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SEL-321相間距離保護靜態(tài)特性與動態(tài)特性及試驗方法
摘 要 介紹在調(diào)試過程中對采用負序阻抗方向元件的保護裝置進行特性測試時應注意的問題，以SEL-321的相間距離保護為例，分析了距離保護靜態(tài)動作特性及動態(tài)動作特性與測試方法及兩者之間的關(guān)系。Schweitzer工程試驗室(SEL)的微機線路保護采用了帶補償?shù)呢撔蜃杩狗较蛟?帶補償?shù)呢撔蜃杩狗较蛟斠娢墨I［1］，［2］及SEL提供的SEL-321/321-1指導手冊)。在負序阻抗平面上，當發(fā)生不對稱故障時，若實際測量負序阻抗Z2=U2/I2(式中U2，I2分別為輸入繼電器的故障電壓、電流的負序分量)的點落在z2=Z2Fb(式中z2為測量負序阻抗在線路負序阻抗角方向的投影，Z2Fb為SEL繼電器根據(jù)不同Z2計算出的正向動作閾值)曲線下側(cè)時(z2≤Z2Fb)判別為正方向故障，落在z2=Z2Rb(式中Z2Rb為SEL繼電器根據(jù)不同Z2計算出的反向動作閾值)曲線上側(cè)時(z2≥Z2Rb)判別為反方向故障。這種負序方向元件的整定值和動作特性與裝置運行的實際系統(tǒng)負序阻抗有關(guān)，因此在對采用這種負序方向元件的保護進行繼電器檢驗、試驗時，應注意試驗方法，如果用檢驗傳統(tǒng)繼電器的試驗方法，很可能會遇到一些問題。
1 相間距離保護靜態(tài)動作特性的試驗方法
SEL-321微機線路保護，具有相間及接地距離保護、方向過流保護和故障定位的功能，針對不平衡故障，它的方向元件采用了帶補償?shù)呢撔蚍较蛟Ｆ湎嚅g距離保護的方向阻抗元件與負序方向元件是結(jié)合在一起的，因此，在對該保護元件特性進行測試時，不能用測試一般方向阻抗保護特性的方法，而必須注意試驗的電流、電壓的幅值和相位，若與保護裝置所在實際系統(tǒng)故障時的情況相差太遠，就可能造成距離元件已起動，但由于具有特定整定值的負序方向元件沒有起動而使保護無法動作的情況。
某變電站綜合自動化系統(tǒng)中110 kV線路采用了SEL-321，該線路全長為3.8 km，系統(tǒng)簡化單線圖如圖1所示。
圖中GR為保護對側(cè)系統(tǒng)電源，GS為保護后方經(jīng)110 kV/35 kV變壓器所接的1個小水電。保護配置為3段相間距離保護，4段零序保護。保護的負序方向元件定值設置為：正向Z2基本閾值Z2F=-12.5 Ω，反向Z2基本閾值Z2R=0.5 Ω；相間距離保護的設置為：第1段定值Zzd1=0.07 Ω，第2段定值Zzd2=0.33 Ω，第3段定值Zzd3=2.8 Ω，線路阻抗角?L=70°，方向阻抗特性圓如圖2所示。110 kV線路保護SEL-321相間距離保護方向阻抗圓MHO特性
各段阻抗特性動作區(qū)在阻抗平面上分別在下式表示的阻抗圓內(nèi)，由各段阻抗定值Zzd決定阻抗圓的大�。�
即有邊界圓：
式中 U——阻抗繼電器測量的母線電壓；
Zzd——阻抗繼電器的阻抗整定值；
I——阻抗繼電器測量的電流；
U-Zzd.I——阻抗繼電器補償后電壓；
Zf——阻抗繼電器測量的故障阻抗。
試驗儀器采用OMICRON的CMC-156繼電保護測試儀，CMC-156提供在阻抗平面上對距離保護測試的2種基本方法：一種是恒定電流法，另一種是恒定源阻抗法。
對相間距離保護方向阻抗圓元件特性的測試，一般可采用恒定電流法。例如模擬L2-L3相間短路故障，進行阻抗圓邊界搜索(相當于在阻抗圓邊界附近每隔一定角度做動作值檢驗)。這種測試方法模擬線路故障前為空載狀態(tài)，故障測試的短路電流大小一定(相電流均為測試電流Itest：｜IL2｜=｜IL3｜=Itest)，故障電壓(L2，L3相間電壓UL2-L3)的相位保持為-90°(以L1相電壓UL1相位為0°)，L2，L3相電流的相位∠IL2，∠IL3由故障阻抗Zf的阻抗角θ決定，∠IL2=-90°-θ，∠IL3=90°+θ；故障電壓UL2-L3的大小由短路阻抗Zf的大小確定：｜UL2-L3｜=2.Itest｜Zf｜。
