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        SEL-321相間距離保護靜態特性與動態特性
        更新時間:2020-07-15 發布:www.fanbd.cn

        作者:王衛宏 梅桂華 王奕 丁浩杰

          Schweitzer工程實驗室(SEL)的微機線路庇護采用了帶抵償的負序阻抗標的目的元件(帶抵償的負序阻抗標的目的元件詳見文獻[1],[2]及SEL提供的SEL-321/321-1指導手冊)。在負序阻抗平面上,當發生不合錯誤稱故障時,若現實丈量負序阻抗Z2=U2/I2(式中U2,I2劃分為輸進繼電器的故障電壓、電流的負序份量)的點落在z2=Z2Fb(式中z2為丈量負序阻抗在線路負序阻抗角標的目的的投影,Z2Fb為SEL繼電器憑據分歧Z2計較出的正向動作閾值)曲線下側時(z2≤Z2Fb)判別為正標的目的故障,落在z2=Z2Rb(式中Z2Rb為SEL繼電器憑據分歧Z2計較出的反向動作閾值)曲線上側時(z2≥Z2Rb)判別為反標的目的故障。這類負序標的目的元件的整定值和動作特征與裝配運行的現實系統負序阻抗有關,是以在對采用這類負序標的目的元件的庇護進行繼電器檢驗、實驗時,應注重實驗方式,若是用檢驗傳統繼電器的實驗方式,極可能會遇到一些問題。

        1 相間距離庇護靜態動作特征的實驗方式

          SEL-321微機線路庇護,具有相間及接地距離庇護、標的目的過流庇護和故障定位的功能,針對不服衡故障,它的標的目的元件采用了帶抵償的負序標的目的元件。其相間距離庇護的標的目的阻抗元件與負序標的目的元件是連系在一起的,是以,在對該庇護元件特征進行測試時,不能用測試一般標的目的阻抗庇護特征的方式,而必需注重實驗的電流、電壓的幅值和相位,若與庇護裝配所在現實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標的目的元件沒有起動而使庇護沒法動作的情況。

          某變電站綜合自動化系統中110kV線路采用了SEL-321,該線路全長為3.8km,系統簡化單線圖如圖1所示。

          圖中GR為庇護對側系統電源,GS為庇護后方經110kV/35kV變壓器所接的1個小水電。庇護設置裝備擺設為3段相間距離庇護,4段零序庇護。庇護的負序標的目的元件定值設置為:正向Z2基本閾值Z2F=-12.5Ω,反向Z2基本閾值Z2R=0.5Ω;相間距離庇護的設置為:第1段定值Zzd1=0.07Ω,第2段定值Zzd2=0.33Ω,第3段定值Zzd3=2.8Ω,線路阻抗角L=70°,標的目的阻抗特征圓如圖2所示。110kV線路庇護SEL-321相間距離庇護標的目的阻抗圓MHO特征

          各段阻抗特征動作區在阻抗平面上劃分在下式暗示的阻抗圓內,由各段阻抗定值Zzd決議阻抗圓的年夜小:
        即有鴻溝圓:

        式中 U——阻抗繼電器丈量的母線電壓;
           Zzd——阻抗繼電器的阻抗整定值;
           I——阻抗繼電器丈量的電流;
        U-Zzd.I——阻抗繼電器抵償后電壓;
           Zf——阻抗繼電器丈量的故障阻抗。

          實驗儀器采用OMICRON的CMC-156繼電庇護測試儀,CMC-156提供在阻抗平面上對距離庇護測試的2種基本方式:一種是恒定電流法,另外一種是恒定源阻抗法。

          對相間距離庇護標的目的阻抗圓元件特征的測試,一般可采用恒定電流法。例如模擬L2-L3相間短路故障,進行阻抗圓鴻溝搜索(相當于在阻抗圓鴻溝四周每隔一定角度做動作值檢驗)。這類測試方式模擬線路故障前為空載狀態,故障測試的短路電流年夜小一定(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)的相位連結為-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決議,∠IL2=-90°-θ,∠IL3=90° θ;故障電壓UL2-L3的年夜小由短路阻抗Zf的年夜小肯定:|UL2-L3|=2.Itest|Zf|。

          用恒定電流法固定Itest=3.0A,對SEL-321相間距離庇護標的目的阻抗特征測試獲得的成效是:當短路阻抗的阻抗角在阻抗圓最年夜活絡角(線路阻抗角L)四周時庇護動作正常,作出動作阻抗圓的鴻溝,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年夜活絡角區域時,庇護動作情況則與預期的不符,阻抗圓鴻溝基本沒法作出。例如若短路阻抗Zf=2.35∠40°Ω,短路點應在第3段阻抗圓內,但相間庇護不動作,甚至在Zf=0.2∠10°Ω時庇護都不動作。

          究其緣由,從實驗所加電量來看,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的系統阻抗ZS=14.317∠40°Ω,SEL-321計較出的正向動作閾值(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|=-12.579Ω.

        式中 Z2S——正向故障電源系統負序阻抗。
          而SEL-321計較出負序阻抗在阻抗角標的目的的投影年夜小為:

        z2=Re[Z2S.1∠70°]=-12.399Ω.

          由于z2>Z2Fb,正標的目的判別元件未動作,是以造成庇護不能出口。一樣地,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|=-13.117Ω,
        z2=Re[Z2S.1∠70°]=-8.233 Ω.

