阻抗保護檢驗中應注意的問題

高艷萍，常風然

(1.國網河北省電力公司培訓中心，石家莊　050021；2.國網河北省電力公司，石家莊　050021)

?

阻抗保護檢驗中應注意的問題

高艷萍1，常風然2

(1.國網河北省電力公司培訓中心，石家莊050021；2.國網河北省電力公司，石家莊050021)

摘要：針對阻抗保護定值檢驗在檢修工作的重要性，從阻抗保護檢驗的基本原理出發(fā)，提出在接地阻抗的檢驗中，要特別注意零序補償系數的表達方式，其相角不是線路正序或零序阻抗角；模擬相間故障時，電壓、電流的幅值和角度需根據向量圖計算導出等需要注意的常見問題，為基層繼電保護工作者提供借鑒。

關鍵詞：阻抗保護；檢驗；補償系數；故障

0引言

由阻抗測量原理構成的距離保護、阻抗保護是輸電線路和高壓變壓器上極為重要的保護。無論是作為中低壓輸電線路的主保護、后備保護的距離保護，還是作為高壓和超高壓變壓器后備保護的阻抗保護，其本質均是阻抗測量，測量阻抗大小正比于故障點到保護安裝處的距離。隨著微機保護及微機型繼電保護測試儀的普及應用，阻抗保護定值已實現自動化檢驗，大大減輕了繼電保護的現場檢修工作量[1]。如此，長期積累，許多基層繼電保護工作者對阻抗保護的檢驗技術不掌握，對繼電保護測試儀提供的定值檢驗自動菜單口手動菜單檢驗，理解不夠透徹。作為重要保護的定值檢驗，在保護檢測、故障后檢驗、診斷性試驗等非常規(guī)作業(yè)時，是不可或缺的技能[2]。而且，即便是應用測試儀提供的自動測試功能，需要清楚其物理含義，才能準確檢驗，才能更好地理解阻抗保護的原理和特性。

1阻抗保護檢驗的基本參量

阻抗保護檢驗時，要求0.95倍動作，1.05倍不動作。根據阻抗保護的基本原理，阻抗定值檢驗時，需知道其阻抗值(電阻、電抗值)、阻抗角、補償系數等，根據需檢驗的定值計算出母線處的殘壓、通入的電流及相位。

母線殘壓的計算公式為：

UMφ=UKφ+(Iφ+K×3×I0)×Z1

(1)

式中：φ為U、V、W相；UMφ為該相母線的殘壓；UKφ為該相故障點的電壓；Iφ為該相電流；I0為零序電流；Z1、Z0為故障點至保護安裝處正序、零序阻抗；K為零序阻抗補償系數，K=(Z0-Z1)/(3×Z1)。

當K點發(fā)生單相金屬性短路時，UKφ=0，則故障相有：

UMφ=(Iφ+K×3×I0)×Z1

(2)

式(1)兩相進行相減，得：

UMφφ=UKφφ+Iφφ×Z1

式中：φφ為UV、VW、WU相間；UMφφ為保護安裝處相間電壓；UKφφ為故障點的相間電壓；Iφφ為兩相電流差。

相間金屬性短路時，UKφφ=0，則兩故障相環(huán)路上有：

UMφφ=Iφφ×Z1

(3)

由式(2)、式(3)知，為正確測量故障點至安裝處的阻抗(距離)，接地阻抗所接電壓、電流分別為：UMφ和(Iφ+K×3×I0)，要特別注意電流量中的K×3×I0；相間阻抗所接電壓、電流分別為：UMφφ和Iφφ。

對于采用電阻、電抗定值的，需注意到零序補償系數等參量間的關系。

K=(Z0-Z1)/(3×Z1)

=((R0+jX0)-(R1+jX1))/(3×Z1)

=((R0-R1)+j(X0-X1)/(3×Z1)

=(Kr×3×R1+jKx×3×X1)/(3×Z1)

=(Kr×R1+jKx×X1)/Z1

(4)

式中：R1、R0為正序、零序電阻；X1、X0為正序、零序電抗；Kr為零序電阻補償系數，Kr=(R0-R1)/(3×R1)；Kx為零序電抗補償系數，Kx=(X0-X1)/(3×X1)。

將式(4)代入式(2)化簡整理后得：

UMφ=(Iφ+Kr×3I0)×R1+j(Iφ+Kx×3I0)×X1

(5)

在實際應用中，如果正序阻抗角與零序阻抗角非常接近，可近似認為零序阻抗角等于正序阻抗角，即X0/R0=X1/R1，此時K成為一實數，將A式(4)整理可得到K、Kr、Kx之間關系如下：