用恒定電流法固定Itest=3.0 A，對SEL-321相間距離保護方向阻抗特性測試得到的結(jié)果是：當短路阻抗的阻抗角在阻抗圓最大靈敏角(線路阻抗角?L)附近時保護動作正常，作出動作阻抗圓的邊界，與圖2的理想動作阻抗圓較好吻合；但當短路阻抗的阻抗角偏離最大靈敏角區(qū)域時，保護動作情況則與預期的不符，阻抗圓邊界根本無法作出。例如若短路阻抗Zf=2.35∠40° Ω，短路點應在第3段阻抗圓內(nèi)，但相間保護不動作，甚至在Zf=0.2∠10° Ω時保護都不動作。
究其原因，從試驗所加電量來看，由Zf=2.35∠40°Ω時IL2=-IL3=3.0∠-130°A，UL2-L3=14.1∠-90° V，可推算出：此時正向故障電源GS的系統(tǒng)阻抗ZS=14.317∠40° Ω，SEL-321計算出的正向動作閾值(詳見文獻［1］，［2］及SEL提供的SEL-321/321-1指導手冊)為：
Z2Fb=0.75Z2F-0.25｜Z2S｜=-12.579 Ω.
式中 Z2S——正向故障電源系統(tǒng)負序阻抗。
而SEL-321計算出負序阻抗在阻抗角方向的投影大小為：
z2=Re［Z2S.1∠70°］=-12.399 Ω.
由于z2＞Z2Fb，正方向判別元件未動作，因此造成保護不能出口。同樣地，當Zf=0.2∠10° Ω時IL2=-IL3=3.0∠-100°A，UL2-L3=1.2∠-90° V，可推算得ZS=16.467∠10° Ω，此時有：
Z2Fb=0.75Z2F-0.25｜Z2S｜=-13.117 Ω，
z2=Re［Z2S.1∠70°］=-8.233 Ω.
同樣是由于z2＞Z2Fb，正方向元件未動作而導致保護不能出口。
因此，要用恒定電流法檢測到SEL-321如圖2所示的相間短路時的阻抗動作特性，只能用平衡故障三相短路的方式進行，由于此時電流、電壓無負序分量，SEL-321的方向元件采用正序阻抗方向元件，與系統(tǒng)的源阻抗無關(guān)。圖3為用恒定電流法模擬三相短路故障試驗測得的該線路保護SEL-321相間距離保護第3段的靜態(tài)動作特性。
2 相間距離保護動態(tài)動作特性的試驗方法
采用恒定電流的試驗方法不能檢測SEL-321兩相相間短路時如圖2所示的阻抗特性。而CMC-156提供了在阻抗平面上的另一種基本測試方法——恒定源阻抗法，可以自動模擬某一特定源阻抗(由試驗者設定)情況下在不同短路阻抗時保護安裝處所感受到的電流和電壓，相應的大小和相位根據(jù)源阻抗和故障阻抗計算得到，保證了保護測試到的ZS與系統(tǒng)運行情況相符，這樣可在滿足負序方向元件的動作條件下，針對保護的阻抗動作特性進行測試，也更接近保護實際運行中的情況。
但是，用恒定源阻抗法測得的阻抗特性已不再是如圖2所示的阻抗特性圓了，因為SEL-321的相間距離保護采用了長時間記憶的正序極化電壓。圖2所示的阻抗特性圓只是方向阻抗保護元件靜態(tài)動作特性，在極
化電壓記憶作用下，距離保護的阻抗元件動作區(qū)的特性在阻抗平面上變?yōu)橛孟率奖硎镜膱A：
式中 U｜0｜——阻抗繼電器的記憶極化電壓。
設正向短路時等效無窮大系統(tǒng)的電壓為E，等效系統(tǒng)阻抗為ZS。短路前空載，U｜0｜=E，發(fā)生故障后繼電器安裝處母線電壓U＝Zf.I。
由E=U+ZS.I=(Zf+ZS).I，可將極化電壓記憶作用下，距離保護的阻抗元件動作圓的表達式化為：保護的動作邊界為所表示的圓，如圖4(a)中虛線所示，稱為正向短路時完全記憶極化電壓作用下的方向阻抗元件的動態(tài)動作特性。
反向短路時則由E=U｜0｜，U=Zf.I，有E=U+(ZL+ZR).I=(Zf+ZL+ZR).I，可將極化電壓記憶作用下，距離保護的阻抗元件動作圓的表達式化為：
