孫樹光

0 引言

牽引變電所饋線保護(hù)一般設(shè)置電流保護(hù)、電壓保護(hù)和阻抗保護(hù)，阻抗保護(hù)因動作速度快，具有方向性，在牽引變電所饋線保護(hù)中作為主保護(hù)使用。在饋線繼電保護(hù)試驗時，和電流、電壓保護(hù)相比，阻抗保護(hù)試驗相對復(fù)雜，尤其是測定其動作邊界時，常規(guī)試驗方法耗時較長。以往簡略的檢驗方法一般為按照整定值加入試驗電壓、電流至保護(hù)動作，該方法可以判斷阻抗保護(hù)作為一項保護(hù)功能是否正常，但因信息不足，難以根據(jù)測量值判斷整定的邊界位置，難以判定是否符合整定要求。

利用微機保護(hù)測試儀的自動測試功能，如阻抗保護(hù)裝置動作特性自動掃描，可以繪出阻抗保護(hù)裝置的動作邊界，在某些情況下可以提高工作效率，縮短檢測時間。在牽引變電所現(xiàn)場使用自動掃描功能，需要在保護(hù)裝置和試驗儀器間進(jìn)行完整接線，并需正確設(shè)置各種試驗參數(shù)，因接線和參數(shù)設(shè)置多而復(fù)雜，準(zhǔn)備工作時間很長，也極易發(fā)生錯誤。另外，使用自動掃描功能需設(shè)置的參數(shù)設(shè)置方式也不盡一致，如因生產(chǎn)廠家不同，有的微機保護(hù)測試儀阻抗型補償系數(shù)為直接輸入方式，有的為直角坐標(biāo)輸入方式。根據(jù)掌握的使用情況，某些掃描結(jié)果出

入也較大，準(zhǔn)確性存在問題。

本文通過對阻抗保護(hù)特性的分析，提出阻抗保護(hù)的通用測試方法和校驗公式。

1 阻抗保護(hù)的動作特性

1.1 基本動作特性

參見圖1所示，基本動作特性滿足以下公式：

式中，φ1為躲涌流偏移角，取70°～85°；φL為線路阻抗角，取40°～80°；φ2為容性阻抗偏移角，取10°～20°；RZD、XZD為整定電阻和電抗；R、X 為測量電阻和電抗。

圖1 阻抗保護(hù)動作特性圖

1.2 自適應(yīng)阻抗保護(hù)特性

當(dāng)被保護(hù)線路發(fā)生短路故障時，因其電流接近正弦波，自適應(yīng)阻抗保護(hù)的動作邊界不變，繼電保護(hù)裝置應(yīng)可靠動作；在再生、牽引、機車啟動及過電分相等情況下，利用負(fù)荷電流中的綜合諧波含量為控制量，動態(tài)調(diào)節(jié)阻抗保護(hù)的動作邊界，以改善保護(hù)性能，提高阻抗保護(hù)躲過牽引重負(fù)荷、再生負(fù)荷、啟動電流及勵磁涌流的能力。

綜合諧波含量超過綜合諧波抑制整定值時，自適應(yīng)阻抗保護(hù)整定值按以下方式調(diào)整：

式中，K∑h為綜合諧波含量，K∑h=（I2+I3+I5）/I1；I1、I2、I3、I5分別為基波、2 次、3 次、5 次諧波分量；RT、XT為調(diào)節(jié)后的整定電阻和電抗。

不同的繼電保護(hù)裝置對于自適應(yīng)阻抗保護(hù)的處理方式不完全一樣，實際測試時應(yīng)根據(jù)具體裝置的處理方式調(diào)整測試方式。

1.3 2 次諧波閉鎖

當(dāng)2 次諧波電流占基波的含量大于2 次諧波閉鎖整定值時，閉鎖阻抗保護(hù)。

諧波閉鎖條件：

式中，KYL為二次諧波含量整定值。

1.4 阻抗保護(hù)死區(qū)

當(dāng)饋線出口發(fā)生金屬性短路故障時，由于母線電壓降為零，阻抗保護(hù)失去方向性，該保護(hù)裝置可能不動作，稱為阻抗保護(hù)死區(qū)。為消除阻抗保護(hù)死區(qū)，保護(hù)裝置一般采用帶電壓記憶特性的方向阻抗保護(hù)、小阻抗保護(hù)或偏移平行四邊形消除動作死區(qū)影響。

2 自適應(yīng)阻抗保護(hù)試驗方法

2.1 試驗項目

在阻抗保護(hù)裝置動作特性圖中，整定值確定后，阻抗保護(hù)的動作邊界就相應(yīng)確定，阻抗保護(hù)試驗即為驗證動作邊界是否與整定邊界一致，整定值一般為躲涌流偏移角φ1，線路阻抗角φL，容性阻抗偏移角φ2，整定電阻RZD，電抗XZD。對于自適應(yīng)阻抗保護(hù)，還需給定綜合諧波含量。

