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SEL-321相間距離保護靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性及試驗方法
摘 要 介紹在調試過(guò)程中對采用負序阻抗方向元件的保護裝置進(jìn)行特性測試時(shí)應注意的問(wèn)題，以SEL-321的相間距離保護為例，分析了距離保護靜態(tài)動(dòng)作特性及動(dòng)態(tài)動(dòng)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(xiàn)路保護采用了帶補償的負序阻抗方向元件(帶補償的負序阻抗方向元件詳見(jiàn)文獻［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(chēng)故障時(shí)，若實(shí)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(diǎn)落在z2=Z2Fb(式中z2為測量負序阻抗在線(xiàn)路負序阻抗角方向的投影，Z2Fb為SEL繼電器根據不同Z2計算出的正向動(dòng)作閾值)曲線(xiàn)下側時(shí)(z2≤Z2Fb)判別為正方向故障，落在z2=Z2Rb(式中Z2Rb為SEL繼電器根據不同Z2計算出的反向動(dòng)作閾值)曲線(xiàn)上側時(shí)(z2≥Z2Rb)判別為反方向故障。這種負序方向元件的整定值和動(dòng)作特性與裝置運行的實(shí)際系統負序阻抗有關(guān)，因此在對采用這種負序方向元件的保護進(jìn)行繼電器檢驗、試驗時(shí)，應注意試驗方法，如果用檢驗傳統繼電器的試驗方法，很可能會(huì )遇到一些問(wèn)題。
1 相間距離保護靜態(tài)動(dòng)作特性的試驗方法
SEL-321微機線(xiàn)路保護，具有相間及接地距離保護、方向過(guò)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的負序方向元件。其相間距離保護的方向阻抗元件與負序方向元件是結合在一起的，因此，在對該保護元件特性進(jìn)行測試時(shí)，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(shí)際系統故障時(shí)的情況相差太遠，就可能造成距離元件已起動(dòng)，但由于具有特定整定值的負序方向元件沒(méi)有起動(dòng)而使保護無(wú)法動(dòng)作的情況。
某變電站綜合自動(dòng)化系統中110kV線(xiàn)路采用了SEL-321，該線(xiàn)路全長(cháng)為3.8km，系統簡(jiǎn)化單線(xiàn)圖如圖1所示。
圖中GR為保護對側系統電源，GS為保護后方經(jīng)110kV/35kV變壓器所接的1個(gè)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=-12.5Ω，反向Z2基本閾值Z2R=0.5Ω；相間距離保護的設置為：第1段定值Zzd1=0.07Ω，第2段定值Zzd2=0.33Ω，第3段定值Zzd3=2.8Ω，線(xiàn)路阻抗角?L=70°，方向阻抗特性圓如圖2所示。110kV線(xiàn)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(dòng)作區在阻抗平面上分別在下式表示的阻抗圓內，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(xiàn)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(jìn)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(dòng)作值檢驗)。這種測試方法模擬線(xiàn)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L(fǎng)1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=3.0A，對SEL-321相間距離保護方向阻抗特性測試得到的結果是：當短路阻抗的阻抗角在阻抗圓最大靈敏角(線(xiàn)路阻抗角?L)附近時(shí)保護動(dòng)作正常，作出動(dòng)作阻抗圓的邊界，與圖2的理想動(dòng)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域時(shí)，保護動(dòng)作情況則與預期的不符，阻抗圓邊界根本無(wú)法作出。例如若短路阻抗Zf=2.35∠40°Ω，短路點(diǎn)應在第3段阻抗圓內，但相間保護不動(dòng)作，甚至在Zf=0.2∠10°Ω時(shí)保護都不動(dòng)作。
究其原因，從試驗所加電量來(lái)看，由Zf=2.35∠40°Ω時(shí)IL2=-IL3=3.0∠-130°A，UL2-L3=14.1∠-90°V，可推算出：此時(shí)正向故障電源GS的系統阻抗ZS=14.317∠40°Ω，SEL-321計算出的正向動(dòng)作閾值(詳見(jiàn)文獻［1］，［2］及SEL提供的SEL-321/321-1指導手冊)為：
Z2Fb=0.75Z2F-0.25｜Z2S｜=-12.579Ω.
式中 Z2S——正向故障電源系統負序阻抗。
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°］=-12.399Ω.
由于z2＞Z2Fb，正方向判別元件未動(dòng)作，因此造成保護不能出口。同樣地，當Zf=0.2∠10°Ω時(shí)IL2=-IL3=3.0∠-100°A，UL2-L3=1.2∠-90°V，可推算得ZS=16.467∠10°Ω，此時(shí)有：
Z2Fb=0.75Z2F-0.25｜Z2S｜=-13.117Ω，
z2=Re［Z2S.1∠70°］=-8.233 Ω.
