SEL-321相间距离保护静态特性与动态特性及试验方法
摘 要 介绍在调试过程中对采用负序阻抗方向元件的保护装置进行特性测试时应注意的问题，以SEL-321的相间距离保护为例，分析了距离保护静态动作特性及动态动作特性与测试方法及两者之间的关系。Schweitzer工程试验室(SEL)的微机线路保护采用了带补偿的负序阻抗方向元件(带补偿的负序阻抗方向元件详见文献［1］，［2］及SEL提供的SEL-321/321-1指导手册)。在负序阻抗平面上，当发生不对称故障时，若实际测量负序阻抗Z2=U2/I2(式中U2，I2分别为输入继电器的故障电压、电流的负序分量)的点落在z2=Z2Fb(式中z2为测量负序阻抗在线路负序阻抗角方向的投影，Z2Fb为SEL继电器根据不同Z2计算出的正向动作阈值)曲线下侧时(z2≤Z2Fb)判别为正方向故障，落在z2=Z2Rb(式中Z2Rb为SEL继电器根据不同Z2计算出的反向动作阈值)曲线上侧时(z2≥Z2Rb)判别为反方向故障。这种负序方向元件的整定值和动作特性与装置运行的实际系统负序阻抗有关，因此在对采用这种负序方向元件的保护进行继电器检验、试验时，应注意试验方法，如果用检验传统继电器的试验方法，很可能会遇到一些问题。
1 相间距离保护静态动作特性的试验方法
SEL-321微机线路保护，具有相间及接地距离保护、方向过流保护和故障定位的功能，针对不平衡故障，它的方向元件采用了带补偿的负序方向元件。其相间距离保护的方向阻抗元件与负序方向元件是结合在一起的，因此，在对该保护元件特性进行测试时，不能用测试一般方向阻抗保护特性的方法，而必须注意试验的电流、电压的幅值和相位，若与保护装置所在实际系统故障时的情况相差太远，就可能造成距离元件已起动，但由于具有特定整定值的负序方向元件没有起动而使保护无法动作的情况。
某变电站综合自动化系统中110 kV线路采用了SEL-321，该线路全长为3.8 km，系统简化单线图如图1所示。
图中GR为保护对侧系统电源，GS为保护后方经110 kV/35 kV变压器所接的1个小水电。保护配置为3段相间距离保护，4段零序保护。保护的负序方向元件定值设置为：正向Z2基本阈值Z2F=-12.5 Ω，反向Z2基本阈值Z2R=0.5 Ω；相间距离保护的设置为：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，线路阻抗角?L=70°，方向阻抗特性圆如图2所示。110 kV线路保护SEL-321相间距离保护方向阻抗圆MHO特性
各段阻抗特性动作区在阻抗平面上分别在下式表示的阻抗圆内，由各段阻抗定值Zzd决定阻抗圆的大小：
即有边界圆：
式中 U——阻抗继电器测量的母线电压；
Zzd——阻抗继电器的阻抗整定值；
I——阻抗继电器测量的电流；
U-Zzd.I——阻抗继电器补偿后电压；
Zf——阻抗继电器测量的故障阻抗。
试验仪器采用OMICRON的CMC-156继电保护测试仪，CMC-156提供在阻抗平面上对距离保护测试的2种基本方法：一种是恒定电流法，另一种是恒定源阻抗法。
对相间距离保护方向阻抗圆元件特性的测试，一般可采用恒定电流法。例如模拟L2-L3相间短路故障，进行阻抗圆边界搜索(相当于在阻抗圆边界附近每隔一定角度做动作值检验)。这种测试方法模拟线路故障前为空载状态，故障测试的短路电流大小一定(相电流均为测试电流Itest：｜IL2｜=｜IL3｜=Itest)，故障电压(L2，L3相间电压UL2-L3)的相位保持为-90°(以L1相电压UL1相位为0°)，L2，L3相电流的相位∠IL2，∠IL3由故障阻抗Zf的阻抗角θ决定，∠IL2=-90°-θ，∠IL3=90°+θ；故障电压UL2-L3的大小由短路阻抗Zf的大小确定：｜UL2-L3｜=2.Itest｜Zf｜。
用恒定电流法固定Itest=3.0 A，对SEL-321相间距离保护方向阻抗特性测试得到的结果是：当短路阻抗的阻抗角在阻抗圆最大灵敏角(线路阻抗角?L)附近时保护动作正常，作出动作阻抗圆的边界，与图2的理想动作阻抗圆较好吻合；但当短路阻抗的阻抗角偏离最大灵敏角区域时，保护动作情况则与预期的不符，阻抗圆边界根本无法作出。例如若短路阻抗Zf=2.35∠40° Ω，短路点应在第3段阻抗圆内，但相间保护不动作，甚至在Zf=0.2∠10° Ω时保护都不动作。
究其原因，从试验所加电量来看，由Zf=2.35∠40°Ω时IL2=-IL3=3.0∠-130°A，UL2-L3=14.1∠-90° V，可推算出：此时正向故障电源GS的系统阻抗ZS=14.317∠40° Ω，SEL-321计算出的正向动作阈值(详见文献［1］，［2］及SEL提供的SEL-321/321-1指导手册)为：
Z2Fb=0.75Z2F-0.25｜Z2S｜=-12.579 Ω.
