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(dòng)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(yàn)時(shí)，和電流、電壓保護(hù)相比，阻抗保護(hù)試驗(yàn)相對(duì)復(fù)雜，尤其是測(cè)定其動(dòng)作邊界時(shí)，常規(guī)試驗(yàn)方法耗時(shí)較長。以往簡略的檢驗(yàn)方法一般為按照整定值加入試驗(yàn)電壓、電流至保護(hù)動(dòng)作，該方法可以判斷阻抗保護(hù)作為一項(xiàng)保護(hù)功能是否正常，但因信息不足，難以根據(jù)測(cè)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(jī)保護(hù)測(cè)試儀的自動(dòng)測(cè)試功能，如阻抗保護(hù)裝置動(dòng)作特性自動(dòng)掃描，可以繪出阻抗保護(hù)裝置的動(dòng)作邊界，在某些情況下可以提高工作效率，縮短檢測(cè)時(shí)間。在牽引變電所現(xiàn)場(chǎng)使用自動(dòng)掃描功能，需要在保護(hù)裝置和試驗(yàn)儀器間進(jìn)行完整接線，并需正確設(shè)置各種試驗(yàn)參數(shù)，因接線和參數(shù)設(shè)置多而復(fù)雜，準(zhǔn)備工作時(shí)間很長，也極易發(fā)生錯(cuò)誤。另外，使用自動(dòng)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(jī)保護(hù)測(cè)試儀阻抗型補(bǔ)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(duì)阻抗保護(hù)特性的分析，提出阻抗保護(hù)的通用測(cè)試方法和校驗(yàn)公式。

1 阻抗保護(hù)的動(dòng)作特性

1.1 基本動(dòng)作特性

參見圖1所示，基本動(dòng)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(cè)量電阻和電抗。

圖1 阻抗保護(hù)動(dòng)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(shí)，因其電流接近正弦波，自適應(yīng)阻抗保護(hù)的動(dòng)作邊界不變，繼電保護(hù)裝置應(yīng)可靠動(dòng)作；在再生、牽引、機(jī)車啟動(dòng)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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)阻抗保護(hù)的動(dòng)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(dòng)電流及勵(lì)磁涌流的能力。

綜合諧波含量超過綜合諧波抑制整定值時(shí)，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(duì)于自適應(yīng)阻抗保護(hù)的處理方式不完全一樣，實(shí)際測(cè)試時(shí)應(yīng)根據(jù)具體裝置的處理方式調(diào)整測(cè)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(shí)，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(shí)，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(dòng)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(dòng)作死區(qū)影響。

2 自適應(yīng)阻抗保護(hù)試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)項(xiàng)目

在阻抗保護(hù)裝置動(dòng)作特性圖中，整定值確定后，阻抗保護(hù)的動(dòng)作邊界就相應(yīng)確定，阻抗保護(hù)試驗(yàn)即為驗(yàn)證動(dòng)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(duì)于自適應(yīng)阻抗保護(hù)，還需給定綜合諧波含量。

對(duì)于整定電阻RZD和電抗XZD起點(diǎn)為O 點(diǎn)四邊形特性的阻抗保護(hù)，完整的校驗(yàn)阻抗保護(hù)，應(yīng)分別校驗(yàn)每一條動(dòng)作邊界，即分別校驗(yàn)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(yàn)綜合諧波抑制、2 次諧波閉鎖和動(dòng)作死區(qū)情況。對(duì)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(diǎn)O 點(diǎn)，以調(diào)整后的整定值進(jìn)行校驗(yàn)。偏移電阻和偏移電抗一般整定為-1（額定電流為1 A時(shí)）或-5（額定電流為5 A 時(shí)）。

2.2 基本方法

測(cè)量阻抗角α0為OA 與R 軸的夾角，為節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)間，事先應(yīng)根據(jù)整定值計(jì)算出α0。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，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(yàn)電流，在電壓母線加高于整定阻抗值的試驗(yàn)電壓，電壓超前電流角度即為測(cè)量阻抗角α。調(diào)整測(cè)量阻抗角α至計(jì)劃測(cè)試角度，緩慢降低電壓直至保護(hù)裝置動(dòng)作，該時(shí)電壓與電流的比值為測(cè)量動(dòng)作阻抗。為方便試驗(yàn)和計(jì)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(jì)誤差的情況下，測(cè)量動(dòng)作阻抗值應(yīng)在動(dòng)作特性邊界上，實(shí)際測(cè)試中，測(cè)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(yàn)

調(diào)整測(cè)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(dòng)作。校驗(yàn)公式為

式中，R 為測(cè)量電阻。

2.4 躲涌流偏移角斜邊校驗(yàn)

調(diào)整測(cè)量阻抗角α＞φ1，緩慢降低電壓u，阻抗保護(hù)裝置不動(dòng)作；調(diào)整α＜φ1，緩慢降低電壓u，阻抗保護(hù)裝置動(dòng)作；因?yàn)樵擁?xiàng)校驗(yàn)僅測(cè)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(diǎn)動(dòng)作死區(qū)。

2.5 XZD 校驗(yàn)

調(diào)整測(cè)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(dòng)作，動(dòng)作阻抗值為u/i，其校驗(yàn)公式為

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

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

2.6 線路阻抗角斜邊校驗(yàn)

調(diào)整測(cè)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(dòng)作，動(dòng)作阻抗值為u/i，其校驗(yàn)公式為

