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區分故障電流和諧波（bō）電流（liú）的（de）新方法

摘要（yào）：通過分析電力係統故障運行狀態和諧波運行狀（zhuàng）態間存在的差異，提出了區分短路電流及諧波電流的方法，通過增加控製繼（jì）電保護（hù）動作的開關量信（xìn）號（hào），有效地改善了（le）電力係統中電流保護（hù）的性能，並用電力係統仿真軟件PSCAD進行了（le）仿（fǎng）真驗證。

關鍵詞：序分（fèn）量理論；短路故障；諧波；開關量信號；PSCAD

目前，幾乎所有的繼電保護裝置，尤其是量度繼電器，其閥值的設置都是基於對各（gè）電氣量，在係（xì）統正（zhèng）常運行和故障運行的兩種（zhǒng）不同運行狀態下，存在（zài）的差別（bié）進行分析，並沒有考慮不正（zhèng）常運行狀態的運行特性。而在實際係統中，常使用（yòng）頻率測試儀以（yǐ）實現對故障電流、電壓和不正（zhèng）常（cháng）運行狀態時的電流、電壓的區分。然而，隨著電力電子技術的發展，尤（yóu）其（qí）是可控矽技（jì）術的應用，使得（dé）係統在運行過程中產生大量的諧（xié）波（bō），對電力係統構成（chéng）了嚴重的危害，尤（yóu）其是給繼電（diàn）保護等自動化裝置的正常運行造成很大的影（yǐng）響。就（jiù）繼（jì）電保（bǎo）護本（běn）身而言，它區分故障（zhàng）狀態和由（yóu）諧波引起的不正常運行狀態的能力很差。可見，如何快速、有（yǒu）效（xiào）地區分電力係統故障運行狀態和不正常（cháng）運行狀態，尤其是（shì）短路故障和諧波狀態，以實現繼電（diàn）保護裝置正確、可靠地動作變得非常重要。

1 係統（tǒng）在不正常（cháng）運行（háng）狀態（諧波）和故障運行狀態（短路）時的主要特征

1.1 不正常運行狀（zhuàng）態（諧波（bō））時係統的主要特征

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

•基波以及4次、7次（cì）、……諧波是正（zhèng）序的；

•2次、5次、8次、……諧波是負序的；

•3倍數次（3次、6次、9次、……）諧波（bō）是零（líng）序的。

需要指（zhǐ）出（chū）的是：

•如果存在諧波，那麽即使係統（tǒng）是平（píng）衡的，也存在零序和負（fù）序電流；

•由於平衡的3倍數次諧波電（diàn）流是零序的，因此不（bú）能流入三角形連（lián）接電路中或中性點不接地（dì）的星形聯結電路中。

1.2 故障（zhàng）運行狀態（短路）時係統的主要（yào）特征

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

兩相相間短路：假（jiǎ）設係統在f點發生（shēng）b、c兩（liǎng）相相間短路，則（zé）其（qí）故障時轉換為（wéi）ａ相電流的各序分量的邊界條件為：流過f點（diǎn）處的（de）零序電流為零；負序分量和正序分量大小相等，且方向相反。

兩相接地短路（lù）：假設係統在f點發生b、c兩相（xiàng）接地短路，則其故障時轉換為ａ相電（diàn）流各序分量的邊界條件為：流過f點的各序電流分量的（de）矢量和為零。

三相短路：假設係（xì）統在f點發生a、b、c三相接地短路，則其故障時轉換（huàn）為ａ相電流各（gè）序分量（liàng）的邊界（jiè）條（tiáo）件為：流過f點的負（fù）序電流和零序電（diàn）流為零（líng），而（ér）正序電流與f點處的係統電流大小相等方向相同（tóng）。

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

根據（jù）上述分（fèn）析，可以得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（chū）圖1所（suǒ）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（fǎ）。

圖1 區分係統不正常運行狀態（諧波）和故障運行狀態（短（duǎn）路）的方法
I1為正序電流；I2為負序電流；I0為零（líng）序電流；I為（wéi）係統電流

3 繼電（diàn）保護性能的改（gǎi）善及（jí）計算機仿真

由前述可（kě）見，通過比較係統中存在的（de）相序電流，即可達到區分各次諧波及（jí）各類短路故障（zhàng）的目的。進一步說，可以將繼電（diàn）保護裝置中，測量比較環節（jiē）和邏輯判斷環節中的開關量控製信號，由原來的一個（gè）（基（jī）波電（diàn）流或基波電（diàn）壓比（bǐ）較（jiào）信號）增加（jiā）為兩個，即：

