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區分故（gù）障電（diàn）流和諧波（bō）電流（liú）的新方法

摘要：通過分析電力（lì）係（xì）統故障運行狀態和（hé）諧波（bō）運行狀態間存在的差異，提出了區分（fèn）短（duǎn）路電流及諧波電（diàn）流（liú）的方法，通過增加（jiā）控製繼電保護動作的開關量（liàng）信號，有效地改善了電力係統中電流（liú）保護的性能，並用電力（lì）係統仿真軟件PSCAD進行了仿真驗證。

關鍵詞：序分量理論；短路故障；諧波；開關量信（xìn）號；PSCAD

目前，幾（jǐ）乎所有的繼電保護裝置，尤其是量度繼電器，其閥值（zhí）的設置都是基於對各電氣量（liàng），在係統正常運（yùn）行和（hé）故障運行（háng）的兩種不同運行狀態（tài）下，存在（zài）的差別進行分析，並沒（méi）有考慮不正常運行狀態的運行特性。而在實際係統中，常使用頻率測試儀以實（shí）現對故障電流、電壓和不正常運行狀（zhuàng）態時的電流、電壓的區分。然而，隨著電力電子技術的發展，尤其是可控矽技術的應用，使得係統在運行過程中產生大量（liàng）的諧波，對電力係統構（gòu）成（chéng）了嚴重的（de）危害，尤其是給繼電保護等自動化裝置的正常運行造成很（hěn）大的影響。就繼電保護本身而言，它區分故障狀態和由諧波引起的不正常運行狀態的能力很差。可見，如何快速、有效地區分電力係統故障運行（háng）狀態和不正常運（yùn）行狀態，尤其是短路故障和諧波狀態，以實現繼電保護（hù）裝置正確、可靠地動作變得非常重要。

1 係統在不正常運行狀（zhuàng）態（諧波（bō））和故障運行狀態（短路）時的主要（yào）特征

1.1 不正常運行狀態（tài）（諧波）時（shí）係統的主要特征（zhēng）

在一個平衡的三相係統中，單頻率諧波分量隻能是完全正序（xù）的，或完全零序的（de），或完全負序的（de），這一點可（kě）以從相（xiàng）電流的傅裏葉級數（shù）展開（kāi）式中看出，並且可以得出下述結果：

•基波以及4次、7次、……諧波（bō）是正序的；

•2次、5次、8次、……諧波是負（fù）序的；

•3倍數次（3次、6次、9次、……）諧（xié）波是零序（xù）的。

需要（yào）指出的是：

•如（rú）果存（cún）在諧波，那麽即使係統是平衡的，也存在零序和負序電流；

•由於（yú）平衡的3倍數次諧波電流是零序（xù）的，因此不能流入三（sān）角形連接電路中或中性點不接地的星（xīng）形聯結（jié）電路中。

1.2 故（gù）障運行狀態（短路）時係統的主要特征

單相短路（lù）接地：假設係統在f點發生a相單相短路接地故障時，其（qí）故障時轉換為ａ相電流的各序分量的邊界條件為：流過f點處各序電流大小相（xiàng）等，方向相同。

兩相相間短路（lù）：假（jiǎ）設係統在f點發生b、c兩相相間（jiān）短路，則其故障時轉換為ａ相電流的各序分量（liàng）的邊界條件為：流過f點處的零序電流為零；負序分量和正序分量大小相等，且方向相反。

兩（liǎng）相接地短路（lù）：假（jiǎ）設係統在f點發生b、c兩相接地短路，則其故障時轉（zhuǎn）換為ａ相電流各序（xù）分量（liàng）的邊界條件為：流過f點（diǎn）的各序電流分（fèn）量的矢量和為零。

三相短路：假設係統在f點發生a、b、c三相接（jiē）地短路，則其故障（zhàng）時轉（zhuǎn）換為ａ相電流各序（xù）分量的邊界（jiè）條件為：流過（guò）f點的（de）負序（xù）電流和零序電流為零，而正序電流與f點處的係統電流（liú）大小相等方向相同。

2 區分（fèn）不正常運行狀態（諧波（bō））和故障運（yùn）行狀態（短路）的方法

根據（jù）上（shàng）述分析，可以得（dé）出係統運行在不同工況時，回路中相序電流的特征，從而得出圖1所示一種可以區分係統不正常運行狀態（諧波）和故障運行狀態（短路）的方法。

圖1 區分係統不正（zhèng）常運行狀態（諧波（bō））和故（gù）障運行狀（zhuàng）態（短路）的（de）方法
I1為正序電流；I2為負序電流；I0為零序電流；I為係（xì）統電流