        一樣是由于z2>Z2Fb,正標的目的元件未動作而致使庇護不能出口。

          是以,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征,只能用平衡故障三相短路的方式進行,由于此時電流、電壓無負序份量,SEL-321的標的目的元件采用正序阻抗標的目的元件,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實驗測得的該線路庇護SEL-321相間距離庇護第3段的靜態動作特征。

        2 相間距離庇護動態動作特征的實驗方式

          采用恒定電流的實驗方式不能檢測SEL-321兩相相間短路時如圖2所示的阻抗特征。而CMC-156提供了在阻抗平面上的另外一種基本測試方式——恒定源阻抗法,可以自動模擬某一特定源阻抗(由實驗者設定)情況下在分歧短路阻抗時庇護安裝地方感遭到的電流和電壓,響應的年夜小和相位憑據源阻抗和故障阻抗計較獲得,保證了庇護測試到的ZS與系統運行情況相符,這樣可在知足負序標的目的元件的動作條件下,針對庇護的阻抗動作特征進行測試,也更接近庇護現實運行中的情況。

          可是,用恒定源阻抗法測得的阻抗特征已不再是如圖2所示的阻抗特征圓了,由于SEL-321的相間距離庇護采用了長時間記憶的正序極化電壓。圖2所示的阻抗特征圓只是標的目的阻抗庇護元件靜態動作特征,在極化電壓記憶作用下,距離庇護的阻抗元件動作區的特征在阻抗平面上變為用下式暗示的圓:

        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限年夜系統的電壓為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=Zf.I。

          由E=U ZS.I=(Zf ZS).I,可將極化電壓記憶作用下,距離庇護的阻抗元件動作圓的表達式化為:庇護的動作鴻溝為所暗示的圓,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標的目的阻抗元件的動態動作特征。

          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,距離庇護的阻抗元件動作圓的表達式化為:

        庇護動作鴻溝為所暗示的圓,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標的目的阻抗元件的動態動作特征。

        下標的目的阻抗元件的動態動作特征

          標的目的阻抗圓元件的動態動作特征消除電壓死區,而且減小了串聯抵償的容抗和短途經渡電阻對故障阻抗和標的目的判斷的影響,具有更好的性能。

        3 分歧實驗方式同庇護靜態動作特征和動態動作特征的關系

          在記憶電壓的作用下,標的目的阻抗圓元件對故障的反應動作是動態動作特征,只有在線路故障連結長時間,記憶電壓失往作用后,標的目的阻抗圓元件對故障的反應才變為靜態動作特征。而在故障發生早期,標的目的阻抗圓元件對故障的反應是動態動作特征。那末,為什么對傳統庇護的相間距離庇護的MHO標的目的阻抗圓元件特征,采用恒定電流法進行測試可獲得靜態特征呢?現實上,若是SEL-321沒有負序標的目的元件的影響(負序標的目的元件定值合適,負序標的目的元件可動作時),也可采用恒定電流法測試到兩相間短路時的靜態特征。

          恒定電流法所測得的靜態特征和庇護的自己動作的動態特征又有什么關系呢?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年夜小一定(|IL2|=|IL3|=Itest),故障電壓(UL2-L3)的相位連結-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,靜態特征動作區90°<arg和動態特征動作區90°<arg(現實上是不異的。一樣可知,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,是以用恒定源阻抗法的三相平衡故障測試方式測得的庇護動作特征也是靜態動作特征圓。

          由于在記憶電壓起作用時,標的目的阻抗圓元件對故障的動作反映是動態特征,那末用恒定電流法測試獲得的靜態特征的動作鴻溝上任一點,一定是庇護的1個動態特征的動作鴻溝上的點。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段庇護在故障阻抗角為40°標的目的上的動作鴻溝為Zf=2.42∠40°。從測試電流、電壓計較可得,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),由于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°,那末有∠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。是以,恒流法所作出的靜態特征動作鴻溝實質是改變源阻抗阻抗所作出的動態動作特征在響應源阻抗角標的目的上的鴻溝點的糾合。

        4 結論

          a)SEL帶抵償的負序標的目的元件的整定參數與系統阻抗參數有緊密親密關系,是以,在進行相間距離庇護測試時,輸進電流、電壓的年夜小和相位,應是在某一系統阻抗(包括源阻抗,線路阻抗,故障阻抗)情況下發生的,這樣才能保證標的目的元件的動作不影響距離庇護元件。

          b)對于具有記憶極化電壓的距離庇護,采用OMICRON的CMC-156繼電庇護測試儀(或其它具有不異功能的庇護測試儀),用恒定電流法的測試方式只能測試距離庇護的靜態動作特征,用恒定源阻抗法的測試方式,可以測試得距離庇護對不服衡故障的動態動作特征。

          c)不服衡故障的恒定電流法的測試獲得的距離庇護靜態特征動作鴻溝,其實質是改變源阻抗所得的動態特征在實驗源阻抗阻抗角標的目的上的鴻溝點的糾合。

        參考文獻

        1 RobewrtaJ,GuzmanA.DirectionalElementDesignandEvaluation[Z].SchweitzerEngineeringLaboratories.49thAnnualGeorgiaTechProtectiveRelayingGonference,Atlanta,1995

        2 SchweitzerEOⅢ,RobewrtaJ.DistanceRelayElementDesign[Z].SchweitzerEngineeringLaboratories.46thAnnualConferenceforProtectiveRelayingEngineers,TexasA&MUniversity,Texas,1993

        3 朱聲石.高壓電網繼電庇護原理與技術.第2版[M].北京:中國電力出書社,1995

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