保護動作邊界為所表示的圓，如圖4(b)虛線所示，稱為反向短路時完全記憶極化電壓作用下的方向阻抗元件的動態(tài)動作特性。
下方向阻抗元件的動態(tài)動作特性
方向阻抗圓元件的動態(tài)動作特性消除了電壓死區(qū)，而且減小了串聯(lián)補償?shù)娜菘购投搪愤^渡電阻對故障阻抗以及方向判斷的影響，具有更好的性能。
3 不同試驗方法同保護靜態(tài)動作特性和動態(tài)動作特性的關(guān)系
在記憶電壓的作用下，方向阻抗圓元件對故障的反應動作是動態(tài)動作特性，只有在線路故障保持長時間，記憶電壓失去作用后，方向阻抗圓元件對故障的反應才變?yōu)殪o態(tài)動作特性。而在故障發(fā)生初期，方向阻抗圓元件對故障的反應是動態(tài)動作特性。那么，為什么對傳統(tǒng)保護的相間距離保護的MHO方向阻抗圓元件特性，采用恒定電流法進行測試可得到靜態(tài)特性呢?實際上，如果SEL-321沒有負序方向元件的影響(負序方向元件定值合適，負序方向元件可動作時)，也可采用恒定電流法測試到兩相間短路時的靜態(tài)特性。
恒定電流法所測得的靜態(tài)特性和保護的本身動作的動態(tài)特性又有什么關(guān)系呢?如前所述，恒定電流法模擬測試時，模擬L2-L3相間短路，故障測試的短路電流大小一定(｜IL2｜=｜IL3｜=Itest)，故障電壓(UL2-L3)的相位保持-90°(以L1相電壓UL1相位為參考相位0°)，而故障前為空載狀態(tài)，UL2-L3相位為-90°，也就是說，記憶電壓U｜0｜與故障后電壓U是同相位的，靜態(tài)特性動作區(qū)90°＜arg和動態(tài)特性動作區(qū)90°＜arg(實際上是相同的。同樣可知，由于用恒定源阻抗法模擬三相平衡短路故障時，故障前后各相電壓的相位不會改變，因此用恒定源阻抗法的三相平衡故障測試方法測得的保護動作特性也是靜態(tài)動作特性圓。
由于在記憶電壓起作用時，方向阻抗圓元件對故障的動作反映是動態(tài)特性，那么用恒定電流法測試得到的靜態(tài)特性的動作邊界上任一點，必定是保護的1個動態(tài)特性的動作邊界上的點。例如對前述SEL-321用恒定電流法｜IL2｜=｜IL3｜=Itest=3.0 A模擬L2-L3相間短路，測試得第3段保護在故障阻抗角為40°方向上的動作邊界為Zf=2.42∠40°。從測試電流、電壓計算可得，此時ZS=14.317∠40°。在阻抗平面上，以Zzd3和-ZS連線為直徑作圓(如圖5所示)，因為Zf是以原點O和Zzd3連線為直徑的圓上的點，由幾何定理可知∠OZfZzd3=90°，那么有∠ZSZfZzd3=90°，又由幾何定理可知Zf必是以-ZS和Zzd3連線為直徑的圓上的點。因此，恒流法所作出的靜態(tài)特性動作邊界實質(zhì)是改變源阻抗阻抗所作出的動態(tài)動作特性在相應源阻抗角方向上的邊界點的集合。
4 結(jié)論
a)SEL帶補償?shù)呢撔蚍较蛟恼▍?shù)與系統(tǒng)阻抗參數(shù)有密切關(guān)系，因此，在進行相間距離保護測試時，輸入電流、電壓的大小和相位，應是在某一系統(tǒng)阻抗(包括源阻抗，線路阻抗，故障阻抗)情況下產(chǎn)生的，這樣才能保證方向元件的動作不影響距離保護元件。
b)對于具有記憶極化電壓的距離保護，采用OMICRON的CMC-156繼電保護測試儀(或其它具有相同功能的保護測試儀)，用恒定電流法的測試方法只能測試距離保護的靜態(tài)動作特性，用恒定源阻抗法的測試方法，可以測試得距離保護對不平衡故障的動態(tài)動作特性。
c)不平衡故障的恒定電流法的測試得到的距離保護靜態(tài)特性動作邊界，其實質(zhì)是改變源阻抗所得的動態(tài)特性在試驗源阻抗阻抗角方向上的邊界點的集合。
參考文獻
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