•區分係統（tǒng）正常運行狀態和故障（zhàng）運行狀態（短（duǎn）路）的（de）開（kāi）關量信號，即以基波電流為整定參（cān）考值的閥值信號；

•區分係統不正常運行狀態（諧波）和故障運行（háng）狀態（短路（lù））的開（kāi）關量信號，即以各序電流間（jiān）的相互比較為參考的判斷信號。

也就是說，繼電保護（hù）裝（zhuāng）置在以下（xià）兩（liǎng）種情況才會（huì）動作：

•係統中發生某（mǒu）種短路故障（zhàng），且當故障電流超過整定的閥值電流（liú）時，保護動作；

•係統（tǒng）由於某（mǒu）種原因存在某次（cì）諧（xié）波，且當該（gāi）次諧波的諧波（bō）含量超（chāo）過（guò）規定值時，保護動作。

以天津市某大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2 天津鋼管有限（xiàn）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B1、B2的動（dòng）作閥值為Iz=1200A，B2為電力電子開關。當B支路在負荷端發生短路故（gù）障，該線路電流增加（jiā），使得母線電壓下降，此時（shí）K閉（bì）合，無功補償裝置作用（yòng）補償母線電壓（yā）。經計算，由（yóu）於無功補償的（de）使用，會給正常運行的係統帶來一定的諧波汙染，以（yǐ）5次（cì）諧波（bō）為主

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式中L1、L2、L3——支路A、B線（xiàn）路及其負荷的等效感抗；

L0——無功補償裝置的等（děng）效感（gǎn）抗；

C——無功補償裝（zhuāng）置（zhì）的等效容抗。

然而，在無功補償裝置（zhì）補償母線電壓的同時，它所引起的5次諧波使A支路（非故障線路）的電流瞬時增加，計算可得5次諧波作用（yòng）下，流過A支路的電（diàn）流*大值為：IAmax=1588.6A>1200A，此時電流保護B1動作，從而擴大（dà）了事故的範圍。圖3為諧波作用下支路A電流和繼電保護動作狀態仿真圖。

圖3 諧（xié）波作用下的電流和（hé）繼電保護動作狀態仿（fǎng）真圖
如（rú）果將上述的可區分故障電（diàn）流和諧波電流的方法運用到此係統中（zhōng），即如前所述將繼電保護裝置（zhì）中，測量比較環節和邏輯判斷環節中的（de）開關量控製信號（hào），由原來的一個（基（jī）波電流或基波電壓比較信號）增加為兩個，其邏輯關係如圖4所（suǒ）示。

圖4 繼電保護裝置邏輯判斷（duàn）環節的邏輯關係圖
假設，10kV母線出線端的（de）電流保護B1、B2的動作閥值仍然為Iz=1200A，K為電力電子開關，此時（shí）設置諧波含量的比較值（zhí），即當諧波電（diàn）流占係統電流的比值大於（yú）30%時，繼電保護跳閘，否則不跳。

繼電保護根（gēn）據是否有諧波（bō）導致的電流決定是否動作，且通過此種方法可以得知（zhī）此次（cì）的繼電保護跳閘（zhá），是由係（xì）統中存在的某次的諧波電流含量引（yǐn）起的，而（ér）不是由於故障電流導致（zhì）的。

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

將相序分量理（lǐ）論應用到區（qū）分電（diàn）力係統故障運行（háng）狀態和不正常運行狀（zhuàng）態中，找出了一種可以正確區分兩者，尤其是諧波（bō）電（diàn）流和短路故障電流的方法；

增加繼電保護裝置的邏輯判斷環節中的控製信號（hào），不但（dàn）沒有影響（xiǎng）係統中的（de）繼電保護裝置，而且（qiě）還可以實現對係統不正常運行狀態（諧波）和（hé）故（gù）障狀態（tài）（短路）的區別，且仿真結果與理論分析一致。

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