電力系統振蕩對三相故障距離繼電器影響的分析及對策研究

湛偉越

（中北大學信息商務學院，山西 太原 030012）

在距離保護研究中，電力系統振蕩問題始終是關鍵所在，且內容復雜。在以往的研究中，主要采用短時開放振蕩閉鎖法，但在許多方面存在問題難以滿足現實需求。對此，本文針對繼電器的多種工況進行研究，提出一種不受振蕩影響的繼電器，并將故障判斷元件姆歐繼電器引入其中，有效防止系統振蕩時產生的三相短路保護拒動現象。

1 三相故障距離繼電器簡介

為了減少和避免繼電器存在的三相短路故障等問題，本文提出了一種不受系統振蕩干擾的繼電器，將某兩相相間補償電壓與故障前的電壓比相充分體現出來，例如，在BC 相中繼電器K △M 動作的判斷依據可用以下公式表示：

2 電力系統振蕩對三相故障距離繼電器的影響

2.1 振蕩狀態下繼電器特性

在雙側電源系統中，兩端等效電動勢分別用EM 與EN 來表示，等效阻抗用的計算方式為ZM、ZL與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代表的是線路阻抗。為了便于闡述和研究，可以提出以下具有代表性的假設：

假設一：系統兩段電動勢的幅值一致，相角的差值為a；

假設二：在系統振蕩狀態下，頻率始終處于同一數值；

假設三：系統中任意環節的阻抗角均相同。

在系統振蕩狀態下，保護B 相與C 相間的測量電流與電壓均可計算，此時，繼電器特性可用公式表示為：

式中，[0]代表的是故障40ms 前的數值；a 代表的是測量系統功角；

在電力失步振蕩狀態下，振蕩周期通常較長，超過1s，在刨除振蕩加故障因素的前提下，40ms 前后電動勢兩端功角不會出現較大變化，因此，比相同樣不會產生較大改變，也就是繼電器將不動作。

2.2 短路狀態下繼電器特性

當系統出現短路故障時，B 相與C 相電流類型均為短路型電流，在故障之前的40ms 電流理性為負荷型，與前者相比電流量較少，甚至可以忽略不計，此時，繼電器的特性可用公式表達為：

式中，[0]代表的是故障40ms 前的數值；IB 代表的是B 相短路電流；IC 代表的是C 相短路電流；

由上式可知，繼電器是以記憶電壓為參考標準的測量元件，具有顯著的方向性特征，在反向故障方面不可誤動。但是，當保護區中出現短路時，能夠確定動作發生區域，且在三相短路時無死區，擁有理想的動作特性。

2.3 振蕩＋短路狀態下繼電器特性

當系統在振蕩狀態下出現短路情況時，此時，繼電器特性可用以下公式表示：

當系統處于振蕩狀態時，兩端電勢功角在0 ～360°進行變化，也就是a 的數值波動范圍在0 ～360°，在上述公式中G ＋Hea在阻抗平面中，以矢量G 端點為圓心，以H 為半徑的圓。特性圓心在A 點，也就是矢量值G 的端點，半徑用AB 來表示，矢量OB 代表的是功角a 發生變化后，矢量G＋Hea所處的位置；矢量oc 代表的是故障區內Zm與Zset的差值；矢量OD 代表的是故障區域外Zm與Zset的差值。

在正向區域中，當系統處于故障狀態時，繼電器的動作特性與G 和H 相關，當G 的數值超過H 時，圓將落于以O 為垂心，直線CD 的垂線至上，此時，∠COB 范圍為90 ～270°，此時，保護將可靠動作。當G 的數值低于H 時，向量OB 與向量CD處于垂直狀態，繼電器位于臨界動作區內，此時，功角a 的取值范圍為90°＋arcsin（G/H），如若功角的數值不斷增加，超過這一數值，則∠COB 的取值范圍將發生改變，處于-90°～90°，保護將拒動。同樣的道理，在區外故障中，如若G 的數值低于H，繼電器同樣有出現誤動的可能。

要想有效防治系統在區域外出現故障，可對電流IBC[0]與電壓UBC[0]進行閉鎖。當功角的數值超過90°＋arcsin（G/H）時，電流與電壓均無法滿足動作條件，繼電器處于閉鎖狀態。但是，因故障分量存在的時間較短，振蕩周期延長，在閉鎖結束后，故障前電壓很可能為故障后的量，此時，繼電器將無法與動作條件相符合。由此可見，當系統處于振蕩狀態時，在保護區域內出現短路情況時，繼電器將可能拒動。

3 防止電力系統振蕩的有效措施

3.1 仿真實驗

在電力系統中，兩端供電系統的電壓均為220kV，線路長為100km。在仿真實驗中，距離Ⅰ段保護范圍覆蓋全線路的80%。該實驗分別在系統振蕩、振蕩＋短路兩種狀態下開展，將姆歐繼電器動作特性引入其中，振蕩周期為1.5s，當線路出現短路時，時間為0.75s，在仿真過程中，采用全周傅氏濾波，即周圍為20ms 的數據窗。所研究系統的相關參數如下：兩側的電源阻抗數值相同，均為9.186 ＋j43.332Ω，ZN的數值為j37.47Ω，ZM的數值為j29.09Ω，線路長度為100km，補償阻抗Zset的數值與Zm 相同。

3.2 仿真結果

通過開展上述仿真實驗，可得出以下結果：

（1）當系統處于振蕩狀態時，繼電器不會誤動。

（2）當系統處于振蕩＋短路狀態時，繼電器可能出現非選擇性誤動。在正向短路過程中，由于故障前電流、電壓閉鎖，繼電器將不會誤動；但是，在保護區外繼電器同樣不會誤動，因此，需要將故障開放元件應用其中。

（3）當系統處于振蕩＋短路狀態時，姆歐繼電器的仿真結果為：在0.75s 時出現短路故障，在0.77s 后繼電器處于動作區中，區內故障可靠動作，區外則相反。由此可見，此種方法可有效解決系統振蕩＋短路狀態時，繼電器出現的拒動問題。

3.3 解決對策

為了防止系統在振蕩過程中出現短路故障，應增設判別元件，將帶有浮動門檻的相電流差突變量啟動元件引入其中，其動作可用以下方程體現出來：

式中，△Um代表的是M 端保護處電壓數值；△Im代表的是M 端電流突變量。上述公式適用于正方向，如若在反方向出現三相短路情況，則可利用上述公式對阻抗角度進行計算，數值約為180°～°。當電壓波谷出現故障時，無法利用上述公式對阻抗數值進行計算，可將M 端最小運行方式對應阻抗為準。當電流突變量在開啟150ms 后，對姆歐繼電器進行重新閉鎖，同時，將振蕩故障開放元件應用其中，對元件動作進行判別的依據為-0.03UN～0.08UN，U 代表的是保護處測量電壓有效值。據分析可知，采用上述公式可對某延時內三相故障、振蕩進行判別。當振蕩狀態下又出現短路時，開啟姆歐繼電器，可有效解決上述問題。

4 結語

綜上所述，三相故障距離繼電器可使三相故障問題得到有效解決，且在系統振蕩狀態下具有較強的可靠性。對此，應充分發揮此種繼電器的作用與優勢，將故障判斷元件引入其中，啟動姆歐繼電器，在確保短路故障狀態下可靠動作的基礎上，還具備理想的動作特性。