實(shí)際測(cè)試時(shí)，線路阻抗角α可調(diào)至α0進(jìn)行一次測(cè)試，測(cè)試值應(yīng)同時(shí)符合式（6）—式（8），并且該時(shí)動(dòng)作電壓值最大，即該時(shí)動(dòng)作阻抗值最大。

2.7 容性阻抗校驗(yàn)

調(diào)整測(cè)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(dòng)作，動(dòng)作阻抗值為u/i，其校驗(yàn)公式為

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

2.8 容性阻抗偏移角斜邊校驗(yàn)

調(diào)整測(cè)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(dòng)作；調(diào)整α＜φ2，緩慢降低電壓u，阻抗保護(hù)裝置動(dòng)作；電壓降至低于整定電阻值RZD即可，以避開原點(diǎn)動(dòng)作死區(qū)。

2.9 自適應(yīng)邊界調(diào)節(jié)校驗(yàn)

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

測(cè)試動(dòng)作邊界時(shí)應(yīng)在加基波電流的同時(shí)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(cè)得動(dòng)作阻抗值，按式（5）和式（6）進(jìn)行校驗(yàn)。

2.10 2 次諧波閉鎖試驗(yàn)

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

2.11 動(dòng)作死區(qū)校驗(yàn)

該項(xiàng)測(cè)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(cè)試時(shí)，將電壓降至0，觀察阻抗保護(hù)裝置是否動(dòng)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(dòng)作時(shí)間的測(cè)定

測(cè)定阻抗保護(hù)動(dòng)作時(shí)間時(shí)，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(dòng)作。保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間為保護(hù)固有動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作時(shí)間整定值之和，要求保護(hù)裝置固有動(dòng)作時(shí)間不大于30 ms，時(shí)間元件的誤差不超過±2%。

3 測(cè)試校驗(yàn)實(shí)例

下面以某變電所為例，具體說明測(cè)試過程和校驗(yàn)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(dòng)作阻抗0.5 Ω，時(shí)間0.1 s，綜合諧波抑制定值K∑h= 10%。

3.1 計(jì)算阻抗角α0

根據(jù)上述整定值和式（4），可計(jì)算得出：a0= 31.52°

3.2 選定測(cè)試阻抗角

根據(jù)α0= 31.52°，列出測(cè)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(gè)，其中16°位于非動(dòng)作區(qū)，14°位于容性動(dòng)作區(qū)，該動(dòng)作區(qū)再選一個(gè)8°；0°必選，測(cè)試RZD；線路阻抗角斜邊區(qū)域選取2 個(gè)，分別為10°、20°；α0= 31.52°必選；XZD區(qū)域選取2 個(gè)，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(gè)，其中86°位于非動(dòng)作區(qū)，84°位于動(dòng)作區(qū)即XZD區(qū)域，該區(qū)域?qū)嶋H有3 個(gè)值。本次共選取11 個(gè)角度，其中2 個(gè)位于非動(dòng)作區(qū)。對(duì)于測(cè)試角度的選取，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定選取數(shù)量，應(yīng)保證每個(gè)區(qū)域至少選一個(gè)角度，必選的角度不能省略。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

保護(hù)裝置電流、電壓輸入端相應(yīng)接至繼電保護(hù)測(cè)試儀，為同時(shí)測(cè)得時(shí)間，保護(hù)裝置動(dòng)作出口（或測(cè)試用出口）接至繼電保護(hù)測(cè)試儀開入端，繼電保護(hù)測(cè)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(cè)試角數(shù)值調(diào)整角度，測(cè)試得出阻抗保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)的電壓值和動(dòng)作時(shí)間（表1），逐項(xiàng)完成，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)束。限于篇幅，綜合諧波抑制定值和2 次諧波閉鎖測(cè)試不單列出。

表1 測(cè)試阻抗角及動(dòng)作測(cè)試值表

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

該測(cè)試，在每一個(gè)角度都對(duì)動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試，正常情況下，若無異常偏離，一般測(cè)試3 次即可。動(dòng)作時(shí)間的測(cè)試與動(dòng)作電壓的測(cè)試不是一次完成的，測(cè)試動(dòng)作時(shí)間時(shí)應(yīng)先把電壓調(diào)至動(dòng)作電壓的70%，然后再測(cè)試動(dòng)作時(shí)間。

3.4 測(cè)試結(jié)果校驗(yàn)

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

表2 阻抗測(cè)試校驗(yàn)結(jié)果表

若以整定電阻、整定電抗校驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 電阻電抗測(cè)試校驗(yàn)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(yùn)行中起著重要的作用，在繼電保護(hù)新設(shè)備投入運(yùn)行前必須按規(guī)程進(jìn)行交接試驗(yàn)，投入運(yùn)行后需做年度預(yù)防性試驗(yàn)。繼電保護(hù)裝置定期校驗(yàn)是發(fā)現(xiàn)和處理各種潛在缺陷的重要手段，對(duì)于保障牽引供電系統(tǒng)安全運(yùn)行必不可少。本文根據(jù)自適應(yīng)阻抗保護(hù)裝置的動(dòng)作特性和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況，提出通用測(cè)試方法和校驗(yàn)公式，在現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)時(shí)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(cè)試和校驗(yàn)，解決牽引變電所微機(jī)保護(hù)裝置阻抗保護(hù)測(cè)試存在的問題。