Ⅱ段保護(hù)下阻抗偏移特性動作區(qū)為X 取2.5 Ω，R 取0.305 Ω，如圖6 中紅色矩形所示。由圖可知，即使四邊形阻抗動作特性中疊加阻抗偏移特性動作區(qū)，新疊加的動作區(qū)依舊無測量阻抗通過，即測量阻抗通過四邊形特性曲線區(qū)域的時間不變，與圓特性曲線相比后者更容易動作。

表2 測量阻抗進(jìn)入保護(hù)動作區(qū)的時間

表3 四邊形阻抗偏移特性動作區(qū)定值

圖6 系統(tǒng)振蕩時M側(cè)測量阻抗的變化圖

4 結(jié)束語

分析了受系統(tǒng)振蕩影響，電網(wǎng)距離保護(hù)裝置安裝處測量阻抗的變化規(guī)律。并以此為基礎(chǔ)，利用圖形化方式直觀分析了不同動作特性阻抗繼電器造成繼電器本身動作的情況，比對了測量阻抗進(jìn)入保護(hù)動作區(qū)的時間。計算結(jié)果表明，所得四邊形特性曲線能更好的防止系統(tǒng)振蕩期間距離繼電器動作。