牽引變電所微機保護裝置阻抗保護的測試方法

孫樹光

0 引言

牽引變電所饋線保護一般設置電流保護、電壓保護和阻抗保護，阻抗保護因動作速度快，具有方向性，在牽引變電所饋線保護中作為主保護使用。在饋線繼電保護試驗時，和電流、電壓保護相比，阻抗保護試驗相對復雜，尤其是測定其動作邊界時，常規試驗方法耗時較長。以往簡略的檢驗方法一般為按照整定值加入試驗電壓、電流至保護動作，該方法可以判斷阻抗保護作為一項保護功能是否正常，但因信息不足，難以根據測量值判斷整定的邊界位置，難以判定是否符合整定要求。

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

入也較大，準確性存在問題。

本文通過對阻抗保護特性的分析，提出阻抗保護的通用測試方法和校驗公式。

1 阻抗保護的動作特性

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 阻抗保護動作特性圖

1.2 自適應阻抗保護特性

當被保護線路發生短路故障時，因其電流接近正弦波，自適應阻抗保護的動作邊界不變，繼電保護裝置應可靠動作；在再生、牽引、機車啟動及過電分相等情況下，利用負荷電流中的綜合諧波含量為控制量，動態調節阻抗保護的動作邊界，以改善保護性能，提高阻抗保護躲過牽引重負荷、再生負荷、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，自適應阻抗保護整定值按以下方式調整：

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為調節后的整定電阻和電抗。

不同的繼電保護裝置對于自適應阻抗保護的處理方式不完全一樣，實際測試時應根據具體裝置的處理方式調整測試方式。

1.3 2 次諧波閉鎖

當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。

諧波閉鎖條件：

式中，KYL為二次諧波含量整定值。

1.4 阻抗保護死區

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

2 自適應阻抗保護試驗方法

2.1 試驗項目

在阻抗保護裝置動作特性圖中，整定值確定后，阻抗保護的動作邊界就相應確定，阻抗保護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。對于自適應阻抗保護，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，完整的校驗阻抗保護，應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，還應校驗綜合諧波抑制、2 次諧波閉鎖和動作死區情況。對于偏移四邊形特性的阻抗保護，則需首先將整定電阻RZD和電抗XZD調整至起點O 點，以調整后的整定值進行校驗。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，為節省現場試驗時間，事先應根據整定值計算出α0。

現場試驗時，退出其他所有保護元件，僅投入阻抗保護裝置（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。調整測量阻抗角α至計劃測試角度，緩慢降低電壓直至保護裝置動作，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超過±5%，相角誤差不超過0.1°。

2.3 RZD 校驗

調整測量阻抗角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

調整測量阻抗角α＞φ1，緩慢降低電壓u，阻抗保護裝置不動作；調整α＜φ1，緩慢降低電壓u，阻抗保護裝置動作；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。

2.5 XZD 校驗

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

因在該區間內測量電抗值應相等，且均等于XZD，所以也可使用測量電抗值進行校驗，公式為

調整測量阻抗角α值，可測得幾組數據，并按式（7）進行校驗。

2.6 線路阻抗角斜邊校驗

調整測量阻抗角使得0＜α≤α0，緩慢降低電壓u，至阻抗保護裝置動作，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可調至α0進行一次測試，測試值應同時符合式（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，至阻抗保護裝置動作，動作阻抗值為u/i，其校驗公式為

因此區間內測量電阻值應相等，且均等于RZD，所以也可使用測量電阻值進行校驗，公式為

2.8 容性阻抗偏移角斜邊校驗

調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，阻抗保護裝置不動作；調整α＜φ2，緩慢降低電壓u，阻抗保護裝置動作；電壓降至低于整定電阻值RZD即可，以避開原點動作死區。

2.9 自適應邊界調節校驗

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

測試動作邊界時應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 節和2.5 節的方法測得動作阻抗值，按式（5）和式（6）進行校驗。

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，進行以上測試時阻抗保護裝置應可靠動作，施加22%的2 次諧波時應可靠不動作。閉鎖試驗可與邊界測試同時進行。

2.11 動作死區校驗

該項測試需根據阻抗保護裝置具體采用的方式決定如何進行。簡單直接的方式是在進行上述邊界測試時，將電壓降至0，觀察阻抗保護裝置是否動作。注意若采用圓特性的小阻抗保護方式，應事先投入。

2.12 阻抗保護動作時間的測定

測定阻抗保護動作時間時，應按阻抗保護整定值的0.7 倍值施加，以確保保護裝置正確動作。保護裝置動作時間為保護固有動作時間和動作時間整定值之和，要求保護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°，在斜邊兩側各選一個，其中16°位于非動作區，14°位于容性動作區，該動作區再選一個8°；0°必選，測試RZD；線路阻抗角斜邊區域選取2 個，分別為10°、20°；α0= 31.52°必選；XZD區域選取2 個，分別為40°、60°；躲涌流偏移角φ1整定85°，在斜邊兩側各選一個，其中86°位于非動作區，84°位于動作區即XZD區域，該區域實際有3 個值。本次共選取11 個角度，其中2 個位于非動作區。對于測試角度的選取，應根據實際情況確定選取數量，應保證每個區域至少選一個角度，必選的角度不能省略。

3.3 現場測試

保護裝置電流、電壓輸入端相應接至繼電保護測試儀，為同時測得時間，保護裝置動作出口（或測試用出口）接至繼電保護測試儀開入端，繼電保護測試儀調整至普通模式，即能夠輸出電壓、電流及可以調整角度即可。電流調整至1 A、0°，電壓調整至100 V，按3.2 節中測試角數值調整角度，測試得出阻抗保護裝置動作時的電壓值和動作時間（表1），逐項完成，現場測試結束。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，測試動作時間時應先把電壓調至動作電壓的70%，然后再測試動作時間。

3.4 測試結果校驗

根據表1的測試結果，使用上述校驗方法，阻抗校驗結果如表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 阻抗測試校驗結果表

若以整定電阻、整定電抗校驗，結果見表3。

表3 電阻電抗測試校驗結果表

4 結語

牽引變電所繼電保護裝置在牽引供電系統穩定運行中起著重要的作用，在繼電保護新設備投入運行前必須按規程進行交接試驗，投入運行后需做年度預防性試驗。繼電保護裝置定期校驗是發現和處理各種潛在缺陷的重要手段，對于保障牽引供電系統安全運行必不可少。本文根據自適應阻抗保護裝置的動作特性和現場測試情況，提出通用測試方法和校驗公式，在現場校驗時不必進行完整接線和大量參數設置，可以快速準確地完成阻抗保護測試和校驗，解決牽引變電所微機保護裝置阻抗保護測試存在的問題。