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 《SEL-321相间距离保护静态特性与动态特性及试验方法》
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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 《SEL-321相间距离保护静态特性与动态特性及试验方法》
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