(6)

2接地阻抗的檢驗

接地阻抗可用單相接地故障進行檢驗。單相接地故障時，有Iφ=3×I0，式(2)、式(5)分別變?yōu)椋?/p>

UMφ=(1+K)×Iφ×Z1

(7)

UMφ=((1+Kr)×R1+j(1+Kx)×X1)×Iφ

(8)

2.1圓特性的阻抗保護檢驗

2.1.1自動測試

測試儀根據用戶提供的電流大小、相位、阻抗、K值計算出母線的殘壓來進行阻抗保護檢驗。

選擇阻抗定值校驗，其中故障類型為單相接地，短路電流Iφ可取額定電流，整定阻抗為接地距離整定定值，阻抗角為線路正序靈敏角，整定倍數為整定阻抗的倍數。試驗參數中若故障觸發(fā)方式為時間控制時，故障前時間應確保電壓斷線恢復，故障時間應稍大于該段距離保護的延時。

特別注意的關鍵參量是系統(tǒng)參數中的零序補償系數，應選擇幅值/相角的表達方式，即各公式中的K，其幅值按定值單中給出的數值，相角是指K的角度，因為正序阻抗角與零序阻抗角非常接近，角度相差很小，K值的相角可近似取零度。現場多次發(fā)現因為不理解其含義，將該相角取為線路正序或零序靈敏角，造成母線電壓計算出錯，最終導致阻抗定值校驗出錯。

例如接地整定阻抗為4∠80° Ω,額定電流為1 A，線路正序靈敏角為80°,零序補償系數為0.67∠0°。以U相接地為例，按0.95倍整定阻抗計算，模擬U相故障，測試儀自動算出母線殘壓UU為6.346 V。當零序補償系數取0.67∠80°時，測試儀按0.95倍母線殘壓計算，UU=0.95×(1+K)×Iφ×Z1=0.95×(1+0.67∠80°)×1×4=4.928 V，而實際應為6.346 V，造成測量阻抗為4.928/((1+0.67∠0°)×1)=2.95 Ω，與實際應檢驗的0.95倍整定阻抗3.8 Ω相差甚遠。由于計算殘壓時測試儀按用戶給定的K值0.67∠80°計算，而阻抗測量是保護裝置計算的，保護裝置按0.67∠0°計算，造成測量阻抗明顯偏小。在進行欠量動作試驗時也許還不會注意到，但在進行過量不動試驗時，看起來保護超范圍不正確動作，實則是測試儀設定的K值相角錯誤。

2.1.2手動測試

手動測試時，需設置母線殘壓、短路電流及相位。至少需設置2個狀態(tài)，第1個狀態(tài)為正常狀態(tài)(故障前狀態(tài))，電壓取三相對稱正序；第2個狀態(tài)為故障狀態(tài)，短路電流Iφ可取額定電流，母線殘壓通過式(7)計算，故障時間應稍大于該段阻抗保護的延時。

仍如上例，U相故障時母線殘壓UU=0.95×(1+0.67)×1×4=6.346，IU落后UU的角度為線路正序阻抗角。所以：

第1個狀態(tài)：電壓量UU=57.7∠0°,UV=57.7∠-120°,UW=57.7∠120°；電流為0。

第2個狀態(tài)：電壓量UU=6.346∠0°,UV=57.7∠-120°,UW=57.7∠120°；電流量IU=1∠-80°,IV、IW為0。

裝置應正確動作。

2.2多邊形特性的阻抗保護檢驗

2.2.1自動測試

注意到保護裝置需要的是Kr、Kx，因此測試菜單中選擇零序補償系數的表達方式為電阻、電抗方式，按定值單給定Kr、Kx即可。檢驗接地電阻定值時，可取X1=0或阻抗角0°；檢驗接地電抗定值時，可取R1=0或阻抗角90°；檢驗接地阻抗定值時，阻抗角取線路正序阻抗角。否則，要注意到在不同阻抗角時，定值邊界值是不同的，需根據多邊形的具體特性進行定值折算。

其他檢驗問題與圓特性的阻抗保護檢驗類似。2.2.2手動測試

方法1：采用測試儀手動菜單時，根據式(8)計算出故障后母線殘壓。

仍如上例，給定Kr=1、Kx=0.67，Z1=4∠80° Ω；折算Z1=4×cos80°+j4×sin80°=0.6946+j3.939。按0.95倍整定阻抗計算，這時故障后UU=0.95×((1+1)×4×cos80°+j(1+0.67)×4×sin80°)×1∠ψ=6.387∠78°×1∠ψ，這里的ψ為電流落后電壓的角度。因此第2個狀態(tài)參量中，如以UU為基準設置，UU=6.387∠0°，IU=1∠-78°。其他同上。