對于整定電阻RZD和電抗XZD起點為O 點四邊形特性的阻抗保護(hù)，完整的校驗阻抗保護(hù)，應(yīng)分別校驗每一條動作邊界，即分別校驗RZD、XZD、躲涌流偏移角斜邊、線路阻抗角斜邊、容性阻抗偏移角斜邊。除此之外，還應(yīng)校驗綜合諧波抑制、2 次諧波閉鎖和動作死區(qū)情況。對于偏移四邊形特性的阻抗保護(hù)，則需首先將整定電阻RZD和電抗XZD調(diào)整至起點O 點，以調(diào)整后的整定值進(jìn)行校驗。偏移電阻和偏移電抗一般整定為-1（額定電流為1 A時）或-5（額定電流為5 A 時）。

2.2 基本方法

測量阻抗角α0為OA 與R 軸的夾角，為節(jié)省現(xiàn)場試驗時間，事先應(yīng)根據(jù)整定值計算出α0。

現(xiàn)場試驗時，退出其他所有保護(hù)元件，僅投入阻抗保護(hù)裝置（以阻抗Ⅰ段為例），在電流互感器2 次回路端子上加入固定試驗電流，在電壓母線加高于整定阻抗值的試驗電壓，電壓超前電流角度即為測量阻抗角α。調(diào)整測量阻抗角α至計劃測試角度，緩慢降低電壓直至保護(hù)裝置動作，該時電壓與電流的比值為測量動作阻抗。為方便試驗和計算，以下均設(shè)電流i 為1 A，角度為0，電壓一般自 100 V 開始即可。

在不計誤差的情況下，測量動作阻抗值應(yīng)在動作特性邊界上，實際測試中，測量阻抗值與整定阻抗值的誤差不應(yīng)超過±5%，相角誤差不超過0.1°。

2.3 RZD 校驗

調(diào)整測量阻抗角α為0°，電壓u 自大于RZD的值緩慢降低直至保護(hù)裝置動作。校驗公式為

式中，R 為測量電阻。

2.4 躲涌流偏移角斜邊校驗

調(diào)整測量阻抗角α＞φ1，緩慢降低電壓u，阻抗保護(hù)裝置不動作；調(diào)整α＜φ1，緩慢降低電壓u，阻抗保護(hù)裝置動作；因為該項校驗僅測角度，所以電壓降至低于整定電抗值XZD即可，不宜太小，以避開原點動作死區(qū)。

2.5 XZD 校驗

調(diào)整測量阻抗角使得α0≤α＜φ1，緩慢降低電壓u，至阻抗保護(hù)裝置動作，動作阻抗值為u/i，其校驗公式為

因在該區(qū)間內(nèi)測量電抗值應(yīng)相等，且均等于XZD，所以也可使用測量電抗值進(jìn)行校驗，公式為

調(diào)整測量阻抗角α值，可測得幾組數(shù)據(jù)，并按式（7）進(jìn)行校驗。

2.6 線路阻抗角斜邊校驗

調(diào)整測量阻抗角使得0＜α≤α0，緩慢降低電壓u，至阻抗保護(hù)裝置動作，動作阻抗值為u/i，其校驗公式為

實際測試時，線路阻抗角α可調(diào)至α0進(jìn)行一次測試，測試值應(yīng)同時符合式（6）—式（8），并且該時動作電壓值最大，即該時動作阻抗值最大。

2.7 容性阻抗校驗

調(diào)整測量阻抗角使電壓滯后電流角度為α，0＜α＜φ2，降低電壓u，至阻抗保護(hù)裝置動作，動作阻抗值為u/i，其校驗公式為

因此區(qū)間內(nèi)測量電阻值應(yīng)相等，且均等于RZD，所以也可使用測量電阻值進(jìn)行校驗，公式為

2.8 容性阻抗偏移角斜邊校驗

調(diào)整測量阻抗角使電壓滯后電流角度為α，α＞φ2，緩慢降低電壓u，阻抗保護(hù)裝置不動作；調(diào)整α＜φ2，緩慢降低電壓u，阻抗保護(hù)裝置動作；電壓降至低于整定電阻值RZD即可，以避開原點動作死區(qū)。

2.9 自適應(yīng)邊界調(diào)節(jié)校驗

該校驗分3 個步驟，一是根據(jù)式（2）計算邊界調(diào)節(jié)后的電阻和電抗；二是校驗綜合諧波抑制定值，三是按照2.2—2.8 節(jié)方法進(jìn)行測試校驗動作邊界。一般來說，如果已經(jīng)完成基本測試校驗，自適應(yīng)邊界調(diào)節(jié)校驗可以僅校驗RZD和XZD。

測試動作邊界時應(yīng)在加基波電流的同時疊加20%的2 次（或3 次、5 次）諧波電流，然后按照2.3 節(jié)和2.5 節(jié)的方法測得動作阻抗值，按式（5）和式（6）進(jìn)行校驗。

2.10 2 次諧波閉鎖試驗

2 次諧波閉鎖一般整定值為20%，測試時在滿足阻抗保護(hù)裝置可靠動作的條件下，同時施加占基波電流18%的2 次諧波電流，進(jìn)行以上測試時阻抗保護(hù)裝置應(yīng)可靠動作，施加22%的2 次諧波時應(yīng)可靠不動作。閉鎖試驗可與邊界測試同時進(jìn)行。