式中 Z2S——正向故障电源系统负序阻抗。
而SEL-321计算出负序阻抗在阻抗角方向的投影大小为：
z2=Re［Z2S.1∠70°］=-12.399 Ω.
由于z2＞Z2Fb，正方向判别元件未动作，因此造成保护不能出口。同样地，当Zf=0.2∠10° Ω时IL2=-IL3=3.0∠-100°A，UL2-L3=1.2∠-90° V，可推算得ZS=16.467∠10° Ω，此时有：
Z2Fb=0.75Z2F-0.25｜Z2S｜=-13.117 Ω，
z2=Re［Z2S.1∠70°］=-8.233 Ω.
同样是由于z2＞Z2Fb，正方向元件未动作而导致保护不能出口。
因此，要用恒定电流法检测到SEL-321如图2所示的相间短路时的阻抗动作特性，只能用平衡故障三相短路的方式进行，由于此时电流、电压无负序分量，SEL-321的方向元件采用正序阻抗方向元件，与系统的源阻抗无关。图3为用恒定电流法模拟三相短路故障试验测得的该线路保护SEL-321相间距离保护第3段的静态动作特性。
2 相间距离保护动态动作特性的试验方法
采用恒定电流的试验方法不能检测SEL-321两相相间短路时如图2所示的阻抗特性。而CMC-156提供了在阻抗平面上的另一种基本测试方法——恒定源阻抗法，可以自动模拟某一特定源阻抗(由试验者设定)情况下在不同短路阻抗时保护安装处所感受到的电流和电压，相应的大小和相位根据源阻抗和故障阻抗计算得到，保证了保护测试到的ZS与系统运行情况相符，这样可在满足负序方向元件的动作条件下，针对保护的阻抗动作特性进行测试，也更接近保护实际运行中的情况。
但是，用恒定源阻抗法测得的阻抗特性已不再是如图2所示的阻抗特性圆了，因为SEL-321的相间距离保护采用了长时间记忆的正序极化电压。图2所示的阻抗特性圆只是方向阻抗保护元件静态动作特性，在极
化电压记忆作用下，距离保护的阻抗元件动作区的特性在阻抗平面上变为用下式表示的圆：
式中 U｜0｜——阻抗继电器的记忆极化电压。
设正向短路时等效无穷大系统的电压为E，等效系统阻抗为ZS。短路前空载，U｜0｜=E，发生故障后继电器安装处母线电压U＝Zf.I。
由E=U+ZS.I=(Zf+ZS).I，可将极化电压记忆作用下，距离保护的阻抗元件动作圆的表达式化为：保护的动作边界为所表示的圆，如图4(a)中虚线所示，称为正向短路时完全记忆极化电压作用下的方向阻抗元件的动态动作特性。
反向短路时则由E=U｜0｜，U=Zf.I，有E=U+(ZL+ZR).I=(Zf+ZL+ZR).I，可将极化电压记忆作用下，距离保护的阻抗元件动作圆的表达式化为：
保护动作边界为所表示的圆，如图4(b)虚线所示，称为反向短路时完全记忆极化电压作用下的方向阻抗元件的动态动作特性。
下方向阻抗元件的动态动作特性
方向阻抗圆元件的动态动作特性消除了电压死区，而且减小了串联补偿的容抗和短路过渡电阻对故障阻抗以及方向判断的影响，具有更好的性能。
3 不同试验方法同保护静态动作特性和动态动作特性的关系
在记忆电压的作用下，方向阻抗圆元件对故障的反应动作是动态动作特性，只有在线路故障保持长时间，记忆电压失去作用后，方向阻抗圆元件对故障的反应才变为静态动作特性。而在故障发生初期，方向阻抗圆元件对故障的反应是动态动作特性。那么，为什么对传统保护的相间距离保护的MHO方向阻抗圆元件特性，采用恒定电流法进行测试可得到静态特性呢?实际上，如果SEL-321没有负序方向元件的影响(负序方向元件定值合适，负序方向元件可动作时)，也可采用恒定电流法测试到两相间短路时的静态特性。
