郭楊，王煜，周永榮，陳昊

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102；2.國(guó)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(shí)，都將引起電力系統(tǒng)振蕩[1-2]。作為一種常見的非正常運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)生振蕩后系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)行，保護(hù)不必動(dòng)作，只需根據(jù)預(yù)先的解列點(diǎn)判別系統(tǒng)是否解列運(yùn)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(diǎn)，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(duì)電網(wǎng)距離保護(hù)的影響一直是個(gè)無法規(guī)避的現(xiàn)實(shí)問題。對(duì)于距離保護(hù)，測(cè)量阻抗的幅值與相角都會(huì)發(fā)生周期性的變化，當(dāng)測(cè)量阻抗進(jìn)入保護(hù)的動(dòng)作區(qū)時(shí)，保護(hù)就會(huì)動(dòng)作。目前，對(duì)系統(tǒng)振蕩時(shí)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(guó)“8·14”大停電事故出發(fā)，論述了電力系統(tǒng)振蕩對(duì)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(shí)距離保護(hù)的對(duì)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(dòng)作性能。上述文獻(xiàn)多研究了系統(tǒng)振蕩時(shí)距離保護(hù)的閉鎖問題，但是對(duì)于振蕩過程中，不同動(dòng)作特性阻抗繼電器造成繼電器本身動(dòng)作這一課題尚未研究。

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

1 系統(tǒng)振蕩的概念

并聯(lián)運(yùn)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(yùn)行時(shí)，接入系統(tǒng)的所有發(fā)電機(jī)都處于同步運(yùn)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(shí)，并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)會(huì)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(shí)，各點(diǎn)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(cè)量阻抗也將周期性地變化，當(dāng)測(cè)量阻抗進(jìn)入動(dòng)作區(qū)域的時(shí)間大于動(dòng)作定值，距離保護(hù)將可能發(fā)生動(dòng)作。因此對(duì)于距離保護(hù)必須考慮電力系統(tǒng)振蕩對(duì)其的影響[9]。

2 振蕩對(duì)距離保護(hù)測(cè)量元件的影響

2.1 系統(tǒng)振蕩時(shí)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(shí)電流電壓的變化規(guī)律。設(shè)系統(tǒng)兩側(cè)電動(dòng)勢(shì)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(shí)測(cè)量阻抗的規(guī)律

當(dāng)系統(tǒng)振蕩時(shí)，安裝在M 點(diǎn)處的測(cè)量元件的測(cè)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(shí)，振蕩軌跡經(jīng)過原點(diǎn)，即振蕩安裝處就是振蕩中心；當(dāng)h＜1/2 時(shí)，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(shí)，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(diǎn)處測(cè)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(shí)，保護(hù)安裝處M 的測(cè)量阻抗由兩大部分組成，第一部分為（1/2-h）ZΣ，對(duì)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(diǎn)M 到振蕩中心的相對(duì)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(shí)，測(cè)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(dòng)。當(dāng)δ=0° (+) 時(shí)，測(cè)量阻抗Zm位于復(fù)平面右側(cè)，其值無窮大；當(dāng)δ=180°時(shí)，測(cè)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(shí)，測(cè)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(shí)測(cè)量阻抗的變化

當(dāng)EM與EN的幅值不相等時(shí)，測(cè)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(shí)的測(cè)量阻抗曲線

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

2.3 阻抗繼電器造成保護(hù)動(dòng)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(gè)振蕩周期較長(zhǎng)；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(shí)，振蕩周期又會(huì)增加。對(duì)于無延時(shí)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(duì)保護(hù)將不造成影響；對(duì)于限時(shí)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(dòng)作時(shí)間大于測(cè)量阻抗落入保護(hù)范圍內(nèi)的時(shí)間，就不會(huì)動(dòng)作[13]；對(duì)于具有定時(shí)限特性的Ⅲ段保護(hù)而言，只要?jiǎng)幼鲿r(shí)間大于2.0 s，保護(hù)一般不會(huì)動(dòng)作。從理論分析來看，由于距離Ⅱ段保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間處于可能動(dòng)作的范圍，且實(shí)際運(yùn)行中距離Ⅱ段整定較為富于變化，對(duì)Ⅱ段保護(hù)的動(dòng)作特性分析具有很強(qiáng)的針對(duì)性和實(shí)際意義[14]。本文經(jīng)理論推導(dǎo)可知，相對(duì)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(shí)能有效防止繼電器動(dòng)作，并通過仿真分析驗(yàn)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(duì)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(dòng)作時(shí)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(cè)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(dòng)勢(shì)幅值的比值EN：EM=k從0.6～1.6 遞增，對(duì)應(yīng)圖中的6 條測(cè)量阻抗變化曲線。由圖可知，在相似整定值的條件下，測(cè)量阻抗經(jīng)過圓特性曲線的時(shí)間明顯大于經(jīng)過四邊形特性曲線的時(shí)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(shí)，更容易動(dòng)作。因此，繼電器的動(dòng)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(cè)量阻抗經(jīng)過圓特性曲線和四邊形特性曲線區(qū)域的時(shí)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(dòng)作范圍較大，所以在不同的k 值情況下測(cè)量阻抗通過該區(qū)域的時(shí)間均大于距離Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作整定時(shí)間0.7 s，將會(huì)造成阻抗繼電器本身動(dòng)作；對(duì)于四邊形特性曲線，隨著k 值的增大，測(cè)量阻抗通過該區(qū)域的時(shí)間逐漸減少，其值小于保護(hù)動(dòng)作整定時(shí)間0.7 s，繼電器本身將不會(huì)動(dòng)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(dòng)作。

為保證電壓互感器在線路側(cè)時(shí)能可靠切除出口故障，在原有四邊形阻抗動(dòng)作特性的基礎(chǔ)上，再疊加上一個(gè)包括座標(biāo)原點(diǎn)的小矩形特性，稱為阻抗偏移特性動(dòng)作區(qū)。小矩形動(dòng)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(jì)算可得，距離Ⅱ段保護(hù)下阻抗偏移特性動(dòng)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(dòng)作特性中疊加阻抗偏移特性動(dòng)作區(qū)，新疊加的動(dòng)作區(qū)依舊無測(cè)量阻抗通過，即測(cè)量阻抗通過四邊形特性曲線區(qū)域的時(shí)間不變，與圓特性曲線相比后者更容易動(dòng)作。

表2 測(cè)量阻抗進(jìn)入保護(hù)動(dòng)作區(qū)的時(shí)間

表3 四邊形阻抗偏移特性動(dòng)作區(qū)定值

圖6 系統(tǒng)振蕩時(shí)M側(cè)測(cè)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(cè)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(dòng)作特性阻抗繼電器造成繼電器本身動(dòng)作的情況，比對(duì)了測(cè)量阻抗進(jìn)入保護(hù)動(dòng)作區(qū)的時(shí)間。計(jì)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(dòng)作。