3 繼電（diàn）保護性能的改善及計算機仿（fǎng）真

由前述（shù）可見，通過比較（jiào）係統中存在的相序電流，即（jí）可達到區分各（gè）次諧波及各類短路故障的目的。進一步說，可以將（jiāng）繼電（diàn）保護裝置中，測量比較環節和邏輯判斷環節中的開關量控製信（xìn）號，由原來（lái）的一個（gè）（基波電流（liú）或基波電壓比較信號）增加（jiā）為兩個，即：

•區分係統（tǒng）正常運行狀態和（hé）故障運行狀態（短路）的開關量信（xìn）號，即以基波電（diàn）流（liú）為整定參考值的閥值信號；

•區分係統（tǒng）不正（zhèng）常運行狀態（諧波）和故（gù）障運行狀態（短路）的開關量信號，即以各序電流間的相互比較為參考的判斷信號。

也就是說，繼電保護裝置在以（yǐ）下兩種情況才會動作：

•係統中發生某種短路故（gù）障，且當故障（zhàng）電（diàn）流超過（guò）整定的閥值電流時，保護動作（zuò）；

•係統由於某（mǒu）種原因存在某次諧波，且當該（gāi）次諧波的（de）諧波含量超（chāo）過規定值時，保護動作。

以天津市（shì）某大（dà）型企業的配電係統為例，圖2為天津某公司配電係統的等值電路。

圖（tú）2

圖2 天津鋼管（guǎn）有限責任公司配電係（xì）統的等值電路
假設，10kV母線出線端的電流保護（hù）B1、B2的動作閥值為Iz=1200A，B2為電力電子開關。當B支（zhī）路在負荷端發生短路故障，該線路電流增加，使得母線電（diàn）壓（yā）下降，此時K閉合，無功補償裝置作用補償母線電壓（yā）。經計算，由於無功（gōng）補（bǔ）償的使用，會給（gěi）正常（cháng）運行（háng）的係統帶來一定的（de）諧波汙染，以5次諧波為主

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式中（zhōng）L1、L2、L3——支路A、B線路及其負荷的等效感抗；

L0——無功補（bǔ）償裝置（zhì）的等效感抗；

C——無（wú）功補償裝置（zhì）的等效容抗。

然（rán）而，在無功補償裝置補償母線電（diàn）壓的（de）同時，它所引起的5次諧波使A支（zhī）路（非故障線路）的電流瞬時增加，計算（suàn）可得5次諧波作用下，流過A支路的電流*大值為：IAmax=1588.6A>1200A，此時電流保護B1動作，從而擴大了事故的（de）範圍。圖3為諧波作（zuò）用下支路A電流和繼（jì）電保護動作狀態仿真圖。

圖3 諧波作用（yòng）下的電流和（hé）繼電保護（hù）動（dòng）作狀態仿真圖
如果將上（shàng）述的（de）可區分故障電（diàn）流和諧波（bō）電（diàn）流的方法運用到（dào）此係統中，即如（rú）前（qián）所述（shù）將繼（jì）電保（bǎo）護裝置中，測量比較環（huán）節和邏輯判斷環節（jiē）中（zhōng）的開關量控製信號，由原來的一（yī）個（基波電流（liú）或基波電壓比較信號）增（zēng）加為（wéi）兩個，其邏輯（jí）關係如圖4所示。

圖4 繼電保（bǎo）護（hù）裝置邏輯判（pàn）斷環節的邏輯關（guān）係圖
假設（shè），10kV母線出線端的電流保護B1、B2的（de）動作閥值仍然（rán）為Iz=1200A，K為電力電（diàn）子開關（guān），此時設置諧波含量的（de）比較值，即當諧波（bō）電流占係（xì）統電流的比值大於30%時，繼電保護（hù）跳閘（zhá），否則不跳。

繼電保護根據是否有諧波導致的電流決（jué）定是否動作，且通（tōng）過此（cǐ）種方（fāng）法可以得（dé）知（zhī）此次（cì）的繼電保護跳閘，是由係統中存在的某次（cì）的諧波電流含量引起的，而不是由於故障電流導（dǎo）致的。

此種方法的實施，同樣不會影響係（xì）統某支路僅發生故障時繼電保護裝置的（de）動作（zuò）。

將相序分量理論應用到區（qū）分電力係統故障運行狀態和不正常（cháng）運行（háng）狀態中，找（zhǎo）出了一種可以正確區分兩者（zhě），尤其是諧波電流和（hé）短路故障電流（liú）的（de）方法；

增加（jiā）繼（jì）電保護裝置的邏輯判斷環節中的控製信號，不但沒有影（yǐng）響係統中的繼電保護裝置，而且還可以實現對係（xì）統不正常運行狀態（諧波）和故障狀態（短路）的區別，且仿（fǎng）真結果與理論分析（xī）一（yī）致。

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