1、SEL32相間距離保護靜態特性和動態特性及試驗方法摘 要 介紹在調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 護靜態動作特性及動態動作特性與測試方法及兩者之間的關系。Schweitzer 工程試驗室（SEL）的微機線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， 當發生不對稱故障時， 若實際測量 負序阻抗 Z2=U2/I2 （式中 U2, 12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

2、=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 繼電器根據不同 Z2 計算出的正向動作閾值）曲線下側時（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負序阻抗有關，因此在對采用這種 負序方向兀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

3、元件是結合在一起 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中 110 kV 線路采用了 SEL-321，該線路全長為 3.8 km，系統簡化單 線圖如圖 1 所示。圖中 GR 為保護對側系統電源，GS 為保護后方經 110kV/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

4、 基本閾值 Z2F=-12.5Q，反向 Z2 基本閾值 Z2R=0.5Q;相間距離保護的設置為：第 1 段定值 Zzd1=0.07Q，第 2 段定值 Zzd2=0.33Q，第 3 段定值 Zzd3=2.8Q，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 MHOt 性各段阻抗特性動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?。杭从羞吔鐖A：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

5、阻抗。試驗儀器采用 OMICRO 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，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 丨=ltest），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

6、0 ），L2，L3 相電流的相 位 ZI L2，ZIL3 由故障阻抗 Zf 的阻抗角9決定，/ IL2=-90 -9，/ IL3=90 +9;故障電壓 UL2-L3的大小由短路阻抗 Zf 的大小確定：| UL2-L3 | =2.ltest | ZfI。用恒定電流法固定 ltest=3.0 A ，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

7、Zf=2.35 / 40Q,短路點應在第 3 段阻抗圓內，但相間保護不動作，甚至在 Zf=0.2 / 10Q時保護都不動作。究其原因，從試驗所加電量來看，由Zf=2.35 / 40Q時 IL2=- IL3=3.0 /-130 A, UL2 丄 3=14.1 / -90 V，可推算 出：此時正向故障電源 GS 的系統阻抗 ZS=14.317/40Q，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 | =-12.579Q.式中 Z2S 正向故障電源系 統負序阻抗。 而SEL-321

8、計算出負序阻抗在阻抗角方向的投影大小為：z2=ReZ2S.1Z70 =-12.399Q. 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/ 10Q時 IL2=-IL3=3.0 /-100 A, UL2-L3=1.2/-90 V，可推算得 ZS=16.467/ 10Q，此時有：Z2Fb=0.75Z2F-0.25 | Z2S | =-13.117Q，z2=Re Z2S.1Z70=- 8.233Q.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，

9、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，與系統的源阻抗無關。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 段的靜態動作特性。2 相間距離保護動態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一一恒定源阻抗法，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源阻抗和故障阻抗計算得 到，保證了保

10、護測試到的ZS 與系統運行情況相符，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的特性在阻抗平面上變為用下式表示 的圓：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的電壓為 E,等效系統阻抗為 ZS。短路前空載，U| 0| =E,發生 故障后繼電器安裝處母線電壓 U=

11、 Zf。由 E=U+ZS.I=(Zf+ZS).l，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動作特性。反向短路時則由 E=U| 0 |,U=Zf，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動 作特性。下方向阻抗元件的動態動作特性方向阻抗圓元件的動態動作特性消除了電壓死區，而且減小

12、了串聯補償的容抗和短路過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動作特性和動態動作特性的關系 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為靜態動作特性。而在故障發生初期，方向 阻抗圓元件對故障的反應是動態動作特性。那么，為什么對傳統保護的相間距 離保護的 MHC 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

13、相間短路時的靜態特 性。 恒定電流法所測得的靜態特性和保護的本身動作的動態特性又有什么 關系呢 ?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（L2 | = | IL3 丨=ltest），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， 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，靜態特 性動作區 90 arg和動態特性動作區 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

14、，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特性，那么用恒定電流法測試得到的靜態特性的動作邊界上 任一點，必定是保護的 1 個動態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 | =ltest=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）

15、，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 態特性動作邊界實質是改變源阻抗阻抗所作出的動態動作特性在相應源阻抗角 方向上的邊界點的集合。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，應是在某一系統阻抗 （包括源阻抗，線路阻抗，故障阻 抗）情況下產生的，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

16、有記憶極化電壓的距離保護，采用OMICRO 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特性動作邊界，其實質是改變源阻抗所得的動態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 1 Robewrta J,Guzman A.Directional Element Designand EvaluationZ.SchweitzerEngineering Laboratories.49th Annual Georgia Tech Protective RelayingGonf