距离保护的振荡闭锁

§3.5距离保护的振荡闭锁（Power Swing Blocking of Distance

Protection ）

§3.5.1振荡闭锁的概念（Concept of Power Swing Blocking ）

并联运行的电力系统或发电厂失去同步的现象，称为电力系统的振荡（Power Swing ）。电力系统振荡时，系统两

侧等效电动势间的夹角 在o

o 360~0范围内作周期性变化，

从而使系统中各点的电压、线路电流、功率方向以及距离保护的测量阻抗也都呈现周期性变化。这样，以上述这些量为测量对象的各种保护的测量元件，就有可能因系统振荡而动作。

电力系统的振荡是属于严重的不正常运行状态，而不是故障状态，大多数情况下能够通过自动装置的调节自行恢复同步。如果在振荡过程中继电保护动作，切除了重要的联络线，或断开了电源和负荷，不仅不利于振荡的自动恢复，而且还有可能使事故扩大，造成更为严重后果。所以在系统振荡时，要采取必要的措施，防止保护因测量元件动作而误动。这种用来防止系统振荡时保护误动的措施，就称为振荡闭锁。

因电流保护、电压保护和功率方向保护等一般都只应用在电压等级较低的中低压配电系统，这些系统出现振荡的可能性很小，振荡时保护误动产生的后果也不会太严重，所以

一般不需要采取振荡闭锁措施。距离保护一般用在较高电压等级的电力系统，系统出现振荡的可能性大，保护误动造成的损失严重，所以必须考虑振荡闭锁问题。在无特殊说明的情况下，本书所提及的振荡闭锁，都是指距离保护的振荡闭锁。

§3.5.2 电力系统振荡对距离保护测量元件的影响（Effect

of Power Swing to Measuring Unit of Distance Protection ）

1．电力系统振荡时电流、电压的变化规律

现以图3-31所示的双侧电源的电力系统为例，分析系统振荡时电流、电压的变化规律。

设系统两侧等效电动势M

E 和N E 的幅值相等，相角差（即功角）为δ，等效电源之间的阻抗为N l M Z Z Z Z ++=∑，其中M Z 为M 侧系统的等值阻抗，N Z 为N 侧系统的等值阻抗，l

Z 为联络线路的阻抗，则线路中的电流和母线M 、N 上

的电压分别为：

∑

-∑∑-=?=-=Z e E Z E Z E E I j M N M )1(δ (3-144)

U

图3-31 双侧电源的电力系统

M M M Z I E U ?-= (3-145) N

N N Z I E U ?+= (3-146) 它们之间的相位关系如图3-32(a)所示。以M

E

为参考相量，当δ在0o ～360o 范围内变化时，相当于N

E

相量在0o ～360o 范围内旋转。

图3-32系统振荡时的电流和电压

(a) 相量图； (b) 电流有效值变化曲线；(c ) 电压有效值变化曲线

)

180

max o

=

N

E

(a)

δ

(b)

δ

(c)

由图可以看出电势差的有效值为

2

sin 2δ

M E E =? (3-147)

所以线路电流的有效值为

2

sin 2δ∑∑=?=Z E Z E I M (3-148) 电流有效值随δ变化的曲线如图(b)所示。电流的相位

滞后于N

M E E E -=?的角度为d ?，其相量末端的随δ变化的轨迹如图(a)中的虚线圆周所示。

假设系统中各部分的阻抗角都相等，则线路上任意一

点的电压相量的末端，都必然落在由M E 和N E 的末端连接而成的直线上（即E ?上）。M 、N 两母线处的电压相量M

U 和N U 标在图(a)中。 其有效值随δ变化的曲线，如图(c)所示。

在图(a)中，由o 点向相量E

?作一垂线，并将该垂线代表的电压相量记为os

U ，显然，在δ为0以外的任意值时，电压os

U 都是全系统最低的，特别是当o 180=δ时，该电压的有效值变为0。电力系统振荡时，电压最低的这一点称为振荡中心，在系统各部分的阻抗角都相等的情况下，振荡中心的

位置就位于阻抗中心∑Z 21

处。由图(a)可见，振荡中心电压的

有效值可以表示为

2

cos

δ

M os E U = (3-149) 2．电力系统振荡时测量阻抗的变化规律

系统振荡时，安装在M 点处的测量元件的测量阻抗为

M j M M M M M

M M M M m Z Z e

Z I E I Z I E I U Z --=-=-==∑-δ11 (3-150)

因为 2

12sin cos 11δδδδjctg

j e j -=

+-=--

所

以

2

21)21(221)21(δ

ρδctg

Z j Z ctg Z j Z Z Z M M m ∑∑∑∑--=--=

(3-151)