2.11 動作死區(qū)校驗

該項測試需根據(jù)阻抗保護(hù)裝置具體采用的方式?jīng)Q定如何進(jìn)行。簡單直接的方式是在進(jìn)行上述邊界測試時，將電壓降至0，觀察阻抗保護(hù)裝置是否動作。注意若采用圓特性的小阻抗保護(hù)方式，應(yīng)事先投入。

2.12 阻抗保護(hù)動作時間的測定

測定阻抗保護(hù)動作時間時，應(yīng)按阻抗保護(hù)整定值的0.7 倍值施加，以確保保護(hù)裝置正確動作。保護(hù)裝置動作時間為保護(hù)固有動作時間和動作時間整定值之和，要求保護(hù)裝置固有動作時間不大于30 ms，時間元件的誤差不超過±2%。

3 測試校驗實例

下面以某變電所為例，具體說明測試過程和校驗方法。

變電所上行212#饋線阻抗Ⅰ段整定值：R=37 Ω，X= 27.15 Ω，φ1= 85°，φL= 75°，φ2= 15°，2 次諧波閉鎖諧波含量0.2，小阻抗元件動作阻抗0.5 Ω，時間0.1 s，綜合諧波抑制定值K∑h= 10%。

3.1 計算阻抗角α0

根據(jù)上述整定值和式（4），可計算得出：a0= 31.52°

3.2 選定測試阻抗角

根據(jù)α0= 31.52°，列出測試角度。因容性阻抗偏移角φ2整定15°，在斜邊兩側(cè)各選一個，其中16°位于非動作區(qū)，14°位于容性動作區(qū)，該動作區(qū)再選一個8°；0°必選，測試RZD；線路阻抗角斜邊區(qū)域選取2 個，分別為10°、20°；α0= 31.52°必選；XZD區(qū)域選取2 個，分別為40°、60°；躲涌流偏移角φ1整定85°，在斜邊兩側(cè)各選一個，其中86°位于非動作區(qū)，84°位于動作區(qū)即XZD區(qū)域，該區(qū)域?qū)嶋H有3 個值。本次共選取11 個角度，其中2 個位于非動作區(qū)。對于測試角度的選取，應(yīng)根據(jù)實際情況確定選取數(shù)量，應(yīng)保證每個區(qū)域至少選一個角度，必選的角度不能省略。

3.3 現(xiàn)場測試

保護(hù)裝置電流、電壓輸入端相應(yīng)接至繼電保護(hù)測試儀，為同時測得時間，保護(hù)裝置動作出口（或測試用出口）接至繼電保護(hù)測試儀開入端，繼電保護(hù)測試儀調(diào)整至普通模式，即能夠輸出電壓、電流及可以調(diào)整角度即可。電流調(diào)整至1 A、0°，電壓調(diào)整至100 V，按3.2 節(jié)中測試角數(shù)值調(diào)整角度，測試得出阻抗保護(hù)裝置動作時的電壓值和動作時間（表1），逐項完成，現(xiàn)場測試結(jié)束。限于篇幅，綜合諧波抑制定值和2 次諧波閉鎖測試不單列出。

表1 測試阻抗角及動作測試值表

檢驗過程中注意電壓、電流的同名端要正確，如果測量誤差較大，應(yīng)檢查接線是否正確，同時注意電源有無波形畸變。

該測試，在每一個角度都對動作時間進(jìn)行了測試，正常情況下，若無異常偏離，一般測試3 次即可。動作時間的測試與動作電壓的測試不是一次完成的，測試動作時間時應(yīng)先把電壓調(diào)至動作電壓的70%，然后再測試動作時間。

3.4 測試結(jié)果校驗

根據(jù)表1的測試結(jié)果，使用上述校驗方法，阻抗校驗結(jié)果如表2。表2中動作阻抗為動作電壓與電流（1 A）比值u/i，整定阻抗為按校驗公式計算出的值，誤差=（動作阻抗-整定阻抗）/整定阻抗。

表2 阻抗測試校驗結(jié)果表

若以整定電阻、整定電抗校驗，結(jié)果見表3。

表3 電阻電抗測試校驗結(jié)果表

4 結(jié)語

牽引變電所繼電保護(hù)裝置在牽引供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行中起著重要的作用，在繼電保護(hù)新設(shè)備投入運行前必須按規(guī)程進(jìn)行交接試驗，投入運行后需做年度預(yù)防性試驗。繼電保護(hù)裝置定期校驗是發(fā)現(xiàn)和處理各種潛在缺陷的重要手段，對于保障牽引供電系統(tǒng)安全運行必不可少。本文根據(jù)自適應(yīng)阻抗保護(hù)裝置的動作特性和現(xiàn)場測試情況，提出通用測試方法和校驗公式，在現(xiàn)場校驗時不必進(jìn)行完整接線和大量參數(shù)設(shè)置，可以快速準(zhǔn)確地完成阻抗保護(hù)測試和校驗，解決牽引變電所微機保護(hù)裝置阻抗保護(hù)測試存在的問題。