恒定电流法所测得的静态特性和保护的本身动作的动态特性又有什么关系呢?如前所述，恒定电流法模拟测试时，模拟L2-L3相间短路，故障测试的短路电流大小一定(｜IL2｜=｜IL3｜=Itest)，故障电压(UL2-L3)的相位保持-90°(以L1相电压UL1相位为参考相位0°)，而故障前为空载状态，UL2-L3相位为-90°，也就是说，记忆电压U｜0｜与故障后电压U是同相位的，静态特性动作区90°＜arg和动态特性动作区90°＜arg(实际上是相同的。同样可知，由于用恒定源阻抗法模拟三相平衡短路故障时，故障前后各相电压的相位不会改变，因此用恒定源阻抗法的三相平衡故障测试方法测得的保护动作特性也是静态动作特性圆。
由于在记忆电压起作用时，方向阻抗圆元件对故障的动作反映是动态特性，那么用恒定电流法测试得到的静态特性的动作边界上任一点，必定是保护的1个动态特性的动作边界上的点。例如对前述SEL-321用恒定电流法｜IL2｜=｜IL3｜=Itest=3.0 A模拟L2-L3相间短路，测试得第3段保护在故障阻抗角为40°方向上的动作边界为Zf=2.42∠40°。从测试电流、电压计算可得，此时ZS=14.317∠40°。在阻抗平面上，以Zzd3和-ZS连线为直径作圆(如图5所示)，因为Zf是以原点O和Zzd3连线为直径的圆上的点，由几何定理可知∠OZfZzd3=90°，那么有∠ZSZfZzd3=90°，又由几何定理可知Zf必是以-ZS和Zzd3连线为直径的圆上的点。因此，恒流法所作出的静态特性动作边界实质是改变源阻抗阻抗所作出的动态动作特性在相应源阻抗角方向上的边界点的集合。
4 结论
a)SEL带补偿的负序方向元件的整定参数与系统阻抗参数有密切关系，因此，在进行相间距离保护测试时，输入电流、电压的大小和相位，应是在某一系统阻抗(包括源阻抗，线路阻抗，故障阻抗)情况下产生的，这样才能保证方向元件的动作不影响距离保护元件。
b)对于具有记忆极化电压的距离保护，采用OMICRON的CMC-156继电保护测试仪(或其它具有相同功能的保护测试仪)，用恒定电流法的测试方法只能测试距离保护的静态动作特性，用恒定源阻抗法的测试方法，可以测试得距离保护对不平衡故障的动态动作特性。
c)不平衡故障的恒定电流法的测试得到的距离保护静态特性动作边界，其实质是改变源阻抗所得的动态特性在试验源阻抗阻抗角方向上的边界点的集合。
参考文献
1 Robewrta J,Guzman A.Directional Element Design and Evaluation［Z］.Schweitzer Engineering Laboratories.49th Annual Georgia Tech Protective Relaying Gonference,Atlanta,1995
2 Schweitzer E O Ⅲ，Robewrta J.Distance Relay Element Design［Z］.Schweitzer Engineering Laboratories. 46th Annual Conference for Protective Relaying Engineers,Texas A&M University,Texas,1993
3 朱声石.高压电网继电保护原理与技术.第2版［M］.北京：中国电力出版社，1995
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