式中 ∑

=Z Z M

M ρ为M 侧系统阻抗占总串联阻抗的比例。

可见，系统振荡时，M 处的测量阻抗由两大部分组成，第一部分为

∑-Z M )2

1

(ρ ，它对应于线路上从母线M 到振荡

中心z 一段线路的阻抗，是不随δ变化的。第二部分为

2

21δ

ctg Z j ∑-，它垂直于∑Z ，随着δ的变化而变化。当δ由o

0变

化到o

360时，测量阻抗m Z 的末端沿着一条经过阻抗中心点

∑Z 2

1

，且垂直于∑Z 的直线o o '自右向左移动，如图3-33所示。

当)(0

+=o

δ时，测量阻抗m Z 位于复平面的右侧，其值为无穷大；

当o

180=δ时，第二部分阻抗等于0，总测量阻抗变成∑-Z M )2

1

(ρ；当)(360

-=o

δ时，测量阻抗的值也为无穷大，但位于复平面的

左侧。

如果M

E 和N E 的幅值不相等，则分析表明，系统振荡时测量阻抗末端的轨迹将不再是一条直线，而是一个圆弧。设

N M

e E E K =，当1>e

K 及1

由图可见，保护安装处M 到振荡中心z 一段线路的阻

抗为∑-Z M )21

(ρ，它与比值M ρ的大小密切相关。当21

它与∑

Z 同方向，振荡中心Z 点位于阻抗平面的第一象限，振

荡时测量阻抗末端轨迹的直线o o '在第一象限内与∑

Z 相交；

当2

1=M ρ时，该阻抗等于0，振荡中心z 正好位于M 点，测量阻抗末端轨迹的直线o o '在坐标原点处与∑

Z 相交；当

2

1

>M ρ时，它与∑

Z 方向相反，振荡中心z 点位于阻抗平面的

第三象限，振荡时测量阻抗末端轨迹的直线o o '在第三象限

R

jX

图3-33 测量阻抗的变化轨迹

内与∑

Z 相交。

若令∑

=Z Z N

N ρ，则当M

ρ和N

ρ都小于21时，振荡中心就落

在线路MN 上，其它情况下，振荡中心将落在线路MN 之外。

3．电力系统振荡对距离保护测量元件的影响 在图3-31所示的双侧电源系统中，假设M 、N 两处均装有距离保护，其测量元件均采用圆特性的方向阻抗元件，距离I 段的整定阻抗为线路阻抗的80％，则两侧测量元件的动作特性如图3-34所示，实线圆为M 侧I 段的动作特性，虚线圆为N 侧I 段的动作特性。

根据前面的分析，若M ρ和

N ρ都小于2

1，振荡中心就落在

母线M 、N 之间的线路上。当δ变化时，M 、N 两处的测量阻抗的末端，都将沿图3-34中的直线o o '移动。由图可见，当δ

在δ1～δ4范围内时，N 侧测量阻抗落入动作范围之内，其测量元件动作；当δ在δ2～δ3范围内时，M 侧测量阻抗也落入动作范围之内，其测量元件也

R

jX

图3-34 振荡对测量元件的影响

R

动作。即在振荡中心落在本线路上的情况下，当δ变至o

180=δ左右时，线路两侧保护I 段的

测量元件都可能动作。

当M

ρ和N

ρ任意一个不小于2

1时，振荡中心都将落在本线

路之外，这时两侧保护的测量阻抗都不会进入I 段的动作区，本线路的距离I 段将不受振荡的影响。但由于II 段及III 段的整定阻抗一般较大，振荡时的测量阻抗比较容易进入其动作区，所以II 段及III 段的测量元件可能会动作。

总之，电力系统振荡时，阻抗继电器有可能因测量阻抗进入其动作区而动作，并且整定值越大的阻抗继电器越容易受振荡的影响。在整定值相同的情况下，动作特性曲线在与整定阻抗垂直方向的动作区越大时，越容易受振荡的影响。比如，与方向圆阻抗特性相比，全阻抗特性在与整定阻抗垂直方向的动作区较大，所以它受振荡的影响就较大；而方向阻抗特性在整定阻抗垂直方向的动作区较橄榄形特性大，所以它受振荡的影响要比橄榄特性大。

4．引发电力系统振荡的原因

引起电力系统振荡的原因主要有两种，一种则是因为联络线中传输的功率过大而导致静稳定破坏，另一种是因电力系统受到大的扰动（如短路、大机组或重要联络线的误切除等）而导致暂态稳定破坏。