电力系统振荡对三相故障距离继电器影响的分析及对策研究

湛伟越

（中北大学信息商务学院，山西 太原 030012）

在距离保护研究中，电力系统振荡问题始终是关键所在，且内容复杂。在以往的研究中，主要采用短时开放振荡闭锁法，但在许多方面存在问题难以满足现实需求。对此，本文针对继电器的多种工况进行研究，提出一种不受振荡影响的继电器，并将故障判断元件姆欧继电器引入其中，有效防止系统振荡时产生的三相短路保护拒动现象。

1 三相故障距离继电器简介

为了减少和避免继电器存在的三相短路故障等问题，本文提出了一种不受系统振荡干扰的继电器，将某两相相间补偿电压与故障前的电压比相充分体现出来，例如，在BC 相中继电器K △M 动作的判断依据可用以下公式表示：

2 电力系统振荡对三相故障距离继电器的影响

2.1 振荡状态下继电器特性

在双侧电源系统中，两端等效电动势分别用EM 与EN 来表示，等效阻抗用的计算方式为ZM、ZL与ZN相加之和，其中，ZM代表的的M 端等值阻抗；ZN代表的是N 端等值阻抗；ZL代表的是线路阻抗。为了便于阐述和研究，可以提出以下具有代表性的假设：

假设一：系统两段电动势的幅值一致，相角的差值为a；

假设二：在系统振荡状态下，频率始终处于同一数值；

假设三：系统中任意环节的阻抗角均相同。

在系统振荡状态下，保护B 相与C 相间的测量电流与电压均可计算，此时，继电器特性可用公式表示为：

式中，[0]代表的是故障40ms 前的数值；a 代表的是测量系统功角；

在电力失步振荡状态下，振荡周期通常较长，超过1s，在刨除振荡加故障因素的前提下，40ms 前后电动势两端功角不会出现较大变化，因此，比相同样不会产生较大改变，也就是继电器将不动作。

2.2 短路状态下继电器特性

当系统出现短路故障时，B 相与C 相电流类型均为短路型电流，在故障之前的40ms 电流理性为负荷型，与前者相比电流量较少，甚至可以忽略不计，此时，继电器的特性可用公式表达为：

式中，[0]代表的是故障40ms 前的数值；IB 代表的是B 相短路电流；IC 代表的是C 相短路电流；

由上式可知，继电器是以记忆电压为参考标准的测量元件，具有显著的方向性特征，在反向故障方面不可误动。但是，当保护区中出现短路时，能够确定动作发生区域，且在三相短路时无死区，拥有理想的动作特性。

2.3 振荡＋短路状态下继电器特性

当系统在振荡状态下出现短路情况时，此时，继电器特性可用以下公式表示：

当系统处于振荡状态时，两端电势功角在0 ～360°进行变化，也就是a 的数值波动范围在0 ～360°，在上述公式中G ＋Hea在阻抗平面中，以矢量G 端点为圆心，以H 为半径的圆。特性圆心在A 点，也就是矢量值G 的端点，半径用AB 来表示，矢量OB 代表的是功角a 发生变化后，矢量G＋Hea所处的位置；矢量oc 代表的是故障区内Zm与Zset的差值；矢量OD 代表的是故障区域外Zm与Zset的差值。

在正向区域中，当系统处于故障状态时，继电器的动作特性与G 和H 相关，当G 的数值超过H 时，圆将落于以O 为垂心，直线CD 的垂线至上，此时，∠COB 范围为90 ～270°，此时，保护将可靠动作。当G 的数值低于H 时，向量OB 与向量CD处于垂直状态，继电器位于临界动作区内，此时，功角a 的取值范围为90°＋arcsin（G/H），如若功角的数值不断增加，超过这一数值，则∠COB 的取值范围将发生改变，处于-90°～90°，保护将拒动。同样的道理，在区外故障中，如若G 的数值低于H，继电器同样有出现误动的可能。

要想有效防治系统在区域外出现故障，可对电流IBC[0]与电压UBC[0]进行闭锁。当功角的数值超过90°＋arcsin（G/H）时，电流与电压均无法满足动作条件，继电器处于闭锁状态。但是，因故障分量存在的时间较短，振荡周期延长，在闭锁结束后，故障前电压很可能为故障后的量，此时，继电器将无法与动作条件相符合。由此可见，当系统处于振荡状态时，在保护区域内出现短路情况时，继电器将可能拒动。

3 防止电力系统振荡的有效措施

3.1 仿真实验

在电力系统中，两端供电系统的电压均为220kV，线路长为100km。在仿真实验中，距离Ⅰ段保护范围覆盖全线路的80%。该实验分别在系统振荡、振荡＋短路两种状态下开展，将姆欧继电器动作特性引入其中，振荡周期为1.5s，当线路出现短路时，时间为0.75s，在仿真过程中，采用全周傅氏滤波，即周围为20ms 的数据窗。所研究系统的相关参数如下：两侧的电源阻抗数值相同，均为9.186 ＋j43.332Ω，ZN的数值为j37.47Ω，ZM的数值为j29.09Ω，线路长度为100km，补偿阻抗Zset的数值与Zm 相同。

3.2 仿真结果

通过开展上述仿真实验，可得出以下结果：

（1）当系统处于振荡状态时，继电器不会误动。

（2）当系统处于振荡＋短路状态时，继电器可能出现非选择性误动。在正向短路过程中，由于故障前电流、电压闭锁，继电器将不会误动；但是，在保护区外继电器同样不会误动，因此，需要将故障开放元件应用其中。

（3）当系统处于振荡＋短路状态时，姆欧继电器的仿真结果为：在0.75s 时出现短路故障，在0.77s 后继电器处于动作区中，区内故障可靠动作，区外则相反。由此可见，此种方法可有效解决系统振荡＋短路状态时，继电器出现的拒动问题。

3.3 解决对策

为了防止系统在振荡过程中出现短路故障，应增设判别元件，将带有浮动门槛的相电流差突变量启动元件引入其中，其动作可用以下方程体现出来：

式中，△Um代表的是M 端保护处电压数值；△Im代表的是M 端电流突变量。上述公式适用于正方向，如若在反方向出现三相短路情况，则可利用上述公式对阻抗角度进行计算，数值约为180°～°。当电压波谷出现故障时，无法利用上述公式对阻抗数值进行计算，可将M 端最小运行方式对应阻抗为准。当电流突变量在开启150ms 后，对姆欧继电器进行重新闭锁，同时，将振荡故障开放元件应用其中，对元件动作进行判别的依据为-0.03UN～0.08UN，U 代表的是保护处测量电压有效值。据分析可知，采用上述公式可对某延时内三相故障、振荡进行判别。当振荡状态下又出现短路时，开启姆欧继电器，可有效解决上述问题。

4 结语

综上所述，三相故障距离继电器可使三相故障问题得到有效解决，且在系统振荡状态下具有较强的可靠性。对此，应充分发挥此种继电器的作用与优势，将故障判断元件引入其中，启动姆欧继电器，在确保短路故障状态下可靠动作的基础上，还具备理想的动作特性。