同樣是由于z2＞Z2Fb，正方向元件未動(dòng)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(shí)的阻抗動(dòng)作特性，只能用平衡故障三相短路的方式進(jìn)行，由于此時(shí)電流、電壓無(wú)負序分量，SEL-321的方向元件采用正序阻抗方向元件，與系統的源阻抗無(wú)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(xiàn)路保護SEL-321相間距離保護第3段的靜態(tài)動(dòng)作特性。
2 相間距離保護動(dòng)態(tài)動(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)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與系統運行情況相符，這樣可在滿(mǎn)足負序方向元件的動(dòng)作條件下，針對保護的阻抗動(dòng)作特性進(jìn)行測試，也更接近保護實(shí)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(cháng)時(shí)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(dòng)作特性，在極化電壓記憶作用下，距離保護的阻抗元件動(dòng)作區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(shí)等效無(wú)窮大系統的電壓為E，等效系統阻抗為ZS。短路前空載，U｜0｜=E，發(fā)生故障后繼電器安裝處母線(xiàn)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(dòng)作圓的表達式化為：保護的動(dòng)作邊界為所表示的圓，如圖4(a)中虛線(xiàn)所示，稱(chēng)為正向短路時(shí)完全記憶極化電壓作用下的方向阻抗元件的動(dòng)態(tài)動(dòng)作特性。
反向短路時(shí)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(dòng)作圓的表達式化為：
保護動(dòng)作邊界為所表示的圓，如圖4(b)虛線(xiàn)所示，稱(chēng)為反向短路時(shí)完全記憶極化電壓作用下的方向阻抗元件的動(dòng)態(tài)動(dòng)作特性。
下方向阻抗元件的動(dòng)態(tài)動(dòng)作特性
方向阻抗圓元件的動(dòng)態(tài)動(dòng)作特性消除了電壓死區，而且減小了串聯(lián)補償的容抗和短路過(guò)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(dòng)作特性和動(dòng)態(tài)動(dòng)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(dòng)作是動(dòng)態(tài)動(dòng)作特性，只有在線(xiàn)路故障保持長(cháng)時(shí)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(dòng)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(dòng)態(tài)動(dòng)作特性。那么，為什么對傳統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(jìn)行測試可得到靜態(tài)特性呢?實(shí)際上，如果SEL-321沒(méi)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(dòng)作時(shí))，也可采用恒定電流法測試到兩相間短路時(shí)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(dòng)作的動(dòng)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(shí)，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L(fǎng)1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(shuō)，記憶電壓U｜0｜與故障后電壓U是同相位的，靜態(tài)特性動(dòng)作區90°＜arg和動(dòng)態(tài)特性動(dòng)作區90°＜arg(實(shí)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(shí)，故障前后各相電壓的相位不會(huì )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(dòng)作特性也是靜態(tài)動(dòng)作特性圓。
由于在記憶電壓起作用時(shí)，方向阻抗圓元件對故障的動(dòng)作反映是動(dòng)態(tài)特性，那么用恒定電流法測試得到的靜態(tài)特性的動(dòng)作邊界上任一點(diǎn)，必定是保護的1個(gè)動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)作邊界上的點(diǎn)。例如對前述SEL-321用恒定電流法｜IL2｜=｜IL3｜=Itest=3.0A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(dòng)作邊界為Zf=2.42∠40°。從測試電流、電壓計算可得，此時(shí)ZS=14.317∠40°。在阻抗平面上，以Zzd3和-ZS連線(xiàn)為直徑作圓(如圖5所示)，因為Zf是以原點(diǎn)O和Zzd3連線(xiàn)為直徑的圓上的點(diǎn)，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(xiàn)為直徑的圓上的點(diǎn)。因此，恒流法所作出的靜態(tài)特性動(dòng)作邊界實(shí)質(zhì)是改變源阻抗阻抗所作出的動(dòng)態(tài)動(dòng)作特性在相應源阻抗角方向上的邊界點(diǎn)的集合。
4 結論
a)SEL帶補償的負序方向元件的整定參數與系統阻抗參數有密切關(guān)系，因此，在進(jìn)行相間距離保護測試時(shí)，輸入電流、電壓的大小和相位，應是在某一系統阻抗(包括源阻抗，線(xiàn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)動(dòng)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(dòng)作邊界，其實(shí)質(zhì)是改變源阻抗所得的動(dòng)態(tài)特性在試驗源阻抗阻抗角方向上的邊界點(diǎn)的集合。
參考文獻
1 RobewrtaJ,GuzmanA.DirectionalElementDesignandEvaluation［Z］.SchweitzerEngineeringLaboratories.49thAnnualGeorgiaTechProtectiveRelayingGonference,Atlanta,1995
2 SchweitzerEOⅢ，RobewrtaJ.DistanceRelayElementDesign［Z］.SchweitzerEngineeringLaboratories.46thAnnualConferenceforProtectiveRelayingEngineers,TexasA
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