方法2：利用K、Kr、Kx之間關系式(6)可以求出K，K=0.68

按0.95倍整定阻抗計算，利用式(7)求出故障后UU=0.95×(1+0.68)×1×4=6.384，所以第2個狀態(tài)為UU=6.384∠0°(以UU為基準)，IU=1∠-80°。可見，方法1和方法2得到的結果基本相同，存在的微誤差是由于正序阻抗角與零序阻抗角并不完全相同帶來的，因此在應用式(6)時引入了角度和幅值差。正序阻抗角與零序阻抗角完全相同時，Kr=Kx，易推得方法1、方法2是完全等同的。

3相間阻抗的檢驗

相間阻抗保護可用兩相故障進行檢驗。這時Iφφ=2×Iφ，式(3)可變?yōu)?/p>

UMφφ=2×Iφ×Z1

(9)

從式(9)已知，相間故障母線殘壓計算與K、Kr、Kx無關，但式(9)計算出的是母線相間電壓UMφφ，而不是母線相電壓Uφ。自動測試時，可由測試儀計算Uφ，但手動測試時仍要由用戶計算出故障時的母線殘壓，這是問題的關鍵。

下面以VW兩相故障為例進行說明。由故障分析知識，當VW兩相故障時，可畫出故障電壓、故障電流相量圖，如圖1所示。

圖1　故障電壓和故障電流的相量示意

ON=0.5×UU；

δ=arctan(0.5UVW/0.5UU)。

UU取正常電壓57.7 V，可計算出UV、UW、δ等。ψL為線路正序阻抗角，IV落后UVWψ角，進而可求得各相量的角度。

例子同上，只是模擬VW兩相短路，IV=-IW，按0.95倍整定阻抗計算，仍以UU為基準，則：

UVW=0.95×IVW×Z1=0.95×2×IV×Z1=0.95×2×1×4=7.6

δ=arctan(0.5×7.6/0.5×57.7)=7.5°

以UU為基準，由圖1可求出故障后UV、UW、IV、IW的角度。

ψUV=-(180°-7.5°)=-172.5°

ψUW=(180°-7.5°)=172.5°

ψIV=-(90°+80°)=-170°

ψW=180°+ψIV=10°

所以第2個狀態(tài)：

電壓量UU=57.7∠0°,UV=29.1∠-172.5°,UW=29.1∠172.5°；

電流量IU=0∠0°,IV=1∠-170°，IW=1∠10°

裝置應正確動作。

4結論

以上就阻抗保護檢驗中的部分問題進行了分析，提出了檢驗注意事項。希望注意到零序補償系數的不同表達方式，注意其幅值和角度的設置，注意到多邊形特性與圓特性的不同，注意到相間故障時母線電壓的計算。阻抗保護檢驗時，應0.95倍靈敏動作，1.05倍可靠不動，0.7倍測量保護動作時間，還應做反方向故障驗證其方向性。特定項目時，還需檢驗其頻率特性、振蕩特性等諸多性能。深刻理解阻抗保護的原理，無論其特性如何變化，總能找到合適的檢驗手段進行試驗，這是檢驗工作中最需要注意的問題。

參考文獻：

[1]韓笑，趙景峰，邢素娟. 電網微機保護測試技術[M]. 北京：中國水利水電出版社，2005.

[2]DL/T 995-2006，繼電保護及電網安全自動裝置檢驗規(guī)程[S].

本文責任編輯：齊勝濤

Announcements During Impedance Protection Test

Gao Yanping1,Chang Fengran2

(1.State Grid Hebei Electric Power Training Center,Shijiazhuang 050021,China;2.State Grid Hebei Electric Power Cooperation,Shijiazhuang 050021,China)

Abstract:On the importance of impedance protection setting test in the maintenance work,starting from the basic principle of impedance protection test,some common problems are put forward.In the test of the grounding impedance,paying special attention to the zero sequence compensating coefficient expression,its phase angle is not positive sequence or zero sequence impedance Angle.In the test of the phase-phase fault,amplitude and Angle of voltage and current should be calculated according to vector diagram,etc.These provide reference for grassroots relay protection workers.

Key words:impedance protection;test;compensation coefficient;fault

收稿日期：2016-02-11

作者簡介：高艷萍(1966-)，女，高級講師，主要從事繼電保護培訓工作。

中圖分類號：TM774

文獻標志碼：A

文章編號：1001-9898(2016)03-0007-04